Tumor-specific CD8+ T cells are frequently dysfunctional and unable to halt tumor growth. We investigated whether tumor-specific CD4+ T cells can be enlisted to overcome CD8+ T cell dysfunction within tumors. We find that the spatial positioning and interactions of CD8+ and CD4+ T cells, but not their numbers, dictate anti-tumor responses in the context of adoptive T cell therapy as well as immune checkpoint blockade (ICB): CD4+ T cells must engage with CD8+ T cells on the same dendritic cell during the effector phase, forming a three-cell-type cluster (triad) to license CD8+ T cell cytotoxicity and cancer cell elimination. When intratumoral triad formation is disrupted, tumors progress despite equal numbers of tumor-specific CD8+ and CD4+ T cells. In patients with pleural mesothelioma treated with ICB, triads are associated with clinical responses. Thus, CD4+ T cells and triads are required for CD8+ T cell cytotoxicity during the effector phase and tumor elimination.

ABSTRACT Paired T cell receptor and RNA single cell sequencing (scTCR/RNA-seq) has allowed for enhanced resolution of clonal T cell dynamics in cancer. Here, we report a scTCR/RNA-seq dataset of 162,062 single T cells from 31 tissue regions, including tumor, adjacent normal tissues, and lymph nodes (LN), from three patients who underwent resections for progressing lung cancers after immune checkpoint blockade (ICB). We found marked regional heterogeneity in tumor persistence that was associated with heterogeneity in CD4 and CD8 T cell phenotypes; regions with persistent cancer cells were enriched for follicular helper CD4 T cells (TFH), regulatory T cells (Treg), and exhausted CD8 T cells. Clonal analysis demonstrated that highly-expanded T cell clones were predominantly of the CD8 subtype, were ubiquitously present across all sampled regions, found in the peripheral circulation, and expressed gene signatures of ‘large’ and ‘dual-expanded’ clones that have been predictive of response to ICB. Longitudinal tracking of CD8 T cell clones in the peripheral blood revealed that the persistence of ubiquitous CD8 T cell clones, as well as phenotypically distinct clones with tumor-reactive features, correlated with systemic tumor control. Finally, tracking CD8 T cell clones across tissues revealed the presence of TCF-1 + precursor exhausted CD8 T cells in tumor draining LNs that were clonally linked to expanded exhausted CD8 T cells in tumors. Altogether, this comprehensive scTCR/RNA-seq dataset with regional, longitudinal, and clonal resolution provides fundamental insights into the tissue distribution, persistence, and differentiation trajectories of ICB-responsive T cells that underlie clinical responses to ICB.

Abstract Although cancer immunotherapy with PD-(L)1 blockade is now routine treatment for patients with lung cancer, remarkably little is known about acquired resistance. We examined 1,201 patients with NSCLC treated with PD-(L)1 blockade to clinically characterize acquired resistance, finding it to be common (occurring in more than 60% of initial responders), with persistent but diminishing risk over time, and with distinct metastatic and survival patterns compared to primary resistance. To examine the molecular phenotype and potential mechanisms of acquired resistance, we performed whole transcriptome and exome tumor profiling in a subset of NSCLC patients (n=29) with acquired resistance. Systematic immunogenomic analysis revealed that tumors with acquired resistance generally had enriched signals of inflammation (including IFNγ signaling and inferred CD8+ T cells) and could be separated into IFNγ upregulated and stable subsets. IFNγ upregulated tumors had putative routes of resistance with signatures of dysfunctional interferon signaling and mutations in antigen presentation genes. Transcriptomic profiling of cancer cells from a murine model of acquired resistance to PD-(L)1 blockade also showed evidence of dysfunctional interferon signaling and acquired insensitivity to in vitro interferon gamma treatment. In summary, we characterized clinical and molecular features of acquired resistance to PD-(L)1 blockade in NSCLC and found evidence of ongoing but dysfunctional IFN response. The persistently inflamed, rather than excluded or deserted, tumor microenvironment of acquired resistance informs therapeutic strategies to effectively reprogram and reverse acquired resistance.

Abstract Immune checkpoint inhibitors are promising treatments for patients with a variety of malignancies. Toward understanding the determinants of response to immune checkpoint inhibitors, it was previously demonstrated that somatic mutation burden is associated with benefit and a hypothesis was posited that neoantigen homology to pathogens may in part explain the link between somatic mutations and response. To further examine this hypothesis, we reanalyzed cancer exome data obtained from a previously published study of 64 melanoma patients treated with CTLA-4 blockade and a new dataset of RNA-Seq data from 24 of those patients. We found that the predictive accuracy does not increase as analysis narrows from somatic mutation burden to predicted MHC Class I neoantigens, expressed neoantigens, or homology to pathogens. Further, the association between somatic mutation burden and response is only found when examining samples obtained prior to treatment. Neoantigen and expressed neoantigen burden are also associated with response, but neither is more predictive than somatic mutation burden. Neither the previously-described tetrapeptide signature nor an updated method to evaluate neoepitope homology to pathogens were more predictive than mutation burden.

ABSTRACT The repertoire of tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) can be vast, and many of these TILs are not endowed with tumor reactivity. While a number of reports have shown that tumor-reactive TILs express CD39, few reports have demonstrated that conversely, CD39 can be leveraged to serve as a proxy of tumor-reactive CD8 T cells. Using single-cell CITE/RNA/TCRseq, we show that CD39 + CD8 T cells in human lung cancers demonstrate transcriptional and proteomic features of exhaustion, tumor reactivity, and clonal expansion. Moreover, TCR cloning revealed that CD39 enriched for tumor-reactive CD8 T cell clones. Flow cytometry of 440 lung cancer specimens revealed that CD39 level on CD8 T cells is only weakly correlated with tumoral features that currently guide lung cancer therapy, such as histology, driver mutation, PD-L1 and tumor mutation burden. PD-1 axis blockade, but not cytotoxic chemotherapy, increased intratumoral CD39 + CD8 T cells. CD39 correlated with PD-1 expression on CD8 T cells and high pre-treatment/early-on-treatment levels were associated with improved clinical outcomes, but not immune-related adverse events, from immune checkpoint blockade therapy. This comprehensive profiling of the clinical, pathological and molecular features highlights the utility of CD39 as a proxy for tumor-reactive CD8 T cells in human lung cancer.

Frameshift insertion/deletions (fs-indels) are an infrequent but potentially highly immunogenic mutation subtype. Although fs-indel transcripts are susceptible to degradation through the non-sense mediated decay (NMD) pathway, we hypothesise that some fs-indels escape degradation and lead to an increased abundance of tumor specific neoantigens, that are highly distinct from self. We analysed matched DNA and RNA sequencing data from TCGA, and five separate melanoma cohorts treated with immunotherapy. Using allele-specific expression analysis we show that expressed fs-indels were enriched in genomic positions predicted to escape NMD, and associated with higher protein expression, consistent with degradation escape (“NMD-escape”). Across four independent cohorts, fs-indel NMD-escape mutations were found to be significantly associated with clinical benefit to checkpoint inhibitor (CPI) therapy (Pmeta=0.0039), a stronger association than either nsSNV (Pmeta=0.073) or fs-indel (Pmeta=0.064) count. NMD-escape mutations were additionally shown to have independent predictive power in the “low-TMB” setting, and may serve as a biomarker to rescue patients judged ineligible for CPI based on overall TMB, but still with a high chance of response (low-TMB cohort: NMD-escape-positive % clinical benefit=53%, NMD-escape-negative % clinical benefit=16%, P=0.0098). Furthermore, in an adoptive cell therapy (ACT) treated cohort, NMD-escape mutation count was the most significant biomarker associated with clinical benefit (P=0.021). Analysis of functional T-cell reactivity screens from recent personalized vaccine and CPI studies shows direct evidence of fs-indel derived neoantigens eliciting patient anti-tumor immune response (n=15). We additionally observe a subset of fs-indel mutations, with highly elongated neo open reading frames, which are found to be significantly enriched for immunogenic reactivity in these patient studies (P=0.0032). Finally, consistent with the potency of NMD-escape derived neo-antigens and ongoing immune-editing, NMD-escape fs-indels appear to be under negative selective pressure in untreated TCGA cases. Given the strongly immunogenic potential, and relatively rare nature of NMD-escape fs-indels, these alterations may be attractive candidates in immunotherapy biomarker optimisation and neoantigen ACT or vaccine strategies.

Tumor-reactive CD8 T cells found in cancer patients are frequently dysfunctional, unable to halt tumor growth. Adoptive T cell transfer (ACT), the administration of large numbers of in vitro-generated cytolytic tumor-reactive CD8 T cells, is an important cancer immune therapy being pursued. However, a limitation of ACT is that transferred CD8 T cells often rapidly lose effector function, and despite exciting results in certain malignancies, few ACT clinical trials have shown responses in solid tumors. Here, we developed preclinical cancer mouse models to investigate if and how tumor-specific CD4 T cells can be enlisted to overcome CD8 T cell dysfunction in the setting of ACT. In situ confocal microscopy of color-coded cancer cells, tumor-specific CD8 and CD4 T cells, and antigen presenting cells (APC), combined with functional studies, revealed that the spatial positioning and interactions of CD8 and CD4 T cells, but not their numbers, dictates ACT efficacy and anti-tumor responses. We uncover a new role of antigen-specific CD4 T cells in addition to the known requirement for CD4 T cells during priming/activation of naïve CD8 T cells. CD4 T cells must co-engage with CD8 T cells and APC cross-presenting CD8- and CD4-tumor antigens during the effector phase, forming a three-cell-cluster (triad), to license CD8 T cell cytotoxicity and mediate cancer cell elimination. Triad formation transcriptionally and epigenetically reprogram CD8 T cells, prevent T cell dysfunction/exhaustion, and ultimately lead to the elimination of large established tumors and confer long-term protection from recurrence. When intratumoral triad formation was disrupted, adoptively transferred CD8 T cells could not be reprogrammed, and tumors progressed despite equal numbers of tumor-infiltrating CD8 and CD4 T cells. Strikingly, the formation of CD4 T cell::CD8 T cell::APC triads in tumors of patients with lung cancers treated with immune checkpoint blockade was associated with clinical responses, but not CD4::APC dyads or overall numbers of CD8 or CD4 T cells, demonstrating the importance of triads in non-ACT settings in humans. Our work uncovers intratumoral triads as a key requirement for anti-tumor immunity and a new role for CD4 T cells in CD8 T cell cytotoxicity and cancer cell eradication.

Abstract Background: Inhibition of programmed death-ligand one (PD-L1) with atezolizumab can induce durable clinical benefit (DCB) in patients with metastatic urothelial cancers, including complete remissions in patients with chemotherapy refractory disease. Although mutation load and PD-L1 immune cell (IC) staining have been associated with response, they lack sufficient sensitivity and specificity for clinical use. Thus, there is a need to evaluate the peripheral blood immune environment and to conduct detailed analyses of mutation load, predicted neoantigens and immune cellular infiltration in tumors to enhance our understanding of the biologic underpinnings of response and resistance. Methods and Findings: The goals of this study were to (1) evaluate the association of mutation load and predicted neoantigen load with therapeutic benefit, and (2) determine whether intratumoral and peripheral blood T cell receptor (TCR) clonality inform clinical outcomes in urothelial carcinoma treated with atezolizumab. We hypothesized that an elevated mutation load in combination with T cell clonal dominance among intratumoral lymphocytes prior to treatment or among peripheral T cells after treatment would be associated with effective tumor control upon treatment with anti-PD-L1 therapy. We performed whole exome sequencing (WES), RNA sequencing (RNA-seq), and T cell receptor sequencing (TCR-seq) of pre-treatment tumor samples as well as TCR sequencing of matched, serially collected peripheral blood collected before and after treatment with atezolizumab. These parameters were assessed for correlation with DCB (defined as progression free survival (PFS) > 6 months), PFS, and overall survival (OS), both alone and in the context of clinical and intratumoral parameters known to be predictive of survival in this disease state. Patients with DCB displayed a higher proportion of tumor infiltrating T lymphocytes (TIL) (n=24, Mann-Whitney p=0.047). Pre-treatment peripheral blood TCR clonality below the median was associated with improved PFS (n=29, log-rank p=0.048) and OS (n=29, log-rank p=0.011). Patients with DCB also demonstrated more substantial expansion of tumor-associated TCR clones in the peripheral blood 3 weeks after starting treatment (n=22, Mann-Whitney p=0.022). The combination of high pre-treatment peripheral blood TCR clonality with elevated PD-L1 IC staining in tumor tissue was strongly associated with poor clinical outcomes (n=10, HR (mean)=89.88, HR (median)=23.41, 95% CI (2.43, 506.94), p(HR>1)=0.0014). Marked variations in mutation loads were seen with different somatic variant calling methodologies, which in turn impacted associations with clinical outcomes. Missense mutation load, predicted neoantigen load and expressed neoantigen load did not demonstrate significant association with DCB (n=25, Mann-Whitney p=0.22, n=25, Mann-Whitney p=0.55, and n=25, Mann-Whitney p=0.29 respectively). Instead, we found evidence of time-varying effects of somatic mutation load on progression-free survival in this cohort (n=25, p=0.044). A limitation of our study is its small sample size (n=29), a subset of the patients treated on IMvigor 210 ( NCT02108652 ). Given the number of exploratory analyses performed, we intend for these results to be hypothesis-generating. Conclusions: These results demonstrate the complex nature of immune response to checkpoint blockade and the compelling need for greater interrogation and data integration of both host and tumor factors. Incorporating these variables in prospective studies will facilitate identification and treatment of resistant patients.

SUMMARY Anti-PD-1/PD-L1 agents have transformed the treatment landscape of advanced non-small cell lung cancer (NSCLC). While our understanding of the biology underlying immune checkpoint blockade in NSCLC is still incomplete, studies to date have established predictive roles for PD-L1 tumor expression and tumor mutational burden (TMB). To expand our understanding of the molecular features underlying response to checkpoint inhibitors in NSCLC, we describe here the first joint analysis of the Stand Up 2 Cancer - Mark Foundation (SU2C-MARK) Cohort, a resource of whole exome and/or RNA sequencing from 393 patients with NSCLC treated with anti-PD-(L)1 therapy, along with matched clinical response annotation. We identify a number of associations between molecular features and outcome, including: 1) favorable (e.g., ATM altered), and unfavorable (e.g., TERT amplified) genomic subgroups, 2) distinct immune infiltration signatures associated with wound healing (unfavorable) and immune activation (favorable), and 3) a novel de-differentiated tumor-intrinsic subtype characterized by expression of endodermal lineage genes, immune activation, and enhanced response rate. Taken together, results from this cohort extend our understanding of NSCLC-specific predictors, providing a rich set of molecular and immunologic hypotheses with which to further our understanding of the biology of checkpoint blockade in NSCLC.