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.

Abstract CD38 is a surface ectoenzyme expressed at high levels on myeloma plasma cells and is the target for the monoclonal antibodies (mAbs) daratumumab and isatuximab. CD38 density on tumor cells is an important determinant of mAb efficacy, and CD38 loss after mAb treatment may play a role in resistance. Several small molecules have been found to increase tumor surface CD38, with the goal of boosting mAb efficacy in a co-treatment strategy. Here we sought to extend our currently limited insight into CD38 surface expression by using a multi-omics approach. Genome-wide CRISPR-interference screens integrated with patient-centered epigenetic analysis confirmed known regulators of CD38 , such as RARA, while revealing XBP1 and SPI1 as other key transcription factors governing surface CD38 levels. CD38 knockdown followed by cell surface proteomics demonstrated no significant remodeling of the myeloma “surfaceome” after genetically-induced loss of this antigen. Integrated transcriptome and surface proteome data confirmed high specificity of all-trans retinoic acid in upregulating CD38 in contrast to broader effects of azacytidine and panobinostat. Finally, unbiased phosphoproteomics identified inhibition of MAP kinase pathway signaling in tumor cells after daratumumab treatment. Our work provides a resource to design strategies to enhance efficacy of CD38-targeting immunotherapies in myeloma.

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.

New epitopes for immune recognition provide the basis of anticancer immunity. Due to the high concentration of extracellular adenosine triphosphate in the tumor microenvironment, we hypothesized that extracellular kinases (ectokinases) could have dysregulated activity and introduce aberrant phosphorylation sites on cell surface proteins. We engineered a cell-tethered version of the extracellular kinase CK2α, demonstrated it was active on cells under tumor-relevant conditions, and profiled its substrate scope using a chemoproteomic workflow. We then demonstrated that mice developed polyreactive antisera in response to syngeneic tumor cells that had been subjected to surface hyperphosphorylation with CK2α. Interestingly, these mice developed B cell and CD4+ T cell responses in response to these antigens but failed to develop a CD8+ T cell response. This work provides a workflow for probing the extracellular phosphoproteome and demonstrates that extracellular phosphoproteins are immunogenic even in a syngeneic system.

Enhancing the efficacy of proteasome inhibitors is a central goal in myeloma therapy. We proposed that signaling-level responses after PI would reveal new mechanisms of action that could be therapeutically exploited. Unbiased phosphoproteomics after the PI carfilzomib surprisingly demonstrated the most prominent phosphorylation changes on splicing related proteins. Spliceosome modulation was invisible to RNA or protein abundance alone. Transcriptome analysis after PI demonstrated broad-scale intron retention, suggestive of spliceosome interference, as well as specific alternative splicing of protein homeostasis machinery components. These findings led us to evaluate direct spliceosome inhibition in myeloma, which synergized with carfilzomib and showed potent anti-tumor activity. Functional genomics and exome sequencing further supported the spliceosome as a specific vulnerability in myeloma. Our results propose splicing interference as an unrecognized modality of PI mechanism, reveal additional modes of spliceosome modulation, and suggest spliceosome targeting as a promising therapeutic strategy in myeloma.

Abstract Mutations in receptor tyrosine kinases (RTKs) FLT3 and KIT are frequent and associated with poor outcomes in acute myeloid leukemia (AML). Although FLT3 inhibitors (FLT3i) are clinically effective, remissions are short-lived due to secondary resistance characterized by acquired mutations constitutively activating the RAS/MAPK pathway. Hereby, we report pre-clinical efficacy of co-targeting SHP2, a critical node in MAPK signaling, and BCL2 in RTK-driven AML. The allosteric SHP2 inhibitor RMC-4550 suppressed proliferation of AML cell lines with FLT3 and KIT mutations, including cell lines with acquired resistance to FLT3i. We demonstrate that SHP2 inhibition unveils an Achilles’ heel of AML, increasing apoptotic dependency on BCL2 via MAPK-dependent mechanisms, including upregulation of BMF and downregulation of MCL1. Consequently, RMC-4550 and venetoclax are synergistically lethal in FLT3 - or KIT -mutant AML cell lines, and in clinically relevant xenograft models. Our results provide new mechanistic rationale and preclinical evidence for co-targeting SHP2 and BCL2 in RTK-driven AML. Significance There is an unmet need for effective therapies targeting the MAPK pathway to overcome resistance in RTK-driven AML. We report that pharmacologic co-inhibition of SHP2 and BCL2 has synergistic anti-leukemia activity in preclinical models of AML with FLT3 and KIT mutations and holds potential clinical utility.