Despite the success of monotherapies based on blockade of programmed cell death 1 (PD-1) in human melanoma, most patients do not experience durable clinical benefit. Pre-existing T-cell infiltration and/or the presence of PD-L1 in tumours may be used as indicators of clinical response; however, blood-based profiling to understand the mechanisms of PD-1 blockade has not been widely explored. Here we use immune profiling of peripheral blood from patients with stage IV melanoma before and after treatment with the PD-1-targeting antibody pembrolizumab and identify pharmacodynamic changes in circulating exhausted-phenotype CD8 T cells (Tex cells). Most of the patients demonstrated an immunological response to pembrolizumab. Clinical failure in many patients was not solely due to an inability to induce immune reinvigoration, but rather resulted from an imbalance between T-cell reinvigoration and tumour burden. The magnitude of reinvigoration of circulating Tex cells determined in relation to pretreatment tumour burden correlated with clinical response. By focused profiling of a mechanistically relevant circulating T-cell subpopulation calibrated to pretreatment disease burden, we identify a clinically accessible potential on-treatment predictor of response to PD-1 blockade.

Exhausted CD8+ T (Tex) cells in chronic infections and cancer have limited effector function, high co-expression of inhibitory receptors and extensive transcriptional changes compared with effector (Teff) or memory (Tmem) CD8+ T cells. Tex cells are important clinical targets of checkpoint blockade and other immunotherapies. Epigenetically, Tex cells are a distinct immune subset, with a unique chromatin landscape compared with Teff and Tmem cells. However, the mechanisms that govern the transcriptional and epigenetic development of Tex cells remain unknown. Here we identify the HMG-box transcription factor TOX as a central regulator of Tex cells in mice. TOX is largely dispensable for the formation of Teff and Tmem cells, but it is critical for exhaustion: in the absence of TOX, Tex cells do not form. TOX is induced by calcineurin and NFAT2, and operates in a feed-forward loop in which it becomes calcineurin-independent and sustained in Tex cells. Robust expression of TOX therefore results in commitment to Tex cells by translating persistent stimulation into a distinct Tex cell transcriptional and epigenetic developmental program. The transcription factor TOX is a central regulator of the transcriptional and epigenetic development of exhausted T cells.

Blocking Programmed Death-1 (PD-1) can reinvigorate exhausted CD8 T cells (TEX) and improve control of chronic infections and cancer. However, whether blocking PD-1 can reprogram TEX into durable memory T cells (TMEM) is unclear. We found that reinvigoration of TEX in mice by PD-L1 blockade caused minimal memory development. After blockade, reinvigorated TEX became reexhausted if antigen concentration remained high and failed to become TMEM upon antigen clearance. TEX acquired an epigenetic profile distinct from that of effector T cells (TEFF) and TMEM cells that was minimally remodeled after PD-L1 blockade. This finding suggests that TEX are a distinct lineage of CD8 T cells. Nevertheless, PD-1 pathway blockade resulted in transcriptional rewiring and reengagement of effector circuitry in the TEX epigenetic landscape. These data indicate that epigenetic fate inflexibility may limit current immunotherapies.

Whether the recently identified innate lymphocyte population coexpressing natural killer cell receptors (NKRs) and the nuclear receptor RORγt is part of the NK or lymphoid tissue inducer (LTi) cell lineage remains unclear. By using adoptive transfer of genetically tagged LTi-like cells, we demonstrate that NKR⁻RORγt(+) innate lymphocytes but not NK cells were direct progenitors to NKR(+)RORγt(+) cells in vivo. Genetic lineage tracing revealed that the differentiation of LTi-like cells was characterized by the stable upregulation of NKRs and a progressive loss of RORγt expression. Whereas interleukin-7 (IL-7) and intestinal microbiota stabilized RORγt expression within such NKR-LTi cells, IL-12 and IL-15 accelerated RORγt loss. RORγt(+) NKR-LTi cells produced IL-22, whereas RORγt⁻ NKR-LTi cells released IFN-γ and were potent inducers of colitis. Thus, the RORγt gradient in NKR-LTi cells serves as a tunable rheostat for their functional program. Our data also define a previously unappreciated role of RORγt⁻ NKR-LTi cells for the onset or maintenance of inflammatory bowel diseases.

Dynamic reprogramming of metabolism is essential for T cell effector function and memory formation. However, the regulation of metabolism in exhausted CD8(+) T (Tex) cells is poorly understood. We found that during the first week of chronic lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection, before severe dysfunction develops, virus-specific CD8(+) T cells were already unable to match the bioenergetics of effector T cells generated during acute infection. Suppression of T cell bioenergetics involved restricted glucose uptake and use, despite persisting mechanistic target of rapamycin (mTOR) signaling and upregulation of many anabolic pathways. PD-1 regulated early glycolytic and mitochondrial alterations and repressed transcriptional coactivator PGC-1α. Improving bioenergetics by overexpression of PGC-1α enhanced function in developing Tex cells. Therapeutic reinvigoration by anti-PD-L1 reprogrammed metabolism in a subset of Tex cells. These data highlight a key metabolic control event early in exhaustion and suggest that manipulating glycolytic and mitochondrial metabolism might enhance checkpoint blockade outcomes.

Immunologic responses to anti-PD-1 therapy in melanoma patients occur rapidly with pharmacodynamic T cell responses detectable in blood by 3 weeks. It is unclear, however, whether these early blood-based observations translate to the tumor microenvironment. We conducted a study of neoadjuvant/adjuvant anti-PD-1 therapy in stage III/IV melanoma. We hypothesized that immune reinvigoration in the tumor would be detectable at 3 weeks and that this response would correlate with disease-free survival. We identified a rapid and potent anti-tumor response, with 8 of 27 patients experiencing a complete or major pathological response after a single dose of anti-PD-1, all of whom remain disease free. These rapid pathologic and clinical responses were associated with accumulation of exhausted CD8 T cells in the tumor at 3 weeks, with reinvigoration in the blood observed as early as 1 week. Transcriptional analysis demonstrated a pretreatment immune signature (neoadjuvant response signature) that was associated with clinical benefit. In contrast, patients with disease recurrence displayed mechanisms of resistance including immune suppression, mutational escape, and/or tumor evolution. Neoadjuvant anti-PD-1 treatment is effective in high-risk resectable stage III/IV melanoma. Pathological response and immunological analyses after a single neoadjuvant dose can be used to predict clinical outcome and to dissect underlying mechanisms in checkpoint blockade.

TCF-1 is a key transcription factor in progenitor exhausted CD8 T cells (Tex). Moreover, this Tex cell subset mediates responses to PD-1 checkpoint pathway blockade. However, the role of the transcription factor TCF-1 in early fate decisions and initial generation of Tex cells is unclear. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and lineage tracing identified a TCF-1+Ly108+PD-1+ CD8 T cell population that seeds development of mature Tex cells early during chronic infection. TCF-1 mediated the bifurcation between divergent fates, repressing development of terminal KLRG1Hi effectors while fostering KLRG1Lo Tex precursor cells, and PD-1 stabilized this TCF-1+ Tex precursor cell pool. TCF-1 mediated a T-bet-to-Eomes transcription factor transition in Tex precursors by promoting Eomes expression and drove c-Myb expression that controlled Bcl-2 and survival. These data define a role for TCF-1 in early-fate-bifurcation-driving Tex precursor cells and also identify PD-1 as a protector of this early TCF-1 subset.

Exhausted CD8+ T cell responses during chronic viral infections are defined by a complex expression pattern of inhibitory receptors. However, very little information is currently available about the coexpression patterns of these receptors on human virus-specific CD8+ T cells and their correlation with antiviral functions, T cell differentiation and antigen recognition. We addressed these important aspects in a cohort of 38 chronically HCV infected patients and found a coexpression of inhibitory receptors such as 2B4, CD160 and KLRG1 in association with PD-1 in about half of the HCV-specific CD8+ T cell responses. Importantly, this exhaustive phenotype was associated with low and intermediate levels of CD127 expression, an impaired proliferative capacity, an intermediate T cell differentiation stage and absence of sequence variations within the corresponding epitopes, indicating ongoing antigen triggering. In contrast, a low expression of inhibitory receptors by the remaining HCV-specific CD8+ T cells occurred in concert with a CD127hi phenotype, an early T cell differentiation stage and presence of viral sequence variations within the corresponding epitopes. In sum, these results suggest that T cell exhaustion contributes to the failure of about half of HCV-specific CD8+ T cell responses and that it is determined by a complex interplay of immunological (e.g. T cell differentiation) and virological (e.g. ongoing antigen triggering) factors.

Emerging data indicate that SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells targeting different viral proteins are detectable in up to 70% of convalescent individuals1–5. However, very little information is currently available about the abundance, phenotype, functional capacity and fate of pre-existing and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell responses during the natural course of SARS-CoV-2 infection. Here, we define a set of optimal and dominant SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell epitopes. We also perform a high-resolution ex vivo analysis of pre-existing and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells, applying peptide-loaded major histocompatibility complex class I (pMHCI) tetramer technology. We observe rapid induction, prolonged contraction and emergence of heterogeneous and functionally competent cross-reactive and induced memory CD8+ T cell responses in cross-sectionally analyzed individuals with mild disease following SARS-CoV-2 infection and three individuals longitudinally assessed for their T cells pre- and post-SARS-CoV-2 infection. SARS-CoV-2-specific memory CD8+ T cells exhibited functional characteristics comparable to influenza-specific CD8+ T cells and were detectable in SARS-CoV-2 convalescent individuals who were seronegative for anti-SARS-CoV-2 antibodies targeting spike (S) and nucleoprotein (N). These results define cross-reactive and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell responses as potentially important determinants of immune protection in mild SARS-CoV-2 infection. Functionally competent memory CD8+ T cells specific for different viral epitopes are induced by SARS-CoV-2 infection and can be detected in the absence of virus-specific antibodies.

CD8 + T lymphocytes play a key role in host defense, in particular against important persistent viruses, although the critical functional properties of such cells in tissue are not fully defined. We have previously observed that CD8 + T cells specific for tissue-localized viruses such as hepatitis C virus express high levels of the C-type lectin CD161. To explore the significance of this, we examined CD8 + CD161 + T cells in healthy donors and those with hepatitis C virus and defined a population of CD8 + T cells with distinct homing and functional properties. These cells express high levels of CD161 and a pattern of molecules consistent with type 17 differentiation, including cytokines (e.g., IL-17, IL-22), transcription factors (e.g., retinoic acid-related orphan receptor γ-t, P = 6 × 10 −9 ; RUNX2, P = 0.004), cytokine receptors (e.g., IL-23R, P = 2 × 10 −7 ; IL-18 receptor, P = 4 × 10 −6 ), and chemokine receptors (e.g., CCR6, P = 3 × 10 −8 ; CXCR6, P = 3 × 10 −7 ; CCR2, P = 4 × 10 −7 ). CD161 + CD8 + T cells were markedly enriched in tissue samples and coexpressed IL-17 with high levels of IFN-γ and/or IL-22. The levels of polyfunctional cells in tissue was most marked in those with mild disease ( P = 0.0006). These data define a T cell lineage that is present already in cord blood and represents as many as one in six circulating CD8 + T cells in normal humans and a substantial fraction of tissue-infiltrating CD8 + T cells in chronic inflammation. Such cells play a role in the pathogenesis of chronic hepatitis and arthritis and potentially in other infectious and inflammatory diseases of man.