Understanding exosomes as modes of intercellular communication.

ABSTRACT Immune cell composition within the tumor microenvironment is regulated by tumor-derived factors. Cell Communication Network factor 4 (CCN4/WISP1) is a matricellular protein secreted by cancer cells that promotes metastasis by inducing the epithelial-mesenchymal transition. While metastatic dissemination limits patient survival, the absence of anti-tumor immunity also associates with poor patient out-comes with recent work suggesting these two clinical correlates are linked. Motivated by finding that CCN4 was associated with a dampened anti-tumor immune contexture in patients diagnosed with primary melanoma, we tested for a direct causal link by knocking out CCN4 (CCN4-KO) in the B16F0 and YUMM1.7 mouse models for melanoma. Tumor growth was significantly reduced when CCN4-KO melanoma cells were implanted subcutaneously in immunocompetent C57BL/6 mice but not in immunodeficient NSG mice. Correspondingly, the frequency of total CD45 + tumor-infiltrating leukocytes was significantly increased in CCN4-KO tumors, with increased natural killer (NK) and effector CD8 + T cells and reduced myeloid-derived suppressor cells (MDSC). Additionally, the absence of tumor-derived CCN4 was associated with an impaired splenic generation of suppressive granulocytic MDSC. Among mechanisms linked to local immunosuppression, we found CCN4 directly suppressed antigen-induced IFN γ release by CD8 + T cells, promoted glycolysis and consequent lactate release by melanoma cells, and enhanced tumor secretion of MDSC-attracting chemokines like CCL2 and CXCL1. Finally, CCN4-KO in B16F0 and YUMM1.7 melanoma cells complemented the anti-tumor effect of immune checkpoint blockade (ICB) therapy. Overall, our results suggest that CCN4 promotes tumor-induced immunosuppression and is a potential target for therapeutic combinations with ICB. Statement of Significance Given emerging interest in understanding the interplay between functional plasticity and anti-tumor immunity, Cell Communication Network factor 4, a secreted matricellular protein linked to promoting metastasis in melanoma, also suppresses anti-tumor immunity.

ABSTRACT Discovering and developing pharmaceutical drugs increasingly relies on mechanistic mathematical modeling and simulation. In immuno-oncology, models that capture causal relations among genetic drivers of oncogenesis, functional plasticity, and host immunity provide an important complement to wet experiments, given the cellular complexity and dynamics within tumors. Unfortunately, formulating such mechanistic cell-level models currently relies on hand curation by experts, which can bias how data is interpreted or the priority of drug targets. In modeling molecular-level networks, rules and algorithms have been developed to limit a priori biases in formulating mechanistic models. To realize an equivalent approach for cell-level networks, we combined digital cytometry with Bayesian network inference to generate causal models that link an increase in gene expression associated with onco-genesis with alterations in stromal and immune cell subsets directly from bulk transcriptomic datasets. To illustrate, we predicted how an increase in expression of Cell Communication Network factor 4 (CCN4/WISP1) altered the tumor microenvironment using data from patients diagnosed with breast cancer and melanoma. Digital cytometry and network inference predictions were then tested using two immunocompetent mouse models for melanoma, which provided consistent experimental results.

While deregulated intracellular signaling initiates melanoma, intercellular crosstalk within the tumor microenvironment, often coordinated by soluble factors, is essential for melanoma progression and metastasis. One such secreted matricellular protein, cellular communication network factor 4 (CCN4/WISP1), stimulates metastasis in other malignancies. Here, we report that CCN4 expression is associated progressively with reduced overall survival in patients with primary melanomas. To reveal the roles of CCN4 in melanoma progression, we used mouse melanoma models and knocked out Ccn4 using a homology-directed repair CRISPR/CAS9 system to generate pools of Ccn4 -knockout cells. In vitro assays supported previous findings using clones generated using a double nickase-based CRISPR/CAS9 system that CCN4 promoted an epithelial – mesenchymal-like transition in melanoma cells and stimulated invasion and metastasis. We also found that, while Ccn4 knockout enhanced cell growth in optimal 2D culture conditions, the knockout suppressed certain cell survival signaling pathways and rendered cells less resistant to stress conditions. Tumor cell growth assays at sub-optimal conditions in vitro , quantitative analysis of tumor growth assays in vivo , and transcriptomics analysis of human melanoma cell lines suggested that CCN4 repressed cell growth and simultaneously enhanced cell survival. The collective role of CCN4 suggests a potential therapeutic target for limiting metastatic invasion in melanoma and a biomarker for metastatic potential.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) have heralded a remarkable shift in cancer care, significantly extending survival for advanced cancer patients. However, despite their remarkable clinical successes, a substantial majority of patients fail to achieve a lasting response to ICIs. To address this challenge and gain insights into the complex landscape of the tumor microenvironment (TME), we conducted an extensive analysis using single-cell RNA sequencing (scRNA; ~216K cells across 39 samples) and single-nucleus transposase-accessible chromatin sequencing (snATAC; ~43K cells from 15 samples) in a metastatic melanoma cohort. This systematic approach delineates 14 distinct cell types and 55 cell subtypes, including the identification of 15 transcriptional hallmarks of malignant cells. Through correlation analysis of cell subtype proportions, we unveiled six distinct clusters associated with varying tumor responses. Particularly intriguing was the identification of the mature DC enriched in immunoregulatory molecules (mregDC) subtype exhibiting correlations with naive T and B cells, forming an anti-tumor program that underscores the importance of multiple immune cell types in mediating anti-tumor immunity. Notably, we found that mregDC abundance represents a good prognostic predictor of progression-free survival (PFS) in the context of ICI treatment, and when combined with the TCF7+/- CD8 T cell ratio, it reliably predicts patient PFS across treatments beyond ICI. We validated our findings using an independent cohort of 274 ICI-treated melanoma samples analyzed using tissue-level expression. We next compared mregDCs and conventional dendritic cell types 1 and 2 (cDC1 and cDC2) using transcriptome signature, differentiation trajectory, interactome, cytokine milieu, and epigenome landscape analyses. This comparative analysis shed light on the unique attributes of mregDCs within the TME. Finally, we investigated cell type/subtype-specific genes, pathways, immune response enrichment, and ligand-receptor interactions closely associated with the proportions of mregDCs within the TME. These molecular and cellular insights, with their critical roles in enhancing the immune response against cancer, offer valuable prospects for predicting the efficacy of ICI regimens, and potentially guiding the selection of rational combinatorial therapies.

Besides intrinsic changes, malignant cells release soluble signals to reshape their microenvironment. Among the signaling factors is WNT1 inducible signaling pathway protein 1 (WISP1), a secreted matricellular protein that is elevated in a variety of cancers including melanoma and is associated with reduced overall survival of patients diagnosed with primary melanoma. In this work, we found that WISP1 knockout both increased cell proliferation and repressed wound healing, migration and invasion of mouse and human melanoma cells in an ensemble of in vitro assays. In vivo metastasis assays showed that WISP1 knockout repressed tumor metastasis in both C57BL/6Ncrl and NOD-scid IL2Rgammanull (NSG) mice with B16F10 and YUMM1.7 melanoma cells. Mechanistically, B16F10 cells that invaded in a transwell assay possessed a gene expression signature similar to Epithelial - Mesenchymal Transition (EMT), including coincident repression of E-cadherin and induction of fibronectin and N-cadherin. Upon WISP1 knockout, these EMT signature genes went in opposite directions in both mouse and human cell lines and were rescued by media containing WISP1 or recombinant WISP1 protein. In vivo, metastasis repression by WISP1 knockout was reversed by the reintroduction of either WISP1 or SNAI1. A set of EMT gene activation and inhibition experiments using recombinant WISP1 or kinase inhibitors in B16F10 and YUMM1.7 cells suggested that WISP1 activates Akt and MAP kinase signaling pathways to shift melanoma cells from a proliferative to invasive phenotype. Collectively, the results supported a model that WISP1 within the tumor microenvironment stimulates melanoma invasion and metastasis by promoting an EMT-like process.

Modeling metastasis in vivo with animals is a priority for both revealing mechanisms of tumor dissemination and developing therapeutic methods. While conventional intravenous injection of tumor cells provides an efficient and consistent system for studying tumor cell extravasation and colonization, studying spontaneous metastasis derived from orthotopic tumor sites has the advantage of modeling more aspects of the metastatic cascade, but is challenging as it is difficult to detect small numbers of metastatic cells. In this work, we developed an approach for quantifying spontaneous metastasis in the syngeneic mouse B16 system using real time PCR. We first transduced B16 cells with lentivirus expressing firefly luciferase Luc2 gene for bioluminescence imaging. Next, we developed a real time quantitative PCR (qPCR) method for the detection of luciferase-expressing, metastatic tumor cells in mouse lungs and other organs. To illustrate the approach, we quantified lung metastasis in both spontaneous and experimental scenarios using B16F0 and B16F10 cells in C57BL/6Ncrl and NOD-Scid Gamma (NSG) mice. We tracked B16 melanoma metastasis with both bioluminescence imaging and qPCR, which were found to be self-consistent. Using this assay, we can quantitatively detect one Luc2 positive tumor cells out of 10 4 tissue cells, which corresponds to a metastatic burden of 1.8x10 4 metastatic cells per whole mouse lung. More importantly, the qPCR method was at least a factor of 10 more sensitive in detecting metastatic cell dissemination and should be combined with bioluminescence imaging as a high-resolution, end-point method for final metastatic cell quantitation. Given the rapid growth of primary tumors in many mouse models, assays with improved sensitivity can provide better insight into biological mechanisms that underpin tumor metastasis.