Neoantigens, which are derived from tumour-specific protein-coding mutations, are exempt from central tolerance, can generate robust immune responses1,2 and can function as bona fide antigens that facilitate tumour rejection3. Here we demonstrate that a strategy that uses multi-epitope, personalized neoantigen vaccination, which has previously been tested in patients with high-risk melanoma4-6, is feasible for tumours such as glioblastoma, which typically have a relatively low mutation load1,7 and an immunologically 'cold' tumour microenvironment8. We used personalized neoantigen-targeting vaccines to immunize patients newly diagnosed with glioblastoma following surgical resection and conventional radiotherapy in a phase I/Ib study. Patients who did not receive dexamethasone-a highly potent corticosteroid that is frequently prescribed to treat cerebral oedema in patients with glioblastoma-generated circulating polyfunctional neoantigen-specific CD4+ and CD8+ T cell responses that were enriched in a memory phenotype and showed an increase in the number of tumour-infiltrating T cells. Using single-cell T cell receptor analysis, we provide evidence that neoantigen-specific T cells from the peripheral blood can migrate into an intracranial glioblastoma tumour. Neoantigen-targeting vaccines thus have the potential to favourably alter the immune milieu of glioblastoma.

Antigen-presenting cells (APCs) can induce tolerance or immunity. We describe a subset of human APCs that express indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) and inhibit T cell proliferation in vitro. IDO-positive APCs constituted a discrete subset identified by coexpression of the cell-surface markers CD123 and CCR6. In the dendritic cell (DC) lineage, IDO-mediated suppressor activity was present in fully mature as well as immature CD123+ DCs. IDO+ DCs could also be readily detected in vivo, which suggests that these cells may represent a regulatory subset of APCs in humans.

Identification of human leukocyte antigen (HLA)-bound peptides by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) is poised to provide a deep understanding of rules underlying antigen presentation. However, a key obstacle is the ambiguity that arises from the co-expression of multiple HLA alleles. Here, we have implemented a scalable mono-allelic strategy for profiling the HLA peptidome. By using cell lines expressing a single HLA allele, optimizing immunopurifications, and developing an application-specific spectral search algorithm, we identified thousands of peptides bound to 16 different HLA class I alleles. These data enabled the discovery of subdominant binding motifs and an integrative analysis quantifying the contribution of factors critical to epitope presentation, such as protein cleavage and gene expression. We trained neural-network prediction algorithms with our large dataset (>24,000 peptides) and outperformed algorithms trained on datasets of peptides with measured affinities. We thus demonstrate a strategy for systematically learning the rules of endogenous antigen presentation.

Prediction of HLA epitopes is important for the development of cancer immunotherapies and vaccines. However, current prediction algorithms have limited predictive power, in part because they were not trained on high-quality epitope datasets covering a broad range of HLA alleles. To enable prediction of endogenous HLA class I-associated peptides across a large fraction of the human population, we used mass spectrometry to profile >185,000 peptides eluted from 95 HLA-A, -B, -C and -G mono-allelic cell lines. We identified canonical peptide motifs per HLA allele, unique and shared binding submotifs across alleles and distinct motifs associated with different peptide lengths. By integrating these data with transcript abundance and peptide processing, we developed HLAthena, providing allele-and-length-specific and pan-allele-pan-length prediction models for endogenous peptide presentation. These models predicted endogenous HLA class I-associated ligands with 1.5-fold improvement in positive predictive value compared with existing tools and correctly identified >75% of HLA-bound peptides that were observed experimentally in 11 patient-derived tumor cell lines. Prediction of HLA class I epitopes is improved in accuracy and breath with peptidomes from 95 mono-allelic cell lines.

During pregnancy the uterine decidua is populated by large numbers of natural killer (NK) cells with a phenotype CD56 superbright CD16 − CD9 + KIR + distinct from both subsets of peripheral blood NK cells. Culture of highly purified CD16 + CD9 − peripheral blood NK cells in medium containing TGFβ1 resulted in a transition to CD16 − CD9 + NK cells resembling decidual NK cells. Decidual stromal cells, when isolated and cultured in vitro , were found to produce TGFβ1. Incubation of peripheral blood NK cells with conditioned medium from decidual stromal cells mirrored the effects of TGFβ1. Similar changes may occur upon NK cell entry into the decidua or other tissues expressing substantial TGFβ. In addition, Lin − CD34 + CD45 + hematopoietic stem/progenitor cells could be isolated from decidual tissue. These progenitors also produced NK cells when cultured in conditioned medium from decidual stromal cells supplemented with IL-15 and stem cell factor.

Personal neoantigen vaccines have been envisioned as an effective approach to induce, amplify and diversify antitumor T cell responses. To define the long-term effects of such a vaccine, we evaluated the clinical outcome and circulating immune responses of eight patients with surgically resected stage IIIB/C or IVM1a/b melanoma, at a median of almost 4 years after treatment with NeoVax, a long-peptide vaccine targeting up to 20 personal neoantigens per patient ( NCT01970358 ). All patients were alive and six were without evidence of active disease. We observed long-term persistence of neoantigen-specific T cell responses following vaccination, with ex vivo detection of neoantigen-specific T cells exhibiting a memory phenotype. We also found diversification of neoantigen-specific T cell clones over time, with emergence of multiple T cell receptor clonotypes exhibiting distinct functional avidities. Furthermore, we detected evidence of tumor infiltration by neoantigen-specific T cell clones after vaccination and epitope spreading, suggesting on-target vaccine-induced tumor cell killing. Personal neoantigen peptide vaccines thus induce T cell responses that persist over years and broaden the spectrum of tumor-specific cytotoxicity in patients with melanoma. Personalized neoantigen vaccination in patients with melanoma elicits durable and specific memory T cell clones that have cytotoxic gene signatures and can diversify to include nonvaccine neoantigen specificities.

Interactions between T cell receptors (TCRs) and their cognate tumour antigens are central to antitumour immune responses1–3; however, the relationship between phenotypic characteristics and TCR properties is not well elucidated. Here we show, by linking the antigenic specificity of TCRs and the cellular phenotype of melanoma-infiltrating lymphocytes at single-cell resolution, that tumour specificity shapes the expression state of intratumoural CD8+ T cells. Non-tumour-reactive T cells were enriched for viral specificities and exhibited a non-exhausted memory phenotype, whereas melanoma-reactive lymphocytes predominantly displayed an exhausted state that encompassed diverse levels of differentiation but rarely acquired memory properties. These exhausted phenotypes were observed both among clonotypes specific for public overexpressed melanoma antigens (shared across different tumours) or personal neoantigens (specific for each tumour). The recognition of such tumour antigens was provided by TCRs with avidities inversely related to the abundance of cognate targets in melanoma cells and proportional to the binding affinity of peptide–human leukocyte antigen (HLA) complexes. The persistence of TCR clonotypes in peripheral blood was negatively affected by the level of intratumoural exhaustion, and increased in patients with a poor response to immune checkpoint blockade, consistent with chronic stimulation mediated by residual tumour antigens. By revealing how the quality and quantity of tumour antigens drive the features of T cell responses within the tumour microenvironment, we gain insights into the properties of the anti-melanoma TCR repertoire. The authors use single-cell profiling and T cell receptor specificity screening to show how tumour antigen recognition shapes the phenotypes of CD8+ T cells and antitumour immune responses.