PD-1 blockade unleashes potent antitumor activity in CD8+ T cells but can also promote immunosuppressive T regulatory (Treg) cells, which may worsen the response to immunotherapy. Tumor-Treg inhibition is a promising strategy to improve the efficacy of checkpoint blockade immunotherapy; however, our understanding of the mechanisms supporting tumor-Tregs during PD-1 immunotherapy is incomplete. Here, we show that PD-1 blockade increases tumor-Tregs in mouse models of melanoma and metastatic melanoma patients. Mechanistically, Treg accumulation is not caused by Treg-intrinsic inhibition of PD-1 signaling but depends on an indirect effect of activated CD8+ T cells. CD8+ T cells produce IL-2 and colocalize with Tregs in mouse and human melanomas. IL-2 upregulates the anti-apoptotic protein ICOS on tumor-Tregs, promoting their accumulation. Inhibition of ICOS signaling before PD-1 immunotherapy improves control over immunogenic melanoma. Thus, interrupting the intratumor CD8+ T cell:Treg crosstalk represents a strategy to enhance the therapeutic efficacy of PD-1 immunotherapy.

ABSTRACT Aberrant DNA methylation is a well-known feature of tumours and has been associated with metastatic melanoma. However, since melanoma cells are highly heterogeneous, it has been challenging to use affected genes to predict tumour aggressiveness, metastatic evolution, and patients’ outcomes. We hypothesized that common aggressive hypermethylation signatures should emerge early in tumorigenesis and should be shared in aggressive cells, independent of the physiological context under which this trait arises. We compared paired melanoma cell lines with the following properties: (i) each pair comprises one aggressive counterpart and its parental cell line, and (ii) the aggressive cell lines were each obtained from different host and their environment (human, rat, and mouse), though starting from the same parent cell line. Next, we developed a multi-step genomic pipeline that combines the DNA methylome profile with a chromosome cluster-oriented analysis. A total of 229 differentially hypermethylated genes were commonly found in the aggressive cell lines. Genome localization analysis revealed hypermethylation peaks and clusters, identifying eight hypermethylated gene promoters for validation in tissues from melanoma patients. Five CpG identified in primary melanoma tissues were transformed into a DNA methylation score that can predict survival (Log-rank test, p =0.0008). This strategy is potentially universally applicable to other diseases involving DNA methylation alterations.

Abstract Background Overall patients with melanoma liver metastasis (MLiM) have a dismal prognosis and poor responses to the standard of care treatment. Understanding the role of the tumour microenvironment (TME) is critical for discovering better strategies to overcome intrinsic therapy resistance in MLiM. The aim was to understand the crosstalk signalling pathways between hepatocytes and metastatic melanoma cells in the TME of MLiM. Methods Hepatocytes and melanoma tumour cells of MLiM were assessed using transcriptomic NanoString GeoMx digital spatial profiling (NGDSP) assay. Functional assays were performed using normal hepatocytes and MLiM‐derived cell lines. Validation was performed using multiplex immunofluorescence. Results In NGDSP analysis adjacent normal hepatocytes (ANH) had higher CXCR4 and COL1A1/2 levels than distant normal hepatocytes (DNH), while melanoma cells had higher TNF‐α levels. In vitro, MLiM cell lines released TNF‐α which upregulated CXCR4 and CXCL12 levels in ANH. CXCL12 activated CXCR4, which triggered AKT and NFκB signalling pathways. Consequently, AKT signalling induced the upregulation of collagen type I. MLiM were significantly encircled by a shield of collagen, whereas other liver metastases showed reduced levels of collagen. Of all the liver metastasis analyzed, the presence of collagen in melanoma liver metastasis was associated with a reduction in tumour‐infiltrating lymphocytes. Conclusions MLiM modified ANH to increase collagen production and created a physical barrier. The collagen barrier was associated with a reduction of immune cell infiltration which could potentially deter MLiM immune surveillance and treatment responses. Highlights Spatial analyses of melanoma liver metastasis show that adjacent normal hepatocytes have increased collagen‐type I levels. Melanoma liver metastases tumour cells secrete enhanced levels of TNF‐α to stimulate CXCR4/CXCL12 upregulation in adjacent normal hepatocytes. Activation of CXCR4 promotes AKT and NF‐κB signalling pathways to promote collagen‐type I secretion in adjacent normal hepatocytes. Elevated collagen levels were associated with reduced tumour‐infiltrating lymphocytes