Summary

 It is well understood that antigen-presenting cells (APCs) within tumors typically do not maintain cytotoxic T cell (CTL) function, despite engaging them. Across multiple mouse tumor models and human tumor biopsies, we have delineated the intratumoral dendritic cell (DC) populations as distinct from macrophage populations. Within these, CD103⁺ DCs are extremely sparse and yet remarkably capable CTL stimulators. These are uniquely dependent on IRF8, Zbtb46, and Batf3 transcription factors and are generated by GM-CSF and FLT3L cytokines. Regressing tumors have higher proportions of these cells, T-cell-dependent immune clearance relies on them, and abundance of their transcripts in human tumors correlates with clinical outcome. This cell type presents opportunities for prognostic and therapeutic approaches across multiple cancer types.

Intratumoral stimulatory dendritic cells (SDCs) play an important role in stimulating cytotoxic T cells and driving immune responses against cancer. Understanding the mechanisms that regulate their abundance in the tumor microenvironment (TME) could unveil new therapeutic opportunities. We find that in human melanoma, SDC abundance is associated with intratumoral expression of the gene encoding the cytokine FLT3LG. FLT3LG is predominantly produced by lymphocytes, notably natural killer (NK) cells in mouse and human tumors. NK cells stably form conjugates with SDCs in the mouse TME, and genetic and cellular ablation of NK cells in mice demonstrates their importance in positively regulating SDC abundance in tumor through production of FLT3L. Although anti-PD-1 ‘checkpoint’ immunotherapy for cancer largely targets T cells, we find that NK cell frequency correlates with protective SDCs in human cancers, with patient responsiveness to anti-PD-1 immunotherapy, and with increased overall survival. Our studies reveal that innate immune SDCs and NK cells cluster together as an excellent prognostic tool for T cell–directed immunotherapy and that these innate cells are necessary for enhanced T cell tumor responses, suggesting this axis as a target for new therapies. Cross-talk between innate immune cells helps to enhance the antitumor T cell response during checkpoint blockade therapy.

The maintenance of tissue homeostasis is critically dependent on the function of tissue-resident immune cells and the differentiation capacity of tissue-resident stem cells (SCs). How immune cells influence the function of SCs is largely unknown. Regulatory T cells (Tregs) in skin preferentially localize to hair follicles (HFs), which house a major subset of skin SCs (HFSCs). Here, we mechanistically dissect the role of Tregs in HF and HFSC biology. Lineage-specific cell depletion revealed that Tregs promote HF regeneration by augmenting HFSC proliferation and differentiation. Transcriptional and phenotypic profiling of Tregs and HFSCs revealed that skin-resident Tregs preferentially express high levels of the Notch ligand family member, Jagged 1 (Jag1). Expression of Jag1 on Tregs facilitated HFSC function and efficient HF regeneration. Taken together, our work demonstrates that Tregs in skin play a major role in HF biology by promoting the function of HFSCs.

BACKGROUND. Immune checkpoint blockade is revolutionizing therapy for advanced cancer, but many patients do not respond to treatment. The identification of robust biomarkers that predict clinical response to specific checkpoint inhibitors is critical in order to stratify patients and to rationally select combinations in the context of an expanding array of therapeutic options.

We explored the association between liver metastases, tumor CD8+ T-cell count, and response in patients with melanoma or lung cancer treated with the anti-PD-1 antibody, pembrolizumab. The melanoma discovery cohort was drawn from the phase I Keynote 001 trial, whereas the melanoma validation cohort was drawn from Keynote 002, 006, and EAP trials and the non-small cell lung cancer (NSCLC) cohort from Keynote 001. Liver metastasis was associated with reduced response and shortened progression-free survival [PFS; objective response rate (ORR), 30.6%; median PFS, 5.1 months] compared with patients without liver metastasis (ORR, 56.3%; median PFS, 20.1 months) P ≤ 0.0001, and confirmed in the validation cohort (P = 0.0006). The presence of liver metastasis significantly increased the likelihood of progression (OR, 1.852; P < 0.0001). In a subset of biopsied patients (n = 62), liver metastasis was associated with reduced CD8+ T-cell density at the invasive tumor margin (liver metastasis+ group, n = 547 ± 164.8; liver metastasis- group, n = 1,441 ± 250.7; P < 0.016). A reduced response rate and shortened PFS was also observed in NSCLC patients with liver metastasis [median PFS, 1.8 months; 95% confidence interval (CI), 1.4-2.0], compared with those without liver metastasis (n = 119, median PFS, 4.0 months; 95% CI, 2.1-5.1), P = 0.0094. Thus, liver metastatic patients with melanoma or NSCLC that had been treated with pembrolizumab were associated with reduced responses and PFS, and liver metastases were associated with reduced marginal CD8+ T-cell infiltration, providing a potential mechanism for this outcome. Cancer Immunol Res; 5(5); 417-24. ©2017 AACR.

The skin is a site of constant dialog between the immune system and commensal bacteria. However, the molecular mechanisms that allow us to tolerate the presence of skin commensals without eliciting destructive inflammation are unknown. Using a model system to study the antigen-specific response to S. epidermidis, we demonstrated that skin colonization during a defined period of neonatal life was required for establishing immune tolerance to commensal microbes. This crucial window was characterized by an abrupt influx of highly activated regulatory T (Treg) cells into neonatal skin. Selective inhibition of this Treg cell wave completely abrogated tolerance. Thus, the host-commensal relationship in the skin relied on a unique Treg cell population that mediated tolerance to bacterial antigens during a defined developmental window. This suggests that the cutaneous microbiome composition in neonatal life is crucial in shaping adaptive immune responses to commensals, and disrupting these interactions might have enduring health implications.

Activation of TLR9 by direct injection of unmethylated CpG nucleotides into a tumor can induce a therapeutic immune response; however, Tregs eventually inhibit the antitumor immune response and thereby limit the power of cancer immunotherapies. In tumor-bearing mice, we found that Tregs within the tumor preferentially express the cell surface markers CTLA-4 and OX40. We show that intratumoral coinjection of anti–CTLA-4 and anti-OX40 together with CpG depleted tumor-infiltrating Tregs. This in situ immunomodulation, which was performed with low doses of antibodies in a single tumor, generated a systemic antitumor immune response that eradicated disseminated disease in mice. Further, this treatment modality was effective against established CNS lymphoma with leptomeningeal metastases, sites that are usually considered to be tumor cell sanctuaries in the context of conventional systemic therapy. These results demonstrate that antitumor immune effectors elicited by local immunomodulation can eradicate tumor cells at distant sites. We propose that, rather than using mAbs to target cancer cells systemically, mAbs could be used to target the tumor infiltrative immune cells locally, thereby eliciting a systemic immune response.

Abstract Foxp3-expressing regulatory T cells (Tregs) reside in tissues where they control inflammation and mediate tissue-specific functions. The skin of mice and humans contain a large number of Tregs; however, the mechanisms of how these cells function in skin remain largely unknown. In this article, we show that Tregs facilitate cutaneous wound healing. Highly activated Tregs accumulated in skin early after wounding, and specific ablation of these cells resulted in delayed wound re-epithelialization and kinetics of wound closure. Tregs in wounded skin attenuated IFN-γ production and proinflammatory macrophage accumulation. Upon wounding, Tregs induce expression of the epidermal growth factor receptor (EGFR). Lineage-specific deletion of EGFR in Tregs resulted in reduced Treg accumulation and activation in wounded skin, delayed wound closure, and increased proinflammatory macrophage accumulation. Taken together, our results reveal a novel role for Tregs in facilitating skin wound repair and suggest that they use the EGFR pathway to mediate these effects.

Unbiased genetic studies have uncovered surprising molecular mechanisms in human cellular immunity and autoimmunity. We performed whole-exome sequencing and targeted sequencing in five families with an apparent mendelian syndrome of autoimmunity characterized by high-titer autoantibodies, inflammatory arthritis and interstitial lung disease. We identified four unique deleterious variants in the COPA gene (encoding coatomer subunit α) affecting the same functional domain. Hypothesizing that mutant COPA leads to defective intracellular transport via coat protein complex I (COPI), we show that COPA variants impair binding to proteins targeted for retrograde Golgi-to-ER transport. Additionally, expression of mutant COPA results in ER stress and the upregulation of cytokines priming for a T helper type 17 (TH17) response. Patient-derived CD4(+) T cells also demonstrate significant skewing toward a TH17 phenotype that is implicated in autoimmunity. Our findings uncover an unexpected molecular link between a vesicular transport protein and a syndrome of autoimmunity manifested by lung and joint disease.

Regulatory T cells (Tregs), which are characterized by expression of the transcription factor Foxp3, are a dynamic and heterogeneous population of cells that control immune responses and prevent autoimmunity. We recently identified a subset of Tregs in murine skin with properties typical of memory cells and defined this population as memory Tregs (mTregs). Due to the importance of these cells in regulating tissue inflammation in mice, we analyzed this cell population in humans and found that almost all Tregs in normal skin had an activated memory phenotype. Compared with mTregs in peripheral blood, cutaneous mTregs had unique cell surface marker expression and cytokine production. In normal human skin, mTregs preferentially localized to hair follicles and were more abundant in skin with high hair density. Sequence comparison of TCRs from conventional memory T helper cells and mTregs isolated from skin revealed little homology between the two cell populations, suggesting that they recognize different antigens. Under steady-state conditions, mTregs were nonmigratory and relatively unresponsive; however, in inflamed skin from psoriasis patients, mTregs expanded, were highly proliferative, and produced low levels of IL-17. Taken together, these results identify a subset of Tregs that stably resides in human skin and suggest that these cells are qualitatively defective in inflammatory skin disease.