Abstract Tumor antigen–specific T cells are found within melanomas, yet tumors continue to grow. Although the tumor microenvironment is thought to influence the suppression of tumor-reactive T cells, the underlying mechanisms for this T-cell dysfunction are not clear. Here, we report that the majority of tumor infiltrating T lymphocytes (TIL), including MART-1/Melan-A melanoma antigen–specific CD8 T cells, predominantly expressed PD-1, in contrast to T cells in normal tissues and peripheral blood T lymphocytes (PBL). PD-1+ TIL expressed CTLA-4 and Ki-67, markers that were not expressed by PD-1− TIL and T cells in the normal tissues and PBL. Moreover, PD-1+ TIL were primarily HLA-DR+ and CD127−, in contrast to PD-1− TIL. Effector cytokine production by PD-1+ TIL was impaired compared with PD-1− TIL and PBL. Collectively, the phenotypic and functional characterizations of TIL revealed a significantly higher frequency and level of PD-1 expression on TIL compared with normal tissue T-cell infiltrates and PBL, and PD-1 expression correlated with an exhausted phenotype and impaired effector function. These findings suggest that the tumor microenvironment can lead to up-regulation of PD-1 on tumor-reactive T cells and contribute to impaired antitumor immune responses.

Clinical trials in melanoma patients carrying B-RAF gene mutations have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032, but many patients go on to become resistant. Two papers now uncover possible mechanisms for this resistance. Nazarian et al. report that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ, and Johannessen et al. report resistance due to upregulation of MAP3K8/COT. Each of these mechanisms seems to apply to some patients in the recent PLX4032 trial, yet surprisingly, no secondary B-RAF mutations were observed. Recent data from early clinical trials in melanoma patients carrying mutations in the B-RAF gene have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032; however, many patients eventually develop resistance to this treatment. Two papers now uncover possible mechanisms of resistance to PLX4032. One paper shows that upregulation of MAP3K8 (which encodes COT) can confer resistance of melanoma cells to B-RAF inhibitors, whereas another paper found that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ. Each of these resistance mechanisms seems to apply to at least some patients on recent PLX4032 trial, whereas, surprisingly, so far no secondary B-RAF mutations have been observed. Oncogenic mutations in the serine/threonine kinase B-RAF (also known as BRAF) are found in 50–70% of malignant melanomas1. Pre-clinical studies have demonstrated that the B-RAF(V600E) mutation predicts a dependency on the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signalling cascade in melanoma2,3,4,5,6—an observation that has been validated by the success of RAF and MEK inhibitors in clinical trials7,8,9. However, clinical responses to targeted anticancer therapeutics are frequently confounded by de novo or acquired resistance10,11,12. Identification of resistance mechanisms in a manner that elucidates alternative ‘druggable’ targets may inform effective long-term treatment strategies13. Here we expressed ∼600 kinase and kinase-related open reading frames (ORFs) in parallel to interrogate resistance to a selective RAF kinase inhibitor. We identified MAP3K8 (the gene encoding COT/Tpl2) as a MAPK pathway agonist that drives resistance to RAF inhibition in B-RAF(V600E) cell lines. COT activates ERK primarily through MEK-dependent mechanisms that do not require RAF signalling. Moreover, COT expression is associated with de novo resistance in B-RAF(V600E) cultured cell lines and acquired resistance in melanoma cells and tissue obtained from relapsing patients following treatment with MEK or RAF inhibitors. We further identify combinatorial MAPK pathway inhibition or targeting of COT kinase activity as possible therapeutic strategies for reducing MAPK pathway activation in this setting. Together, these results provide new insights into resistance mechanisms involving the MAPK pathway and articulate an integrative approach through which high-throughput functional screens may inform the development of novel therapeutic strategies.

Somatic alterations in cellular DNA underlie almost all human cancers. The prospect of targeted therapies and the development of high-resolution, genome-wide approaches are now spurring systematic efforts to characterize cancer genomes. Here we report a large-scale project to characterize copy-number alterations in primary lung adenocarcinomas. By analysis of a large collection of tumours (n = 371) using dense single nucleotide polymorphism arrays, we identify a total of 57 significantly recurrent events. We find that 26 of 39 autosomal chromosome arms show consistent large-scale copy-number gain or loss, of which only a handful have been linked to a specific gene. We also identify 31 recurrent focal events, including 24 amplifications and 7 homozygous deletions. Only six of these focal events are currently associated with known mutations in lung carcinomas. The most common event, amplification of chromosome 14q13.3, is found in approximately 12% of samples. On the basis of genomic and functional analyses, we identify NKX2-1 (NK2 homeobox 1, also called TITF1), which lies in the minimal 14q13.3 amplification interval and encodes a lineage-specific transcription factor, as a novel candidate proto-oncogene involved in a significant fraction of lung adenocarcinomas. More generally, our results indicate that many of the genes that are involved in lung adenocarcinoma remain to be discovered.

Genomic imprinting, or parental allele-specific expression of genes, has been demonstrated at the molecular level in insects and mice but not in man. Imprinting as a potential mechanism of human disease is suggested by paternal uniparental disomy of 11p15 in Beckwith-Wiedemann syndrome and by maternal uniparental disomy of 15q11-12 in Prader-Willi syndrome. Beckwith-Wiedemann syndrome is characterized by multiorgan overgrowth and predisposition to embryonal tumours such as Wilms' tumour of the kidney. A loss of heterozygosity of 11p15 is also frequently found in a wide variety of tumours, including Wilms' tumour and lung, bladder, ovarian, liver and breast cancers; 11p15 also directly suppresses tumour growth in vitro. Two genes in this band, H19 and insulin-like growth factor-II (IGF2) undergo reciprocal imprinting in the mouse, with maternal expression of H19 (ref. 13) and paternal expression of IGF2 (ref. 14). Here we find that both of these genes show monoallelic expression in human tissues and, as in mouse, H19 is expressed from the maternal allele and IGF2 from the paternal allele. In contrast, 69% of Wilms' tumours not undergoing loss of heterozygosity at 11p showed biallelic expression of one or both genes, suggesting that relaxation or loss of imprinting could represent a new epigenetic mutational mechanism in carcinogenesis.

The most common mutation in human melanoma, BRAF(V600E), activates the serine/threonine kinase BRAF and causes excessive activity in the mitogen-activated protein kinase pathway. BRAF(V600E) mutations are also present in benign melanocytic naevi, highlighting the importance of additional genetic alterations in the genesis of malignant tumours. Such changes include recurrent copy number variations that result in the amplification of oncogenes. For certain amplifications, the large number of genes in the interval has precluded an understanding of the cooperating oncogenic events. Here we have used a zebrafish melanoma model to test genes in a recurrently amplified region of chromosome 1 for the ability to cooperate with BRAF(V600E) and accelerate melanoma. SETDB1, an enzyme that methylates histone H3 on lysine 9 (H3K9), was found to accelerate melanoma formation significantly in zebrafish. Chromatin immunoprecipitation coupled with massively parallel DNA sequencing and gene expression analyses uncovered genes, including HOX genes, that are transcriptionally dysregulated in response to increased levels of SETDB1. Our studies establish SETDB1 as an oncogene in melanoma and underscore the role of chromatin factors in regulating tumorigenesis.

The majority of chimeric antigen receptor (CAR) T-cell research has focused on attacking cancer cells. Here, we show that targeting the tumor-promoting, nontransformed stromal cells using CAR T cells may offer several advantages. We developed a retroviral CAR construct specific for the mouse fibroblast activation protein (FAP), comprising a single-chain Fv FAP [monoclonal antibody (mAb) 73.3] with the CD8α hinge and transmembrane regions, and the human CD3ζ and 4-1BB activation domains. The transduced muFAP-CAR mouse T cells secreted IFN-γ and killed FAP-expressing 3T3 target cells specifically. Adoptively transferred 73.3-FAP-CAR mouse T cells selectively reduced FAP(hi) stromal cells and inhibited the growth of multiple types of subcutaneously transplanted tumors in wild-type, but not FAP-null immune-competent syngeneic mice. The antitumor effects could be augmented by multiple injections of the CAR T cells, by using CAR T cells with a deficiency in diacylglycerol kinase, or by combination with a vaccine. A major mechanism of action of the muFAP-CAR T cells was the augmentation of the endogenous CD8(+) T-cell antitumor responses. Off-tumor toxicity in our models was minimal following muFAP-CAR T-cell therapy. In summary, inhibiting tumor growth by targeting tumor stroma with adoptively transferred CAR T cells directed to FAP can be safe and effective, suggesting that further clinical development of anti-human FAP-CAR is warranted.

Genetically modified T cells expressing chimeric antigen receptors (CARs) demonstrate robust responses against lineage restricted, non-essential targets in hematologic cancers. However, in solid tumors, the full potential of CAR T cell therapy is limited by the availability of cell surface antigens with sufficient cancer-specific expression. The majority of CAR targets have been normal self-antigens on dispensable hematopoietic tissues or overexpressed shared antigens. Here, we established that abnormal self-antigens can serve as targets for tumor rejection. We developed a CAR that recognized cancer-associated Tn glycoform of MUC1, a neoantigen expressed in a variety of cancers. Anti-Tn-MUC1 CAR T cells demonstrated target-specific cytotoxicity and successfully controlled tumor growth in xenograft models of T cell leukemia and pancreatic cancer. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of CAR T cells directed against Tn-MUC1 and present aberrantly glycosylated antigens as a novel class of targets for tumor therapy with engineered T cells.

Malignant melanomas harbouring point mutations (Val600Glu) in the serine/threonine-protein kinase BRAF (BRAF(V600E)) depend on RAF-MEK-ERK signalling for tumour cell growth. RAF and MEK inhibitors show remarkable clinical efficacy in BRAF(V600E) melanoma; however, resistance to these agents remains a formidable challenge. Global characterization of resistance mechanisms may inform the development of more effective therapeutic combinations. Here we carried out systematic gain-of-function resistance studies by expressing more than 15,500 genes individually in a BRAF(V600E) melanoma cell line treated with RAF, MEK, ERK or combined RAF-MEK inhibitors. These studies revealed a cyclic-AMP-dependent melanocytic signalling network not previously associated with drug resistance, including G-protein-coupled receptors, adenyl cyclase, protein kinase A and cAMP response element binding protein (CREB). Preliminary analysis of biopsies from BRAF(V600E) melanoma patients revealed that phosphorylated (active) CREB was suppressed by RAF-MEK inhibition but restored in relapsing tumours. Expression of transcription factors activated downstream of MAP kinase and cAMP pathways also conferred resistance, including c-FOS, NR4A1, NR4A2 and MITF. Combined treatment with MAPK-pathway and histone-deacetylase inhibitors suppressed MITF expression and cAMP-mediated resistance. Collectively, these data suggest that oncogenic dysregulation of a melanocyte lineage dependency can cause resistance to RAF-MEK-ERK inhibition, which may be overcome by combining signalling- and chromatin-directed therapeutics.

Chimeric antigen receptors (CARs) are synthetic molecules designed to redirect T cells to specific antigens. CAR-modified T cells can mediate long-term durable remissions in B cell malignancies, but expanding this platform to solid tumors requires the discovery of surface targets with limited expression in normal tissues. The variant III mutation of the epidermal growth factor receptor (EGFRvIII) results from an in-frame deletion of a portion of the extracellular domain, creating a neoepitope. We chose a vector backbone encoding a second-generation CAR based on efficacy of a murine scFv-based CAR in a xenograft model of glioblastoma. Next, we generated a panel of humanized scFvs and tested their specificity and function as soluble proteins and in the form of CAR-transduced T cells; a low-affinity scFv was selected on the basis of its specificity for EGFRvIII over wild-type EGFR. The lead candidate scFv was tested in vitro for its ability to direct CAR-transduced T cells to specifically lyse, proliferate, and secrete cytokines in response to antigen-bearing targets. We further evaluated the specificity of the lead CAR candidate in vitro against EGFR-expressing keratinocytes and in vivo in a model of mice grafted with normal human skin. EGFRvIII-directed CAR T cells were also able to control tumor growth in xenogeneic subcutaneous and orthotopic models of human EGFRvIII(+) glioblastoma. On the basis of these results, we have designed a phase 1 clinical study of CAR T cells transduced with humanized scFv directed to EGFRvIII in patients with either residual or recurrent glioblastoma (NCT02209376).