Melanoma is an immunogenic cancer with a high response rate to immune checkpoint inhibitors (ICIs). It harbors a high mutation burden compared with other cancers and, as a result, has abundant tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) within its microenvironment. However, understanding the complex interplay between the stroma, tumor cells, and distinct TIL subsets remains a substantial challenge in immune oncology. To properly study this interplay, quantifying spatial relationships of multiple cell types within the tumor microenvironment is crucial. To address this, we used cytometry time-of-flight (CyTOF) imaging mass cytometry (IMC) to simultaneously quantify the expression of 35 protein markers, characterizing the microenvironment of 5 benign nevi and 67 melanomas. We profiled more than 220,000 individual cells to identify melanoma, lymphocyte subsets, macrophage/monocyte, and stromal cell populations, allowing for in-depth spatial quantification of the melanoma microenvironment. We found that within pretreatment melanomas, the abundance of proliferating antigen-experienced cytotoxic T cells (CD8+CD45RO+Ki67+) and the proximity of antigen-experienced cytotoxic T cells to melanoma cells were associated with positive response to ICIs. Our study highlights the potential of multiplexed single-cell technology to quantify spatial cell-cell interactions within the tumor microenvironment to understand immune therapy responses.

Abstract Despite the success of immune checkpoint inhibitor (ICI) therapy in different cancers, resistance and relapses are frequent. Thus, combination therapies are expected to enhance response rates and overcome resistance to ICIs. Herein, we report that combining protein arginine methyltransferase 7 (PRMT7) inhibition with ICIs triggers a strong anti-tumor T cell immunity and restrains tumor growth in vivo by increasing tumor immune cell infiltration. Consistently, TCGA database analysis showed an inverse correlation between PRMT7 expression and T cell infiltration in human melanomas. Mechanistically, we show that PRMT7 has a two-prong effect on melanoma tumor immunity. On one hand, it serves as a coactivator of IRF-1 for PD -L1 expression by upregulating promoter H4R3me2s levels in melanoma cells. Next, PRMT7 prevents repetitive element expression to avoid intracellular dsRNA accumulation or ‘viral mimicry’. PRMT7 deletion resulted in increased endogenous retroviral elements (ERVs), dsRNA, and genes implicated in interferon activation, antigen presentation and chemokine signaling. Our findings identify PRMT7 as factor used by melanoma to evade anti-tumor immunity and define the therapeutic potential of PRMT7 alone or in combination with PD-(L)1 blockade to enhance ICI efficiency.

Abstract Melanomas reprogram their metabolism to rapidly adapt to therapy-induced stress conditions, allowing them to persist and ultimately develop resistance. We report that a subpopulation of melanoma cells tolerate MAPK pathway inhibitors (MAPKi) through a concerted metabolic reprogramming mediated by peroxisomes and UDP-glucose ceramide glycosyltransferase (UGCG). Compromising peroxisome biogenesis, by repressing PEX3 expression, potentiates the pro-apoptotic effects of MAPKi via an induction of ceramides, an effect limited by UGCG-mediated ceramide metabolism. Co-targeting PEX3 and UGCG selectively eliminates a subset of metabolically active, drug-tolerant CD36 + melanoma persister cells, thereby sensitizing melanoma to MAPKi and delaying resistance. Increased levels of peroxisomal genes and UGCG are found in patient-derived MAPKi-relapsed melanomas, and simultaneously inhibiting PEX3 and UGCG restores MAPKi sensitivity in multiple models of therapy resistance. Finally, triple therapy comprised of a newly identified inhibitor of the PEX3-PEX19 interaction, a UGCG inhibitor and a MAPKi demonstrates potent anti-tumor activity in pre-clinical melanoma models, thus representing a promising approach for melanoma treatment. Highlights Inhibiting peroxisome biogenesis uncovers a metabolic vulnerability in melanoma CD36 + persister melanoma cells tolerate MAPK-targeted therapy through peroxisome/UGCG mediated metabolic rewiring Dual blockade of PEX3 and UGCG potentiates melanoma response to MAPK-targeted therapies and restores therapeutic sensitivity in MAPKi-resistant tumors NNC 55-0396 is a PEX3-PEX19 binding inhibitor with potent anti-tumor activity in melanoma

Abstract Melanomas commonly undergo a phenotype switch, from a proliferative to an invasive state. Melanoma plasticity exhibited as phenotype switching contributes to immunotherapy resistance, however the mechanisms are not completely understood and thus therapeutically unexploited. Here, using a transgenic melanoma mouse model, we demonstrated a critical role of the MNK1/2-eIF4E axis in melanoma plasticity and resistance to immunotherapy. We showed that phospho-eIF4E deficient murine melanomas express high levels of melanocytic antigens, with similar results verified in patient melanomas. Mechanistically, we identified that phospho-eIF4E controls the translation of NGFR , a critical effector of phenotype switching. In patients with melanoma, the expression of MKNK1 , the kinase for eIF4E, positively correlated with markers of immune exhaustion. Genetic ablation of phospho-eIF4E reprogrammed the immunosuppressive microenvironment, exemplified by lowered production of inflammatory factors and increased CD8 + T cell infiltrates. Blocking phospho-eIF4E, using MNK1/2 inhibitors, offers a new strategy to inhibit melanoma plasticity and improve the survival response to anti-PD-1 immunotherapy.

Abstract Purpose Breast cancer diagnosed within 10 years following childbirth is defined as postpartum breast cancer (PPBC) and is highly metastatic. Interactions between immune cells and other stromal cells within the involuting mammary gland are fundamental in facilitating an aggressive tumor phenotype. The MNK1/2-eIF4E axis promotes the translation of pro-metastatic mRNAs in tumor cells, but its role in modulating the function of non-tumor cells in the PPBC microenvironment, and in particular its activity in human PPBC, has not been explored. Experimental design We used a combination of in vivo PPBC models and in vitro assays to study the effects of phospho-eIF4E deficiency on the pro-tumor function of select cells of the TME. Furthermore, we employed Imaging Mass Cytometry on PPBC and non-PPBC patient samples, to chart the expression of the MNK1/2-eIF4E axis components in the TME. Results Here, we show that phospho-eIF4E deficient (eIF4E S209A ) PPBC mice are protected against lung metastasis and reveal differences in the lung immune microenvironment of the WT and eIF4E S209A mice. Moreover, we show that the expression of fibroblast-derived IL-33, an alarmin known to induce invasion, was repressed upon MNK1/2-eIF4E axis inhibition. Imaging Mass Cytometry results indicated that human PPBC contain phospho-eIF4E high-expressing tumor cells and CD8+ T cells displaying an activated dysfunctional phenotype. Finally, we block lung metastasis in PPBC mice, using combined MNK1/2 inhibition and anti-PD-1 therapy. Conclusions These findings implicate the involvement of the MNK1/2-eIF4E axis during PPBC metastasis and suggest a promising immunomodulatory route to enhance the efficacy of immunotherapy by blocking phospho-eIF4E. Translational relevance Postpartum breast cancer (PPBC) is highly aggressive. It is hypothesized that involution-induced changes in the postpartum breast microenvironment, which include an influx of inflammatory immune cells and activation of resident fibroblasts, facilitate the invasiveness of an existing neoplasm. We used imaging mass cytometry to do an in-depth profiling of the MNK1-eIF4E axis in the TME of a unique cohort of PPBC and non-PPBC patients. We observed patterns of phospho-eIF4E in non-tumor cells that were specific to the TME of PPBC. We also noted that the CD8 + T cells present in PPBC express an activated dysfunctional phenotype characterized by the co-expression of HLA-DR and PD-1. This study represents a first look at the expression of the MNK1-eIF4E axis in the stromal cells of metastatic breast cancer and has therapeutic implications as we show, in an animal model of PPBC, that MNK1/2 inhibition can be used to sensitize tumors to anti-PD1 immunotherapy.

Background Immune checkpoint inhibitors targeting programmed cell death protein-1 (PD-1) are the first line of treatment for many solid tumors including melanoma. PD-1 blockade enhances the effector functions of melanoma-infiltrating CD8 + T cells, leading to durable tumor remissions. However, 55% of patients with melanoma do not respond to treatment. As Foxp3 + regulatory T (T reg ) cells play an important role in tumor-induced immunosuppression and express PD-1, we hypothesized that anti-PD-1 also increases the functions of melanoma-infiltrating T reg cells, which could be detrimental to treatment efficacy. Methods The cellular and functional dynamics of T reg cells were evaluated in C57Bl/6 Foxp3-reporter mice bearing highly immunogenic and PD-1 blockade-sensitive Yale University Mouse Melanoma Exposed to Radiation 1.7 (YUMMER1.7) tumors. T reg cell responses in tumors and lymphoid compartments were examined throughout tumor growth or therapy and were assessed ex vivo by multiparametric flow cytometry analysis, with in vitro suppression assays using tumor-infiltrating lymphocytes isolated by fluorescence-activated cell sorting (FACS) and in situ through spatial proteomic and transcriptomic profiling. Results In this highly immunogenic melanoma model, anti-PD-1 monotherapy yielded high responders (HRs) and low responders (LRs). We show that the potent CD8 + T cell responses characteristic of HR tumors paradoxically coincide with the expansion of highly-activated, Helios-expressing T reg cells. In both HRs and LRs, T reg cells co-localize with CD8 + T cells in immunogenic regions of the tumor and display potent suppressive capacity in vitro. Further characterization revealed that melanoma-infiltrating T reg cells progressively acquire T-bet and interferon gamma expression, exclusively in HRs, and induction of this T helper cell 1 (T h 1)-like phenotype in vitro led to CD8 + T cell evasion from T reg cell-mediated suppression. Using spatial proteomic and transcriptomic profiling, we demonstrate that T reg cells display an increased activity of PI3K/Akt signaling in regions of HR tumors with an elevated CD8:T reg cell ratio. Conclusions PD-1 blockade promotes the expansion of a subset of highly-activated T reg cells coexpressing PD-1 and Helios. While these cells are potently suppressive outside tumor environments, costimulatory and inflammatory signals present in the tumor microenvironment lead to their local acquisition of T h 1-like characteristics and loss of suppression of effector T cells.

Abstract Ductal carcinoma in situ (DCIS) is the most common type (80%) of noninvasive breast lesions. The lack of validated prognostic markers, limited patient numbers and variable tissue quality significantly impact diagnosis, risk stratification, patient enrolment, and results of clinical studies. We performed label-free quantitative proteomics on 50 clinical formalin-fixed, paraffin embedded biopsies, validating 22 putative biomarkers from independent genetic studies. Our comprehensive proteomic phenotyping reveals more than 380 differentially expressed proteins and metabolic vulnerabilities, that can inform new therapeutic strategies for DCIS and IDC. Due to the readily druggable nature of proteins and metabolites, this study is of high interest for clinical research and pharmaceutical industry. To further evaluate our findings, and to promote the clinical translation of our study, we developed a highly multiplexed targeted proteomics assay for 90 proteins associated with cancer metabolism, RNA regulation and signature cancer pathways, such as Pi3K/AKT/mTOR and EGFR/RAS/RAF.

Abstract Purpose: Preclinical data motivate clinical evaluation of inhibitors of mitogen-activated protein kinase-interacting kinases 1 and 2 (MNK1/2). We conducted a phase 1b clinical trial to study target engagement and safety of tomivosertib, a MNK1/2 inhibitor, alone and in combination with paclitaxel. Methods: Eligible patients had metastatic breast cancer resistant to standard of care treatments. Biopsies were obtained at baseline and during treatment with tomivosertib, and then tomivosertib was continued with addition of paclitaxel until disease progression or toxicity. Serum drug levels were measured, and pharmacodynamic endpoints included immunohistochemistry, proteomics, translatomics, and imaging mass cytometry. Results: Tomivosertib alone and in combination with paclitaxel was well tolerated. There was no pharmacokinetic interaction between the drugs. We observed a clear reduction in phosphorylation of eIF4E at S209, a major substrate of MNK1/2, and identified tomivosertib-induced perturbations in the proteome, translatome, and cellular populations of biopsied metastatic breast cancer tissue. Conclusion: We conclude that tomivosertib effectively inhibits MNK1/2 activity in metastatic breast cancer tissue, and that it can safely be combined with paclitaxel in future phase II studies. We demonstrate feasibility of using proteomic profiles, translatomic profiles, and spatial distribution of immune cell infiltrates for clinical pharmacodynamic studies.

The tumour microenvironment (TME) consists of tumour-supportive immune cells, endothelial cells, and fibroblasts. PhenoCycler, a high-plex single cell imaging platform, is used to characterize the complexity of the TME. Here, we used PhenoCycler to spatially resolve the TME of 8 routinely employed pre-clinical models of lymphoma, breast cancer, and melanoma. Our data reveal distinct TMEs in the different cancer models that were imaged, and show that cell-cell contacts differ depending on the tumour type examined. For instance, we found that the immune infiltration in a murine model of melanoma is altered in cellular organization in melanomas that become resistant to αPD-1 therapy, with depletions in a number of cell-cell interactions. Furthermore, we provide detailed pipelines for the conjugation of antibodies that are optimized for PhenoCycler staining of murine FFPE tissues specifically, alongside open-source data analysis procedures. Overall, this is a valuable resource study seamlessly adaptable to any field of research involving murine models.