Abstract Lung cancer treatment has benefited greatly from the development of effective immune-based therapies. However, these strategies still fail in a large subset of patients. Tumor-intrinsic mutations can drive immune evasion via recruiting immunosuppressive populations or suppressing anti-tumor immune responses. KEAP1 is one of the most frequently mutated genes in lung adenocarcinoma patients and is associated with poor prognosis and inferior response to all therapies, including checkpoint blockade. Here, we established a novel antigenic lung cancer model and showed that Keap1-mutant tumors promote dramatic remodeling of the tumor immune microenvironment. Combining single-cell technology and depletion studies, we demonstrate that Keap1-mutant tumors diminish dendritic cell and T cell responses driving immunotherapy resistance. Importantly, analysis of KEAP1 mutant patient tumors revealed analogous decrease in dendritic cell and T cell infiltration. Our study provides new insight into the role of KEAP1 mutations in promoting immune evasion and suggests a path to novel immune-based therapeutic strategies for KEAP1 mutant lung cancer. Statement of significance This study establishes that tumor-intrinsic KEAP1 mutations contribute to immune evasion through suppression of dendritic cell and T cell responses, explaining the observed resistance to immunotherapy of KEAP1 mutant tumors. These results highlight the importance of stratifying patients based on KEAP1 status and paves the way for novel therapeutic strategies.

Abstract Loss-of-function mutations in KEAP1 frequently occur in lung cancer and are associated with resistance to standard of care treatment, highlighting the need for the development of targeted therapies. We have previously shown that KEAP1 mutant tumors have increased glutamine consumption to support the metabolic rewiring associated with NRF2 activation. Here, using patient-derived xenograft models and antigenic orthotopic lung cancer models, we show that the novel glutamine antagonist DRP-104 impairs the growth of KEAP1 mutant tumors. We find that DRP-104 suppresses KEAP1 mutant tumor growth by inhibiting glutamine-dependent nucleotide synthesis and promoting anti-tumor CD4 and CD8 T cell responses. Using multimodal single-cell sequencing and ex vivo functional assays, we discover that DRP-104 reverses T cell exhaustion and enhances the function of CD4 and CD8 T cells culminating in an improved response to anti-PD1 therapy. Our pre-clinical findings provide compelling evidence that DRP-104, currently in phase 1 clinical trials, offers a promising therapeutic approach for treating patients with KEAP1 mutant lung cancer. Furthermore, we demonstrate that by combining DRP-104 with checkpoint inhibition, we can achieve suppression of tumor intrinsic metabolism and augmentation of anti-tumor T cell responses.

Tumor mutations can influence the surrounding microenvironment leading to suppression of anti-tumor immune responses and thereby contributing to tumor progression and failure of cancer therapies. Here we use genetically engineered lung cancer mouse models and patient samples to dissect how LKB1 mutations accelerate tumor growth by reshaping the immune microenvironment. Comprehensive immune profiling of LKB1 -mutant vs wildtype tumors revealed dramatic changes in myeloid cells, specifically enrichment of Arg1 + interstitial macrophages and SiglecF Hi neutrophils. We discovered a novel mechanism whereby autocrine LIF signaling in Lkb1 -mutant tumors drives tumorigenesis by reprogramming myeloid cells in the immune microenvironment. Inhibiting LIF signaling in Lkb1 -mutant tumors, via gene targeting or with a neutralizing antibody, resulted in a striking reduction in Arg1 + interstitial macrophages and SiglecF Hi neutrophils, expansion of antigen specific T cells, and inhibition of tumor progression. Thus, targeting LIF signaling provides a new therapeutic approach to reverse the immunosuppressive microenvironment of LKB1 -mutant tumors.