PD-1 blockade unleashes CD8 T cells1, including those specific for mutation-associated neoantigens (MANA), but factors in the tumour microenvironment can inhibit these T cell responses. Single-cell transcriptomics have revealed global T cell dysfunction programs in tumour-infiltrating lymphocytes (TIL). However, the majority of TIL do not recognize tumour antigens2, and little is known about transcriptional programs of MANA-specific TIL. Here, we identify MANA-specific T cell clones using the MANA functional expansion of specific T cells assay3 in neoadjuvant anti-PD-1-treated non-small cell lung cancers (NSCLC). We use their T cell receptors as a 'barcode' to track and analyse their transcriptional programs in the tumour microenvironment using coupled single-cell RNA sequencing and T cell receptor sequencing. We find both MANA- and virus-specific clones in TIL, regardless of response, and MANA-, influenza- and Epstein-Barr virus-specific TIL each have unique transcriptional programs. Despite exposure to cognate antigen, MANA-specific TIL express an incompletely activated cytolytic program. MANA-specific CD8 T cells have hallmark transcriptional programs of tissue-resident memory (TRM) cells, but low levels of interleukin-7 receptor (IL-7R) and are functionally less responsive to interleukin-7 (IL-7) compared with influenza-specific TRM cells. Compared with those from responding tumours, MANA-specific clones from non-responding tumours express T cell receptors with markedly lower ligand-dependent signalling, are largely confined to HOBIThigh TRM subsets, and coordinately upregulate checkpoints, killer inhibitory receptors and inhibitors of T cell activation. These findings provide important insights for overcoming resistance to PD-1 blockade.

Low-dose human interleukin-2 (hIL-2) treatment is used clinically to treat autoimmune disorders due to the cytokine's preferential expansion of immunosuppressive regulatory T cells (Tregs). However, off-target immune cell activation and short serum half-life limit the clinical potential of IL-2 treatment. Recent work showed that complexes comprising hIL-2 and the anti-hIL-2 antibody F5111 overcome these limitations by preferentially stimulating Tregs over immune effector cells. Although promising, therapeutic translation of this approach is complicated by the need to optimize dosing ratios and by the instability of the cytokine/antibody complex. We leverage structural insights to engineer a single-chain hIL-2/F5111 antibody fusion protein, termed F5111 immunocytokine (IC), which potently and selectively activates and expands Tregs. F5111 IC confers protection in mouse models of colitis and checkpoint inhibitor-induced diabetes mellitus. These results provide a roadmap for IC design and establish a Treg-biased immunotherapy that could be clinically translated for autoimmune disease treatment.

Regulatory T cells (Treg) are conventionally viewed as suppressors of endogenous and therapy-induced antitumor immunity; however, their role in modulating responses to immune checkpoint blockade (ICB) is unclear. In this study, we integrated single-cell RNA-seq/T cell receptor sequencing (TCRseq) of >73,000 tumor-infiltrating Treg (TIL-Treg) from anti-PD-1-treated and treatment-naive non-small cell lung cancers (NSCLC) with single-cell analysis of tumor-associated antigen (TAA)-specific Treg derived from a murine tumor model. We identified 10 subsets of human TIL-Treg, most of which have high concordance with murine TIL-Treg subsets. Only one subset selectively expresses high levels of TNFRSF4 (OX40) and TNFRSF18 (GITR), whose engangement by cognate ligand mediated proliferative programs and NF-κB activation, as well as multiple genes involved in Treg suppression, including LAG3. Functionally, the OX40hiGITRhi subset is the most highly suppressive ex vivo, and its higher representation among total TIL-Treg correlated with resistance to PD-1 blockade. Unexpectedly, in the murine tumor model, we found that virtually all TIL-Treg-expressing T cell receptors that are specific for TAA fully develop a distinct TH1-like signature over a 2-week period after entry into the tumor, down-regulating FoxP3 and up-regulating expression of TBX21 (Tbet), IFNG, and certain proinflammatory granzymes. Transfer learning of a gene score from the murine TAA-specific TH1-like Treg subset to the human single-cell dataset revealed a highly analogous subcluster that was enriched in anti-PD-1-responding tumors. These findings demonstrate that TIL-Treg partition into multiple distinct transcriptionally defined subsets with potentially opposing effects on ICB-induced antitumor immunity and suggest that TAA-specific TIL-Treg may positively contribute to antitumor responses.

Abstract The diversity of genetic programs and cellular plasticity of glioma-associated myeloid cells, and thus their contribution to tumor growth and immune evasion, is poorly understood. We performed single cell RNA-sequencing of immune and tumor cells from 33 glioma patients of varying tumor grades. We identified two populations characteristic of myeloid derived suppressor cells (MDSC), unique to glioblastoma (GBM) and absent in grades II and III tumors: i) an early progenitor population (E-MDSC) characterized by strong upregulation of multiple catabolic, anabolic, oxidative stress, and hypoxia pathways typically observed within tumor cells themselves, and ii) a monocytic MDSC (M-MDSC) population. The E-MDSCs geographically co-localize with a subset of highly metabolic glioma stem-like tumor cells with a mesenchymal program in the pseudopalisading region, a pathognomonic feature of GBMs associated with poor prognosis. Ligand-receptor interaction analysis revealed symbiotic cross-talk between the stemlike tumor cells and E-MDSCs in GBM, whereby glioma stem cells produce chemokines attracting E-MDSCs, which in turn produce growth and survival factors for the tumor cells. Our large-scale single-cell analysis elucidated unique MDSC populations as key facilitators of GBM progression and mediators of tumor immunosuppression, suggesting that targeting these specific myeloid compartments, including their metabolic programs, may be a promising therapeutic intervention in this deadly cancer. One-Sentence Summary Aggressive glioblastoma harbors two unique myeloid populations capable of promoting stem-like properties of tumor cells and suppressing T cell function in the tumor microenvironment.

Abstract Regulatory T cells (T reg ) are conventionally viewed to suppress endogenous and therapyinduced anti-tumor immunity; however, their role in modulating responses to immune checkpoint blockade (ICB) is unclear. In this study, we integrated single-cell RNAseq/TCRseq of >73,000 tumor-infiltrating T reg (TIL-T reg ) from anti-PD-1-treated and treatment naive non-small cell lung cancers (NSCLC) with single cell analysis of tumor-associated antigen (TAA)-specific T reg derived from a murine tumor model. We identified 10 subsets of human TIL-T reg , most of which have high concordance with murine TIL-T reg subsets. Notably, one subset selectively expresses high levels of OX40 and GITR, whose engangement by cognate ligand mediated proliferative programs and NF-kB activation, as well as multiple genes involved in T reg suppression, in particular LAG3. Functionally, the OX40 hi GITR hi subset in the most highly suppressive ex vivo and T reg expression of OX40, GITR and LAG3, correlated with resistance to PD-1 blockade. Surprisingly, in the murine tumor model, we found that virtually all TIL-T reg expressing T cell receptors that are specific for TAA fully develop a distinct Th1-like signature over a two-week period after entry into the tumor, down-regulating FoxP3 and up-regulating expression of TBX21 ( Tbet), IFNγ and certain pro-inflammatory granzymes. Application of a gene score from the murine TAA-specific Th1-like T reg subset to the human single-cell dataset revealed a highly analogous subcluster that was enriched in anti-PD-1 responding tumors. These findings demonstrate that TIL-T reg partition into multiple distinct transcriptionally-defined subsets with potentially opposing effects on ICB-induced anti-tumor immunity and suggest that TAA-specific TIL-T reg may positively contribute to anti-tumor responses. One-Sentence Summary We define 10 subsets of lung cancer-infiltrating regulatory T cells, one of which is highly suppressive and enriched in anti-PD-1 non-responders and the other is Th1-like and is enriched in PD-1 responders.

Summary Low dose human interleukin-2 (hIL-2) treatment is used clinically to treat autoimmune disorders due to the cytokine’s preferential expansion of immunosuppressive regulatory T cells (T Reg s). However, high toxicity, short serum half-life, and off-target immune cell activation limit the clinical potential of IL-2 treatment. Recent work showed that complexes comprising hIL-2 and the anti-hIL-2 antibody F5111 overcome these limitations by preferentially stimulating T Reg s over immune effector cells. Although promising, therapeutic translation of this approach is complicated by the need to optimize dosing ratios and by the instability of the cytokine/antibody complex. We leveraged structural insights to engineer a single-chain hIL-2/F5111 antibody fusion protein, termed F5111 immunocytokine (IC), that potently and selectively activates and expands T Reg s. F5111 IC conferred protection in mouse models of colitis and checkpoint inhibitor-induced diabetes mellitus. These results provide a roadmap for IC design and establish a T Reg -biased immunotherapy that could be clinically translated for autoimmune disease treatment.