Mass spectrometry-based analysis of the HLA-ligandomes of renal cell carcinoma and benign renal tissue

Abstract

Peptide vaccination is a promising immunotherapeutic approach for the treatment of malignancies. In this project, the unique opportunity to analyze HLA ligandomes of samples from tumor and adjacent benign tissue of renal cell carcinoma (RCC) patients by mass spectrometry was given. This allowed for the establishment of a novel approach of antigen definition by comparative profiling of malignant and benign HLA ligandomes. Analyses were performed for HLA class I and II of tumor and benign tissue sample pairs in a cohort of 33 RCC patients. Altogether, the acquired dataset includes 35.543 unique HLA class I ligand identifications derived from 11.279 unique source proteins and 8.344 unique HLA class II ligand identifications derived from 2.199 unique source proteins. Comparative analysis revealed a new class of tumor antigens based on tumor-exclusive representation of HLA ligand source proteins, termed ligandome-derived tumor-associated antigens (LiTAAs). A selection of LiTAA-derived HLA ligands (ligandome-derived tumor-associated peptides, LiTAPs) were tested for immunogenicity in high-throughput priming experiments using artificial antigen-presenting cells (aAPCs). Immunogenic LiTAPs will eventually provide a ‘warehouse’ of suitable vaccination peptides and allow for a personalized vaccination approach based on individual HLA typing and actual target expression on tumor cells. Furthermore, analysis of healthy (benign) tissue HLA ligandomes is a step towards a comprehensive map of the healthy human immunopeptidome, an important prerequisite for the definition of tumor-specific immunotherapy targets. In a second project, naturally presented HLA ligands derived from mycobacterium tuberculosis (Mtb) were identified by infection experiments. HLA ligands derived from Mtb antigens encoded in a viral vector could be identified, whereas analysis of macrophages infected with live Mtb did not reveal any new Mtb-derived HLA ligands. Such HLA ligands may provide the basis for the design of more efficient subunit vaccines against tuberculosis as well as development of enhanced infection screening assays.

Die Peptidimpfung ist ein vielversprechender immuntherapeutischer Ansatz für die Behandlung maligner Erkrankungen. In diesem Projekt bestand die einmalige Möglichkeit, die HLA-Ligandome von Proben aus Tumor und benignem Gewebe am Nierenzellkarzinom erkrankter Patienten massenspektrometrisch zu analysieren. So konnte ein neuer Ansatz zur Antigendefinition durch vergleichende Analyse maligner und benigner HLA-Ligandome entwickelt werden. Die Analysen wurden für HLA Klasse I und II in Probenpaaren von Tumor und benignem Gewebe einer Kohorte von 33 Nierenzellkarzinom-Patienten durchgeführt. Insgesamt umfasst der erhaltene Datensatz 35.543 identifizierte unterschiedliche HLA Klasse I-Liganden die 11.279 verschiedenen Quellproteinen entstammen, sowie 8.344 unterschiedliche HLA Klasse II-Liganden, die 2.199 verschiedenen Quellproteinen entstammen. Die vergleichende Analyse offenbarte eine neue Klasse von Tumorantigenen, basierend auf einer Tumor-exklusiven Repräsentation der Quellproteine der HLA-Liganden, genannt Ligandom-abgeleitete Tumor-assoziierte Antigene (LiTAAs). Eine Auswahl von LiTAA-entstammenden HLA-Liganden (Ligandom-abgeleitete Tumor-assoziierte Peptide, LiTAPs) wurden auf ihre Immunogenität in hochdurchsatz-priming Experimenten mit künstlichen antigenpräsentierenden Zellen (aAPCs) untersucht. Immunogene LiTAPs werden letztendlich eine ‚Lagerhalle‘ mit geeigneten Impfpeptiden bilden und eine personalisierte Impfung basierend auf HLA-Typisierung und tatsächlicher Expression der Zielstrukturen auf Tumorzellen ermöglichen. Weiterhin ist die Analyse gesunder (benigner) HLA-Ligandome ein Schritt Richtung einer umfassenden Karte des gesunden humanen Immunpeptidoms, eine wichtige Voraussetzung für die Definition tumorspezifischer immuntherapeutischer Zielstrukturen. In einem zweiten Projekt wurden natürlich präsentierte HLA-Liganden aus Mycobacterium tuberculosis (Mtb) in Infektionsexperimenten identifiziert. HLA-Liganden aus in einem viralen Vektor codierten Mtb-Antigenen konnten identifiziert werden, während die Analyse mit lebenden Mtb infizierter Makrophagen keine neuen HLA-Liganden aus Mtb ergab. Solche HLA-Liganden können sowohl die Basis für das Design effizienterer subunit-Impfungen gegen Tuberkulose als auch für die Entwicklung verbesserter Infektions-Überprüfungen bilden.