Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) has demonstrated clinical success in “inflamed” tumors with significant T-cell infiltrates, but tumors with an immune-desert tumor microenvironment (TME) fail to benefit. The tumor cell-intrinsic molecular mechanisms of the immune-desert phenotype remain poorly understood. Here, we demonstrate that inactivation of the Polycomb-repressive complex 2 (PRC2) core components, EED or SUZ12, a prevalent genetic event in malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST) and sporadically in other cancer types, drives a context-dependent immune-desert TME. PRC2 inactivation reprograms the chromatin landscape that leads to a cell-autonomous shift from primed baseline signaling-dependent cellular responses (e.g., interferon γ) to PRC2-regulated development and cellular differentiation transcriptional programs. Further, PRC2 inactivation reprograms the TME, leads to diminished tumor immune infiltrates and immune evasion through reduced chemokine production and impaired antigen presentation and T-cell priming, and confers ICB primary resistance through blunted T-cell recruitment in vivo . We demonstrate that strategies that enhancing innate immunity via intratumoral delivery of inactivated modified vaccinia virus Ankara (MVA) leads to increased tumor immune infiltrates and sensitizes PRC2-loss tumors to ICB. Our results provide novel molecular mechanisms of context-dependent dysfunctional epigenetic reprogramming that underline the immune-desert phenotype in MPNST and other cancers with PRC2 inactivation. Importantly, our findings highlight genetic-inactivation of PRC2 as a novel context-dependent ICB therapeutic resistance biomarker in cancer, and caution that therapeutic strategies that non-selectively target PRC2 in the host may lead to undesirable context-dependent immune evasion and ICB resistance in tumors. Our studies also point to intratumoral delivery of immunogenic therapeutic viruses as an initial strategy to modulate the immune-desert TME and capitalize on the clinical benefit of ICB.

ABSTRACT Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) establishes and maintains di- and tri-methylation at histone 3 at lysine 27 (H3K27me2/3) in the genome and plays oncogenic and tumor suppressor roles in context-dependent cancer pathogenesis. While there is clinical success of therapeutically targeting PRC2 core component, EZH2, in PRC2-dependent cancers (e.g., follicular lymphoma, epithelioid sarcoma), it remains an unmet therapeutic bottleneck in PRC2-inactivated cancer. Biallelic inactivating mutations in PRC2 core components are a hallmark feature of high-grade malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST), an aggressive subtype of sarcoma with poor prognosis and no effective targeted therapeutics. Using a custom RNAi-based drop out screen, we observed that PRC2-inactivation is synthetic lethal with DNA methyltransferase 1 (DNMT1) downregulation; we further observed that small molecule DNMT inhibitors (DNMTis) resulted in enhanced cytotoxicity and antitumor response in PRC2-loss cancer context in vitro and in vivo . Mechanistically, DNMTi-mediated de-repression of retrotransposons (e.g., endogenous retroviral elements (ERVs)/LTR, LINE, SINE) and gene targets is partly restricted by PRC2, which potentially contributes to limited therapeutic activity in PRC2-wild-type (wt) cancer context. In contrast, DNMTi treatment synergizes with PRC2 inactivation and cooperatively amplifies the expression of retrotransposons (e.g., ERV/LTR, LINE, SINE), and subsequent viral mimicry response that promotes robust cell death in part through PKR-dependent double stranded-RNA (dsRNA) sensing. Collectively, our observations posit DNA methylation as a safeguard against anti-tumorigenic cell fate decisions in the context of PRC2-inactivation to promote cancer pathogenesis. Further, they identified a novel targeted therapeutic strategy in PRC2-inactivated MPNST and delineated the PRC2-inactivated cancer context for future preclinical exploration and clinical investigation of DNMT1-targeted therapies in cancer. SIGNIFICANCE PRC2-inactivation drives oncogenesis in various cancers but therapeutically targeting PRC2-loss has remained challenging. Here we show that PRC2 inactivating mutations sets up a tumor context-specific liability for synthetic lethal interaction with genetic and therapeutic inhibition of DNMT1. DNMT1 inhibitor-induced cytotoxicity in PRC2-loss cancer context is accompanied by innate immune signaling signature through PKR-mediated sensing of endogenous retrotransposons. These observations posit a therapeutic window via direct anti-tumor effect by DNMT1 inhibitors in PRC2-loss cancers, and point to potentials to be combined with innovative immunotherapeutic strategies to capitalize on innate immune signaling activation.

Members of the KMT2C/D-KDM6A complex are recurrently mutated in urothelial carcinoma and in histologically normal urothelium. Here, using genetically engineered mouse models, we demonstrate that Kmt2c/d knockout in the urothelium led to impaired differentiation, augmented responses to growth and inflammatory stimuli and sensitization to oncogenic transformation by carcinogen and oncogenes. Mechanistically, KMT2D localized to active enhancers and CpG-poor promoters that preferentially regulate the urothelial lineage program and Kmt2c/d knockout led to diminished H3K4me1, H3K27ac and nascent RNA transcription at these sites, which leads to impaired differentiation. Kmt2c/d knockout further led to KMT2A-menin redistribution from KMT2D localized enhancers to CpG-high and bivalent promoters, resulting in derepression of signal-induced immediate early genes. Therapeutically, Kmt2c/d knockout upregulated epidermal growth factor receptor signaling and conferred vulnerability to epidermal growth factor receptor inhibitors. Together, our data posit that functional loss of Kmt2c/d licenses a molecular 'field effect' priming histologically normal urothelium for oncogenic transformation and presents therapeutic vulnerabilities.