Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

Myeloid derived suppressor cells (MDSCs) suppress innate and adaptive immunity, thereby limiting anti‐tumor immune responses in cancer patients. In patients with advanced melanoma, the phenotype and function of MDSCs remains controversial. In our study, we further explored two distinct subpopulations of MDSCs and investigated the impact of Vemurafenib on these cells. Flow cytometry analysis revealed that in comparison to healthy donors and patients with localized disease, PBMCs from patients with metastatic melanoma showed an increased frequency of CD14 + HLA‐DR −/low monocytic MDSCs (moMDSCs) and of a previously unrecognized population of CD14 − CD66b + Arginase1 + granulocytic MDSCs (grMDSCs). In vitro , both populations suppressed autologous T‐cell proliferation, which was tested in CFSE‐based proliferation assays. Vemurafenib treatment of melanoma patients reduced the frequency of both moMDSCs and grMDSCs. According to our in vivo finding, conditioned medium (CM) from Vemurafenib treated melanoma cells was less active in inducing moMDSCs in vitro than CM from untreated melanoma cells. In conclusion, patients with advanced melanoma show increased levels of moMDSCs, and of a population of CD14 − CD66b + Arginase1 + grMDSCs. Both MDSCs are distinct populations capable of suppressing autologous T‐cell responses independently of each other. In vitro as well as in vivo , Vemurafenib inhibits the generation of human moMDSCs. Thus, Vemurafenib decreases immunosuppression in patients with advanced melanoma, indicating its potential as part of future immunotherapies.

Widespread metastasis is the leading course of death in many types of cancer, including malignant melanoma. The process of metastasis can be divided into a number of complex cell biological events, collectively termed the "invasion-metastasis cascade." Previous reports have characterized the capability of anchorage-independent growth of cancer cells in vitro as a key characteristic of highly aggressive tumor cells, particularly with respect to metastatic potential. Biological heterogeneity as well as drastic alterations in cell adhesion of disseminated cancer cells support escape mechanisms for metastases to overcome conventional therapies. Here, we show that exclusively the carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) splice variant CEACAM1-4L supports an anchorage-independent signature in malignant melanoma. These results highlight important variant-specific modulatory functions of CEACAM1 for metastatic spread in patients suffering malignant melanoma.

ABSTRACT The cell autonomous balance of immune-inhibitory and -stimulatory signals is a critical yet poorly understood process in cancer immune evasion. Using patient-derived co-culture models and humanized mouse models, we show that an intact CD58:CD2 interaction is necessary for anti-tumor immunity. Defects in this axis lead to multi-faceted immune evasion through impaired CD2-dependent T cell polyfunctionality, T cell exclusion, impaired intra-tumoral proliferation, and concurrent protein stabilization of PD-L1. We performed genome-scale CRISPR-Cas9 and CD58 coimmunoprecipitation mass spectrometry screens identifying CMTM6 as a key stabilizer of CD58, and show that CMTM6 is required for concurrent upregulation of PD-L1 in CD58 loss. Single-cell RNA-seq analysis of patient melanoma samples demonstrates that most TILs lack expression of primary costimulatory signals required for response to PD-1 blockade (e.g. CD28 ), but maintain strong CD2 expression, thus providing an opportunity to mobilize a so far therapeutically untapped pool of TILs for anti-tumor immunity. We identify two potential therapeutic avenues, including rescued activation of human CD2 -expressing TILs using recombinant CD58 protein, and targeted disruption of PD-L1/CMTM6 interactions. Our work identifies an underappreciated yet critical axis at the nexus of cancer immunity and evasion, uncovers a fundamental mechanism of co-inhibitory and -stimulatory signal balancing, and provides new approaches to improving cancer immunotherapies.

Abstract Resistance to immune checkpoint inhibitors (ICI) that activate T cell mediated anti-tumor immunity is a key challenge in cancer therapy, yet the underlying mechanisms remain poorly understood. To further elucidate those, we developed a new approach, Perturb-CITE-seq, for pooled CRISPR perturbation screens with multi-modal RNA and protein single-cell profiling readout and applied it to screen patient-derived autologous melanoma and tumor infiltrating lymphocyte (TIL) co-cultures. We profiled RNA and 20 surface proteins in over 218,000 cells under ~750 perturbations, chosen by their membership in an immune evasion program that is associated with immunotherapy resistance in patients. Our screen recovered clinically-relevant resistance mechanisms concordantly reflected in RNA, protein and perturbation effects on susceptibility to T cell mediated killing. These were organized in eight co-functional modules whose perturbation distinctly affect four co-regulated programs associated with immune evasion. Among these were defects in the IFNγ-JAK/STAT pathway and in antigen presentation, and several novel mechanisms, including loss or downregulation of CD58 , a surface protein without known mouse homolog. Leveraging the rich profiles in our screen, we found that loss of CD58 did not compromise MHC protein expression and that CD58 was not transcriptionally induced by the IFNγ pathway, allowing us to distinguish it as a novel mechanism of immune resistance. We further show that loss of CD58 on cancer cells conferred immune evasion across multiple T cell and Natural Killer cell patient co-culture models. Notably, CD58 is downregulated in tumors with resistance to immunotherapy in melanoma patients. Our work identifies novel mechanisms at the nexus of immune evasion and drug resistance and provides a general framework for deciphering complex mechanisms by large-scale perturbation screens with multi-modal singlecell profiles, including in systems consisting of multiple cell types.

LBA9501 Background: PIVOTAL (NCT02938299) is an open label, randomized, multicenter, phase 3 trial evaluating Daromun as a neoadjuvant intralesional therapy for resectable, locally advanced Stage III melanoma. Daromun, a combination of two antibody-cytokine fusions (L19IL2 and L19TNF) showed efficacy in a phase 2 study (NCT02076633) in unresectable melanoma patients (pts). Methods: PIVOTAL was run at 22 sites in 4 EU countries. Pts were 1:1 randomly assigned to receive up to 4 weekly intratumoral injections of Daromun followed by surgery (week 5 to 8; treatment arm) or surgery alone within 4 weeks from randomization (control arm). Each weekly administration of Daromun (13 Mio IU of L19IL2 and 400 μg of L19TNF) was distributed among all injectable tumor lesions. Cutaneous melanoma pts with skin and/or LN metastases amenable to complete surgical resection were eligible. Prior anti-tumor treatments including surgery, radiation therapy (RT) and systemic therapies were allowed. Any approved adjuvant treatment post-surgery during follow-up was equally allowed. Pts with uveal or mucosal melanoma, metastatic melanoma with unknown primary, or distant metastases at screening (ruled out by PET/CT) were not eligible. Results: From 07/2016 to 08/2023, 127 pts were randomized to the treatment and 129 to the control arm. Most pts had received previous treatments, including surgery, systemic therapy or RT (Table). The study’s primary endpoint was relapse-free survival (RFS), assessed by investigators and confirmed by retrospective Blinded Independent Central Review (BICR) of PET/CT scans. The primary outcome analysis shows an HR between the RFS of the treatment and control arm of 0.59 [95% CI 0.41-0.86; log-rank p=0.005] as per BICR assessment and 0.61 [0.41-0.92; p=0.018] as per investigator assessment (power = 85%; two-sided α = 0.05). Median RFS was 16.7 mo. in the treatment and 6.9 mo. in the control arm as per BICR. Moreover, distant metastasis-free survival (DMFS) was significantly improved by the neoadjuvant treatment, with an HR of 0.60 [0.37-0.95; p=0.029]. Complete pathological responses (pCR) after surgery were recorded in 21% of treatment arm pts. The safety profile of Daromun was characterized mostly by low-grade, local adverse events (14% grade 3 TEAEs). Systemic AEs were limited and of low grade (no autoimmune TEAEs and no drug-related death recorded). Conclusions: The analysis of the primary efficacy endpoint RFS and of secondary endpoints DMFS, pCR and safety show that neoadjuvant Daromun is an effective and safe therapeutic option for resectable, locally advanced melanoma pts. Clinical trial information: NCT02938299 . [Table: see text]