Cancer treatment by immune checkpoint blockade (ICB) can bring long-lasting clinical benefits, but only a fraction of patients respond to treatment. To predict ICB response, we developed TIDE, a computational method to model two primary mechanisms of tumor immune evasion: the induction of T cell dysfunction in tumors with high infiltration of cytotoxic T lymphocytes (CTL) and the prevention of T cell infiltration in tumors with low CTL level. We identified signatures of T cell dysfunction from large tumor cohorts by testing how the expression of each gene in tumors interacts with the CTL infiltration level to influence patient survival. We also modeled factors that exclude T cell infiltration into tumors using expression signatures from immunosuppressive cells. Using this framework and pre-treatment RNA-Seq or NanoString tumor expression profiles, TIDE predicted the outcome of melanoma patients treated with first-line anti-PD1 or anti-CTLA4 more accurately than other biomarkers such as PD-L1 level and mutation load. TIDE also revealed new candidate ICB resistance regulators, such as SERPINB9, demonstrating utility for immunotherapy research. An algorithm-selected gene signature focused on tumor immune evasion and suppression predicts response to immune checkpoint blockade in melanoma, exceeding the accuracy of current clinical biomarkers.

CD28 and CTLA-4 are related glycoproteins found on T cells. Ligation of CD28 following antigen receptor engagement provides a costimulatory signal required for T cell activation. Anti-CTLA-4 antibodies were generated to examine the role of the CTLA-4 receptor on murine T cells. Expression of CTLA-4 as a homodimer is up-regulated 2–3 days following T cell activation. Anti-CTLA-4 antibodies and Fab fragments augmented T cell proliferation in an allogeneic MLR. However, when optimal costimulation and Fc cross-linking were present, anti-CTLA-4 MAbs Inhibited T cell proliferation. Together, these results suggest that the MAb may obstruct the interaction of CTLA-4 with its natural ligand and block a negative signal, or directly signal T cells to down-regulate immune function.

Abstract Thymectomy in mice on neonatal day 3 leads to the development of multiorgan autoimmune disease due to loss of a CD+CD25+ T cell regulatory population in their peripheral lymphoid tissues. Here, we report the identification of a CD4+ population of regulatory T cells in the circulation of humans expressing high levels of CD25 that exhibit in vitro characteristics identical with those of the CD4+CD25+ regulatory cells isolated in mice. With TCR cross-linking, CD4+CD25high cells did not proliferate but instead totally inhibited proliferation and cytokine secretion by activated CD4+CD25− responder T cells in a contact-dependent manner. The CD4+CD25high regulatory T cells expressed high levels of CD45RO but not CD45RA, akin to the expression of CD45RBlow on murine CD4+CD25+ regulatory cells. Increasing the strength of signal by providing either costimulation with CD28 cross-linking or the addition of IL-2 to a maximal anti-CD3 stimulus resulted in a modest induction of proliferation and the loss of observable suppression in cocultures of CD4+CD25high regulatory cells and CD4+CD25− responder cells. Whereas higher ratios of CD4+CD25high T cells are required to suppress proliferation if the PD-L1 receptor is blocked, regulatory cell function is shown to persist in the absence of the PD-1/PD-L1 or CTLA-4/B7 pathway. Thus, regulatory CD4 T cells expressing high levels of the IL-2 receptor are present in humans, providing the opportunity to determine whether alterations of these populations of T cells are involved in the induction of human autoimmune disorders.

Chronic infection can lead to T cell exhaustion. Wherry and colleagues demonstrate that a hierarchy of inhibitory receptors coregulate CD8+ T cell exhaustion during chronic viral infection. T cell exhaustion often occurs during chronic infection and prevents optimal viral control. The molecular pathways involved in T cell exhaustion remain poorly understood. Here we show that exhausted CD8+ T cells are subject to complex layers of negative regulation resulting from the coexpression of multiple inhibitory receptors. Exhausted CD8+ T cells expressed up to seven inhibitory receptors. Coexpression of multiple distinct inhibitory receptors was associated with greater T cell exhaustion and more severe infection. Regulation of T cell exhaustion by various inhibitory pathways was nonredundant, as blockade of the T cell inhibitory receptors PD-1 and LAG-3 simultaneously and synergistically improved T cell responses and diminished viral load in vivo. Thus, CD8+ T cell responses during chronic viral infections are regulated by complex patterns of coexpressed inhibitory receptors.

Both the programmed death (PD) 1–PD-ligand (PD-L) pathway and regulatory T (T reg) cells are instrumental to the maintenance of peripheral tolerance. We demonstrate that PD-L1 has a pivotal role in regulating induced T reg (iT reg) cell development and sustaining iT reg cell function. PD-L1−/− antigen-presenting cells minimally convert naive CD4 T cells to iT reg cells, showing the essential role of PD-L1 for iT reg cell induction. PD-L1–coated beads induce iT reg cells in vitro, indicating that PD-L1 itself regulates iT reg cell development. Furthermore, PD-L1 enhances and sustains Foxp3 expression and the suppressive function of iT reg cells. The obligatory role for PD-L1 in controlling iT reg cell development and function in vivo is illustrated by a marked reduction in iT reg cell conversion and rapid onset of a fatal inflammatory phenotype in PD-L1−/−PD-L2−/− Rag−/− recipients of naive CD4 T cells. PD-L1 iT reg cell development is mediated through the down-regulation of phospho-Akt, mTOR, S6, and ERK2 and concomitant with the up-regulation of PTEN, all key signaling molecules which are critical for iT reg cell development. Thus, PD-L1 can inhibit T cell responses by promoting both the induction and maintenance of iT reg cells. These studies define a novel mechanism for iT reg cell development and function, as well as a new strategy for controlling T reg cell plasticity.

A carcinogen-induced mouse tumour model is used here to show that mutant tumour-specific antigens are targets for CD8+ T-cell responses, mediating tumour regression after checkpoint blockade immunotherapy, and that these antigens can be used effectively in therapeutic vaccines; this advance potentially opens the door to personalized cancer vaccines. In many individuals, immunosuppression is mediated by T-lymphocyte associated antigen-4 (CTLA-4) and programmed death-1 (PD-1), immunomodulatory receptors expressed on T cells. Matthew Gubin et al. use the MCA mouse sarcoma model to show that mutant tumour antigens serve as targets for CD8+ T-cell responses, mediating tumour regression after checkpoint blockade immunotherapy with anti-PD-1 and/or anti-CTLA-4. The authors demonstrate that these antigens can be used effectively in therapeutic vaccines, suggesting a possible route to personalized cancer vaccines. The immune system influences the fate of developing cancers by not only functioning as a tumour promoter that facilitates cellular transformation, promotes tumour growth and sculpts tumour cell immunogenicity1,2,3,4,5,6, but also as an extrinsic tumour suppressor that either destroys developing tumours or restrains their expansion1,2,7. Yet, clinically apparent cancers still arise in immunocompetent individuals in part as a consequence of cancer-induced immunosuppression. In many individuals, immunosuppression is mediated by cytotoxic T-lymphocyte associated antigen-4 (CTLA-4) and programmed death-1 (PD-1), two immunomodulatory receptors expressed on T cells8,9. Monoclonal-antibody-based therapies targeting CTLA-4 and/or PD-1 (checkpoint blockade) have yielded significant clinical benefits—including durable responses—to patients with different malignancies10,11,12,13. However, little is known about the identity of the tumour antigens that function as the targets of T cells activated by checkpoint blockade immunotherapy and whether these antigens can be used to generate vaccines that are highly tumour-specific. Here we use genomics and bioinformatics approaches to identify tumour-specific mutant proteins as a major class of T-cell rejection antigens following anti-PD-1 and/or anti-CTLA-4 therapy of mice bearing progressively growing sarcomas, and we show that therapeutic synthetic long-peptide vaccines incorporating these mutant epitopes induce tumour rejection comparably to checkpoint blockade immunotherapy. Although mutant tumour-antigen-specific T cells are present in progressively growing tumours, they are reactivated following treatment with anti-PD-1 and/or anti-CTLA-4 and display some overlapping but mostly treatment-specific transcriptional profiles, rendering them capable of mediating tumour rejection. These results reveal that tumour-specific mutant antigens are not only important targets of checkpoint blockade therapy, but they can also be used to develop personalized cancer-specific vaccines and to probe the mechanistic underpinnings of different checkpoint blockade treatments.

Programmed death 1 (PD-1), an inhibitory receptor expressed on activated lymphocytes, regulates tolerance and autoimmunity. PD-1 has two ligands: PD-1 ligand 1 (PD-L1), which is expressed broadly on hematopoietic and parenchymal cells, including pancreatic islet cells; and PD-L2, which is restricted to macrophages and dendritic cells. To investigate whether PD-L1 and PD-L2 have synergistic or unique roles in regulating T cell activation and tolerance, we generated mice lacking PD-L1 and PD-L2 (PD-L1/PD-L2(-/-) mice) and compared them to mice lacking either PD-L. PD-L1 and PD-L2 have overlapping functions in inhibiting interleukin-2 and interferon-gamma production during T cell activation. However, PD-L1 has a unique and critical role in controlling self-reactive T cells in the pancreas. Our studies with bone marrow chimeras demonstrate that PD-L1/PD-L2 expression only on antigen-presenting cells is insufficient to prevent the early onset diabetes that develops in PD-L1/PD-L2(-/-) non-obese diabetic mice. PD-L1 expression in islets protects against immunopathology after transplantation of syngeneic islets into diabetic recipients. PD-L1 inhibits pathogenic self-reactive CD4+ T cell-mediated tissue destruction and effector cytokine production. These data provide evidence that PD-L1 expression on parenchymal cells rather than hematopoietic cells protects against autoimmune diabetes and point to a novel role for PD-1-PD-L1 interactions in mediating tissue tolerance.

Abstract The success in lung cancer therapy with programmed death (PD)-1 blockade suggests that immune escape mechanisms contribute to lung tumor pathogenesis. We identified a correlation between EGF receptor (EGFR) pathway activation and a signature of immunosuppression manifested by upregulation of PD-1, PD-L1, CTL antigen-4 (CTLA-4), and multiple tumor-promoting inflammatory cytokines. We observed decreased CTLs and increased markers of T-cell exhaustion in mouse models of EGFR-driven lung cancer. PD-1 antibody blockade improved the survival of mice with EGFR-driven adenocarcinomas by enhancing effector T-cell function and lowering the levels of tumor-promoting cytokines. Expression of mutant EGFR in bronchial epithelial cells induced PD-L1, and PD-L1 expression was reduced by EGFR inhibitors in non–small cell lung cancer cell lines with activated EGFR. These data suggest that oncogenic EGFR signaling remodels the tumor microenvironment to trigger immune escape and mechanistically link treatment response to PD-1 inhibition. Significance: We show that autochthonous EGFR-driven lung tumors inhibit antitumor immunity by activating the PD-1/PD-L1 pathway to suppress T-cell function and increase levels of proinflammatory cytokines. These findings indicate that EGFR functions as an oncogene through non–cell-autonomous mechanisms and raise the possibility that other oncogenes may drive immune escape. Cancer Discov; 3(12); 1355–63. ©2013 AACR. See related commentary by Rech and Vonderheide, p. 1330 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1317