Therapeutic targeting of the immune checkpoints cytotoxic T-lymphocyte-associated molecule-4 (CTLA-4) and PD-1/PD-L1 has demonstrated tumor regression in clinical trials, and phase 2 trials are ongoing in glioblastoma (GBM). Previous reports have suggested that responses are more frequent in patients with tumors that express PD-L1; however, this has been disputed. At issue is the validation of PD-L1 biomarker assays and prognostic impact. Using immunohistochemical analysis, we measured the incidence of PD-L1 expression in 94 patients with GBM. We categorized our results according to the total number of PD-L1-expressing cells within the GBMs and then validated this finding in ex vivo GBM flow cytometry with further analysis of the T cell populations. We then evaluated the association between PD-L1 expression and median survival time using the protein expression datasets and mRNA from The Cancer Genome Atlas. The median percentage of PD-L1-expressing cells in GBM by cell surface staining is 2.77% (range: 0%–86.6%; n = 92), which is similar to the percentage found by ex vivo flow cytometry. The majority of GBM patients (61%) had tumors with at least 1% or more PD-L1-positive cells, and 38% had at least 5% or greater PD-L1 expression. PD-L1 is commonly expressed on the GBM-infiltrating T cells. Expression of both PD-L1 and PD-1 are negative prognosticators for GBM outcome. The incidence of PD-L1 expression in GBM patients is frequent but is confined to a minority subpopulation, similar to other malignancies that have been profiled for PD-L1 expression. Higher expression of PD-L1 is correlated with worse outcome.

Adoptive T cell therapy (ACT) produces durable responses in some cancer patients; however, most tumors are refractory to ACT and the molecular mechanisms underlying resistance are unclear. Using two independent approaches, we identified tumor glycolysis as a pathway associated with immune resistance in melanoma. Glycolysis-related genes were upregulated in melanoma and lung cancer patient samples poorly infiltrated by T cells. Overexpression of glycolysis-related molecules impaired T cell killing of tumor cells, whereas inhibition of glycolysis enhanced T cell-mediated antitumor immunity in vitro and in vivo. Moreover, glycolysis-related gene expression was higher in melanoma tissues from ACT-refractory patients, and tumor cells derived from these patients exhibited higher glycolytic activity. We identified reduced levels of IRF1 and CXCL10 immunostimulatory molecules in highly glycolytic melanoma cells. Our findings demonstrate that tumor glycolysis is associated with the efficacy of ACT and identify the glycolysis pathway as a candidate target for combinatorial therapeutic intervention.

ABSTRACT Immune checkpoint blockade (ICB) therapy has improved long-term survival for patients with advanced melanoma. However, there is critical need to identify potential biomarkers of response and actionable strategies to improve response rates. Through generation and analysis of 148 chromatin modification maps for 36 melanoma samples from patients treated with anti-PD- 1, we identified significant enrichment of active enhancer states in non-responders at baseline. Analysis of an independent cohort of 20 samples identified a set of 437 enhancers that predicted response to anti-PD-1 therapy (Area Under the Curve of 0.8417). The activated non-responder enhancers marked a group of key regulators of several pathways in melanoma cells (including c- MET, TGFβ, EMT and AKT) that are known to mediate resistance to ICB therapy and several checkpoint receptors in T cells. Epigenetic editing experiments implicated involvement of c-MET enhancers in the modulation of immune response. Finally, inhibition of enhancers and repression of these pathways using bromodomain inhibitors along with anti-PD-1 therapy significantly decreased melanoma tumor burden and increased T-cell infiltration. Together, these findings identify a potential enhancer-based biomarker of resistance to anti-PD-1 and suggest enhancer blockade in combination with ICB as a potential strategy to improve responses.

Chromatin deregulation is an emerging hallmark of cancer. However, the extent of epigenetic aberrations during tumorigenesis and their relationship with genetic aberrations are poorly understood. Using ChIP-sequencing for enhancers (H3K27ac and H3K4me1), promoters (H3K4me3), active transcription (H3K79me2) and polycomb (H3K27me3) or heterochromatin (H3K9me3) repression we generated chromatin state profiles in metastatic melanoma using 46 tumor samples and cell lines. We identified a strong association of NRAS, but not BRAF mutations, with bivalent states harboring H3K4me3 and H3K27me3 marks. Importantly, the loss and gain of bivalent states occurred on important pro metastasis regulators including master transcription factor drivers of mesenchymal phenotype including ZEB1, TWIST1, SNAI1 and CDH1. Unexpectedly, a subset of these and additional pro-metastatic drivers (e.g. POU3F2, SOX9 and PDGFRA) as well as melanocyte-specific master regulators (e.g. MITF, ZEB2, and TFAP2A) were regulated by exceptionally wide H3K4me3 domains that can span tens of thousands of kilobases suggesting roles of this new epigenetic element in melanoma metastasis. Overall, we find that BRAF, NRAS and WT melanomas may use bivalent states and broad H3K4me3 domains in a specific manner to regulate pro-metastatic drivers. We propose that specific epigenetic traits, such as bivalent and broad domains, get assimilated in the epigenome of pro-metastatic clones to drive evolution of cancer cells to metastasis.

ABSTRACT Adoptive cell therapy (ACT) based on ex vivo expanded autologous tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) can mediate durable antitumor responses even in heavily pretreated patients. However, only a subset of patients responds to ACT; efforts to identify correlates of response have focused on profiling the tumor or the TIL but rarely in an interactive environment. Interactive profiling can provide unique insights into the clinical performance of TILs since the fate, function, and metabolism of TILs are influenced by autologous tumor-derived factors. Here, we performed a suite of cell-sparing assays dubbed holistic analysis of the bioactivity of interacting T cells and autologous tumor cells (HABITAT). HABITAT profiling of TILs used for human ACT and their autologous tumor cells included function-based single-cell profiling by timelapse imaging microscopy in nanowell grids (TIMING); multi-omics using RNA-sequencing and proteomics; metabolite inference using genome-scale metabolic modeling, and pulse-chase assays based on confocal microscopy to profile the uptake and fate of fatty acids (FA). Phenotypically, the ACT TILs from both responders (Rs) and nonresponders (NRs) were comprised of predominantly effector memory T cells (T EM cells) and did not express a high frequency of programmed death ligand-1 (PD-L1) and showed no differences in TCR diversity. Our results demonstrate that while tumor cells from both Rs and NRs are efficient at uptaking FAs, R TILs are significantly more efficient at utilizing FA through fatty acid oxidation (FAO) than NR TILs under nutrient starvation conditions. While it is likely that lipid and FA uptake is an inherent adaptation of TIL populations to lipid-rich environments, performing FAO sustains the survival of TILs and allows them to sustain antitumor cytolytic activity. We propose that metabolic plasticity enabling FAO is a desirable attribute of human TILs for ACT leading to clinical responses.