Treatment-induced sculpting of melanoma phenotype and immunogenicity – Impact on resistance to CD8 T cells
The landscape of melanoma treatment has tremendously changed over the last two decades with the implementation of immune checkpoint blockade (ICB). However, long-term beneficial effects are still limited to a minority of patients due to primary or acquired resistance. Tumor-cell intrinsic therapy resistance can be established by genetic alterations or non-genetic phenotypic adaptation. The latter can be associated with a switch from a differentiated towards a dedifferentiated cell state. Genetic, as well as non-genetic mechanisms, frequently establish resistance of melanoma cells to cytotoxic CD8 T cells. Those lymphocytes become activated upon recognition of tumor antigens presented on cognate HLA class I (HLA-I) molecules. The clinical efficacy of ICB is critically dependent on the anti-tumor activity of CD8 T cells. Thus, it is of importance to understand the diverse tumor-cell intrinsic resistance mechanisms to overcome those barriers and improve patient outcomes. Using different melanoma patient models consisting of tumor tissue, corresponding cell lines, and autologous cytotoxic CD8 T cells from tumor tissue or peripheral blood, we demonstrate (i) therapeutic targeting of the cytosolic innate immune receptor RIG-I in melanoma cells could be a strategy to overcome specific resistance to CD8 T cells and (ii) that phenotypic alterations induced by RIG-I signaling in melanoma cells do not protect from CD8 T-cell recognition.
In longitudinal tumor samples from patient-derived metastases, we detected an evolutionary pattern of resistance to cytotoxic CD8 T cells. Melanoma cells from late metastases evaded the anti-tumor activity of T cell-derived interferon-gamma (IFN-γ) by acquiring genetic defects in JAK1, a kinase of the IFN signaling pathway. In addition, some JAK1-mutant melanoma cells silenced the expression of HLA-I genes resulting in loss of immunogenicity and total evasion from CD8 T‑cell surveillance. Interestingly, targeting of the innate immune receptor RIG‑I restored HLA-I antigen presentation in those JAK1-mutant cells in an IFN-independent manner and resensitized the melanoma cells to cytotoxic CD8 T cells. Importantly, combinations of RIG-I agonists with immune checkpoint inhibitors showed synergistic effects on anti-tumor CD8 T-cell responses (article Such et al., JCI, 2020, in this thesis).
Besides enhancing antigen presentation, RIG-I activation in melanoma cells induced the switching from a differentiated towards a non-proliferative dedifferentiated cell state lacking expression of melanoma differentiation markers. The observed RIG-I-induced dedifferentiation was JAK-dependent and reversible as receptor signaling declined (article Thier et al., JITC, 2022, in this thesis). Importantly, transition into more dedifferentiated cell states has repeatedly been associated with resistance to targeted therapy. In fact, our own studies on MAPK inhibitors (MAPKi) demonstrated that prolonged MAPKi treatment dynamically changes the melanoma cell phenotype (article Harbers et al., JID, 2021, in this thesis). In the course of this, distinct tumor cell states were found to be tightly linked to CD8 T-cell activity, as recognition of dedifferentiated melanoma cells by CD8 T cells was impaired. In contrast, upon RIG‑I stimulation we found dedifferentiated melanoma cells to be still efficiently recognized by CD8 T cells as enhanced melanoma immunogenicity was preserved in those dedifferentiated cells. Hence, a dedifferentiated cell state does not necessarily imply resistance to CD8 T cells.
Overall, our findings suggest that the therapeutic context and the concomitant changes in the immunogenicity are decisive for the T-cell stimulatory capacity of melanoma cells. Moreover, targeting RIG-I strongly enhances melanoma immunogenicity and is a promising approach to overcome T-cell resistance in melanoma. The discoveries of this thesis provide rationals for future treatment options and may help to improve treatment protocols and thus melanoma patient outcomes.Die Landschaft der Melanom-Behandlung hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten mit der Einführung der Immun-Checkpoint-Blockade (ICB) stark verändert. Aufgrund von primärer oder erworbener Resistenz bleiben jedoch langfristige positive Wirkungen nach wie vor auf eine Minderheit von Patienten beschränkt. Die intrinsische Therapieresistenz von Tumorzellen kann durch genetische Veränderungen oder nicht-genetische phänotypische Anpassung entstehen. Letztere kann mit einem Übergang von einem differenzierten zu einem dedifferenzierten Zellzustand verbunden sein. Sowohl genetische als auch nicht-genetische Mechanismen führen häufig zu einer Resistenz der Melanom-Zellen gegenüber zytotoxischen CD8-T-Zellen. Diese Lymphozyten werden durch die Erkennung von Tumorantigenen aktiviert, die auf kognitiven HLA-Klasse-I-Molekülen (HLA-I) präsentiert werden. Die klinische Wirksamkeit von ICB hängt entscheidend von der Anti-Tumor-Aktivität der CD8-T-Zellen ab. Daher ist es wichtig, die verschiedenen intrinsischen Resistenzmechanismen der Tumorzellen zu verstehen, um diese Barriere zu überwinden und die Behandlungsergebnisse der Patienten zu verbessern. Wir zeigen anhand verschiedener Melanom-Patientenmodellen, die aus Tumorgewebe, entsprechenden Zelllinien und autologen zytotoxischen CD8-T-Zellen aus Tumorgewebe oder peripherem Blut bestehen, dass (i) die therapeutische zielgerichtete Aktivierung des zytosolischen angeborenen Immunrezeptors RIG-I in Melanom-Zellen eine Strategie zur Überwindung der spezifischen Resistenz gegenüber CD8-T-Zellen sein könnte und (ii) dass phänotypische Veränderungen, die durch die RIG-I-Signalgebung in MelanomZellen ausgelöst werden, nicht vor der Erkennung durch CD8-T-Zellen schützen.
In longitudinalen Tumorproben von Patienten-Metastasen haben wir ein evolutionäres Muster einer Resistenzausbildung gegenüber zytotoxischen CD8-T-Zellen festgestellt. Melanom-Zellen aus späten Metastasen entzogen sich der Anti-Tumor-Aktivität von durch T-Zellen-freigesetztem Interferon-gamma (IFN-γ), indem sie genetische Defekte in JAK1, einer Kinase des IFN-Signalweges, erwarben. Darüber hinaus haben einige JAK1-mutierte Melanom-Zellen die Expression von HLA-I-Genen herabreguliert, was zu dem Verlust der Immunogenität und zur völligen Umgehung der CD8-T-Zellüberwachung führt.
Interessanterweise wurde durch die gezielte Aktivierung des angeborenen Immunrezeptors RIG-I die HLA-I-Antigenpräsentation in diesen JAK1-Mutanten auf IFN-unabhängige Weise wiederhergestellt und eine Resensibilisierung der Melanom-Zellen für zytotoxische CD8-T-Zellen erreicht. Von Bedeutung ist, dass Kombinationen von RIG-I-Agonisten und Immun-Checkpoint-Inhibitoren synergistische Effekte auf die anti-tumorale CD8-T-Zellantworten zeigten (Artikel Such et al., JCI, 2020, in dieser Arbeit).
Neben der Verstärkung der Antigenpräsentation führte die RIG-I-Aktivierung in
Melanom-Zellen zu einem Wechsel von einem differenzierten zu einem nicht-proliferativen dedifferenzierten Zellzustand, in welchem die Expression von Melanom-Differenzierungsmarkern fehlt. Die beobachtete RIG-I-induzierte Dedifferenzierung war JAK-abhängig und reversibel, wenn die Rezeptor-Signalgebung nachließ (Artikel Thier et al., JITC, 2022).
Hervorzuheben ist, dass der Übergang in einen stärker dedifferenzierten Zellzustand wiederholt mit einer Resistenz gegenüber einer zielgerichteten Therapie in Verbindung gebracht wurde. Unsere eigenen Studien zu MAPK-Inhibitoren (MAPKi) ergaben, dass sich der Phänotyp von Melanom-Zellen bei längerer MAPKi-Behandlung dynamisch verändert. Dabei zeigte sich,
dass unterschiedliche Tumorzellzustände eng mit der CD8-T-Zellaktivität verknüpft sind und die Erkennung von dedifferenzierten Melanom-Zellen durch CD8-T-Zellen beeinträchtigt war (Harbers et al., JID, 2021). Im Gegensatz dazu konnten wir feststellen, dass dedifferenzierte Melanom-Zellen nach einer RIG-I-Stimulation immer noch effizient von CD8-T-Zellen erkannt werden, da die erhöhte Melanom-Immunogenität in diesen dedifferenzierten Zellen erhalten
blieb. Diese Beobachtungen legen nahe, dass ein dedifferenzierter Zellzustand nicht zwingend mit einer Resistenz gegenüber CD8-T-Zellen einhergeht.
Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der therapeutische Kontext und die damit verbundene Veränderung der Immunogenität entscheidend für die T-Zell-stimulierende Kapazität von Melanom-Zellen sind. Darüber hinaus steigert die zielgerichtete Aktivierung von RIG-I die Immunogenität des Melanoms und ist ein vielversprechender Ansatz zur
Überwindung einer T-Zell-Resistenz. Die Entdeckungen dieser Arbeit liefern Anhaltspunkte für künftige Behandlungsmöglichkeiten und könnten dazu beitragen, die Behandlungsprotokolle und damit die Erfolge für Melanom-Patienten zu verbessern.