Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Abstract Alternative splicing is a core biological process that enables profound and essential diversification of gene function. Short-read RNA sequencing approaches fail to resolve RNA isoforms and therefore primarily enable gene expression measurements - an isoform unaware representation of the transcriptome. Conversely, full-length RNA sequencing using long-read technologies are able to capture complete transcript isoforms, but their utility is deeply constrained due to throughput limitations. Here, we introduce MAS-ISO-seq, a technique for programmably concatenating cDNAs into single molecules optimal for long-read sequencing, boosting the throughput >15 fold to nearly 40 million cDNA reads per run on the Sequel IIe sequencer. We validated unambiguous isoform assignment with MAS-ISO-seq using a synthetic RNA isoform library and applied this approach to single-cell RNA sequencing of tumor-infiltrating T cells. Results demonstrated a >30 fold boosted discovery of differentially spliced genes and robust cell clustering, as well as canonical PTPRC splicing patterns across T cell subpopulations and the concerted expression of the associated hnRNPLL splicing factor. Methods such as MAS-ISO-seq will drive discovery of novel isoforms and the transition from gene expression to transcript isoform expression analyses.

T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

Abstract Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd patients. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across patient tumors and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage, and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T-cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we thus reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

ABSTRACT Birdshot Uveitis (BU) is a blinding inflammatory eye condition that only affects HLA-A29-positive individuals. Genetic association studies linked ERAP2 with BU, an aminopeptidase which trims peptides before their presentation by HLA class I at the cell surface, which suggests that ERAP2-dependent peptide presentation by HLA-A29 drives the pathogenesis of BU. However, it remains poorly understood whether the effects of ERAP2 on the HLA-A29 peptidome are distinct from its effect on other HLA allotypes. To address this, we focused on the effects of ERAP2 on the immunopeptidome in patient-derived antigen presenting cells. Using complementary HLA-A29-based and pan-class I immunopurifications, isotope-labelled naturally processed and presented HLA-bound peptides were sequenced by mass spectrometry. We show that the effects of ERAP2 on the N-terminus of ligands of HLA-A29 are shared across endogenous HLA allotypes, but discover and replicate that one peptide motif generated in the presence of ERAP2 is specifically bound by HLA-A29. This motif can be found in the amino acid sequence of putative autoantigens. We further show evidence for internal sequence specificity for ERAP2 imprinted in the immunopeptidome. These results reveal that ERAP2 can generate an HLA-A29-specific antigen repertoire, which supports that antigen presentation is a key disease pathway in BU.

Abstract Mass spectrometry is the most effective method to directly identify peptides presented on HLA molecules. However, current standard approaches often require many millions of cells for input material to achieve high coverage of the immunopeptidome and are therefore not compatible with the often limited amounts of tissue available from clinical tumor samples. Here, we evaluated microscaled basic reversed-phase fractionation to separate HLA peptide samples off-line followed by ion mobility coupled to LC-MS/MS for analysis. The combination of these two separation methods enabled identification of 20% to 50% more peptides compared to samples analyzed without either prior fractionation or use of ion mobility alone. We demonstrate coverage of HLA immunopeptidomes with up to 8,107 distinct peptides starting with as few as 100 million cells or 150 milligrams of wet weight tumor tissue. This increased sensitivity can improve HLA binding prediction algorithms and enable detection of clinically relevant epitopes such as neoantigens.

Massively parallel single-cell and single-nucleus RNA-seq (sc/snRNA-seq) have opened the way to systematic tissue atlases in health and disease, but as the scale of data generation is growing, so does the need for computational pipelines for scaled analysis. Here, we developed Cumulus, a cloud-based framework for analyzing large scale sc/snRNA-seq datasets. Cumulus combines the power of cloud computing with improvements in algorithm implementations to achieve high scalability, low cost, user-friendliness, and integrated support for a comprehensive set of features. We benchmark Cumulus on the Human Cell Atlas Census of Immune Cells dataset of bone marrow cells and show that it substantially improves efficiency over conventional frameworks, while maintaining or improving the quality of results, enabling large-scale studies.

Tumor epitopes – peptides that are presented on surface-bound MHC I proteins - provide targets for cancer immunotherapy and have been identified extensively in the annotated protein-coding regions of the genome. Motivated by the recent discovery of translated novel unannotated open reading frames (nuORFs) using ribosome profiling (Ribo-seq), we hypothesized that cancer-associated processes could generate nuORFs that can serve as a new source of tumor antigens that harbor somatic mutations or show tumor-specific expression. To identify cancer-specific nuORFs, we generated Ribo-seq profiles for 29 malignant and healthy samples, developed a sensitive analytic approach for hierarchical ORF prediction, and constructed a high-confidence database of translated nuORFs across tissues. Peptides from 3,555 unique translated nuORFs were presented on MHC I, based on analysis of an extensive dataset of MHC I-bound peptides detected by mass spectrometry, with >20-fold more nuORF peptides detected in the MHC I immunopeptidomes compared to whole proteomes. We further detected somatic mutations in nuORFs of cancer samples and identified nuORFs with tumor-specific translation in melanoma, chronic lymphocytic leukemia and glioblastoma. NuORFs thus expand the pool of MHC I-presented, tumor-specific peptides, targetable by immunotherapies.

ABSTRACT Targeted synthetic vaccines have the potential to transform our response to viral outbreaks; yet the design of these vaccines requires a comprehensive knowledge of viral immunogens, including T-cell epitopes. Having previously mapped the SARS-CoV-2 HLA-I landscape, here we report viral peptides that are naturally processed and loaded onto HLA-II complexes in infected cells. We identified over 500 unique viral peptides from canonical proteins, as well as from overlapping internal open reading frames (ORFs), revealing, for the first time, the contribution of internal ORFs to the HLA-II peptide repertoire. Most HLA-II peptides co-localized with the known CD4+ T cell epitopes in COVID-19 patients. We also observed that two reported immunodominant regions in the SARS-CoV-2 membrane protein are formed at the level of HLA-II presentation. Overall, our analyses show that HLA-I and HLA-II pathways target distinct viral proteins, with the structural proteins accounting for most of the HLA-II peptidome and non-structural and non-canonical proteins accounting for the majority of the HLA-I peptidome. These findings highlight the need for a vaccine design that incorporates multiple viral elements harboring CD4+ and CD8+ T cell epitopes to maximize the vaccine effectiveness.

ABSTRACT The organization of immune cells in human tumors is not well understood. Immunogenic tumors harbor spatially-localized multicellular ‘immunity hubs’ defined by expression of the T cell-attracting chemokines CXCL10/CXCL11 and abundant T cells. Here, we examined immunity hubs in human pre-immunotherapy lung cancer specimens, and found that they were associated with beneficial responses to PD-1-blockade. Immunity hubs were enriched for many interferon-stimulated genes, T cells in multiple differentiation states, and CXCL9/10/11 + macrophages that preferentially interact with CD8 T cells. Critically, we discovered the stem-immunity hub, a subtype of immunity hub strongly associated with favorable PD-1-blockade outcomes, distinct from mature tertiary lymphoid structures, and enriched for stem-like TCF7+PD-1+ CD8 T cells and activated CCR7 + LAMP3 + dendritic cells, as well as chemokines that organize these cells. These results elucidate the spatial organization of the human intratumoral immune response and its relevance to patient immunotherapy outcomes.