The efficacy of angiogenesis inhibitors in cancer is limited by resistance mechanisms that are poorly understood. Notably, instead of through the induction of angiogenesis, tumor vascularization can occur through the nonangiogenic mechanism of vessel co-option. Here we show that vessel co-option is associated with a poor response to the anti-angiogenic agent bevacizumab in patients with colorectal cancer liver metastases. Moreover, we find that vessel co-option is also prevalent in human breast cancer liver metastases, a setting in which results with anti-angiogenic therapy have been disappointing. In preclinical mechanistic studies, we found that cancer cell motility mediated by the actin-related protein 2/3 complex (Arp2/3) is required for vessel co-option in liver metastases in vivo and that, in this setting, combined inhibition of angiogenesis and vessel co-option is more effective than the inhibition of angiogenesis alone. Vessel co-option is therefore a clinically relevant mechanism of resistance to anti-angiogenic therapy and combined inhibition of angiogenesis and vessel co-option might be a warranted therapeutic strategy.

Abstract The blockade of the immune checkpoints PD-1 and CTLA-4 enhances T cell response. However, it is largely unknown how antigen-reactive T cells regulate their checkpoint expression in vivo and whether and how the checkpoint blockade can change activation dynamics of tumour-reactive T cells. To address this, here we used Nr4a3- Timer-of-cell-kinetics-and-activity (Tocky) , which allows analysis of temporal changes of activated T cells following TCR signalling in vivo . By analysing melanoma-bearing Nr4a3 Tocky mice, we elucidate hidden dynamics of tumour-reactive T cells in the steady-state. Checkpoint blockade depleted highly activated effector Treg, while promoting unique effector T cell populations, and thus differentially modulating activation of tumour-reactive T cell populations. Furthermore, multidimensional analysis and seamless analysis of Tocky and scRNA-seq revealed a full spectrum of T cell dynamics in response to tumour burden and treatment with checkpoint blockade. Lastly, we propose a rational design of combinatorial therapy to further enhance T cell activities.

Abstract Oncolytic Reovirus type 3 Dearing (RT3D), is a naturally occurring double-stranded (ds) RNA virus that is under development as an oncolytic immunotherapy We used an unbiased high-throughput cytotoxicity screen of different targeted therapeutic agents with the aim of identifying potential drug-viral sensitizers to enhance RT3D tumour killing. Talazoparib, a clinical poly(ADP)-ribose polymerase 1 (PARP-1) inhibitor, was identified as a top hit and found to cause profound sensitisation to RT3D. This effect was not seen with other classes of oncolytic virus and was not mediated by enhanced viral replication or PARP inhibitor-related effects on the DNA damage response. RT3D interacts with retinoic acid-induced gene-1 (RIG-I) and activates PARP-1, with consequent PARylation of components of the extrinsic apoptosis pathway. Pharmacological and genetic inhibition of PARP-1 abrogates this PARylation and increases levels of extrinsic apoptosis, NF-kB signalling and pro-inflammatory cell death. Direct interaction between PARP-1 and RIG-I following RT3D/talazoparib treatment is a key factor in activating downstream signaling pathways that lead to IFN-β and TNF-α/TRAIL production which, in turn, amplify the therapeutic effect through positive feedback. Critically, it was possible to phenocopy the effect of RT3D through the use of non-viral ds-RNA therapy and RIG-I agonism. In in vivo studies, we demonstrated profound combinatorial efficacy of RT3D and talazoparib in human A375 melanoma in immunodeficient mice. More impressively, in immunocompetent mouse models of 4434 murine melanoma, we achieved 100% tumour control and protection from subsequent tumour rechallenge with the combination regimen. Correlative immunophenotyping confirmed significant innate and adaptive immune activation with the combination of RT3D and PARP inhibition. Taken together, these data provide a clear line of sight to clinical translation of combined regimens of PARP inhibition or ds-RNA agonism, with either viral or non-viral agents, in tumour types beyond the relatively narrow confines of current licensed indications for PARP inhibition.

Background Over the past decade, cancer immunotherapies have revolutionized the treatment of melanoma; however, responses vary across patient populations. Recently, baseline tumor size has been identified as an independent prognostic factor for overall survival in patients with melanoma receiving immune checkpoint inhibitors. MG1 is a novel oncolytic agent with broad tumor tropism that has recently entered early-phase clinical trials. The aim of this study was to characterize T-cell responses in human and mouse melanoma models following MG1 treatment and to establish if features of the tumor immune microenvironment (TIME) at two distinct tumor burdens would impact the efficacy of oncolytic virotherapy. Methods Human three-dimensional in vitro priming assays were performed to measure antitumor and antiviral T-cell responses following MG1 infection. T-cell receptor (TCR) sequencing, T2 killing assay, and peptide recall assays were used to assess the evolution of the TCR repertoire, and measure specific T-cell responses, respectively. In vivo, subcutaneous 4434 melanomas were characterized using RNA sequencing, immunohistochemistry, and flow cytometry. The effectiveness of intratumoral MG1 was assessed in advancing 4434 tumors and the generation of antitumor and antiviral T cells measured by splenocyte recall assays. Finally, combination MG1 and programmed cell death protein-1 antibody (αPD-1) therapy was investigated in advanced 4434 tumors. Results MG1 effectively supported priming of functional cytotoxic T cells (CTLs) against tumor-associated antigens as well as virus-derived peptides, as assessed using peptide recall and T2 killing assays, respectively. TCR sequencing revealed that MG1-primed CTL comprised larger clusters of similar CDR3 amino acid sequences compared with controls. In vivo testing of MG1 demonstrated that MG1 monotherapy was highly effective at treating early disease, resulting in 90% cures; however, the efficacy of MG1 reduced as the disease burden (local tumor size) increased, and the addition of αPD-1 was required to overcome resistance in more advanced disease. Differential gene expression profiles revealed that increased tumor burden was associated with an immunologically colder TIME. Furthermore, analysis of TCR signaling in advancing tumors demonstrated a different dynamic of TCR engagement compared with smaller tumors, in particular a shift in antigen recognition by CD4+ cells, from conventional to regulatory subsets. Conclusion Addition of αPD-1 to MG1 is required to overcome viral therapy resistance in immunologically ‘colder’ more advanced melanoma, highlighting the importance of tumor burden to different types of immunotherapy.

Abstract Background Over the past decade, cancer immunotherapies have revolutionised the treatment of melanoma; however, responses vary across patient populations. Recently, baseline tumour size has been identified as an independent prognostic factor for overall survival in melanoma patients receiving immune checkpoint inhibitors (ICIs). MG1 is a novel oncolytic agent with broad tumour tropism that has recently entered early phase clinical trials. The aim of this study was to characterise T cell responses in human and mouse melanoma models following MG1 treatment and to establish if features of the tumour immune microenvironment (TIME) at two distinct tumour burdens would impact the efficacy of oncolytic virotherapy. Methods Human 3D in vitro priming assays were performed to measure anti-tumour and anti-viral T cell responses following MG1 infection. TCR sequencing, T2 killing assay, and peptide recall assays were used to assess the evolution of the TCR repertoire, and measure specific T cell responses, respectively. In vivo , subcutaneous 4434 melanomas were characterised using RNAseq, immunohistochemistry (IHC), and flow cytometry. The effectiveness of intra-tumoural MG1 was assessed in advancing 4434 tumours and the generation of anti-tumour and anti-viral T cells measured by splenocyte recall assays. Finally, combination MG1 and α-PD-1 therapy was investigated in advanced 4434 tumours. Results MG1 effectively primed functional cytotoxic T cells (CTLs) against tumour associated antigens (TAA) as well as virus-derived peptides, as assessed using peptide recall and T2 killing assays, respectively. TCR sequencing revealed that MG1-primed CTL comprised larger clusters of similar CDR3 amino acid sequences compared to controls. In vivo testing of MG1 demonstrated that MG1 monotherapy was highly effective at treating early disease, resulting in 90% cures; however, the efficacy of MG1 reduced as the disease burden (local tumour size) increased, and the addition of α-PD-1 was required to overcome resistance in more advanced disease. Differential gene expression profiles revealed that increased tumour burden was associated with an immunologically colder TIME. Furthermore, analysis of TCR signalling in advancing tumours demonstrated a different dynamic of TCR engagement compared to smaller tumours, in particular a shift in antigen recognition by CD4+ cells, from conventional to regulatory subset. Conclusion Combination of MG1 with αPD-1 overcomes therapy resistance in an immunologically ‘cold’ model of advanced melanoma.

The specialised structure of the centromere is critical for effective chromosome segregation, but its repetitive nature makes it vulnerable to rearrangements. Centromere fragility can drive tumorigenesis, but protective mechanisms preventing fragility are still not fully understood. The PBAF chromatin remodelling complex is frequently misregulated in cancer, but its role in cancer is still not fully characterized. Here, we identify PBAF as a protector of centromere and pericentromere structure with profound consequences for genome stability. A conserved feature of isogenic cell lines lacking PBRM1, a subunit of PBAF, is compromised centromere and pericentromere integrity. PBAF is present at these regions, and the binding pattern changes when PBRM1 is absent. PBRM1 loss creates a dependence on the spindle assembly checkpoint, which represents a therapeutic vulnerability. Importantly, we find that even in the absence of any perturbations, PBRM1 loss leads to centromere fragility, thus identifying a new player in centromere protection.

Abstract Cytoplasmic pattern recognition receptors (PRRs) for double-stranded RNA (RIG-I/MDA5) are key mediators of anti-viral responses. PRR agonists, such as dsRNA oncolytic Reovirus type 3 Dearing (Rt3D), potently activate RNA sensors. We used an unbiased cytotoxicity screen to reveal synergistic drug-virotherapy combinations and found potent effects of Rt3D combined with the CDK4/6 inhibitor, palbociclib. The combination augmented oncolytic virus-induced endoplasmic reticulum (ER) stress/unfolded protein response (UPR) and the expression and activation/signaling of RNA sensors. Combined Rt3D-palbociclib treatment potently increased interferon production and signaling, and knockdown studies implicated key UPR proteins and the RNA sensor, RIG-I, as essential to the phenotype observed. Further experiments, using canonical RIG-I agonists and an ER stress inducer, thapsigargin, confirmed cross-talk between RNA sensing and ER stress pathways that augmented cancer cell death and interferon production. Combined Rt3D-palbociclib also increased innate immune activation within tumour cells and IFN-induced HLA expression. Analysis of the immunopeptidome revealed changes to HLA-captured peptides with Rt3D-palbociclib, including altered expression of peptides from cancer/testis antigens (CTA) and endogenous retroviral elements (ERVs). Our findings highlight cross-talk between UPR signaling and RNA-mediated PRR activation as a means of enhancing anti-cancer efficacy with potential pro-immunogenic consequences. This has implications for future clinical development of PRR agonists and oncolytic viruses, and broadens the therapeutic remit of CDK4/6 inhibitors to include roles as both ER stress and dsRNA PRR sensitizers.

Abstract Despite some success in other cancer types, the results of combining radiotherapy/chemoradiotherapy and immune checkpoint blockade have been disappointing in patients with locally advanced head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). For such a potentially radiocurable disease, there remains an imperative to explore novel combination approaches. Here, we show that combining ATR inhibition with radiotherapy (ATRi/RT) increases the frequency of highly activated NKG2A/PD-1 double-positive T cells in patients and in animal models of HNSCC. Addition of dual anti-NKG2A and anti-PD-1/-PD-L1 blockade to ATRi/RT in the adjuvant, post-radiotherapy setting induces a robust antitumour immune response in HNSCC preclinical models. Efficacy of the combination regimen relies on CD40/CD40L costimulatory-mediated infiltration of activated/proliferative/memory CD8 and CD4 conventional T cells with persistent or new T cell receptor (TCR) signalling, respectively, as defined by tracking of T cell dynamics. In this favourable therapeutic context, TCR sequencing shows increased richness of the TCR repertoire and the emergence of numerous and large TCR clusters that share antigen specificity in response to full combination therapy. Collectively, our data point towards promising combination approaches for future clinical testing in HNSCC.