Human leukocyte antigens (HLAs) are highly polymorphic proteins that initiate immunity by presenting pathogen-derived peptides to T cells. HLA polymorphisms mostly map to the antigen-binding cleft, thereby diversifying the repertoire of self-derived and pathogen-derived peptide antigens selected by different HLA allotypes. A growing number of immunologically based drug reactions, including abacavir hypersensitivity syndrome (AHS) and carbamazepine-induced Stevens-Johnson syndrome (SJS), are associated with specific HLA alleles. However, little is known about the underlying mechanisms of these associations, including AHS, a prototypical HLA-associated drug reaction occurring exclusively in individuals with the common histocompatibility allele HLA-B*57:01, and with a relative risk of more than 1,000 (refs 6, 7). We show that unmodified abacavir binds non-covalently to HLA-B*57:01, lying across the bottom of the antigen-binding cleft and reaching into the F-pocket, where a carboxy-terminal tryptophan typically anchors peptides bound to HLA-B*57:01. Abacavir binds with exquisite specificity to HLA-B*57:01, changing the shape and chemistry of the antigen-binding cleft, thereby altering the repertoire of endogenous peptides that can bind HLA-B*57:01. In this way, abacavir guides the selection of new endogenous peptides, inducing a marked alteration in 'immunological self'. The resultant peptide-centric 'altered self' activates abacavir-specific T-cells, thereby driving polyclonal CD8 T-cell activation and a systemic reaction manifesting as AHS. We also show that carbamazepine, a widely used anti-epileptic drug associated with hypersensitivity reactions in HLA-B*15:02 individuals, binds to this allotype, producing alterations in the repertoire of presented self peptides. Our findings simultaneously highlight the importance of HLA polymorphism in the evolution of pharmacogenomics and provide a general mechanism for some of the growing number of HLA-linked hypersensitivities that involve small-molecule drugs.

Susceptibility to a clinically significant drug hypersensitivity syndrome associated with abacavir use seems to have a strong genetic component. We have previously shown that the presence of HLA-B * 5701 strongly predicts abacavir hypersensitivity and have identified a potential susceptibility locus within a 300-kb region between the MEGT1 and C4A6 loci in the central MHC. We now report the results of fine recombinant genetic mapping in an expanded patient population of 248 consecutive, fully ascertained, abacavir-exposed individuals in the Western Australian HIV Cohort Study, in which 18 cases of definite abacavir hypersensitivity (7.3%) and 230 tolerant controls were identified. Haplotype mapping within patients with allelic markers of the 57.1 ancestral haplotype suggests a susceptibility locus within the 14-kb Hsp70 gene cluster. HLA-B * 5701 was present in 94.4% of hypersensitive cases compared with 1.7% of controls (odds ratio, 960; P < 0.00001). A haplotypic nonsynonymous polymorphism of Hsp70-Hom ( HspA1L , resulting from the substitution of residue M493T in the peptide-binding subunit) was found in combination with HLA-B * 5701 in 94.4% of hypersensitive cases and 0.4% of controls (odds ratio, 3,893; P < 0.00001). Individuals with abacavir hypersensitivity demonstrated increased monocyte tumor necrosis factor expression in response to ex vivo abacavir stimulation, which was abrogated with CD8 + T cell depletion. These data indicate that the concurrence of HLA-B * 5701 and Hsp70-Hom M493T alleles is necessary for the development of abacavir hypersensitivity, which is likely to be mediated by an HLA-B * 5701 -restricted immune response to abacavir.

Rheumatoid arthritis (RA) is strongly associated with the human leukocyte antigen (HLA)-DRB1 locus that possesses the shared susceptibility epitope (SE) and the citrullination of self-antigens. We show how citrullinated aggrecan and vimentin epitopes bind to HLA-DRB1*04:01/04. Citrulline was accommodated within the electropositive P4 pocket of HLA-DRB1*04:01/04, whereas the electronegative P4 pocket of the RA-resistant HLA-DRB1*04:02 allomorph interacted with arginine or citrulline-containing epitopes. Peptide elution studies revealed P4 arginine–containing peptides from HLA-DRB1*04:02, but not from HLA-DRB1*04:01/04. Citrullination altered protease susceptibility of vimentin, thereby generating self-epitopes that are presented to T cells in HLA-DRB1*04:01+ individuals. Using HLA-II tetramers, we observed citrullinated vimentin- and aggrecan-specific CD4+ T cells in the peripheral blood of HLA-DRB1*04:01+ RA-affected and healthy individuals. In RA patients, autoreactive T cell numbers correlated with disease activity and were deficient in regulatory T cells relative to healthy individuals. These findings reshape our understanding of the association between citrullination, the HLA-DRB1 locus, and T cell autoreactivity in RA.

Abstract Targeting the right cancer-specific peptides presented by Human Leukocyte antigen (HLA) class I and II molecules on the tumor cell surface is a crucial step in cancer immunotherapy. Numerous approaches have been proposed to predict the presentation of potential neoepitopes that may be targeted through immune-based therapies. Often founded on patient specific somatic mutations, the routine validation of their actual appearance on the tumor cell surface is a significant barrier to realising personalized cancer immunotherapy. This can be attributed to the lack of robust and adaptable assays for antigen presentation that offer the required sensitivity to deal with the limited amounts of patient tumor tissue available. Rather than personalize individual assays we propose the use mass spectrometry to identify tumor neoepitopes from HLA-bound peptides directly isolated form the surface of tumor biopsies. We have developed a microscale HLA-peptide complex immunoprecipitation protocol combined with tandem mass tagging (TMT) to directly sequence HLA-bound peptides using mass spectrometry. Using this strategy, we identified HLA-bound peptides from as few as ~1000 cultured cells and from a small piece (~1 mg) of whole melanoma tumour tissue, encompassing epitopes derived from Melanoma-associated antigens and potential neoantigens.

Summary Antigen-recognition by CD8 + T cells is governed by the pool of peptide antigens presented on the cell surface in the context of HLA class I complexes. Recent studies have shown not only a high degree of plasticity in the immunopeptidome, but also that a considerable fraction of all presented peptides is generated through proteasome-mediated splicing of non-contiguous regions of proteins to form novel peptide antigens. Here we used high-resolution mass-spectrometry combined with new bioinformatic approaches to characterize the immunopeptidome of melanoma cells in the presence or absence of interferon-γ. In total, we identified more than 60,000 peptides from a single patient derived cell line (LM-MEL-44) and demonstrated that interferon-γ induced marked changes in the peptidome with an overlap of only ∼50% between basal and treated cells. Around 6-8% of the peptides were identified as cis -spliced peptides, and 2213 peptides (1827 linear, 386 cis -spliced peptides) were derived from known melanoma-associated antigens. These peptide antigens were equally distributed between the constitutive and interferon-γ induced peptidome. We next examined additional HLA-matched patient derived cell lines to investigate how frequently these peptides were identified and found that a high proportion of both linear and spliced peptides were conserved between individual patient tumors, drawing on data amassing to over 100,000 peptide sequences from these extended data sets. Moreover, several of these peptides showed in vitro immunogenicity across multiple melanoma patients. These observations highlight the breadth and complexity of the repertoire of immunogenic peptides that can be exploited therapeutically and suggest that spliced peptides are a major new class of tumor antigens.

ABSTRACT Immunopeptidomics refers to the science of investigating the composition and dynamics of peptides presented by major histocompatibility complex (MHC) class I and class II molecules using mass spectrometry (MS). Here, we aim to provide a technical report to any non-expert in the field wishing to establish and/or optimize an immunopeptidomic workflow with relatively limited computational knowledge and resources. To this end, we thoroughly describe step-by-step instructions to isolate MHC class I and II-associated peptides from various biological sources, including mouse and human biospecimens. Most notably, we created MhcVizPipe (MVP) ( https://github.com/CaronLab/MhcVizPipe ), a new and easy-to-use open-source software tool to rapidly assess the quality and the specific enrichment of immunopeptidomic datasets upon the establishment of new workflows. In fact, MVP enables intuitive visualization of multiple immunopeptidomic datasets upon testing sample preparation protocols and new antibodies for the isolation of MHC class I and II peptides. In addition, MVP enables the identification of unexpected binding motifs and facilitates the analysis of non-canonical MHC peptides. We anticipate that the experimental and bioinformatic resources provided herein will represent a great starting point for any non-expert and will therefore foster the accessibility and expansion of the field to ultimately boost its maturity and impact.

Abstract Protein complexes, macro-molecular assemblies of two or more proteins, play vital roles in numerous cellular activities and collectively determine the cellular state. Despite the availability of a range of methods for analysing protein complexes, systematic analysis of complexes under multiple conditions has remained challenging. Approaches based on biochemical fractionation of intact, native complexes and correlation of protein profiles have shown promise, for instance in the combination of size exclusion chromatography (SEC) with accurate protein quantification by SWATH/DIA-MS. However, most approaches for interpreting co-fractionation datasets to yield complex composition, abundance and rearrangements between samples depend heavily on prior evidence. We introduce PCprophet, a computational framework to identify novel protein complexes from SEC-SWATH-MS data and to characterize their changes across different experimental conditions. We demonstrate accurate prediction of protein complexes (AUC >0.99 and accuracy around 97%) via five-fold cross-validation on SEC-SWATH-MS data, show improved performance over state-of-the-art approaches on multiple annotated co-fractionation datasets, and describe a Bayesian approach to analyse altered protein-protein interactions across conditions. PCprophet is a generic computational tool consisting of modules for data pre-processing, hypothesis generation, machine-learning prediction, post-prediction processing, and differential analysis. It can be applied to any co-fractionation MS dataset, independent of separation or quantitative LC-MS workflow employed, and to support the detection and quantitative tracking of novel protein complexes and their physiological dynamics.

Natural killer (NK) cells are increasingly being recognized as agents for cancer immunotherapy. KIR2DS2 is an activating killer-cell immunoglobulin-like receptor (KIR) expressed by NK cells, which has been associated with protective responses to cancer and viral infections. KIR2DS2 binds conserved viral peptides in the context of MHC class I, but to date no cancer-associated peptide ligands that bind activating KIR have been described. In order to determine if targeting KIR was a feasible strategy for mobilizing anti-cancer immune responses we established a peptide-based KIR targeting DNA vaccine. Immunizing KIR-Tg mice with the vaccine construct generated in vivo peptide-specific activation of KIR2DS2-positive NK cells leading to canonical and cross-reactive peptide specific immune responses in vitro. Using immunopeptidomics we identified the nuclear export protein XPO1, which has been associated with poor prognosis in multiple cancers, as providing an HLA-C restricted cancer-associated peptide ligand for KIR2DS2-positive NK cells. DNA vaccination of KIR-Tg mice led to both peptide specific and non-specific tumor cell killing, and protective anti-cancer responses in vivo. We thus show the feasibility of targeting KIR as a strategy that activates NK cells to generate in vivo anti-cancer immune responses, and identify XPO1 as a novel target for NK cells.### Competing Interest StatementUniversity of Southampton (SIK, MDB, PR and RF) have a patent application pending for peptide-based immunotherapy. All other authors declared that no conflict of interests exist.