Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Abstract Therapeutic blockade of co-inhibitory immune receptors PD-1 and CTLA-4 has revolutionized oncology, but treatments are limited by immune-related adverse events (IRAEs). IRAE Colitis (irColitis) is the most common, severe IRAE affecting up to 25% of patients on dual PD-1 and CTLA-4 inhibition. Here, we present a systems biology approach to define the cell populations and transcriptional programs driving irColitis. We collected paired colon mucosal biopsy and blood specimens from 13 patients with irColitis, 8 healthy individuals, and 8 controls on immune checkpoint inhibitors (ICIs), and analyzed them with single-cell/nuclei RNA sequencing with paired TCR and BCR sequencing, multispectral fluorescence microscopy, and secreted factor analysis (Luminex). We profiled 299,407 cells from tissue and blood and identified 105 cell subsets that revealed significant tissue remodeling in active disease. Colon mucosal immune populations were dominated by tissue-resident memory (T RM ) ITGAE -expressing CD8 T cells representing a phenotypic spectrum defined by gene programs associated with T cell activation, cytotoxicity, cycling, and exhaustion. CD8 T RM and effector CD4 T cells upregulated type 17 immune programs ( IL17A, IL26 ) and Tfh-like programs ( CXCL13, PDCD1 ). We also identified for the first time an increased abundance of two KLRG1 and ITGB2 -expressing CD8 T cell populations with circulatory cell markers, including a GZMK T RM -like population and a CX3CR1 population that is predicted to be intravascular. These two populations were more abundant in irColitis patients treated with dual PD-1/CTLA-4 inhibition than those receiving anti-PD-1 monotherapy. They also had significant TCR sharing with PBMCs, suggesting a circulatory origin. In irColitis we observed significant epithelial turnover marked by fewer LGR5 -expressing stem cells, more transit amplifying cells, and upregulation of apoptotic and DNA-sensing programs such as the cGAS-STING pathway. Mature epithelial cells with top crypt genes upregulated interferon-stimulated pathways, CD274 (PD-L1), anti-microbial genes, and MHC-class II genes, and downregulated aquaporin and solute-carrier gene families, likely contributing to epithelial cell damage and absorptive dysfunction. Mesenchymal remodeling was defined by increased endothelial cells, both in irColitis patients and specifically in patients on dual PD-1/CTLA-4 blockade. Cell-cell communication analysis identified putative receptor-ligand pairs that recruit CD8 T cells from blood to inflamed endothelium and positive feedback loops such as the CXCR3 chemokine system that retain cells in tissue. This study highlights the cellular and molecular drivers underlying irColitis and provides new insights into the role of CTLA-4 and PD-1 signaling in maintaining CD8 T RM homeostasis, regulating CD8 T recruitment from blood, and promoting epithelial-immune crosstalk critical to gastrointestinal immune tolerance and intestinal barrier function.

Abstract Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd patients. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across patient tumors and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage, and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T-cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we thus reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Cancer immunotherapy with checkpoint blockade (CPB) leads to improved outcomes in melanoma and other tumor types, but a majority of patients do not respond. High tumor mutation burden (TMB) and high levels of tumor-infiltrating T cells have been associated with response to immunotherapy, but integrative models to predict clinical benefit using DNA or RNA alone have not been comprehensively explored. We sequenced DNA and RNA from melanoma patients receiving CPB, and aggregated previously published data, yielding whole exome sequencing data for 189 patients and bulk RNA sequencing data for 178 patients. Using these datasets, we derived genomic and transcriptomic factors that predict overall survival (OS) and response to immunotherapy. Using whole-exome DNA data alone, we calculated T cell burden (TCB) and B cell burden (BCB) based on rearranged TCR/Ig DNA sequences and found that patients whose melanomas have high TMB together with either high TCB or high BCB survived longer and had higher response rates as compared to patients with either low TMB or TCB/BCB. Next, using bulk RNA-Seq data, differential expression analysis identified 83 genes associated with high or low OS. By combining pairs of immune-expressed genes with tumor-expressed genes, we identified three gene pairs associated with response and survival (Bonferroni P <0.05). All three gene pair models were validated in an independent cohort (n=180) (Bonferroni P <0.05). The best performing gene pair model included the lymphocyte-expressed MAP4K1 (Mitogen- Activated Protein Kinase Kinase Kinase Kinase 1) combined with the transcription factor TBX3 (T-Box Transcription Factor 3) which is overexpressed in poorly differentiated melanomas. We conclude that RNA-based ( MAP4K1 & TBX3 ) or DNA-based (TCB&TMB) models combining immune and tumor measures improve predictions of outcome after checkpoint blockade in melanoma.

A central problem in cancer immunotherapy with immune checkpoint blockade (ICB) is the development of resistance, which affects 50% of patients with metastatic melanoma 1,2 . T cell exhaustion, resulting from chronic antigen exposure in the tumour microenvironment, is a major driver of ICB resistance 3 . Here, we show that CD38, an ecto-enzyme involved in nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) catabolism, is highly expressed in exhausted CD8 + T cells in melanoma and is associated with ICB resistance. Tumour-derived CD38 hi CD8 + T cells are dysfunctional, characterised by impaired proliferative capacity, effector function, and dysregulated mitochondrial bioenergetics. Genetic and pharmacological blockade of CD38 in murine and patient-derived organotypic tumour models (MDOTS/PDOTS) enhanced tumour immunity and overcame ICB resistance. Mechanistically, disrupting CD38 activity in T cells restored cellular NAD + pools, improved mitochondrial function, increased proliferation, augmented effector function, and restored ICB sensitivity. Taken together, these data demonstrate a role for the CD38-NAD + axis in promoting T cell exhaustion and ICB resistance, and establish the efficacy of CD38 directed therapeutic strategies to overcome ICB resistance using clinically relevant, patient-derived 3D tumour models.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are widely used anti-cancer therapies that can cause morbid and potentially fatal immune-related adverse events (irAEs). ICI-related myocarditis (irMyocarditis) is uncommon but has the highest mortality of any irAE. The pathogenesis of irMyocarditis and its relationship to anti-tumor immunity remain poorly understood. We sought to define immune responses in heart, tumor, and blood during irMyocarditis and identify biomarkers of clinical severity by leveraging single-cell (sc)RNA-seq coupled with T cell receptor (TCR) sequencing, microscopy, and proteomics analysis of 28 irMyocarditis patients and 23 controls. Our analysis of 284,360 cells from heart and blood specimens identified cytotoxic T cells, inflammatory macrophages, conventional dendritic cells (cDCs), and fibroblasts enriched in irMyocarditis heart tissue. Additionally, potentially targetable, pro-inflammatory transcriptional programs were upregulated across multiple cell types. TCR clones enriched in heart and paired tumor tissue were largely non-overlapping, suggesting distinct T cell responses within these tissues. We also identify the presence of cardiac-expanded TCRs in a circulating, cycling CD8 T cell population as a novel peripheral biomarker of fatality. Collectively, these findings highlight critical biology driving irMyocarditis and putative biomarkers for therapeutic intervention.

As the largest branch of the autonomic nervous system, the enteric nervous system (ENS) controls the entire gastrointestinal tract, but remains incompletely characterized. Here, we develop RAISIN RNA-seq, which enables the capture of intact single nuclei along with ribosome-bound mRNA, and use it to profile the adult mouse and human colon to generate a reference map of the ENS at a single-cell resolution. This map reveals an extraordinary diversity of neuron subsets across intestinal locations, ages, and circadian phases, with conserved transcriptional programs that are shared between human and mouse. These data suggest possible revisions to the current model of peristalsis and molecular mechanisms that may allow enteric neurons to orchestrate tissue homeostasis, including immune regulation and stem cell maintenance. Human enteric neurons specifically express risk genes for neuropathic, inflammatory, and extra-intestinal diseases with concomitant gut dysmotility. Our study therefore provides a roadmap to understanding the ENS in health and disease.