Clear cell renal cell carcinomas (ccRCCs) are highly immune infiltrated, but the effect of immune heterogeneity on clinical outcome in ccRCC has not been fully characterized. Here we perform paired single-cell RNA (scRNA) and T cell receptor (TCR) sequencing of 167,283 cells from multiple tumor regions, lymph node, normal kidney, and peripheral blood of two immune checkpoint blockade (ICB)-naïve and four ICB-treated patients to map the ccRCC immune landscape. We detect extensive heterogeneity within and between patients, with enrichment of CD8A+ tissue-resident T cells in a patient responsive to ICB and tumor-associated macrophages (TAMs) in a resistant patient. A TCR trajectory framework suggests distinct T cell differentiation pathways between patients responding and resistant to ICB. Finally, scRNA-derived signatures of tissue-resident T cells and TAMs are associated with response to ICB and targeted therapies across multiple independent cohorts. Our study establishes a multimodal interrogation of the cellular programs underlying therapeutic efficacy in ccRCC.

Innate lymphocytes are integral components of the cellular immune system that can coordinate host defense against a multitude of challenges and trigger immunopathology when dysregulated. Natural killer (NK) cells and innate lymphoid cells (ILCs) are innate immune effectors postulated to functionally mirror conventional cytotoxic T lymphocytes and helper T cells, respectively. Here, we showed that the cytolytic molecule granzyme C was expressed in cells with the phenotype of type 1 ILCs (ILC1s) in mouse liver and salivary gland. Cell fate-mapping and transfer studies revealed that granzyme C-expressing innate lymphocytes could be derived from ILC progenitors and did not interconvert with NK cells, ILC2s, or ILC3s. Granzyme C defined a maturation state of ILC1s. These granzyme C-expressing ILC1s required the transcription factors T-bet and, to a lesser extent, Eomes and support from transforming growth factor-β (TGF-β) signaling for their maintenance in the salivary gland. In a transgenic mouse breast cancer model, depleting ILC1s caused accelerated tumor growth. ILC1s gained granzyme C expression following interleukin-15 (IL-15) stimulation, which enabled perforin-mediated cytotoxicity. Constitutive activation of STAT5, a transcription factor regulated by IL-15, in granzyme C-expressing ILC1s triggered lethal perforin-dependent autoimmunity in neonatal mice. Thus, granzyme C marks a cytotoxic effector state of ILC1s, broadening their function beyond "helper-like" lymphocytes.

Tumor progression is associated with overstimulation of cytotoxic T lymphocytes (CTLs), resulting in a dysfunctional state of exhaustion. How T cell exhaustion is elicited in the tumor remains poorly understood. Here we show that tumor-associated macrophages (TAMs) present cancer cell antigen and induce CTL exhaustion through a gene expression program dependent on the transcription factor interferon regulatory factor-8 (IRF8). In a transgenic model of murine breast cancer, CTL priming was supported by IRF8-dependent dendritic cells; yet, CTL exhaustion required TAM expression of IRF8, and its ablation suppressed tumor growth. An analysis of the highly immune-infiltrated human renal cell carcinoma tumors revealed abundant TAMs that expressed IRF8 and were enriched for an IRF8 gene expression signature. The IRF8 signature co-segregated with T cell exhaustion markers and was negatively associated with long-term patient survival. Thus, CTL exhaustion is promoted by TAMs via IRF8, and this crosstalk may be disrupted in TAM-targeted therapies.

Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) has demonstrated clinical success in “inflamed” tumors with significant T-cell infiltrates, but tumors with an immune-desert tumor microenvironment (TME) fail to benefit. The tumor cell-intrinsic molecular mechanisms of the immune-desert phenotype remain poorly understood. Here, we demonstrate that inactivation of the Polycomb-repressive complex 2 (PRC2) core components, EED or SUZ12, a prevalent genetic event in malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST) and sporadically in other cancer types, drives a context-dependent immune-desert TME. PRC2 inactivation reprograms the chromatin landscape that leads to a cell-autonomous shift from primed baseline signaling-dependent cellular responses (e.g., interferon γ) to PRC2-regulated development and cellular differentiation transcriptional programs. Further, PRC2 inactivation reprograms the TME, leads to diminished tumor immune infiltrates and immune evasion through reduced chemokine production and impaired antigen presentation and T-cell priming, and confers ICB primary resistance through blunted T-cell recruitment in vivo . We demonstrate that strategies that enhancing innate immunity via intratumoral delivery of inactivated modified vaccinia virus Ankara (MVA) leads to increased tumor immune infiltrates and sensitizes PRC2-loss tumors to ICB. Our results provide novel molecular mechanisms of context-dependent dysfunctional epigenetic reprogramming that underline the immune-desert phenotype in MPNST and other cancers with PRC2 inactivation. Importantly, our findings highlight genetic-inactivation of PRC2 as a novel context-dependent ICB therapeutic resistance biomarker in cancer, and caution that therapeutic strategies that non-selectively target PRC2 in the host may lead to undesirable context-dependent immune evasion and ICB resistance in tumors. Our studies also point to intratumoral delivery of immunogenic therapeutic viruses as an initial strategy to modulate the immune-desert TME and capitalize on the clinical benefit of ICB.

The immune system employs two distinct defense strategies against infections: pathogen elimination typified by type 1 immunity, and pathogen containment exemplified by type 2 immunity in association with tissue repair. Akin to infectious diseases, cancer progresses with cancer cell acquisition of microorganism-like behavior propagating at the expense of the host. While immunological mechanisms of cancer cell elimination are well defined, whether immune-mediated cancer cell containment can be induced is poorly understood. Here we show that ablation of transforming growth factor-β receptor II (TGFβRII) in CD4+ T cells promotes tumor tissue healing and halts cancer progression. Notably, the restorative response is dependent on the T helper 2 cytokine IL-4 fortifying vasculature organization that spares only proximal layers of cancer cells from hypoxia, nutrient starvation and death. Thus, type 2 immunity represents an effective cancer defense mechanism, and TGFβ signaling in helper T cells may be targeted for novel cancer immunotherapy.