Abstract Leucine-rich repeat-containing G-protein receptor 5 (LGR5) has been characterised as a stem cell and cancer stem cell marker. Previous analyses of LGR5 transcript levels indicate high level expression discriminates malignancies such as colorectal cancer (CRC) and pre-B acute lymphoblastic leukaemia (pre-B ALL) from healthy tissues suggesting LGR5 protein expression may provide a molecular handle for prognosis and treatment. We have developed highly specific, high affinity antibodies to the extracellular domain of human LGR5 (α-LGR5) that detect high LGR5 protein levels in colorectal cancer (CRC), hepatocellular carcinoma (HCC), and pre-B ALL. In contrast, there is low to undetectable levels of LGR5 protein in normal colon and rectal epithelia, liver, ovarian tissues, brain and immune cell types. LGR5 is rapidly internalised from the plasma membrane and trafficked to intracellular vesicular compartments including lysosomes. Treatment of high LGR5-expressing CRC and pre-B ALL cancer cell lines with an antibody-drug conjugate version of α-LGR5 (α-LGR5-ADC) lead to effective cell killing at nanomolar concentrations. Interventional treatment of pre-B ALL tumours with α-LGR5-ADC in vivo led to rapid tumour attrition. We further demonstrated the therapeutic utility of humanised α-LGR5 by using the corresponding scFv fragment for the generation of α-LGR5 chimeric antigen receptors (CARs) and a Bispecific T cell Engager (BiTE). α-LGR5-CAR-NK cells were effective at killing LGR5-expressing cells while α-LGR5/α-CD3 BiTEs induce T cell activation and killing of NALM6 cells by cytotoxic CD8 + T cells. Taken together, this study establishes α-LGR5-based therapeutic modalities that effectively discriminate and target CRC, HCC and pre-B ALL tumour cells. One Sentence Summary We generated novel antibodies against the cancer cell marker LGR5, validated diagnostic use in prioritizing specific cancer types for targeting, and developed antibody-based therapeutics.

ABSTRACT Cytotoxic CD8 + T lymphocytes (CTLs) are critical to the immune response against intracellular pathogens and cancer and act by eliminating infected and malignant cells through targeted secretion of cytotoxic granules. Hedgehog (Hh) signaling has been shown to be critical for CTL killing. Interestingly, Hh signaling in CD8 + T cells is not induced by extracellular Hh ligands but is initiated upon T cell receptor (TCR) engagement. How the TCR induces the Hh pathway independently of extracellular Hh ligands is unknown. Here we show that the Hh transcription factor Gli1 is essential for efficient CTL function and is induced downstream of the TCR by an extracellular Ca 2+ influx selectively controlled by L-type voltage gated Ca 2+ channels localized at the plasma membrane. We demonstrate that this novel mode of Hh signaling induction is independent of the canonical Hh pathway and represents the primary mechanism of Gli1 induction in naïve CD8 + T cells, while CTLs can also activate Gli1 via MAP Kinase signaling. Importantly, we show that this L-type voltage gated Ca 2+ channel-controlled Gli1 induction is functionally required for CTL killing in mice and humans. Gli inhibitors are currently in clinical trials against various cancers and our observations indicate that they likely inhibit the anti-tumor response. Significance statement Cytotoxic CD8 + T cells (CTLs) kill infected and malignant cells by targeted secretion of cytotoxic granules. Hedgehog signaling is critical for effective CTL killing and is activated by the T cell receptor (TCR) independently of exogenous Hedgehog ligands. This study shows that Hedgehog transcription factor Gli1 is required for CTL killing and identifies L-type voltage gated Ca 2+ channels (Cav1) as essential regulators of CTL killing in mouse and human, by virtue of their ability to activate Gli1 downstream of the TCR. This Cav1-Gli1 axis operates independently of canonical Hedgehog signaling. Our work suggests that caution is required when using Gli inhibitors, currently in trials as anti-cancer therapeutics, since they may dampen the anti-tumor response.

Abstract We have developed and validated a highly specific, versatile antibody to the extracellular domain of human LGR5 (α-LGR5). α-LGR5 detects LGR5 overexpression in >90% of colorectal cancer (CRC), hepatocellular carcinoma (HCC) and pre-B-ALL tumour cells and was used to generate an Antibody-Drug Conjugate (α-LGR5-ADC), Bispecific T-cell Engager (α-LGR5-BiTE) and Chimeric Antigen Receptor (α-LGR5-CAR). α-LGR5-ADC was the most effective modality for targeting LGR5 + cancer cells in vitro and demonstrated potent anti-tumour efficacy in a murine model of human NALM6 pre-B-ALL driving tumour attrition to less than 1% of control treatment. α-LGR5-BiTE treatment was less effective in the pre-B-ALL cancer model yet promoted a twofold reduction in tumour burden. α-LGR5-CAR-T cells also showed specific and potent LGR5 + cancer cell killing in vitro and effective tumour targeting with a fourfold decrease in pre-B-ALL tumour burden relative to controls. Taken together, we show that α-LGR5 can not only be used as a research tool and a biomarker but also provides a versatile building block for a highly effective immune therapeutic portfolio targeting a range of LGR5-expressing cancer cells.

ABSTRACT Cytotoxic T lymphocytes effectively eliminate cancer cells. Their abundance in the tumour microenvironment is one of the strongest pan-cancer predictors of clinical response. Here, we show that Hedgehog (Hh) signaling regulates T cell migration into tumours. Using conditional knockout mouse models of central Hh signaling components Ihh , Smo and Gli1 in CD8 T cells, we show that Smo deletion greatly impairs the anti-tumour response in vivo due to diminished CD8 T cell migration into the tumour microenvironment. The migration defect is mediated exclusively by Smo, both in in vivo cancer models and in vitro migration assays. This effect is independent of the canonical Hh pathway and relies on the GPCR function of Smo to regulate the migration of murine and human CD8 T cells via RhoA. Hh signaling is critical during embryonic development and adult stem cell homeostasis, but is also amplified in multiple cancer types. Hh inhibitors targeting SMO have been clinically-approved and shown efficacy in the treatment of Hh-driven basal cell carcinoma and medulloblastoma but have failed in clinical trials in other solid cancers with upregulated Hh signaling. We demonstrate that SMO inhibitors specifically decrease CD8 T cell migration into the tumour microenvironment, both in murine cancer models and resected BCCs from patients treated with the SMO inhibitor vismodegib, providing the first mechanistic explanation as to why Hh inhibitors have failed in solid cancers. Our data establishes a novel link between Hh inhibition in vivo and the anti-tumour immune response and reveals a fundamental mechanism controlling T cell migration. The work provides the basis for improved Hh targeting approaches in the clinic and new entry points into enhancing migration in T cell therapies.