T cell dysfunction is a hallmark of many cancers, but the basis for T cell dysfunction and the mechanisms by which antibody blockade of the inhibitory receptor PD-1 (anti-PD-1) reinvigorates T cells are not fully understood. Here we show that such therapy acts on a specific subpopulation of exhausted CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs). Dysfunctional CD8+ TILs possess canonical epigenetic and transcriptional features of exhaustion that mirror those seen in chronic viral infection. Exhausted CD8+ TILs include a subpopulation of ‘progenitor exhausted’ cells that retain polyfunctionality, persist long term and differentiate into ‘terminally exhausted’ TILs. Consequently, progenitor exhausted CD8+ TILs are better able to control tumor growth than are terminally exhausted T cells. Progenitor exhausted TILs can respond to anti-PD-1 therapy, but terminally exhausted TILs cannot. Patients with melanoma who have a higher percentage of progenitor exhausted cells experience a longer duration of response to checkpoint-blockade therapy. Thus, approaches to expand the population of progenitor exhausted CD8+ T cells might be an important component of improving the response to checkpoint blockade. Exhausted cytotoxic T lymphocytes (CTLs) express the receptor PD-1 as a key signature. Haining and colleagues show that there are different ‘depths’ of exhaustion with a subset of exhausted CTLs that retain polyfunctionality and are responsive to PD-1 blockade.

The immune system of laboratory mice raised in an ultra-hygienic environment resembles that ofnewborn humans, but can be induced to resemble the immune system of adult humans or 'dirty' mice by co-housing with pet store-bought mice. The laboratory mouse is by far the dominant model organism for in vivo immunological research which — particularly in the light of disappointing results obtained with some recent transfers of disease treatments from laboratory to clinic — raises the question of how accurately the model reflects the human immune system. These authors compare the immune status of laboratory mice with that of feral mice and with mice bought commercially as pets. They find that the immune system of the ubiquitous laboratory 'specific pathogen free' mouse approximates that of human neonates, rather than human adults. Co-housing laboratory mice with 'pet store' mice leads to maturation of the immune system, making it more similar to that of the human adult, and resulting in increased resistance in several models of infection. The use of such 'dirty' mice could supplement current models to either increase translational potential to human disease or to better inform the efficacy of preclinical prophylactic and therapeutic modalities. Our current understanding of immunology was largely defined in laboratory mice, partly because they are inbred and genetically homogeneous, can be genetically manipulated, allow kinetic tissue analyses to be carried out from the onset of disease, and permit the use of tractable disease models. Comparably reductionist experiments are neither technically nor ethically possible in humans. However, there is growing concern that laboratory mice do not reflect relevant aspects of the human immune system, which may account for failures to translate disease treatments from bench to bedside1,2,3,4,5,6,7,8. Laboratory mice live in abnormally hygienic specific pathogen free (SPF) barrier facilities. Here we show that standard laboratory mouse husbandry has profound effects on the immune system and that environmental changes produce mice with immune systems closer to those of adult humans. Laboratory mice—like newborn, but not adult, humans—lack effector-differentiated and mucosally distributed memory T cells. These cell populations were present in free-living barn populations of feral mice and pet store mice with diverse microbial experience, and were induced in laboratory mice after co-housing with pet store mice, suggesting that the environment is involved in the induction of these cells. Altering the living conditions of mice profoundly affected the cellular composition of the innate and adaptive immune systems, resulted in global changes in blood cell gene expression to patterns that more closely reflected the immune signatures of adult humans rather than neonates, altered resistance to infection, and influenced T-cell differentiation in response to a de novo viral infection. These data highlight the effects of environment on the basal immune state and response to infection and suggest that restoring physiological microbial exposure in laboratory mice could provide a relevant tool for modelling immunological events in free-living organisms, including humans.

Immunotherapy with PD-1 checkpoint blockade is effective in only a minority of patients with cancer, suggesting that additional treatment strategies are needed. Here we use a pooled in vivo genetic screening approach using CRISPR–Cas9 genome editing in transplantable tumours in mice treated with immunotherapy to discover previously undescribed immunotherapy targets. We tested 2,368 genes expressed by melanoma cells to identify those that synergize with or cause resistance to checkpoint blockade. We recovered the known immune evasion molecules PD-L1 and CD47, and confirmed that defects in interferon-γ signalling caused resistance to immunotherapy. Tumours were sensitized to immunotherapy by deletion of genes involved in several diverse pathways, including NF-κB signalling, antigen presentation and the unfolded protein response. In addition, deletion of the protein tyrosine phosphatase PTPN2 in tumour cells increased the efficacy of immunotherapy by enhancing interferon-γ-mediated effects on antigen presentation and growth suppression. In vivo genetic screens in tumour models can identify new immunotherapy targets in unanticipated pathways. In vivo CRISPR screening reveals that loss of Ptpn2 increases the response of tumour cells to immunotherapy and increases IFNγ signalling, suggesting that PTPN2 inhibition may potentiate the effect of immunotherapies that invoke an IFNγ response. Cancer immunotherapy treatments, such as PD-1 checkpoint blockade, are only effective in a minority of patients, suggesting the need to investigate new treatment strategies. Nicholas Haining and colleagues describe a functional genomics approach using the CRISPR–Cas9 system to identify genes that affect the response to immune checkpoint blockade in the B16 mouse transplantable tumour model. They show that loss of function of the phosphatase PTPN2 in tumour cells enhances interferon-γ-mediated effects on antigen presentation and growth suppression. This finding suggests that PTPN2 is a potential target for cancer immunotherapy and that in vivo genetic screenings of tumour models could help identify other possible targets.

Most patients with cancer either do not respond to immune checkpoint blockade or develop resistance to it, often because of acquired mutations that impair antigen presentation. Here we show that loss of function of the RNA-editing enzyme ADAR1 in tumour cells profoundly sensitizes tumours to immunotherapy and overcomes resistance to checkpoint blockade. In the absence of ADAR1, A-to-I editing of interferon-inducible RNA species is reduced, leading to double-stranded RNA ligand sensing by PKR and MDA5; this results in growth inhibition and tumour inflammation, respectively. Loss of ADAR1 overcomes resistance to PD-1 checkpoint blockade caused by inactivation of antigen presentation by tumour cells. Thus, effective anti-tumour immunity is constrained by inhibitory checkpoints such as ADAR1 that limit the sensing of innate ligands. The induction of sufficient inflammation in tumours that are sensitized to interferon can bypass the therapeutic requirement for CD8+ T cell recognition of cancer cells and may provide a general strategy to overcome immunotherapy resistance. Deletion of the A-to-I double-stranded RNA-editing enzyme ADAR1 sensitizes tumour cells to immunotherapy.

Immune checkpoint blockade (ICB) results in durable disease control in a subset of patients with advanced renal cell carcinoma (RCC), but mechanisms driving resistance are poorly understood. We characterize the single-cell transcriptomes of cancer and immune cells from metastatic RCC patients before or after ICB exposure. In responders, subsets of cytotoxic T cells express higher levels of co-inhibitory receptors and effector molecules. Macrophages from treated biopsies shift toward pro-inflammatory states in response to an interferon-rich microenvironment but also upregulate immunosuppressive markers. In cancer cells, we identify bifurcation into two subpopulations differing in angiogenic signaling and upregulation of immunosuppressive programs after ICB. Expression signatures for cancer cell subpopulations and immune evasion are associated with PBRM1 mutation and survival in primary and ICB-treated advanced RCC. Our findings demonstrate that ICB remodels the RCC microenvironment and modifies the interplay between cancer and immune cell populations critical for understanding response and resistance to ICB.

Large-scale high-throughput plant phenotyping (sometimes called phenomics) is becoming increasingly important in plant biology and agriculture and is essential to cutting-edge plant breeding and management approaches needed to meet the food and fuel needs for the next century. Currently, the application of these approaches is severely limited by the availability of appropriate instrumentation and by the ability to communicate experimental protocols, results and analyses. To address these issues, we have developed a low-cost, yet sophisticated open-source scientific instrument designed to enable communities of researchers, plant breeders, educators, farmers and citizen scientists to collect high-quality field data on a large scale. The MultispeQ provides measurements in the field or laboratory of both, environmental conditions (light intensity and quality, temperature, humidity, CO 2 levels, time and location) and useful plant phenotypes, including photosynthetic parameters—photosystem II quantum yield ( Φ II ), non-photochemical exciton quenching (NPQ), photosystem II photoinhibition, light-driven proton translocation and thylakoid proton motive force, regulation of the chloroplast ATP synthase and potentially many others—and leaf chlorophyll and other pigments. Plant phenotype data are transmitted from the MultispeQ to mobile devices, laptops or desktop computers together with key metadata that gets saved to the PhotosynQ platform (https://photosynq.org) and provides a suite of web-based tools for sharing, visualization, filtering, dissemination and analyses. We present validation experiments, comparing MultispeQ results with established platforms, and show that it can be usefully deployed in both laboratory and field settings. We present evidence that MultispeQ can be used by communities of researchers to rapidly measure, store and analyse multiple environmental and plant properties, allowing for deeper understanding of the complex interactions between plants and their environment.

Abstract Sarcomatoid and rhabdoid (S/R) renal cell carcinoma (RCC) are highly aggressive tumors with limited molecular and clinical characterization. Emerging evidence suggests immune checkpoint inhibitors (ICI) are particularly effective for these tumors 1–3 , although the biological basis for this property is largely unknown. Here, we evaluate multiple clinical trial and real-world cohorts of S/R RCC to characterize their molecular features, clinical outcomes, and immunologic characteristics. We find that S/R RCC tumors harbor distinctive molecular features that may account for their aggressive behavior, including BAP1 mutations, CDKN2A deletions, and increased expression of MYC transcriptional programs. We show that these tumors are highly responsive to ICI and that they exhibit an immune-inflamed phenotype characterized by immune activation, increased cytotoxic immune infiltration, upregulation of antigen presentation machinery genes, and PD-L1 expression. Our findings shed light on the molecular drivers of aggressivity and responsiveness to immune checkpoint inhibitors of S/R RCC tumors.

Abstract

 Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is molecularly heterogeneous, immune infiltrated, and selectively sensitive to immune checkpoint inhibition (ICI). Established histopathology paradigms like nuclear grade have baseline prognostic relevance for ccRCC, although whether existing or novel histologic features encode additional heterogeneous biological and clinical states in ccRCC is uncertain. Here, we developed spatially aware deep learning models of tumor- and immune-related features to learn representations of ccRCC tumors using diagnostic whole-slide images (WSI) in untreated and treated contexts (n = 1102 patients). We discovered patterns of nuclear grade heterogeneity in WSI not achievable through human pathologist analysis, and these graph-based "microheterogeneity" structures associated with PBRM1 loss of function, adverse clinical factors, and selective patient response to ICI. Joint computer vision analysis of tumor phenotypes with inferred tumor infiltrating lymphocyte density identified a further subpopulation of highly infiltrated, microheterogeneous tumors responsive to ICI. In paired multiplex immunofluorescence images of ccRCC, microheterogeneity associated with greater PD1 activation in CD8+ lymphocytes and increased tumor-immune interactions. Thus, our work reveals novel spatially interacting tumor-immune structures underlying ccRCC biology that can also inform selective response to ICI.

ABSTRACT Neuroendocrine tumors (NETs) are rare cancers that may arise in the gastrointestinal tract and pancreas. The fundamental mechanisms driving gastroenteropancreatic (GEP) NET growth remain incompletely elucidated; however, the heterogeneous clinical behavior of GEP-NETs suggests that both cellular lineage dynamics and tumor microenvironment influence tumor pathophysiology. Here, we investigated the single-cell transcriptomes of tumor and immune cells from patients with gastroenteropancreatic NETs. Malignant GEP-NET cells expressed genes and regulons associated with normal, gastrointestinal endocrine cell differentiation and fate determination stages. While tumor and lymphoid compartments sparsely expressed immunosuppressive targets, infiltrating myeloid cells were enriched for alternative immunotherapy pathways including VSIR , Tim3/Gal9, and SIGLEC10 . Finally, analysis of paired primary and metastatic tissue specimens from small intestinal NETs demonstrated transcriptional transformation between the primary tumor and its distant metastasis. Our findings highlight the transcriptomic heterogeneity that distinguishes the cellular landscapes of GEP-NET anatomic subtypes and reveal potential avenues for future precision medicine therapeutics.

Abstract Esophageal adenocarcinoma (EAC) is a highly lethal cancer of the upper gastrointestinal tract with rising incidence in western populations. To decipher EAC disease progression and therapeutic response, we performed multiomic analyses of a cohort of primary and metastatic EAC tumors, incorporating single-nuclei transcriptomic and chromatin accessibility sequencing, along with spatial profiling. We identified tumor microenvironmental features previously described to associate with therapy response. We identified five malignant cell programs, including undifferentiated, intermediate, differentiated, epithelial-to-mesenchymal transition, and cycling programs, which were associated with differential epigenetic plasticity and clinical outcomes, and for which we inferred candidate transcription factor regulons. Furthermore, we revealed diverse spatial localizations of malignant cells expressing their associated transcriptional programs and predicted their significant interactions with microenvironmental cell types. We validated our findings in three external single-cell RNA-seq and three bulk RNA-seq studies. Altogether, our findings advance the understanding of EAC heterogeneity, disease progression, and therapeutic response.