Single-cell sequencing of mouse immune cells reveals how aging destabilizes a conserved transcriptional activation program.

Abstract Leucine-rich repeat-containing G-protein receptor 5 (LGR5) has been characterised as a stem cell and cancer stem cell marker. Previous analyses of LGR5 transcript levels indicate high level expression discriminates malignancies such as colorectal cancer (CRC) and pre-B acute lymphoblastic leukaemia (pre-B ALL) from healthy tissues suggesting LGR5 protein expression may provide a molecular handle for prognosis and treatment. We have developed highly specific, high affinity antibodies to the extracellular domain of human LGR5 (α-LGR5) that detect high LGR5 protein levels in colorectal cancer (CRC), hepatocellular carcinoma (HCC), and pre-B ALL. In contrast, there is low to undetectable levels of LGR5 protein in normal colon and rectal epithelia, liver, ovarian tissues, brain and immune cell types. LGR5 is rapidly internalised from the plasma membrane and trafficked to intracellular vesicular compartments including lysosomes. Treatment of high LGR5-expressing CRC and pre-B ALL cancer cell lines with an antibody-drug conjugate version of α-LGR5 (α-LGR5-ADC) lead to effective cell killing at nanomolar concentrations. Interventional treatment of pre-B ALL tumours with α-LGR5-ADC in vivo led to rapid tumour attrition. We further demonstrated the therapeutic utility of humanised α-LGR5 by using the corresponding scFv fragment for the generation of α-LGR5 chimeric antigen receptors (CARs) and a Bispecific T cell Engager (BiTE). α-LGR5-CAR-NK cells were effective at killing LGR5-expressing cells while α-LGR5/α-CD3 BiTEs induce T cell activation and killing of NALM6 cells by cytotoxic CD8 + T cells. Taken together, this study establishes α-LGR5-based therapeutic modalities that effectively discriminate and target CRC, HCC and pre-B ALL tumour cells. One Sentence Summary We generated novel antibodies against the cancer cell marker LGR5, validated diagnostic use in prioritizing specific cancer types for targeting, and developed antibody-based therapeutics.

How age-associated decline of immune function leads to increased cancer incidence is poorly understood. Here, we have characterized the cellular composition of the γδ T cell pool in peripheral lymph nodes (pLNs) upon ageing. We found that ageing has minimal cell-intrinsic effects on function and global gene expression of γδ T cells, and TCRγδ diversity remained stable. However, ageing altered TCRδ chain usage and clonal structure of γδ T cell subsets. Importantly, IL-17-producing γδ17 T cells dominated the γδ T cell pool of aged mice - mainly due to the selective expansion of Vγ6+ γδ17 T cells and augmented γδ17-polarisation of Vγ4+ T cells. Expansion of the γδ17 T cell compartment was supported by increased Interleukin-7 expression in the T cell zone of old mice. In a Lewis lung cancer model, pro-tumourigenic Vγ6+ γδ17 T cells were exclusively activated in the tumour-draining LN and their infiltration into the tumour correlated with increased tumour size in aged mice. Thus, upon ageing, substantial compositional changes of γδ T cell pool in a dysregulated pLN microenvironment promote tumour growth.

Abstract We have developed and validated a highly specific, versatile antibody to the extracellular domain of human LGR5 (α-LGR5). α-LGR5 detects LGR5 overexpression in >90% of colorectal cancer (CRC), hepatocellular carcinoma (HCC) and pre-B-ALL tumour cells and was used to generate an Antibody-Drug Conjugate (α-LGR5-ADC), Bispecific T-cell Engager (α-LGR5-BiTE) and Chimeric Antigen Receptor (α-LGR5-CAR). α-LGR5-ADC was the most effective modality for targeting LGR5 + cancer cells in vitro and demonstrated potent anti-tumour efficacy in a murine model of human NALM6 pre-B-ALL driving tumour attrition to less than 1% of control treatment. α-LGR5-BiTE treatment was less effective in the pre-B-ALL cancer model yet promoted a twofold reduction in tumour burden. α-LGR5-CAR-T cells also showed specific and potent LGR5 + cancer cell killing in vitro and effective tumour targeting with a fourfold decrease in pre-B-ALL tumour burden relative to controls. Taken together, we show that α-LGR5 can not only be used as a research tool and a biomarker but also provides a versatile building block for a highly effective immune therapeutic portfolio targeting a range of LGR5-expressing cancer cells.

The CTLA-4 and PD-1 checkpoints control immune responses and are key targets in immunotherapy. Both pathways are connected via a cis interaction between CD80 and PD-L1, the ligands for CTLA-4 and PD-1, respectively. This cis interaction prevents PD-1-PD-L1 binding but is reversed by CTLA-4 trans-endocytosis of CD80. However, how CTLA-4 selectively removes CD80, but not PD-L1, is unclear. Here, we show CTLA-4-CD80 interactions are unimpeded by PD-L1 and that CTLA-4 binding with CD80 does not displace PD-L1 per se. Rather, both rigidity and bivalency of CTLA-4 molecules are required to orientate CD80 such that PD-L1 interactions are no longer permissible. Moreover, soluble CTLA-4 released PD-L1 only at specific expression levels of CD80 and PD-L1, whereas CTLA-4 trans-endocytosis released PD-L1 in all conditions. These data show that PD-L1 release from CD80 is driven by orientation and bivalent cross-linking of membrane proteins and that trans-endocytosis of CD80 efficiently promotes PD-L1 availability.

The CTLA-4 and PD-1 checkpoints control immune responses to self-antigens and are key targets in cancer immunotherapy. Both pathways are connected via a cis interaction between CD80 and PD-L1, the ligands for CTLA-4 and PD-1 respectively. This cis interaction prevents PD-1 binding to PD-L1 but is reversed by CTLA-4 trans-endocytosis of CD80. However, the mechanism by which CTLA-4 selectively removes CD80 but not PD-L1 is unclear. Here we show that CTLA-4 - CD80 interactions are unimpeded by PD-L1 and that CTLA-4 binding with CD80 does not displace PD-L1 per se. Rather, both the rigidity and bivalency of the WT CTLA-4 molecule is required to orientate CD80 such that PD-L1 interactions are no longer permissible. Moreover, soluble CTLA-4 released PD-L1 only at specific expression levels of CD80 and PD-L1, whereas CTLA-4 trans-endocytosis released PD-L1 in all conditions. These data show that PD-L1 release from CD80 is driven by biophysical factors associated with orientation and bivalent cross-linking of proteins in the cell membrane and that trans-endocytosis of CD80 efficiently promotes PD-L1 availability.