Summary

 Proteins are essential agents of biological processes. To date, large-scale profiling of cell line collections including the Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) has focused primarily on genetic information whereas deep interrogation of the proteome has remained out of reach. Here, we expand the CCLE through quantitative profiling of thousands of proteins by mass spectrometry across 375 cell lines from diverse lineages to reveal information undiscovered by DNA and RNA methods. We observe unexpected correlations within and between pathways that are largely absent from RNA. An analysis of microsatellite instable (MSI) cell lines reveals the dysregulation of specific protein complexes associated with surveillance of mutation and translation. These and other protein complexes were associated with sensitivity to knockdown of several different genes. These data in conjunction with the wider CCLE are a broad resource to explore cellular behavior and facilitate cancer research.

Long-term culture of male embryonic stem cells in naive conditions containing Mek1/2 and Gsk3a/b inhibitors leads to irreversible changes in epigenetic and genomic stability that compromise their in vivo developmental potential. MEK1/2 and GSK3β inhibitors enhance the derivation of mouse embryonic stem cells (ES cells) in a ground state of pluripotency that closely resembles the inner cell mass of the pre-implantation embryo. However, the effect of long-term culture under these conditions on the developmental potential of ES cells is unclear. Konrad Hochedlinger and colleagues show that these culture conditions lead to detrimental changes in epigenetic features, genomic stability and in vivo developmental potential. The authors find that MEK inhibitors trigger changes in DNA methyltransferase expression that are linked to the observed abnormalities and show that using a Src inhibitor instead prevents the development of these abnormalities, preserving the genomic integrity and developmental potential of the ES cells. Elsewhere in this issue, Yashuiro Yamada and colleagues show that derivation of female ES cells under these culture conditions induces a loss of DNA methylation and erasure of genomic imprints, which are not recovered following differentiation. The team also develops a culture medium that preserves genomic features of a female ES cell. Concomitant activation of the Wnt pathway and suppression of Mapk signalling by two small molecule inhibitors (2i) in the presence of leukaemia inhibitory factor (LIF) (hereafter termed 2i/L) induces a naive state in mouse embryonic stem (ES) cells that resembles the inner cell mass (ICM) of the pre-implantation embryo1. Since the ICM exists only transiently in vivo, it remains unclear how sustained propagation of naive ES cells in vitro affects their stability and functionality. Here we show that prolonged culture of male mouse ES cells in 2i/L results in irreversible epigenetic and genomic changes that impair their developmental potential. Furthermore, we find that female ES cells cultured in conventional serum plus LIF medium phenocopy male ES cells cultured in 2i/L. Mechanistically, we demonstrate that the inhibition of Mek1/2 is predominantly responsible for these effects, in part through the downregulation of DNA methyltransferases and their cofactors. Finally, we show that replacement of the Mek1/2 inhibitor with a Src inhibitor preserves the epigenetic and genomic integrity as well as the developmental potential of ES cells. Taken together, our data suggest that, although short-term suppression of Mek1/2 in ES cells helps to maintain an ICM-like epigenetic state, prolonged suppression results in irreversible changes that compromise their developmental potential.

Abstract Antigen presentation on MHC class I (MHC-I) is key to the adaptive immune response to cancerous cells. Computational prediction of peptide presentation by MHC-I has enabled individualized cancer immunotherapies. Here, we introduce HLApollo, a transformer-based approach with end-to-end modeling of MHC-I sequence, deconvolution, and flanking sequences. To achieve this, we develop a novel training strategy, negative set switching, which greatly reduces overfitting to falsely presumed negatives that are necessarily found in presentation datasets. HLApollo shows a meaningful improvement compared to recent MHC-I models on peptide presentation (20.19% average precision (AP)) and immunogenicity (4.1% AP). As expected, adding gene expression boosts the performance of HLApollo. More interestingly, we show that introduction of features from a protein language model, ESM 1b, remarkably recoups much of the benefits of gene expression in absence of true expression measurements. Finally, we demonstrate excellent pan-allelic generalization, and introduce a framework for estimating the expected accuracy of HLApollo for untrained alleles. This guides the use of HLApollo in a clinical setting, where rare alleles may be observed in some subjects, particularly for underrepresented minorities.

5-fluorouracil (5-FU) is a successful and broadly used anti-cancer therapeutic. A major mechanism of action of 5-FU is thought to be through thymidylate synthase (TYMS) inhibition resulting in dTTP depletion and activation of the DNA damage response. This suggests that 5-FU should synergize with other DNA damaging agents. However, we found that combinations of 5-FU and oxaliplatin or irinotecan failed to display any evidence of synergy in clinical trials, and resulted in sub-additive killing in a panel of colorectal cancer (CRC) cell lines. In seeking to understand this antagonism, we unexpectedly found that an RNA damage response during ribosome biogenesis dominates the drug's efficacy in tumor types for which 5-FU shows clinical benefit. 5-FU has an inherent bias for RNA incorporation, and blocking this greatly reduced drug-induced lethality, indicating that accumulation of damaged RNA is more deleterious than the lack of new RNA synthesis. Using 5-FU metabolites that specifically incorporate into either RNA or DNA revealed that CRC cell lines and patient-derived colorectal cancer organoids are inherently more sensitive to RNA damage. This difference held true in cell lines from other tissues in which 5-FU has shown clinical utility, whereas cell lines from tumor tissues that lack clinical 5-FU responsiveness typically showed greater sensitivity to the drug's DNA damage effects. Analysis of changes in the phosphoproteome and ubiquitinome shows RNA damage triggers the selective ubiquitination of multiple ribosomal proteins leading to autophagy-dependent rRNA catabolism and proteasome-dependent degradation of ubiquitinated ribosome proteins. Further, RNA damage response to 5-FU is selectively enhanced by compounds that promote ribosome biogenesis, such as KDM2A inhibitors. These results demonstrate the presence of a strong RNA damage response linked to apoptotic cell death, with clear utility of combinatorially targeting this response in cancer therapy.

Summary Strategies for maximizing the potency and specificity of cancer immunotherapies have sparked efforts to identify recurrent epitopes presented in the context of defined tumor-associated neoantigens. Discovering these “neoepitopes” can be difficult owing to the limited number of peptides that arise from a single point mutation, a low number of copies presented on the cell surface, and variable binding specificity of the human leukocyte antigen (HLA) class I complex. Due to these limitations, many discovery efforts focus on identifying neoepitopes from a small number of cancer neoantigens in the context of few HLA alleles. Here we describe a systematic workflow to characterize binding and presentation of neoepitopes derived from 47 shared cancer neoantigens in the context of 15 HLA alleles. Through the development of a high-throughput neoepitope-HLA binding assay, we surveyed 24,149 candidate neoepitope-HLA combinations resulting in 587 stable complexes. These data were supplemented by computational prediction that identified an additional 257 neoepitope-HLA pairs, resulting in a total of 844 unique combinations. We used these results to build sensitive targeted mass spectrometry assays to validate neoepitope presentation on a panel of HLA-I monoallelic cell lines engineered to express neoantigens of interest as a single polypeptide. Altogether, our analyses detected 84 unique neoepitope-HLA pairs derived from 37 shared cancer neoantigens and presented across 12 HLA alleles. We subsequently identified multiple TCRs which specifically recognized two of these neoantigen-HLA combinations. Finally, these novel TCRs were utilized to elicit a T cell response suggesting that these neoepitopes are likely to be immunogenic. Together these data represent a validated, extensive resource of therapeutically relevant neoepitopes and the HLA context in which they can be targeted.

Abstract Human leukocyte antigen class I (HLA-I) molecules present short peptide sequences from endogenous or foreign proteins to cytotoxic T cells. The low abundance of HLA-I peptides poses significant technical challenges for their identification and accurate quantification. While mass spectrometry (MS) is currently a method of choice for direct system-wide identification of cellular immunopeptidome, there is still a need for enhanced sensitivity in detecting and quantifying tumor specific epitopes. As gas phase separation in data-dependent MS data acquisition (DDA) increased HLA-I peptide detection by up to 50%, here, we aimed to evaluate the performance of data-independent acquisition (DIA) in combination with ion mobility (diaPASEF) for high-sensitivity identification of HLA presented peptides. Our streamlined diaPASEF workflow enabled identification of 11,412 unique peptides from 12.5 million A375 cells and 3,426 8-11mers from as low as 500,000 cells with high reproducibility. By taking advantage of HLA binder-specific in-silico predicted spectral libraries, we were able to further increase the number of identified HLA-I peptides. We applied SILAC-DIA to a mixture of labeled HLA-I peptides, calculated heavy-to-light ratios for 7,742 peptides across 5 conditions and demonstrated that diaPASEF achieves high quantitative accuracy up to 4-fold dilution. Finally, we identified and quantified shared neoantigens in a monoallelic C1R cell line model. By spiking in heavy synthetic peptides, we verified the identification of the peptide sequences and calculated relative abundances for 13 neoantigens. Taken together, diaPASEF analysis workflows for HLA-I peptides can increase the peptidome coverage for lower sample amounts. The sensitivity and quantitative precision provided by DIA can enable the detection and quantification of less abundant peptide species such as neoantigens across samples from the same background.

The Hippo pathway is among the most frequently altered key signaling pathways in cancer. TEAD1-4 are essential transcription factors and key downstream effectors in the Hippo pathway. Here we identified RNF146 as a ubiquitin ligase (E3) that can catalyze TEAD ubiquitination and negatively regulate their function in cells. We show that this ubiquitin of TEADs is governed by their PARylation state and validated the genetic interaction between RNF146 and the Hippo pathway in cancer cell lines and the model organism Drosophila melanogaster. Furthermore, we demonstrate that pharmacologically induced ubiquitination of TEADs by heterobifunctional chemical inducers of protein degradation (CIDE) molecules can promote potent pan-TEAD degradation. These TEAD-CIDEs can effectively suppress activation of TEAD target genes in a dose-dependent manner and exhibited significant anti-proliferative effects in Hippo-dependent tumor cells, thus phenocopy the effect of genetic ablation of TEAD protein. Collectively, this study demonstrates a post-translational mechanism of TEAD protein regulation and provides a proof-of-concept demonstration that pharmacological induced TEAD ubiquitination could be an effective therapeutic strategy to target Hippo-driven cancers.

Abstract Advances in several key technologies, including MHC peptidomics, has helped fuel our understanding of basic immune regulatory mechanisms and identify T cell receptor targets for the development of immunotherapeutics. Isolating and accurately quantifying MHC-bound peptides from cells and tissues enables characterization of dynamic changes in the ligandome due to cellular perturbations. This multi-step analytical process remains challenging, and throughput and reproducibility are paramount for rapidly characterizing multiple conditions in parallel. Here, we describe a robust and quantitative method whereby peptides derived from MHC-I complexes from a variety of cell lines, including challenging adherent lines, can be enriched in a semi-automated fashion on reusable, dry-storage, customized antibody cartridges. TOMAHAQ, a targeted mass spectrometry technique that combines sample multiplexing and high sensitivity, was employed to characterize neoepitopes displayed on MHC-I by tumor cells and to quantitatively assess the influence of neoantigen expression and induced degradation on neoepitope presentation.

Abstract INTRODUCTION Triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) agonists are being clinically evaluated as disease‐modifying therapeutics for Alzheimer's disease. Clinically translatable pharmacodynamic (PD) biomarkers are needed to confirm drug activity and select the appropriate therapeutic dose in clinical trials. METHODS We conducted multi‐omic analyses on paired non‐human primate brain and cerebrospinal fluid (CSF), and stimulation of human induced pluripotent stem cell–derived microglia cultures after TREM2 agonist treatment, followed by validation of candidate fluid PD biomarkers using immunoassays. We immunostained microglia to characterize proliferation and clustering. RESULTS We report CSF soluble TREM2 (sTREM2) and CSF chitinase‐3‐like protein 1 (CHI3L1/YKL‐40) as PD biomarkers for the TREM2 agonist hPara.09. The respective reduction of sTREM2 and elevation of CHI3L1 in brain and CSF after TREM2 agonist treatment correlated with transient microglia proliferation and clustering. DISCUSSION CSF CHI3L1 and sTREM2 reflect microglial TREM2 agonism and can be used as clinical PD biomarkers to monitor TREM2 activity in the brain. Highlights CSF soluble triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (sTREM2) reflects brain target engagement for a novel TREM2 agonist, hPara.09. CSF chitinase‐3‐like protein 1 reflects microglial TREM2 agonism. Both can be used as clinical fluid biomarkers to monitor TREM2 activity in brain.

Typically, g-functions are used to simplify and speed up the simulation of ground heat exchangers, but they usually neglect the layered heterogeneity and groundwater flow present in most natural environments. In this work, an artificial neural network capable of approximating the short-term transfer function at the outlet fluid temperature of a closed-loop borehole in a stratified hydrogeological environment is proposed. A total of 40,000 simulations were completed with a finite element model to construct the database used for training and testing. The accuracy of the neural network is measured on an independent test subset of 3,400 simulations with an average root mean square error of 5.4 Ã— 10⁻³ Â°C. A new architecture, based on the combination of several neural networks, is also put forward allowing greater latitude in the approximation of complex nonlinear phenomena and likely reducing the drawbacks associated with the training database size.