Studies of MHC class I antigen presentation & the origins of the immunopeptidome

La présentation d'antigène par les molécules d'histocompatibilité majeure de classe I (CMHI) permet au système immunitaire adaptatif de détecter et éliminer les agents pathogènes intracellulaires et des cellules anormales. La surveillance immunitaire est effectuée par les lymphocytes T CD8 qui interagissent avec le répertoire de peptides associés au CMHI présentés à la surface de toutes cellules nucléées.  Les principaux gènes humains de CMHI, HLA-A et HLA-B, sont très polymorphes et par conséquent montrent des différences dans la présentation des antigènes. Nous avons étudié les différences qualitatives et quantitatives dans l'expression et la liaison peptidique de plusieurs allotypes HLA. Utilisant la technique de cytométrie de flux quantitative nous avons établi une hiérarchie d'expression pour les quatre HLA-A, B allotypes enquête. Nos résultats sont compatibles avec une corrélation inverse entre l'expression allotypique et la diversité des peptides bien que d'autres études soient nécessaires pour consolider cette hypothèse.  Les origines mondiales du répertoire de peptides associés au CMHI restent une question centrale à la fois fondamentalement et dans la recherche de cibles immunothérapeutiques. Utilisant des techniques protéogénomiques, nous avons identifié et analysé 25,172 peptides CMHI isolées à partir des lymphocytes B de 18 personnes qui exprime collectivement 27 allotypes HLA-A,B. Alors que 58% des gènes ont été la source de 1-64 peptides CMHI par gène, 42% des gènes ne sont pas représentés dans l'immunopeptidome. Dans l'ensemble, l’immunopeptidome présenté par 27 allotypes HLA-A,B ne couvrent que 17% des séquences exomiques exprimées dans les cellules des sujets. Nous avons identifié plusieurs caractéristiques des transcrits et des protéines qui améliorent la production des peptides CMHI. Avec ces données, nous avons construit un modèle de régression logistique qui prédit avec une grande précision si un gène de notre ensemble de données ou à partir d'ensembles de données indépendants génèrerait des peptides CMHI. Nos résultats montrent la sélection préférentielle des peptides CMHI à partir d'un répertoire limité de produits de gènes avec des caractéristiques distinctes. L'idée que le système immunitaire peut surveiller des peptides CMHI couvrant seulement une fraction du génome codant des protéines a des implications profondes dans l'auto-immunité et l'immunologie du cancer. Antigen presentation by major histocompatibility complex class I (MHCI) molecules allows the adaptive immune system to detect and eliminate intracellular pathogens or abnormal cells. Immune surveillance is executed by CD8 T cells that monitor the repertoire of MHCI-associated peptides (MAPs) presented at the surface of all nucleated cells.  The primary human MHCI genes, HLA-A and HLA-B, are highly polymorphic and consequentially demonstrate differences in antigen presentation. We investigated qualitative and quantitative differences in expression and peptide binding. Using quantitative flow cytometry we establish clear hierarchy of expression for the four HLA-A,B allotypes investigated. Our results are consistent with an inverse correlation between expression and peptide diversity although further work is necessary to solidify this hypothesis.  The global origins of the MAP repertoire remains a central question both fundamentally and in the search for immunotherapeutic targets. Using proteogenomics, we identified and analyzed 25,172 MAPs isolated from B lymphocytes of 18 individuals who collectively expressed 27 HLA-A,B allotypes. While 58% of genes were the source of 1-64 MAPs per gene, 42% of genes were not represented in the immunopeptidome. Overall, we estimate the immunopeptidome presented by 27 HLA-A,B allotypes covered only 17% of exomic sequences expressed in subjects’ cells. We identified several features of transcripts and proteins that enhance MAP production. From these data we built a logistic regression model that predicts with high accuracy whether a gene from our dataset or from independent datasets would generate MAPs. Our results show preferential selection of MAPs from a limited repertoire of gene products with distinct features. The notion that the immune system can monitor MAPs covering only a fraction of the protein coding genome has profound implications in autoimmunity and cancer immunology.

Keyphrases: Immunopeptidome, Complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH I), Présentation antigénique, Antigènes des leucocytes humains (HLA), Spectrométrie de masse, Séquençage de la prochaine génération, Modélisation prédictive, Antigen presentation, Immunopeptidome, Human leukocyte antigen (HLA), Major histocompatibility complex class I (MHC I), Mass spectrometry, Next-generation sequencing, Predictive modeling