Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts1,2. This may be due to pre-existing transcriptional programmes in the cell of origin. Here we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet or under the nails3. We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma and enrichment for CRKL amplifications in acral melanoma. We modelled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumours formed predominantly in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin and limb melanocytes, when compared with body melanocytes, revealed a positional identity gene programme typified by posterior HOX13 genes. This positional gene programme synergized with CRKL to amplify insulin-like growth factor (IGF) signalling and drive tumours at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven programme eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults. In a zebrafish model of human cutaneous and acral melanomas, CRKL amplification causes tumours to favour a fin location, indicating that tumour location is determined by both the driver oncogenes and the pre-existing positional identity gene program.

The majority of JAK2 V617F -negative myeloproliferative neoplasms (MPNs) have disease-initiating frameshift mutations in calreticulin ( CALR ), resulting in a common carboxyl-terminal mutant fragment (CALR MUT ), representing an attractive source of neoantigens for cancer vaccines. However, studies have shown that CALR MUT -specific T cells are rare in patients with CALR MUT MPN for unknown reasons. We examined class I major histocompatibility complex (MHC-I) allele frequencies in patients with CALR MUT MPN from two independent cohorts. We observed that MHC-I alleles that present CALR MUT neoepitopes with high affinity are underrepresented in patients with CALR MUT MPN. We speculated that this was due to an increased chance of immune-mediated tumor rejection by individuals expressing one of these MHC-I alleles such that the disease never clinically manifested. As a consequence of this MHC-I allele restriction, we reasoned that patients with CALR MUT MPN would not efficiently respond to a CALR MUT fragment cancer vaccine but would when immunized with a modified CALR MUT heteroclitic peptide vaccine approach. We found that heteroclitic CALR MUT peptides specifically designed for the MHC-I alleles of patients with CALR MUT MPN efficiently elicited a CALR MUT cross-reactive CD8 + T cell response in human peripheral blood samples but not to the matched weakly immunogenic CALR MUT native peptides. We corroborated this effect in vivo in mice and observed that C57BL/6J mice can mount a CD8 + T cell response to the CALR MUT fragment upon immunization with a CALR MUT heteroclitic, but not native, peptide. Together, our data emphasize the therapeutic potential of heteroclitic peptide–based cancer vaccines in patients with CALR MUT MPN.

Abstract Background Viral-based immunotherapy has the potential to overcome resistance to immune checkpoint blockade (ICB) and to fill the unmet needs of many cancer patients. Oncolytic viruses (OVs) are defined as engineered or naturally occurring viruses that selectively replicate in and kill cancer cells. OVs also induce antitumor immunity. The purpose of this study is to compare the antitumor effects of live OV-GM expressing murine granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (mGM-CSF) versus inactivated OV-GM and elucidate the underlying immunological mechanisms. Methods In this study, we engineered a replication-competent, oncolytic vaccinia virus (OV-GM) by inserting a murine GM-CSF gene into the thymidine kinase (TK) locus of a mutant vaccinia E3LΔ83N, which lacks the Z-DNA-binding domain of vaccinia virulence factor E3. We compared the antitumor effects of intratumoral (IT) delivery of live OV-GM vs. heat-inactivated OV-GM (heat-iOV-GM) in a murine B16-F10 melanoma bilateral implantation model. Results Heat-iOV-GM infection of dendritic cells (DCs) and tumor cells in vitro induces type I IFN and pro inflammatory cytokines and chemokines, whereas live OV-GM does not. IT live OV-GM is less effective in generating systemic antitumor immunity compared with heat-iOV-GM. Similar to heat-iOV-GM, the antitumor effects of live OV-GM also require Batf3-dependent CD103+ dendritic cells. IT heat-iOV-GM induces higher numbers of infiltrating activated CD8+ and CD4+ T cells as well as higher levels of type I IFN, proinflammatory cytokines, and chemokines in the distant non-injected tumors, which is dependent on CD8+ T cells. When combined with systemic delivery of ICB, IT heat-iOV-GM is more effective in eradicating tumors compared with live OV-GM. Conclusions Tumor lysis induced by the replication of oncolytic DNA viruses has a limited effect on the generation of systemic antitumor immunity. The activation of Batf3-dependent CD103+ DCs is critical for antitumor effects induced by both live OV-GM and heat-iOV-GM. Heat-iOV-GM is more potent than live OV-GM in the induction of innate and adaptive immunity in both the injected and distant non-injected tumors. We propose that evaluations of both innate and adaptive immunity induced by IT oncolytic viral immunotherapy at injected and non-injected tumors should be included as potential biomarkers.

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.

Summary Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts 1, 2 . This may be due to pre-existing transcriptional programs in the cell of origin. Here, we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet, or under the nails 3 . We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma but CRKL amplifications in acral melanoma. We modeled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumors predominantly formed in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin/limb melanocytes, compared to body melanocytes, revealed a positional identity gene program typified by posterior HOX13 genes. This positional gene program synergized with CRKL to drive tumors at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven program eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults.

Abstract Novel strategies to reprogram tumor-infiltrating myeloid cells for cancer immunotherapy are urgently needed, given that the primary and acquired resistance to immune checkpoint blockade (ICB) therapy has hindered the overall success of immunotherapy. Modified vaccinia virus Ankara (MVA) is a highly attenuated, non-replicative vaccinia virus and an approved vaccine against smallpox and monkeypox. Here we report rational engineering of recombinant MVA, MQ833, by removing three immune suppressive genes, E5R, E3L, and WR199, from the MVA genome and inserting three transgenes encoding Flt3L, OX40L, and IL-12. Intratumoral (IT) delivery of MQ833 generates potent antitumor responses dependent on CD8 + T cells, neutrophils, and M1-like macrophages, the nucleic acid-sensing pathways mediated by MDA5/STING, and interferon feedback loop. IT MQ833 promotes the recruitment and activation of neutrophils and inflammatory monocytes into the injected tumors, depletion of M2-like macrophages, and expansion of M1-like macrophages, generating potent antitumor immunity against tumors resistant 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.

Summary Intratumoral (IT) delivery of immune-activating viruses can serve as an important strategy to turn “cold” tumors into “hot” tumors, resulting in overcoming resistance to immune checkpoint blockade (ICB). Modified vaccinia virus Ankara (MVA) is a highly attenuated, non-replicative vaccinia virus that has a long history of human use. Here we report that IT recombinant MVA (rMVA), lacking E5R encoding an inhibitor of the DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS), expressing a dendritic cell growth factor, Fms-like tyrosine kinase 3 ligand (Flt3L), and a T cell co-stimulator, OX40L, generates strong antitumor immunity, which is dependent on CD8 + T cells, the cGAS/STING-mediated cytosolic DNA-sensing pathway, and STAT1/STAT2-mediated type I IFN signaling. Remarkably, IT rMVA depletes OX40 hi regulatory T cells via OX40L/OX40 interaction and IFNAR signaling. Taken together, our study provides a proof-of-concept for improving MVA-based cancer immunotherapy, through modulation of both innate and adaptive immunity. One Sentence Summary Intratumoral delivery of recombinant MVA for cancer immunotherapy

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.

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.