Abstract Infiltration of human melanomas with cytotoxic immune cells correlates with spontaneous type I IFN activation and a favorable prognosis. Therapeutic blockade of immune-inhibitory receptors in patients with preexisting lymphocytic infiltrates prolongs survival, but new complementary strategies are needed to activate cellular antitumor immunity in immune cell–poor melanomas. Here, we show that primary melanomas in Hgf-Cdk4R24C mice, which imitate human immune cell–poor melanomas with a poor outcome, escape IFN-induced immune surveillance and editing. Peritumoral injections of immunostimulatory RNA initiated a cytotoxic inflammatory response in the tumor microenvironment and significantly impaired tumor growth. This critically required the coordinated induction of type I IFN responses by dendritic, myeloid, natural killer, and T cells. Importantly, antibody-mediated blockade of the IFN-induced immune-inhibitory interaction between PD-L1 and PD-1 receptors further prolonged the survival. These results highlight important interconnections between type I IFNs and immune-inhibitory receptors in melanoma pathogenesis, which serve as targets for combination immunotherapies. Significance: Using a genetically engineered mouse melanoma model, we demonstrate that targeted activation of the type I IFN system with immunostimulatory RNA in combination with blockade of immune-inhibitory receptors is a rational strategy to expose immune cell–poor tumors to cellular immune surveillance. Cancer Discov; 4(6); 674–87. ©2014 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 621

Antigen loss is a key mechanism how tumor cells escape from T-cell immunotherapy. Using a mouse model of melanoma we directly compared antigen downregulation by phenotypic adaptation with genetically hardwired antigen loss. Unexpectedly, genetic ablation of Pmel, the melanocyte differentiation antigen targeted by adoptively transferred CD8+ T-cells, impaired melanoma cell growth in untreated tumors due to competitive pressure exerted by the bulk wild-type population. This established an evolutionary scenario, where T-cell immunotherapy imposed a dynamic fitness switch on wild-type melanoma cells and antigen loss variants, which resulted in highly variable enrichment of the latter in recurrent tumors. Stochastic simulations by an individual-based continuous-time Markov process suggested variable fitness of subclones within the antigen loss variant population as the most likely cause, which was validated experimentally. In summary, we provide a framework to better understand how subclone heterogeneity in tumors influences immune selection of genetic antigen loss variants through stochastic events.