Calcineurin inhibitors (CNIs) constitute the backbone of modern acute graft-versus-host disease (aGVHD) prophylaxis regimens but have limited efficacy in the prevention and treatment of chronic GVHD (cGVHD). We investigated the effect of CNIs on immune tolerance after stem cell transplantation with discovery-based single-cell gene expression and T cell receptor (TCR) assays of clonal immunity in tandem with traditional protein-based approaches and preclinical modeling. While cyclosporin and tacrolimus suppressed the clonal expansion of CD8+ T cells during GVHD, alloreactive CD4+ T cell clusters were preferentially expanded. Moreover, CNIs mediated reversible dose-dependent suppression of T cell activation and all stages of donor T cell exhaustion. Critically, CNIs promoted the expansion of both polyclonal and TCR-specific alloreactive central memory CD4+ T cells (TCM) with high self-renewal capacity that mediated cGVHD following drug withdrawal. In contrast to posttransplant cyclophosphamide (PT-Cy), CSA was ineffective in eliminating IL-17A-secreting alloreactive T cell clones that play an important role in the pathogenesis of cGVHD. Collectively, we have shown that, although CNIs attenuate aGVHD, they paradoxically rescue alloantigen-specific TCM, especially within the CD4+ compartment in lymphoid and GVHD target tissues, thus predisposing patients to cGVHD. These data provide further evidence to caution against CNI-based immune suppression without concurrent approaches that eliminate alloreactive T cell clones.

Allogeneic T cell expansion is the primary determinant of graft-versus-host disease (GVHD), and current dogma dictates that this is driven by histocompatibility antigen disparities between donor and recipient. This paradigm represents a closed genetic system within which donor T cells interact with peptide-major histocompatibility complexes (MHCs), though clonal interrogation remains challenging due to the sparseness of the T cell repertoire. We developed a Bayesian model using donor and recipient T cell receptor (TCR) frequencies in murine stem cell transplant systems to define limited common expansion of T cell clones across genetically identical donor-recipient pairs. A subset of donor CD4+ T cell clonotypes differentially expanded in identical recipients and were microbiota dependent. Microbiota-specific T cells augmented GVHD lethality and could target microbial antigens presented by gastrointestinal epithelium during an alloreactive response. The microbiota serves as a source of cognate antigens that contribute to clonotypic T cell expansion and the induction of GVHD independent of donor-recipient genetics.

Tumor heterogeneity is a major driver of cancer progression. In epithelial-derived malignancies, carcinoma-associated fibroblasts (CAFs) contribute to tumor heterogeneity by depositing extracellular matrix (ECM) proteins that dynamically remodel the tumor microenvironment (TME). Ewing sarcomas (EwS) are histologically monomorphous, mesenchyme-derived tumors that are devoid of CAFs. Here we identify a previously uncharacterized subpopulation of transcriptionally distinct EwS tumor cells that deposit pro-tumorigenic ECM. Single cell analyses revealed that these CAF-like cells differ from bulk EwS cells by their upregulation of a matrisome-rich gene signature that is normally repressed by EWS::FLI1, the oncogenic fusion transcription factor that underlies EwS pathogenesis. Further, our studies showed that ECM-depositing tumor cells express the cell surface marker CD73, allowing for their isolation ex vivo and detection in situ. Spatial profiling of tumor xenografts and patient biopsies demonstrated that CD73 + EwS cells and tumor cell-derived ECM are prevalent along tumor borders and invasive fronts. Importantly, despite loss of EWS::FLI1-mediated gene repression, CD73 + EwS cells retain expression of EWS::FLI1 and the fusion-activated gene signature, as well as tumorigenic and proliferative capacities. Thus, EwS tumor cells can be reprogrammed to adopt CAF-like properties and these transcriptionally and phenotypically distinct cell subpopulations contribute to tumor heterogeneity by remodeling the TME.