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.

Synthetic lethality, an interaction whereby the co-occurrence of two or more genetic events lead to cell death but one event alone does not, can be exploited to develop novel cancer therapeutics. DNA repair processes represent attractive synthetic lethal targets since many cancers exhibit an impaired DNA repair pathway, which can lead these cells to become dependent on specific repair proteins. The success of poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP-1) inhibitors in homologous recombination-deficient cancers highlights the potential of this approach in clinical oncology. Hypothesizing that other DNA repair defects would give rise to alternative synthetic lethal relationships, we asked if there are specific dependencies in cancers with microsatellite instability (MSI), which results from impaired DNA mismatch repair (MMR). Here we analyzed data from large-scale CRISPR/Cas9 knockout and RNA interference (RNAi) silencing screens and found that the RecQ DNA helicase was selectively essential in MSI cell lines, yet dispensable in microsatellite stable (MSS) cell lines. WRN depletion induced double-strand DNA breaks and promoted apoptosis and cell cycle arrest selectively in MSI models. MSI cancer models specifically required the helicase activity, but not the exonuclease activity of WRN. These findings expose WRN as a synthetic lethal vulnerability and promising drug target in MSI cancers.

Summary BCOR and its paralog BCORL1 encode subunits of the Polycomb repressive complex 1.1 (PRC1.1) and are recurrently mutated in myeloid malignancies. We show that leukemia-associated BCOR/BCORL1 mutations unlink the PRC1.1 RING-PCGF enzymatic core from the KDM2B-containing chromatin targeting auxiliary subcomplex, either by causing complete protein loss or expression of a C-terminally truncated protein lacking the PCGF Ub-like fold discriminator (PUFD) domain. By uncoupling PRC1.1 repressive function from target genes, BCOR/BCORL1 mutations activate aberrant cell signaling programs that confer acquired resistance to treatment. This study provides a mechanistic basis for Polycomb repressive dysfunction as a key oncogenic driver in myeloid malignancies and identifies a potential strategy for targeted therapy in BCOR -mutated cancer.

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.