Systems biology of the human MHC class I immunopeptidome

Abstract

Le système de différenciation entre le « soi » et le « non-soi » des vertébrés permet la détection et le rejet de pathogènes et de cellules allogéniques. Il requiert la surveillance de petits peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH I). Les molécules du CMH I sont des hétérodimères composés par une chaîne lourde encodée par des gènes du CMH et une chaîne légère encodée par le gène β2-microglobuline. L’ensemble des peptides est appelé l’immunopeptidome du CMH I. Nous avons utilisé des approches en biologie de systèmes pour définir la composition et l’origine cellulaire de l’immunopeptidome du CMH I présenté par des cellules B lymphoblastoïdes dérivés de deux pairs de fratries avec un CMH I identique. Nous avons découvert que l’immunopeptidome du CMH I est spécifique à l’individu et au type cellulaire, qu’il dérive préférentiellement de transcrits abondants, est enrichi en transcrits possédant d’éléments de reconnaissance par les petits ARNs, mais qu’il ne montre aucun biais ni vers les régions génétiques invariables ni vers les régions polymorphiques. Nous avons également développé une nouvelle méthode qui combine la spectrométrie de masse, le séquençage de nouvelle génération et la bioinformatique pour l’identification à grand échelle de peptides du CMH I, dont ceux résultants de polymorphismes nucléotidiques simples non-synonymes (PNS-ns), appelés antigènes mineurs d’histocompatibilité (AMHs), qui sont les cibles de réponses allo-immunitaires. La comparaison de l’origine génomique de l’immunopeptidome de soeurs avec un CMH I identique a révélé que 0,5% des PNS-ns étaient représentés dans l’immunopeptidome et que 0,3% des peptides du CMH I seraient immunogéniques envers une des deux soeurs. En résumé, nous avons découvert des nouveaux facteurs qui modèlent l’immunopeptidome du CMH I et nous présentons une nouvelle stratégie pour l’indentification de ces peptides, laquelle pourrait accélérer énormément le développement d’immunothérapies ciblant les AMHs.

The self/nonself discrimination system of vertebrates allows detection and rejection of pathogens and allogeneic cells. It requires the surveillance of short peptides presented by major histocompatibility class I (MHC I) molecules on the cell surface. MHC I molecules are heterodimers that consist of a heavy chain produced by MHC genes and a light chain encoded by the β2-microglobulin gene. The peptides presented by MHC I molecules are collectively referred to as the MHC I immunopeptidome. We employed systems biology approaches to define the composition and cellular origin of the self MHC I immunopeptidome presented by B lymphoblastoid cells derived from two pairs of MHC-identical siblings. We found that the MHC I immunopeptidome is subject- and cell-specific, derives preferentially from abundant transcripts, is enriched in transcripts bearing microRNA response elements and shows no bias toward invariant vs. polymorphic genomic sequences. We also developed a novel personalized approach combining mass-spectrometry, next-generation sequencing and bioinformatics for high-throughput identification of MHC I peptides including those caused by nonsynonymous single nucleotide polymorphisms (ns-SNPs), termed minor histocompatibility antigens (MiHAs), which are the targets of allo-immune responses. Comparison of the genomic landscape of the immunopeptidome of MHC-identical siblings revealed that 0.5% of ns-SNPs were represented in the immunopeptidome and that 0.3% of the MHC I-peptide repertoire would be immunogenic for one of the siblings. We discovered new factors that shape the self MHC I immunopeptidome and present a novel strategy for the identification of MHC I-associated peptides that could greatly accelerate the development of MiHA-targeted immunotherapy.