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.

Abstract Immunotherapy has recently entered a renaissance phase with the approval of multiple agents for the treatment of cancer. Immunotherapy stands ready to join traditional modalities, including surgery, chemotherapy, radiation, and hormone therapy, as a pillar of cancer treatment. Although immunotherapy has begun to have success in advanced cancer treatment, its scheduling and efficacy with surgery to treat earlier stages of cancer and prevent distant metastases have not been systematically examined. Here, we have used two models of spontaneously metastatic breast cancers in mice to illustrate the significantly greater therapeutic power of neoadjuvant, compared with adjuvant, immunotherapies in the context of primary tumor resection. Elevated and sustained peripheral tumor-specific immune responses underpinned the outcome, and blood sampling of tumor-specific CD8+ T cells immediately prior to and post surgery may provide a predictor of outcome. These data now provide a strong rationale to extensively test and compare neoadjuvant immunotherapy in humans. Significance: We demonstrate the significantly greater therapeutic efficacy of neoadjuvant, compared with adjuvant, immunotherapies to eradicate distant metastases following primary tumor resection. Elevated and sustained peripheral tumor-specific immune responses underpinned the outcome, and blood sampling of tumor-specific CD8+ T cells immediately prior to and post surgery may provide a predictor of outcome. Cancer Discov; 6(12); 1382–99. ©2016 AACR. See related commentary by Melero et al., p. 1312. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1293

CD8+ T cell exhaustion is a major barrier to current anti-cancer immunotherapies. Despite this, the developmental biology of exhausted CD8+ T cells (Tex) remains poorly defined, restraining improvement of strategies aimed at “re-invigorating” Tex cells. Here, we defined a four-cell-stage developmental framework for Tex cells. Two TCF1+ progenitor subsets were identified, one tissue restricted and quiescent and one more blood accessible, that gradually lost TCF1 as it divided and converted to a third intermediate Tex subset. This intermediate subset re-engaged some effector biology and increased upon PD-L1 blockade but ultimately converted into a fourth, terminally exhausted subset. By using transcriptional and epigenetic analyses, we identified the control mechanisms underlying subset transitions and defined a key interplay between TCF1, T-bet, and Tox in the process. These data reveal a four-stage developmental hierarchy for Tex cells and define the molecular, transcriptional, and epigenetic mechanisms that could provide opportunities to improve cancer immunotherapy.

Abstract Strategies to activate and rescue exhausted tumor-specific T cells, including the use of monoclonal antibodies (mAb) that block the negative costimulatory receptors CTLA-4 and PD-1 are proving very effective, but TIM3 has been relatively neglected as a target. Here we report an extensive characterization of the therapeutic activity and mechanism of action of an anti-mouse TIM3 mAb against experimental and carcinogen-induced tumors. For the first time we specifically define the mechanism of antitumor action of anti-TIM3 requiring IFN-γ producing CD8+ T cells and CD4+ T cells, and a higher ratio of tumor infiltrating CD8+:CD4+ T cells correlating with therapeutic success. Interestingly, in some models, anti-TIM3 appeared to be effective sometime before the appearance and accumulation of significant TIM3+PD-1+ T cell populations in tumor bearing mice. Anti-TIM3 displayed modest prophylactic and therapeutic activity against a small fraction of carcinogen-induced sarcomas, but comparative and combination studies of anti-TIM3 with anti-CTLA-4 and anti–PD-1 against experimental and carcinogen-induced tumors suggested that these agents might be well-tolerated and very effective in combination. Cancer Res; 71(10); 3540–51. ©2011 AACR.

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.

Trastuzumab, a monoclonal antibody targeting human epidermal growth factor receptor-2 (HER2/ErbB-2), has become the mainstay of treatment for HER2-positive breast cancer. Nevertheless, its exact mechanism of action has not been fully elucidated. Although several studies suggest that Fc receptor-expressing immune cells are involved in trastuzumab therapy, the relative contribution of lymphocyte-mediated cellular cytotoxicity and antitumor cytokines remains unknown. We report here that anti–ErbB-2 mAb therapy is dependent on the release of type I and type II IFNs but is independent of perforin or FasL. Our study thus challenges the notion that classical antibody-dependent, lymphocyte-mediated cellular cytotoxicity is important for trastuzumab. We demonstrate that anti–ErbB-2 mAb therapy of experimental tumors derived from MMTV-ErbB-2 transgenic mice triggers MyD88-dependent signaling and primes IFN-γ–producing CD8+ T cells. Adoptive cell transfer of purified T cell subsets confirmed the essential role of IFN-γ–producing CD8+ T cells. Notably, anti–ErbB-2 mAb therapy was independent of IL-1R or IL-17Ra signaling. Finally, we investigated whether immunostimulatory approaches with antibodies against programmed death-1 (PD-1) or 41BB (CD137) could be used to capitalize on the immune-mediated effects of trastuzumab. We demonstrate that anti–PD-1 or anti-CD137 mAb can significantly improve the therapeutic activity of anti–ErbB-2 mAb in immunocompetent mice.

Preclinical studies targeting the adenosinergic pathway have gained much attention for their clinical potential in overcoming tumor-induced immunosuppression. Here, we have identified that co-blockade of the ectonucleotidase that generates adenosine CD73 and the A2A adenosine receptor (A2AR) that mediates adenosine signaling in leuokocytes, by using compound gene-targeted mice or therapeutics that target these molecules, limits tumor initiation, growth, and metastasis. This tumor control requires effector lymphocytes and interferon-γ, while antibodies targeting CD73 promote an optimal therapeutic response in vivo when engaging activating Fc receptors. In a two-way mixed leukocyte reaction using a fully human anti-CD73, we demonstrated that Fc receptor binding augmented the production of proinflammatory cytokines.

Cancer immunoediting is the process whereby immune cells protect against cancer formation by sculpting the immunogenicity of developing tumors. Although the full process depends on innate and adaptive immunity, it remains unclear whether innate immunity alone is capable of immunoediting. To determine whether the innate immune system can edit tumor cells in the absence of adaptive immunity, we compared the incidence and immunogenicity of 3′methylcholanthrene-induced sarcomas in syngeneic wild-type, RAG2−/−, and RAG2−/−x γc−/− mice. We found that innate immune cells could manifest cancer immunoediting activity in the absence of adaptive immunity. This activity required natural killer (NK) cells and interferon γ (IFN-γ), which mediated the induction of M1 macrophages. M1 macrophages could be elicited by administration of CD40 agonists, thereby restoring editing activity in RAG2−/−x γc−/− mice. Our results suggest that in the absence of adaptive immunity, NK cell production of IFN-γ induces M1 macrophages, which act as important effectors during cancer immunoediting.

Extracellular adenosine is a key immunosuppressive metabolite that restricts activation of cytotoxic lymphocytes and impairs antitumor immune responses. Here, we show that engagement of A2A adenosine receptor (A2AR) acts as a checkpoint that limits the maturation of natural killer (NK) cells. Both global and NK-cell-specific conditional deletion of A2AR enhanced proportions of terminally mature NK cells at homeostasis, following reconstitution, and in the tumor microenvironment. Notably, A2AR-deficient, terminally mature NK cells retained proliferative capacity and exhibited heightened reconstitution in competitive transfer assays. Moreover, targeting A2AR specifically on NK cells also improved tumor control and delayed tumor initiation. Taken together, our results establish A2AR-mediated adenosine signaling as an intrinsic negative regulator of NK-cell maturation and antitumor immune responses. On the basis of these findings, we propose that administering A2AR antagonists concurrently with NK cell-based therapies may heighten therapeutic benefits by augmenting NK cell-mediated antitumor immunity.Significance: Ablating adenosine signaling is found to promote natural killer cell maturation and antitumor immunity and reduce tumor growth. Cancer Res; 78(4); 1003-16. ©2017 AACR.