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.

Neuroimmune interactions have emerged as critical modulators of allergic inflammation, and type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) are an important cell type for mediating these interactions. Here, we show that ILC2s expressed both the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP) and its receptor. CGRP potently inhibited alarmin-driven type 2 cytokine production and proliferation by lung ILC2s both in vitro and in vivo. CGRP induced marked changes in ILC2 expression programs in vivo and in vitro, attenuating alarmin-driven proliferative and effector responses. A distinct subset of ILCs scored highly for a CGRP-specific gene signature after in vivo alarmin stimulation, suggesting CGRP regulated this response. Finally, we observed increased ILC2 proliferation and type 2 cytokine production as well as exaggerated responses to alarmins in mice lacking the CGRP receptor. Together, these data indicate that endogenous CGRP is a critical negative regulator of ILC2 responses in vivo.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal and treatment-refractory cancer. Molecular stratification in pancreatic cancer remains rudimentary and does not yet inform clinical management or therapeutic development. Here, we construct a high-resolution molecular landscape of the cellular subtypes and spatial communities that compose PDAC using single-nucleus RNA sequencing and whole-transcriptome digital spatial profiling (DSP) of 43 primary PDAC tumor specimens that either received neoadjuvant therapy or were treatment naive. We uncovered recurrent expression programs across malignant cells and fibroblasts, including a newly identified neural-like progenitor malignant cell program that was enriched after chemotherapy and radiotherapy and associated with poor prognosis in independent cohorts. Integrating spatial and cellular profiles revealed three multicellular communities with distinct contributions from malignant, fibroblast and immune subtypes: classical, squamoid-basaloid and treatment enriched. Our refined molecular and cellular taxonomy can provide a framework for stratification in clinical trials and serve as a roadmap for therapeutic targeting of specific cellular phenotypes and multicellular interactions.

Interleukin-27 (IL-27) is an immunoregulatory cytokine that suppresses inflammation through multiple mechanisms, including induction of IL-10, but the transcriptional network mediating its diverse functions remains unclear. Combining temporal RNA profiling with computational algorithms, we predict 79 transcription factors induced by IL-27 in T cells. We validate 11 known and discover 5 positive (Cebpb, Fosl2, Tbx21, Hlx, and Atf3) and 2 negative (Irf9 and Irf8) Il10 regulators, generating an experimentally refined regulatory network for Il10. We report two central regulators, Prdm1 and Maf, that cooperatively drive the expression of signature genes induced by IL-27 in type 1 regulatory T cells, mediate IL-10 expression in all T helper cells, and determine the regulatory phenotype of colonic Foxp3+ regulatory T cells. Prdm1/Maf double-knockout mice develop spontaneous colitis, phenocopying ll10-deficient mice. Our work provides insights into IL-27-driven transcriptional networks and identifies two shared Il10 regulators that orchestrate immunoregulatory programs across T helper cell subsets.

CD137 (4-1BB) is a member of the TNFR superfamily that represents a promising target for cancer immunotherapy. Recent insights into the function of TNFR agonist antibodies implicate epitope, affinity, and IgG subclass as critical features, and these observations help explain the limited activity and toxicity seen with clinically tested CD137 agonists. Here, we describe the preclinical characterization of CTX-471, a fully human IgG4 agonist of CD137 that engages a unique epitope that is shared by human, cynomolgus monkey, and mouse and is associated with a differentiated pharmacology and toxicology profile. In vitro, CTX-471 increased IFN-γ production by human T cells in an Fcγ receptor–dependent (FcγR-dependent) manner, displaying an intermediate level of activity between 2 clinical-stage anti-CD137 antibodies. In mice, CTX-471 exhibited curative monotherapy activity in various syngeneic tumor models and showed a unique ability to cure mice of very large (~500 mm3) tumors compared with validated antibodies against checkpoints and TNFR superfamily members. Extremely high doses of CTX-471 were well tolerated, with no signs of hepatic toxicity. Collectively, these data demonstrate that CTX-471 is a unique CD137 agonist that displays an excellent safety profile and an unprecedented level of monotherapy efficacy against very large tumors.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a treatment-refractory disease. Characterizing PDAC by mRNA profiling remains particularly challenging. Previously identified bulk expression subtypes were influenced by contaminating stroma and have not yet informed clinical management, whereas single cell RNA-seq (scRNA-seq) of fresh tumors under-represented key cell types. Here, we developed a robust single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) technique for frozen archival PDAC specimens and used it to study both untreated tumors and those that received neoadjuvant chemotherapy and radiotherapy (CRT). Gene expression programs learned across untreated malignant cell and fibroblast profiles uncovered a clinically relevant molecular taxonomy with improved prognostic stratification compared to prior classifications. Moreover, in the increasingly-adopted neoadjuvant treatment context, there was a depletion of classical-like phenotypes in malignant cells in favor of basal-like phenotypes associated with TNF-NFkB and interferon signaling as well as the presence of novel acinar and neuroendocrine classical-like states, which may be more resilient to cytotoxic treatment. Spatially-resolved transcriptomics revealed an association between malignant cells expressing these basal-like programs and higher immune infiltration with increased lymphocytic content, whereas those exhibiting classical-like programs were linked to sparser macrophage-predominant microniches, perhaps pointing to susceptibility to distinct therapeutic strategies. Our refined molecular taxonomy and spatial resolution can help advance precision oncology in PDAC through informative stratification in clinical trials and insights into differential therapeutic targeting leveraging the immune system.

Intestinal IL-17-producing T helper (Th17) cells are dependent on adherent microbes in the gut for their development. However, how microbial adherence to intestinal epithelial cells (IECs) promotes Th17 cell differentiation remains enigmatic. Here, we found that Th17 cell-inducing gut bacteria generated an unfolded protein response (UPR) in IECs. Furthermore, subtilase cytotoxin expression or genetic removal of X-box binding protein 1 (Xbp1) in IECs caused a UPR and increased Th17 cells, even in antibiotic-treated or germ-free conditions. Mechanistically, UPR activation in IECs enhanced their production of both reactive oxygen species (ROS) and purine metabolites. Treating mice with N-acetyl-cysteine or allopurinol to reduce ROS production and xanthine, respectively, decreased Th17 cells that were associated with an elevated UPR. Th17-related genes also correlated with ER stress and the UPR in humans with inflammatory bowel disease. Overall, we identify a mechanism of intestinal Th17 cell differentiation that emerges from an IEC-associated UPR.

Abstract Unleashing cytotoxic CD8 + T cells for effective cancer treatment requires understanding T cell states across different tumor microenvironments. Here, we developed an algorithm to recover both shared and tumor type specific programs and used it to analyze a scRNA-seq compendium of 38,852 CD8 + T cells from 141 patients spanning nine different human cancers. We uncovered a pan-cancer T cell dysfunction program that was predictive of clinical responses to immunotherapy and highlighted CXCR6 as a pan-cancer marker of dysfunctional T cells. In mouse models, CXCR6 increased following checkpoint blockade and was repressed by TCF1. Its ligand, CXCL16, was expressed primarily by myeloid cells, and was co-regulated with antigen presentation genes. CXCR6 deletion decreased Tox, CX3CR1, and Bcl2 expression, predisposing dysfunctional PD-1 + Tim3 + CD8 + T cells to apoptosis, and compromising tumor growth control. Our approach discovered a TCF1:CXCR6-CXCL16 regulatory axis essential for effective anti-tumor immunity, revealing a new perspective on T cell dysfunction and new opportunities for modulating this cell state.

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.

Abstract The balance between T helper type 1 (Th1) cells and other Th cells is critical for antiviral and anti-tumor responses, but how this fine balance is achieved remains poorly understood. Here, we dissected the dynamic regulation of Th1 cell differentiation during in vitro polarization, as well as in vivo differentiation upon acute viral infection, using scRNA-seq and multiple in vitro and in vivo CRISPR screens. We confirmed the role of known regulators and identified 5 novel regulators for Th1 differentiation. Among the novel regulators the neuropeptide receptor RAMP3, which is a component of the receptor for calcitonin gene-related peptide (CGRP), plays a cell-intrinsic role in Th1 cell-fate determination. Using a unique Th1/Th2 dichotomous culture system, we identified that RAMP3-CGRP interaction directly restricted the differentiation of Th2 cells but promoted Th1 differentiation through activation of downstream cyclic AMP (cAMP) signaling in T cells. Mechanistically, RAMP3 and cAMP signaling resulted in global changes in chromatin accessibility, blocking Th2 genes and specific induction of Th1 programs through activation of IFNγ-STAT1 pathway. Furthermore, both CGRP and RAMP3 were required for inducing effective anti-viral T cell responses to control acute viral infection. Our work reveals a novel neuro-immune circuit in which tissue itself participates in T cell fate determination by producing a neuropeptide during acute viral infection, which acts on RAMP3 expressing T cells to induce an effective anti-viral Th1 response.