Immunotherapies that block inhibitory checkpoint receptors on T cells have transformed the clinical care of patients with cancer1. However, whether the T cell response to checkpoint blockade relies on reinvigoration of pre-existing tumor-infiltrating lymphocytes or on recruitment of novel T cells remains unclear2–4. Here we performed paired single-cell RNA and T cell receptor sequencing on 79,046 cells from site-matched tumors from patients with basal or squamous cell carcinoma before and after anti-PD-1 therapy. Tracking T cell receptor clones and transcriptional phenotypes revealed coupling of tumor recognition, clonal expansion and T cell dysfunction marked by clonal expansion of CD8+CD39+ T cells, which co-expressed markers of chronic T cell activation and exhaustion. However, the expansion of T cell clones did not derive from pre-existing tumor-infiltrating T lymphocytes; instead, the expanded clones consisted of novel clonotypes that had not previously been observed in the same tumor. Clonal replacement of T cells was preferentially observed in exhausted CD8+ T cells and evident in patients with basal or squamous cell carcinoma. These results demonstrate that pre-existing tumor-specific T cells may have limited reinvigoration capacity, and that the T cell response to checkpoint blockade derives from a distinct repertoire of T cell clones that may have just recently entered the tumor. Following anti-PD-1 therapy in patients with basal or squamous cell carcinoma, the CD8+ T cell response largely consists of an expanded and exhausted repertoire of new T cell clones.

Regenerating tissues such as skin and blood require high rates of cell turnover, which occurs through the tightly regulated division of tissue stem cells. The genes and proteins that control stem-cell behaviour remain largely unknown, but now a critical connection between stem-cell function and the protein component of telomerase, TERT, has been discovered. Conditional activation of TERT in skin epithelium activates resting hair follicle stem cells, resulting in rapid hair growth. This is distinct from TERT's role in extending telomeres, the caps that protect the ends of chromosomes, and suggests new ways of treating disorders associated with tissue injury and ageing. TERT, the protein component of telomerase1,2, serves to maintain telomere function through the de novo addition of telomere repeats to chromosome ends, and is reactivated in 90% of human cancers. In normal tissues, TERT is expressed in stem cells and in progenitor cells3, but its role in these compartments is not fully understood. Here we show that conditional transgenic induction of TERT in mouse skin epithelium causes a rapid transition from telogen (the resting phase of the hair follicle cycle) to anagen (the active phase), thereby facilitating robust hair growth. TERT overexpression promotes this developmental transition by causing proliferation of quiescent, multipotent stem cells in the hair follicle bulge region. This new function for TERT does not require the telomerase RNA component, which encodes the template for telomere addition, and therefore operates through a mechanism independent of its activity in synthesizing telomere repeats. These data indicate that, in addition to its established role in extending telomeres, TERT can promote proliferation of resting stem cells through a non-canonical pathway.

Advanced basal cell carcinomas (BCCs) frequently acquire resistance to Smoothened (SMO) inhibitors through unknown mechanisms. Here we identify SMO mutations in 50% (22 of 44) of resistant BCCs and show that these mutations maintain Hedgehog signaling in the presence of SMO inhibitors. Alterations include four ligand binding pocket mutations defining sites of inhibitor binding and four variants conferring constitutive activity and inhibitor resistance, illuminating pivotal residues that ensure receptor autoinhibition. In the presence of a SMO inhibitor, tumor cells containing either class of SMO mutants effectively outcompete cells containing the wild-type SMO. Finally, we show that both classes of SMO variants respond to aPKC-ι/λ or GLI2 inhibitors that operate downstream of SMO, setting the stage for the clinical use of GLI antagonists.

Smoothened (SMO) inhibitors are under clinical investigation for the treatment of several cancers. Vismodegib is approved for the treatment of locally advanced and metastatic basal cell carcinoma (BCC). Most BCC patients experience significant clinical benefit on vismodegib, but some develop resistance. Genomic analysis of tumor biopsies revealed that vismodegib resistance is associated with Hedgehog (Hh) pathway reactivation, predominantly through mutation of the drug target SMO and to a lesser extent through concurrent copy number changes in SUFU and GLI2. SMO mutations either directly impaired drug binding or activated SMO to varying levels. Furthermore, we found evidence for intra-tumor heterogeneity, suggesting that a combination of therapies targeting components at multiple levels of the Hh pathway is required to overcome resistance.

Telomerase serves a critical role in stem cell function and tissue homeostasis. This role depends on its ability to synthesize telomere repeats in a manner dependent on the reverse transcriptase (RT) function of its protein component telomerase RT (TERT), as well as on a novel pathway whose mechanism is poorly understood. Here, we use a TERT mutant lacking RT function (TERTci) to study the mechanism of TERT action in mammalian skin, an ideal tissue for studying progenitor cell biology. We show that TERTci retains the full activities of wild-type TERT in enhancing keratinocyte proliferation in skin and in activating resting hair follicle stem cells, which triggers initiation of a new hair follicle growth phase and promotes hair synthesis. To understand the nature of this RT-independent function for TERT, we studied the genome-wide transcriptional response to acute changes in TERT levels in mouse skin. We find that TERT facilitates activation of progenitor cells in the skin and hair follicle by triggering a rapid change in gene expression that significantly overlaps the program controlling natural hair follicle cycling in wild-type mice. Statistical comparisons to other microarray gene sets using pattern-matching algorithms revealed that the TERT transcriptional response strongly resembles those mediated by Myc and Wnt, two proteins intimately associated with stem cell function and cancer. These data show that TERT controls tissue progenitor cells via transcriptional regulation of a developmental program converging on the Myc and Wnt pathways.

Abstract Purpose: The mainstay of treatment for basal cell carcinoma (BCC) is surgical excision, which can result in significant associated morbidity, particularly for patients with recurrent tumors. We previously conducted a drug repositioning screen using molecular data from human BCCs and identified histone deacetylase (HDAC) inhibitors as a potential treatment for BCC. Here we conduct the first proof-of-principle study of a topical pan-HDAC inhibitor, remetinostat, in human BCC. Patients and Methods: We conducted a phase II, open-label, single-arm, single-institution trial of a topical HDAC inhibitor. Participants with at least one BCC were recruited. All participants applied 1% remetinostat gel three times daily for 6 weeks, with measurements of tumor diameter conducted at baseline and week 8. Surgical excision of the remaining tumor was conducted at the end of the study and microscopic evaluation was performed. Results: Thirty-three per-protocol tumors from 25 participants were included in the analysis. The overall response rate, defined as the proportion of tumors achieving more than 30% decrease in the longest diameter from baseline to week 8, was 69.7% [90% confidence interval (CI), 54%–82.5%]. On pathologic examination, 54.8% of tumors demonstrated complete resolution. Pharmacodynamic analysis demonstrated similar levels of acetylated histone H3 in skin tissue before and after treatment, however, phosphorylation was increased. No systemic adverse events were reported. Conclusions: The HDAC inhibitor remetinostat is a well-tolerated and effective topical treatment for reducing BCC disease burden in a clinically significant manner. This provides in-human validation of HDAC inhibitors as a therapy for BCC.

Abstract How basal cell carcinoma (BCC) interacts with its tumor microenvironment to promote growth is unclear. Here we use singe-cell RNA sequencing to define the human BCC ecosystem and discriminate between normal and malignant epithelial cells. We identify spatial biomarkers of both tumors and their surrounding stroma that reinforce the heterogeneity of each tissue type. Combining pseudotime, RNA velocity, cellular entropy, and regulon analysis in stromal cells reveal a cancer-specific rewiring of fibroblasts where STAT1, TGF-β, and inflammatory signals induce a non-canonical WNT5A program that maintains the stromal inflammatory state. Cell-cell communication modeling suggests that tumors respond to the sudden burst of fibroblast-specific inflammatory signaling pathways by producing heat shock proteins, which we validated in situ . Finally, dose-dependent treatment with an HSP70 inhibitor suppresses in vitro BCC cell growth and Hedgehog signaling and in vivo tumor growth in a BCC mouse model, validating HSP70’s essential role in tumor growth and reinforcing the critical nature of tumor microenvironment crosstalk in BCC progression.

Abstract Purpose: Sebaceous carcinoma is the third most common nonkeratinocyte skin cancer in the United States with 1,000 cases per year. The clinicopathologic features of sebaceous carcinoma and benign sebaceous neoplasms (adenomas, sebaceomas) can overlap, highlighting the need for molecular biomarkers to improve classification. This study describes the genomic and transcriptomic landscape of sebaceous neoplasms in order to understand tumor etiology and biomarkers relevant for diagnosis and treatment. Experimental Design: We performed whole-genome sequencing (WGS) and whole-transcriptome sequencing (WTS) of sebaceous neoplasms from six academic and two federal healthcare facilities in the United States diagnosed between January 1, 1999, and December 31, 2021. Results: We evaluated 98 sebaceous neoplasms: 64 tumors (32 adenomas, 2 sebaceomas, 5 atypical sebaceous neoplasms, 25 carcinomas) had sufficient material for WGS, 96 tumors (42 adenomas, 11 sebaceomas, 8 atypical sebaceous neoplasms, 35 carcinomas) had sufficient material for WTS, and 62 tumors (31 adenomas, 2 sebaceomas, 5 atypical sebaceous neoplasms, 24 carcinomas) had sufficient material for combined WGS and WTS. Overall, we found decreased cholesterol biosynthesis and increased TP53 mutations, copy number gains (chromosome 6, 8q, and/or 18), and tumor mutation burden-high (>10 mutations/MB) in carcinomas compared to adenomas. Although diminished compared to adenomas, most carcinomas still had higher cholesterol biosynthesis than nonmalignant skin. Multiomics profiling also supported a precancerous model of tumor evolution with sebaceomas and atypical sebaceous neoplasms being likely intermediate lesions. Conclusions: The study findings highlight key diagnostic biomarkers for sebaceous carcinoma and suggest that immunotherapy and modulation of cholesterol biosynthesis could be effective treatment strategies.

Abstract There is considerable evidence that crosstalk between the Hedgehog and MAPK signaling pathways occurs in several types of cancer, and contributes to the emergence of clinical resistance to Hedgehog pathway inhibitors. Here we show that MAP kinase-mediated phosphorylation weakens the binding of the GLI1 transcription factor to its negative regulator SUFU. ERK2 phosphorylates GLI1 on three evolutionarily-conserved target sites (S102, S116 and S130) located near the high-affinity binding site for SUFU; these phosphorylations cooperate to weaken the affinity of GLI1-SUFU binding by over 25 fold. Phosphorylation of any one, or even any two, of the three sites does not result in the level of SUFU release seen when all three sites are phosphorylated. Tumor-derived mutations in R100 and S105, residues bordering S102, also diminish SUFU binding, collectively defining a novel evolutionarily-conserved SUFU-affinity-modulating region. In cultured mammalian cells, GLI1 variants containing phosphomimetic substitutions of S102, S116 and S130 displayed an increased ability to drive transcription. We conclude that of multisite phosphorylation of GLI1 by ERK2 or other MAP kinases weakens GLI1-SUFU binding, thereby facilitating GLI1 activation and contributing to both physiological and pathological crosstalk.