Expanding the immune self : impact of non-canonical translation on the repertoire of MHC I-associated peptides

Abstract

Les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (MHC I) sont des glycoprotéines de surface exprimées par la majorité des cellules nucléés de notre organisme. Ces molécules servent à exposer une vue intégrative de l’état interne de nos cellules (soi immunitaire) via la présentation de courts peptides (MAPs) générés lors de la dégradation des protéines cytosoliques par le protéasome. Le répertoire des MAPs de chaque cellule, véritable carte d’identité peptidique, est constamment passé en revue par nos lymphocytes T CD8+, cellules centrales du système immunitaire, afin de débusquer et d’éliminer toute cellule anormale, e.g., celles présentant des MAPs d’origine virale ou tumorale (TSAs). Au vu du nombre grandissant d’articles démontrant que des ARNs autres que les ARNs messagers peuvent être traduits, nous avons décidé d’évaluer l’impact de ces mécanismes de traduction non-canonique sur le répertoire des MAPs présentés par des cellules B. En développant une approche protéogénomique, i.e., combinant spectrométrie de masse et séquençage d’ARN à haut-débit, nous avons pu démontrer qu’environ 10 % des MAPs présentés par nos cellules B dérivent d’évènements de traduction non-canonique incluant (i) la traduction d’ARNs messagers dans un cadre de lecture alternatif ou (ii) la traduction de régions ou ARNs supposés non-codants. L’analyse subséquente des caractéristiques de ces MAPs dits « cryptiques » suggère que leur biogenèse diffère de celle des MAPs conventionnels, les MAPs cryptiques étant principalement encodés par des ARNs instables produisant de courtes protéines dont la dégradation ne semble pas exiger l’intervention du protéasome. Sachant que la déméthylation globale du génome des cellules cancéreuses permet l’expression d’un plus grand bassin d’ARNs non-codants, nous avons supposé que ces cellules pourraient présenter de nombreux MAPs (et TSAs) cryptiques. En adaptant notre approche protéogénomique, nous avons pu analyser le répertoire des MAPs de cellules cancéreuses, incluant celui de deux lignées tumorales de souris (EL4 et CT26) et sept échantillons primaires humains (quatre leucémies aigues lymphoblastiques B et trois biopsies de cancer du poumon). Cette analyse nous a permis de découvrir qu’environ 90% des TSAs sont des TSAs cryptiques. Ayant observé que la plupart de ces TSAs dérivent de séquences normales dont l’expression est restreinte aux cellules tumorales, comme les retroéléments endogènes, il est plausible que ces TSAs soient partagés par plusieurs patients. Enfin, nos études chez la souris nous ont permis de démontrer qu’au moins deux facteurs influencent positivement le potentiel protectif d’un TSA in vivo : l’expression de cet antigène par les cellules cancéreuses et la fréquence des lymphocytes T capables de le reconnaître. En conclusion, le recours à la protéogénomique pour analyser les MAPs présentés par les cellules normales et cancéreuses nous a permis de démontrer que les MAPs cryptiques contribuent significativement au bassin de peptides constituant le soi immunitaire et qu’ils permettent aux lymphocytes T CD8+ d’effectuer une surveillance immunitaire plus efficace.

On their surface, nucleated cells present major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules in complex with short peptides, that we will refer to as MHC I-associated peptides (MAPs). These MAPs derive from the degradation of cytosolic proteins by the proteasome and provide an integrative view of the inner state of cells to CD8+ T cells, which can, in turn, eliminate abnormal cells, e.g., those presenting viral MAPs or tumor-specific antigens (TSAs). With the growing body of evidence suggesting that translation does occur outside of protein-coding transcripts, we tried to evaluate the impact of non-canonical translation on the repertoire of MAPs. Combining RNA-sequencing and mass spectrometry to analyze the MAP repertoire of B-lymphoblastoid cell lines, we uncovered that ~ 10 % of the MAP repertoire derives from such non-canonical translation events, including (i) the out-of-frame translation of protein-coding transcripts or (ii) the translation of non-coding regions (UTRs, introns, etc.) or transcripts (antisense, pseudogene, etc.). Interestingly, our data suggest that the biogenesis of cryptic and conventional MAPs differs, as cryptic MAPs derive from unstable transcripts generating short proteins that might be degraded in a proteasome-independent fashion. Because the global DNA hypomethylation observed in cancer cells tend to de-repress non-coding transcripts, we developed another proteogenomic approach to probe the cryptic MAP repertoire of two murine cancer cell lines (EL4 and CT26) and seven humor primary tumor samples (four B-lineage acute lymphoblastic leukemias and three lung tumor biopsies). This second analysis revealed that ~ 90% of TSAs are cryptic TSAs. Interestingly, most of those TSAs derived from cancer-restricted yet non-mutated sequences, such as endogenous retroelements, thereby suggesting that such TSAs could be shared between patients. Lastly, our validation study in mice demonstrated that at least two parameters can influence the in vivo protective effect of TSAs, namely TSA expression in cancer cells and the frequency of TSA-specific T cells. Altogether, our proteogenomic studies on the MAP repertoire of normal and cancer cells demonstrate that cryptic MAPs significantly expand the immune self and, consequently, the scope of CD8+ T cell immunosurveillance.