The immune response plays an important role in staving off cancer; however, mechanisms of immunosuppression hinder productive anti-tumor immunity. T cell dysfunction or exhaustion in tumor-bearing hosts is one such mechanism. PD-1 has been identified as a marker of exhausted T cells in chronic disease states, and blockade of PD-1–PD-1L interactions has been shown to partially restore T cell function. We have found that T cell immunoglobulin mucin (Tim) 3 is expressed on CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) in mice bearing solid tumors. All Tim-3+ TILs coexpress PD-1, and Tim-3+PD-1+ TILs represent the predominant fraction of T cells infiltrating tumors. Tim-3+PD-1+ TILs exhibit the most severe exhausted phenotype as defined by failure to proliferate and produce IL-2, TNF, and IFN-γ. We further find that combined targeting of the Tim-3 and PD-1 pathways is more effective in controlling tumor growth than targeting either pathway alone.

Inhibitory receptors play a crucial role in regulating CD8 T-cell function during chronic viral infection. T-cell Ig- and mucin-domain-containing molecule-3 (Tim-3) is well known to negatively regulate T-cell responses, but its role in CD8 T-cell exhaustion during chronic infection in vivo remains unclear. In this study, we document coregulation of CD8 T cell exhaustion by Tim-3 and PD-1 during chronic lymphocytic choriomeningitis virus infection. Whereas Tim-3 was only transiently expressed by CD8 T cells after acute infection, virus-specific CD8 T cells retained high Tim-3 expression throughout chronic infection. The majority (approximately 65% to 80%) of lymphocytic choriomeningitis virus-specific CD8 T cells in lymphoid and nonlymphoid organs coexpressed Tim-3 and PD-1. This coexpression of Tim-3 and PD-1 was associated with more severe CD8 T-cell exhaustion in terms of proliferation and secretion of effector cytokines such as IFN-gamma, TNF-alpha, and IL-2. Interestingly, CD8 T cells expressing both inhibitory receptors also produced the suppressive cytokine IL-10. Most importantly, combined blockade of Tim-3 and PD-1 pathways in vivo synergistically improved CD8 T cell responses and viral control in chronically infected mice. Taken together, our study defines a parameter for determining the severity of CD8 T cell dysfunction and for identifying virus-specific CD8 T cells that produce IL-10, and shows that targeting both PD-1 and Tim-3 is an effective immune strategy for treating chronic viral infections.

CD4+ T helper 1 (TH1) cells are important mediators of inflammation and are regulated by numerous pathways, including the negative immune receptor Tim-3. We found that Tim-3 is constitutively expressed on cells of the innate immune system in both mice and humans, and that it can synergize with Toll-like receptors. Moreover, an antibody agonist of Tim-3 acted as an adjuvant during induced immune responses, and Tim-3 ligation induced distinct signaling events in T cells and dendritic cells; the latter finding could explain the apparent divergent functions of Tim-3 in these cell types. Thus, by virtue of differential expression on innate versus adaptive immune cells, Tim-3 can either promote or terminate TH1 immunity and may be able to influence a range of inflammatory conditions.

Abstract Tumor-associated immune suppression can lead to defective T cell-mediated antitumor immunity. Here, we identified a unique phenotype of exhausted T cells in mice with advanced acute myelogenous leukemia (AML). This phenotype is characterized by the coexpression of Tim-3 and PD-1 on CD8+ T cells in the liver, the major first site of AML metastases. PD-1 and Tim-3 coexpression increased during AML progression. PD-1+Tim-3+ CD8+ T cells were deficient in their ability to produce IFN-γ, TNF-α, and IL-2 in response to PD-1 ligand (PDL1) and Tim-3 ligand (galectin-9) expressing AML cells. PD-1 knockout (KO), which were partially resistant to AML challenge, up-regulated Tim-3 during AML progression and such Tim-3+PD-1- KO CD8+ T cells had reduced cytokine production. Galectin-9 KO mice were more resistant to AML, which was associated with reduced T-regulatory cell accumulation and a modest induction of PD-1 and Tim-3 expression on CD8+ T cells. Whereas blocking the PD-1/PDL1 or Tim-3/galectin-9 pathway alone was insufficient to rescue mice from AML lethality, an additive effect was seen in reducing—albeit not eliminating—both tumor burden and lethality when both pathways were blocked. Therefore, combined PD-1/PDL1 and Tim-3/galectin-9 blockade may be beneficial in preventing CD8+ T-cell exhaustion in patients with hematologic malignancies such as advanced AML.

CEACAM1 functions as a novel heterophilic ligand for TIM-3 and is necessary for TIM-3-mediated tolerance, which has marked consequences for inflammation, infection and cancer. T cell regulation is mediated by a number of inhibitory cell surface molecules such as T-cell immunoglobulin domain and mucin domain-3 (TIM-3), a possible target for cancer immunotherapy that has been reported to act as an immune checkpoint in tumour-induced immune suppression. However, the tolerance inducing ligand for TIM-3 has yet to be uncovered, and TIM-3 may also possess activating functions under some circumstances. This study identifies carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1 (CAECAM1) as the heterophilic ligand for murine TIM-3 that is required for TIM-3 to mediate tolerance and ensure its optimal maturation, cell surface expression and regulatory function. Co-blockade of CEACAM1 and TIM-3 leads to enhancement of anti-tumour immune responses, with improved elimination of tumours in mouse colorectal cancer models. T-cell immunoglobulin domain and mucin domain-3 (TIM-3, also known as HAVCR2) is an activation-induced inhibitory molecule involved in tolerance and shown to induce T-cell exhaustion in chronic viral infection and cancers1,2,3,4,5. Under some conditions, TIM-3 expression has also been shown to be stimulatory. Considering that TIM-3, like cytotoxic T lymphocyte antigen 4 (CTLA-4) and programmed death 1 (PD-1), is being targeted for cancer immunotherapy, it is important to identify the circumstances under which TIM-3 can inhibit and activate T-cell responses. Here we show that TIM-3 is co-expressed and forms a heterodimer with carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1 (CEACAM1), another well-known molecule expressed on activated T cells and involved in T-cell inhibition6,7,8,9,10. Biochemical, biophysical and X-ray crystallography studies show that the membrane-distal immunoglobulin-variable (IgV)-like amino-terminal domain of each is crucial to these interactions. The presence of CEACAM1 endows TIM-3 with inhibitory function. CEACAM1 facilitates the maturation and cell surface expression of TIM-3 by forming a heterodimeric interaction in cis through the highly related membrane-distal N-terminal domains of each molecule. CEACAM1 and TIM-3 also bind in trans through their N-terminal domains. Both cis and trans interactions between CEACAM1 and TIM-3 determine the tolerance-inducing function of TIM-3. In a mouse adoptive transfer colitis model, CEACAM1-deficient T cells are hyper-inflammatory with reduced cell surface expression of TIM-3 and regulatory cytokines, and this is restored by T-cell-specific CEACAM1 expression. During chronic viral infection and in a tumour environment, CEACAM1 and TIM-3 mark exhausted T cells. Co-blockade of CEACAM1 and TIM-3 leads to enhancement of anti-tumour immune responses with improved elimination of tumours in mouse colorectal cancer models. Thus, CEACAM1 serves as a heterophilic ligand for TIM-3 that is required for its ability to mediate T-cell inhibition, and this interaction has a crucial role in regulating autoimmunity and anti-tumour immunity.

An improved understanding of the anti-tumor CD8+ T cell response after checkpoint blockade would enable more informed and effective therapeutic strategies. Here we examined the dynamics of the effector response of CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) after checkpoint blockade therapy. Bulk and single-cell RNA profiles of CD8+ TILs after combined Tim-3+PD-1 blockade in preclinical models revealed significant changes in the transcriptional profile of PD-1− TILs. These cells could be divided into subsets bearing characterstics of naive-, effector-, and memory-precursor-like cells. Effector- and memory-precursor-like TILs contained tumor-antigen-specific cells, exhibited proliferative and effector capacity, and expanded in response to different checkpoint blockade therapies across different tumor models. The memory-precursor-like subset shared features with CD8+ T cells associated with response to checkpoint blockade in patients and was compromised in the absence of Tcf7. Expression of Tcf7/Tcf1 was requisite for the efficacy of diverse immunotherapies, highlighting the importance of this transcriptional regulator in the development of effective CD8+ T cell responses upon immunotherapy.

Coinhibitory receptors are critical for the maintenance of immune homeostasis. Upregulation of these receptors on effector T cells terminates T cell responses, while their expression on Tregs promotes their suppressor function. Understanding the function of coinhibitory receptors in effector T cells and Tregs is crucial, as therapies that target coinhibitory receptors are currently at the forefront of treatment strategies for cancer and other chronic diseases. T cell Ig and ITIM domain (TIGIT) is a recently identified coinhibitory receptor that is found on the surface of a variety of lymphoid cells, and its role in immune regulation is just beginning to be elucidated. We examined TIGIT-mediated immune regulation in different murine cancer models and determined that TIGIT marks the most dysfunctional subset of CD8+ T cells in tumor tissue as well as tumor-tissue Tregs with a highly active and suppressive phenotype. We demonstrated that TIGIT signaling in Tregs directs their phenotype and that TIGIT primarily suppresses antitumor immunity via Tregs and not CD8+ T cells. Moreover, TIGIT+ Tregs upregulated expression of the coinhibitory receptor TIM-3 in tumor tissue, and TIM-3 and TIGIT synergized to suppress antitumor immune responses. Our findings provide mechanistic insight into how TIGIT regulates immune responses in chronic disease settings.

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.

The expression of co-inhibitory receptors, such as CTLA-4 and PD-1, on effector T cells is a key mechanism for ensuring immune homeostasis. Dysregulated expression of co-inhibitory receptors on CD4+ T cells promotes autoimmunity, whereas sustained overexpression on CD8+ T cells promotes T cell dysfunction or exhaustion, leading to impaired ability to clear chronic viral infections and diseases such as cancer1,2. Here, using RNA and protein expression profiling at single-cell resolution in mouse cells, we identify a module of co-inhibitory receptors that includes not only several known co-inhibitory receptors (PD-1, TIM-3, LAG-3 and TIGIT) but also many new surface receptors. We functionally validated two new co-inhibitory receptors, activated protein C receptor (PROCR) and podoplanin (PDPN). The module of co-inhibitory receptors is co-expressed in both CD4+ and CD8+ T cells and is part of a larger co-inhibitory gene program that is shared by non-responsive T cells in several physiological contexts and is driven by the immunoregulatory cytokine IL-27. Computational analysis identified the transcription factors PRDM1 and c-MAF as cooperative regulators of the co-inhibitory module, and this was validated experimentally. This molecular circuit underlies the co-expression of co-inhibitory receptors in T cells and identifies regulators of T cell function with the potential to control autoimmunity and tumour immunity. A module of co-inhibitory T cell receptors, driven by the cytokine IL-27, is identified in mice that is regulated by the transcription factors PRDM1 and c-MAF.