Although clonal neo-antigen burden is associated with improved response to immune therapy, the functional basis for this remains unclear. Here we study this question in a novel controlled mouse melanoma model that enables us to explore the effects of intra-tumor heterogeneity (ITH) on tumor aggressiveness and immunity independent of tumor mutational burden. Induction of UVB-derived mutations yields highly aggressive tumors with decreased anti-tumor activity. However, single-cell-derived tumors with reduced ITH are swiftly rejected. Their rejection is accompanied by increased T cell reactivity and a less suppressive microenvironment. Using phylogenetic analyses and mixing experiments of single-cell clones, we dissect two characteristics of ITH: the number of clones forming the tumor and their clonal diversity. Our analysis of melanoma patient tumor data recapitulates our results in terms of overall survival and response to immune checkpoint therapy. These findings highlight the importance of clonal mutations in robust immune surveillance and the need to quantify patient ITH to determine the response to checkpoint blockade.

Decreased intra-tumor heterogeneity (ITH) correlates with increased patient survival and immunotherapy response. However, even highly homogenous tumors may display variability in their aggressiveness, and how immunologic-factors impinge on their aggressiveness remains understudied. Here we studied the mechanisms responsible for the immune-escape of murine tumors with low ITH. We compared the temporal growth of homogeneous, genetically-similar single-cell clones that are rejected vs. those that are not-rejected after transplantation in-vivo using single-cell RNA sequencing and immunophenotyping. Non-rejected clones showed high infiltration of tumor-associated-macrophages (TAMs), lower T-cell infiltration, and increased T-cell exhaustion compared to rejected clones. Comparative analysis of rejection-associated gene expression programs, combined with in-vivo CRISPR knockout screens of candidate mediators, identified Mif (macrophage migration inhibitory factor) as a regulator of immune rejection. Mif knockout led to smaller tumors and reversed non-rejection-associated immune composition, particularly, leading to the reduction of immunosuppressive macrophage infiltration. Finally, we validated these results in melanoma patient data.

Low intra-tumor heterogeneity (ITH) correlates with increased patient survival and immunotherapy response. However, even highly homogeneous tumors are variably aggressive, and the immunological factors impacting aggressiveness remain understudied. Here, we analyzed the mechanisms underlying immune escape in murine tumors with low ITH. We used immunophenotyping and single-cell RNA sequencing to compare the temporal growth of in-vivo transplanted, genetically similar rejected vs. non-rejected single-cell clones. Non-rejected clones showed high infiltration of tumor-associated macrophages (TAMs), lower T-cell infiltration, and increased T-cell exhaustion compared to rejected clones. Comparative analysis of rejection-associated gene expression programs, combined with in-vivo CRISPR knockout screens of candidate regulators, identified Mif (macrophage migration inhibitory factor) as a major contributor to immune rejection. Mif knockout resulted in smaller tumors and reduced TAM infiltration. These results were validated in melanoma patient data. Overall, our homogeneous tumor system can uncover factors regulating growth variability and identifies Mif as critical in aggressive melanoma.