ABSTRACT Safely expanding indications for cellular therapies has been challenging given a lack of highly cancer-specific surface markers. Here, we explore the hypothesis that tumor cells express cancer-specific surface protein conformations, invisible to standard target discovery pipelines evaluating gene or protein expression, that can be identified and immunotherapeutically targeted. We term this strategy, integrating cross-linking mass spectrometry (XL-MS) with glycoprotein surface capture, “structural surfaceomics”. As a proof of principle, we apply this technology to acute myeloid leukemia, a hematologic malignancy with dismal outcomes and no known optimal immunotherapy target. We identify the activated conformation of integrin-β2 as a structurally-defined, widely-expressed, AML-specific target. We develop and characterize recombinant antibodies to this protein conformation, and show that chimeric antigen receptor (CAR) T-cells eliminate AML cells and patient-derived xenografts without notable toxicity versus normal hematopoietic cells. Our findings validate an AML conformation-specific target antigen while demonstrating a toolkit for applying these strategies more broadly.

T-cell-mediated immunotherapies are limited by the extent to which cancer-specific antigens are homogenously expressed throughout a tumor. We reasoned that recurrent splicing aberrations in cancer represent a potential source of tumor-wide and public neoantigens, and to test this possibility, we developed a novel pipeline for identifying neojunctions expressed uniformly within a tumor across diverse cancer types. Our analyses revealed multiple neojunctions that recur across patients and either exhibited intratumor heterogeneity or, in some cases, were tumor-wide. We identified CD8+ T-cell clones specific for neoantigens derived from tumor-wide and conserved neojunctions in GNAS and RPL22, respectively. TCR-engineered CD8+ T-cells targeting these mutations conferred neoantigen-specific tumor cell eradication. Furthermore, we revealed that cancer-specific dysregulation in splicing factor expression leads to recurrent neojunction expression. Together, these data reveal that a subset of neojunctions are both intratumorally conserved and public, providing the molecular basis for novel T-cell-based immunotherapies that address intratumoral heterogeneity.

Despite the success of BCMA-targeting CAR-Ts in multiple myeloma, patients with high-risk cytogenetic features still relapse most quickly and are in urgent need of additional therapeutic options. Here, we identify CD70, widely recognized as a favorable immunotherapy target in other cancers, as a specifically upregulated cell surface antigen in high risk myeloma tumors. We use a structure-guided design to define a CD27-based anti-CD70 CAR-T design that outperforms all tested scFv-based CARs, leading to >80-fold improved CAR-T expansion in vivo. Epigenetic analysis via machine learning predicts key transcription factors and transcriptional networks driving CD70 upregulation in high risk myeloma. Dual-targeting CAR-Ts against either CD70 or BCMA demonstrate a potential strategy to avoid antigen escape-mediated resistance. Together, these findings support the promise of targeting CD70 with optimized CAR-Ts in myeloma as well as future clinical translation of this approach.

ABSTRACT The myeloma cell surface proteome (“surfaceome”) not only determines tumor interaction with the microenvironment but serves as an emerging arena for therapeutic development. Here, we use glycoprotein capture proteomics to first define surface markers most-enriched on myeloma when compared to B-cell malignancy models, revealing unexpected biological signatures unique to malignant plasma cells. We next integrate our proteomic dataset with existing transcriptome databases, nominating CCR10 and TXNDC11 as possible monotherapeutic targets and CD48 as a promising co-target for increasing avidity of BCMA-directed cellular therapies. We further identify potential biomarkers of resistance to both proteasome inhibitors and lenalidomide including changes in CD53, EVI2B, CD10, and CD33. Comparison of short-term treatment with chronic resistance delineates large differences in surface proteome profile under each type of drug exposure. Finally, we develop a miniaturized version of the surface proteomics protocol and present the first surface proteomic profile of a primary myeloma patient plasma cell sample. Our dataset provides a unique resource to advance the biological, therapeutic, and diagnostic understanding of myeloma.