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.

Exome analysis of chemical-carcinogen-induced mouse tumours provides evidence for T-cell-mediated immunoselection as a mechanism of immunoediting. Two groups reporting in this issue of Nature use contrasting approaches to come to many of the same conclusions about the process of cancer immunoediting, in which an individual is protected from cancer though the elimination and immunogenic modification of cancerous cells. Matsushita et al. use whole-exon sequencing of mouse sarcomas induced by chemical carcinogens to obtain evidence for T-cell-mediated immuno-selection as a mechanism of immune editing. DuPage et al. demonstrate that immunosurveillance and immunoediting can occur in an oncogene-driven endogenous tumour model provided that the tumours carry strong neoantigens that are not present in the host. Cancer immunoediting, the process by which the immune system controls tumour outgrowth and shapes tumour immunogenicity, is comprised of three phases: elimination, equilibrium and escape1,2,3,4,5. Although many immune components that participate in this process are known, its underlying mechanisms remain poorly defined. A central tenet of cancer immunoediting is that T-cell recognition of tumour antigens drives the immunological destruction or sculpting of a developing cancer. However, our current understanding of tumour antigens comes largely from analyses of cancers that develop in immunocompetent hosts and thus may have already been edited. Little is known about the antigens expressed in nascent tumour cells, whether they are sufficient to induce protective antitumour immune responses or whether their expression is modulated by the immune system. Here, using massively parallel sequencing, we characterize expressed mutations in highly immunogenic methylcholanthrene-induced sarcomas derived from immunodeficient Rag2−/− mice that phenotypically resemble nascent primary tumour cells1,3,5. Using class I prediction algorithms, we identify mutant spectrin-β2 as a potential rejection antigen of the d42m1 sarcoma and validate this prediction by conventional antigen expression cloning and detection. We also demonstrate that cancer immunoediting of d42m1 occurs via a T-cell-dependent immunoselection process that promotes outgrowth of pre-existing tumour cell clones lacking highly antigenic mutant spectrin-β2 and other potential strong antigens. These results demonstrate that the strong immunogenicity of an unedited tumour can be ascribed to expression of highly antigenic mutant proteins and show that outgrowth of tumour cells that lack these strong antigens via a T-cell-dependent immunoselection process represents one mechanism of cancer immunoediting.

Cancer immunoediting is the process whereby the immune system suppresses neoplastic growth and shapes tumor immunogenicity. We previously reported that type I interferon (IFN-α/β) plays a central role in this process and that hematopoietic cells represent critical targets of type I IFN’s actions. However, the specific cells affected by IFN-α/β and the functional processes that type I IFN induces remain undefined. Herein, we show that type I IFN is required to initiate the antitumor response and that its actions are temporally distinct from IFN-γ during cancer immunoediting. Using mixed bone marrow chimeric mice, we demonstrate that type I IFN sensitivity selectively within the innate immune compartment is essential for tumor-specific T cell priming and tumor elimination. We further show that mice lacking IFNAR1 (IFN-α/β receptor 1) in dendritic cells (DCs; Itgax-Cre+Ifnar1f/f mice) cannot reject highly immunogenic tumor cells and that CD8α+ DCs from these mice display defects in antigen cross-presentation to CD8+ T cells. In contrast, mice depleted of NK cells or mice that lack IFNAR1 in granulocytes and macrophage populations reject these tumors normally. Thus, DCs and specifically CD8α+ DCs are functionally relevant targets of endogenous type I IFN during lymphocyte-mediated tumor rejection.

Herein we report the generation of mice lacking the ubiquitously expressed Janus kinase, Jak1. Jak1−/− mice are runted at birth, fail to nurse, and die perinatally. Although Jak1−/− cells are responsive to many cytokines, they fail to manifest biologic responses to cytokines that bind to three distinct families of cytokine receptors. These include all class II cytokine receptors, cytokine receptors that utilize the γc subunit for signaling, and the family of cytokine receptors that depend on the gp130 subunit for signaling. Our results thus demonstrate that Jak1 plays an essential and nonredundant role in promoting biologic responses induced by a select subset of cytokine receptors, including those in which Jak utilization was thought to be nonspecific.

The ability of the immune system to eliminate and shape the immunogenicity of tumours defines the process of cancer immunoediting1. Immunotherapies such as those that target immune checkpoint molecules can be used to augment immune-mediated elimination of tumours and have resulted in durable responses in patients with cancer that did not respond to previous treatments. However, only a subset of patients benefit from immunotherapy and more knowledge about what is required for successful treatment is needed2-4. Although the role of tumour neoantigen-specific CD8+ T cells in tumour rejection is well established5-9, the roles of other subsets of T cells have received less attention. Here we show that spontaneous and immunotherapy-induced anti-tumour responses require the activity of both tumour-antigen-specific CD8+ and CD4+ T cells, even in tumours that do not express major histocompatibility complex (MHC) class II molecules. In addition, the expression of MHC class II-restricted antigens by tumour cells is required at the site of successful rejection, indicating that activation of CD4+ T cells must also occur in the tumour microenvironment. These findings suggest that MHC class II-restricted neoantigens have a key function in the anti-tumour response that is nonoverlapping with that of MHC class I-restricted neoantigens and therefore needs to be considered when identifying patients who will most benefit from immunotherapy.

The role of NF-kappaB-inducing kinase (NIK) in cytokine signaling remains controversial. To identify the physiologic functions of NIK, we disrupted the NIK locus by gene targeting. Although NIK-/- mice displayed abnormalities in both lymphoid tissue development and antibody responses, NIK-/- cells manifested normal NF-kappaB DNA binding activity when treated with a variety of cytokines, including tumor necrosis factor (TNF), interleukin-1 (IL-1), and lymphotoxin-beta (LTbeta). However, NIK was selectively required for gene transcription induced through ligation of LTbeta receptor but not TNF receptors. These results reveal that NIK regulates the transcriptional activity of NF-kappaB in a receptor-restricted manner.

Although current immune-checkpoint therapy (ICT) mainly targets lymphoid cells, it is associated with a broader remodeling of the tumor micro-environment. Here, using complementary forms of high-dimensional profiling, we define differences across all hematopoietic cells from syngeneic mouse tumors during unrestrained tumor growth or effective ICT. Unbiased assessment of gene expression of tumor-infiltrating cells by single-cell RNA sequencing (scRNAseq) and longitudinal assessment of cellular protein expression by mass cytometry (CyTOF) revealed significant remodeling of both the lymphoid and myeloid intratumoral compartments. Surprisingly, we observed multiple subpopulations of monocytes/macrophages, distinguishable by the markers CD206, CX3CR1, CD1d, and iNOS, that change over time during ICT in a manner partially dependent on IFNγ. Our data support the hypothesis that this macrophage polarization/activation results from effects on circulatory monocytes and early macrophages entering tumors, rather than on pre-polarized mature intratumoral macrophages.

Cancer immunoediting is the process whereby immune cells protect against cancer formation by sculpting the immunogenicity of developing tumors. Although the full process depends on innate and adaptive immunity, it remains unclear whether innate immunity alone is capable of immunoediting. To determine whether the innate immune system can edit tumor cells in the absence of adaptive immunity, we compared the incidence and immunogenicity of 3′methylcholanthrene-induced sarcomas in syngeneic wild-type, RAG2−/−, and RAG2−/−x γc−/− mice. We found that innate immune cells could manifest cancer immunoediting activity in the absence of adaptive immunity. This activity required natural killer (NK) cells and interferon γ (IFN-γ), which mediated the induction of M1 macrophages. M1 macrophages could be elicited by administration of CD40 agonists, thereby restoring editing activity in RAG2−/−x γc−/− mice. Our results suggest that in the absence of adaptive immunity, NK cell production of IFN-γ induces M1 macrophages, which act as important effectors during cancer immunoediting.

Abstract Antibody blockade of programmed death-1 (PD-1) or its ligand, PD-L1, has led to unprecedented therapeutic responses in certain tumor-bearing individuals, but PD-L1 expression's prognostic value in stratifying cancer patients for such treatment remains unclear. Reports conflict on the significance of correlations between PD-L1 on tumor cells and positive clinical outcomes to PD-1/PD-L1 blockade. We investigated this issue using genomically related, clonal subsets from the same methylcholanthrene-induced sarcoma: a highly immunogenic subset that is spontaneously eliminated in vivo by adaptive immunity and a less immunogenic subset that forms tumors in immunocompetent mice, but is sensitive to PD-1/PD-L1 blockade therapy. Using CRISPR/Cas9-induced loss-of-function approaches and overexpression gain-of-function techniques, we confirmed that PD-L1 on tumor cells is key to promoting tumor escape. In addition, the capacity of PD-L1 to suppress antitumor responses was inversely proportional to tumor cell antigenicity. PD-L1 expression on host cells, particularly tumor-associated macrophages (TAM), was also important for tumor immune escape. We demonstrated that induction of PD-L1 on tumor cells was IFNγ-dependent and transient, but PD-L1 induction on TAMs was of greater magnitude, only partially IFNγ dependent, and was stable over time. Thus, PD-L1 expression on either tumor cells or host immune cells could lead to tumor escape from immune control, indicating that total PD-L1 expression in the immediate tumor microenvironment may represent a more accurate biomarker for predicting response to PD-1/PD-L1 blockade therapy, compared with monitoring PD-L1 expression on tumor cells alone. Cancer Immunol Res; 5(2); 106–17. ©2017 AACR.