Abstract Human leukocyte antigen (HLA) is highly polymorphic and plays a key role in guiding adaptive immune responses by presenting foreign and self peptides to T cells. Each HLA variant selects a minor fraction of peptides that match a certain motif required for optimal interaction with the peptide-binding groove. These restriction rules define the landscape of peptides presented to T cells. Given these limitations, one might suggest that the choice of peptides presented by HLA is non-random and there is preferential presentation of an array of peptides that is optimal for distinguishing self and foreign proteins. In this study we explore these preferences with a comparative analysis of self peptides enriched and depleted in HLA ligands. We show that HLAs exhibit preferences towards presenting peptides from certain proteins while disfavoring others with specific functions, and highlight differences between various HLA genes and alleles in those preferences. We link those differences to HLA anchor residue propensities and amino acid composition of preferentially presented proteins. The set of proteins that peptides presented by a given HLA are most likely to be derived from can be used to distinguish between class I and class II HLAs and HLA alleles. Our observations can be extrapolated to explain the protective effect of certain HLA alleles in infectious diseases, and we hypothesize that they can also explain susceptibility to certain autoimmune diseases and cancers. We demonstrate that these differences lead to differential presentation of HIV, influenza virus, SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 proteins by various HLA alleles. Finally, we show that the reported self peptidome preferences of distinct HLA variants can be compensated by combinations of HLA-A/HLA-B and HLA-A/HLA-C alleles in frequent haplotypes.

Interferon (IFN)-α is the earliest cytokine signature observed in individuals at risk for type 1 diabetes (T1D), but its effect on the repertoire of HLA Class I (HLA-I)-bound peptides presented by pancreatic β-cells is unknown. Using immunopeptidomics, we characterized the peptide/HLA-I presentation in in-vitro resting and IFN-α-exposed β-cells. IFN-α increased HLA-I expression and peptide presentation, including neo-sequences derived from alternative mRNA splicing, post-translational modifications - notably glutathionylation - and protein cissplicing. This antigenic landscape relied on processing by both the constitutive and immune proteasome. The resting β-cell immunopeptidome was dominated by HLA-A-restricted ligands. However, IFN-α only marginally upregulated HLA-A and largely favored HLA-B, translating into a major increase in HLA-B-restricted peptides and into an increased activation of HLA-Brestricted vs. HLA-A-restricted CD8+ T-cells. A preferential HLA-B hyper-expression was also observed in the islets of T1D vs. non-diabetic donors, and we identified islet-infiltrating CD8+ T-cells from T1D donors reactive to HLA-B-restricted granule peptides. Thus, the inflammatory milieu of insulitis may skew the autoimmune response toward epitopes presented by HLA-B, hence recruiting a distinct T-cell repertoire that may be relevant to T1D pathogenesis.

Abstract Major histocompatibility complex (MHC) peptide binding and presentation is the most selective event defining the landscape of T cell epitopes. Consequently, understanding the diversity of MHC alleles in a given population and the parameters that define the set of ligands that can be bound and presented by each of these alleles (the immunopeptidome) has an enormous impact on our capacity to predict and manipulate the potential of protein antigens to elicit functional T cell responses. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) analysis of MHC eluted ligands (EL data) has proven to be a powerful technique for identifying such peptidomes, and methods integrating such data for prediction of antigen presentation have reached a high level of accuracy for both MHC class I and class II. Here, we demonstrate how these techniques and prediction methods can be readily extended to the bovine leukocyte antigen class II DR locus (BoLA-DR). BoLA-DR binding motifs were characterized by EL data derived from cell lines expressing a range of DRB3 alleles prevalent in Holstein-Friesian populations. The model generated (NetBoLAIIpan - available as a web-server at www.cbs.dtu.dk/services/NetBoLAIIpan ) was shown to have unprecedented predictive power to identify known BoLA-DR restricted CD4 epitopes. In summary, the results demonstrate the power of an integrated approach combining advanced MS peptidomics with immunoinformatics for characterization of the BoLA-DR antigen presentation system and provide a novel tool that can be utilised to assist in rational evaluation and selection of bovine CD4 T cell epitopes.

Proteasomes catalyse the degradation of endogenous proteins into oligopeptides, but can concurrently create spliced oligopeptides through ligation of previously non-contiguous peptide fragments. Recent studies have uncovered a formerly unappreciated role for proteasome-catalysed peptide splicing (PCPS) in the generation of non-genomically templated major histocompatibility complex class I (MHC-I)-bound cis-spliced peptides that can be targeted by CD8+ T cells in cancer and infection. However, the mechanisms defining PCPS reactions are poorly understood. Here, we experimentally define the biochemical constraints of proteasome-catalysed cis-splicing reactions by examination of in vitro proteasomal digests of a panel of viral- and self-derived polypeptide substrates using a tailored mass-spectrometry-based de novo sequencing workflow. We show that forward and reverse PCPS reactions display unique splicing signatures, defined by preferential fusion of distinct amino acid residues with stringent peptide length distributions, suggesting sequence- and size-dependent accessibility of splice reactants for proteasomal substrate binding pockets. Our data provide the basis for a more informed mechanistic understanding of PCPS that will facilitate future prediction of spliced peptides from protein sequences.

Interferon (IFN)-α is the earliest cytokine signature observed in individuals at risk for type 1 diabetes (T1D), but the effect of IFN-α on the antigen repertoire of HLA Class I (HLA-I) in pancreatic β-cells is unknown. Here we characterize the HLA-I antigen presentation in resting and IFN-α-exposed β-cells and find that IFN-α increases HLA-I expression and expands peptide repertoire to those derived from alternative mRNA splicing, protein cis-splicing and post-translational modifications. While the resting β-cell immunopeptidome is dominated by HLA-A-restricted peptides, IFN-α largely favors HLA-B and only marginally upregulates HLA-A, translating into increased HLA-B-restricted peptide presentation and activation of HLA-B-restricted CD8+ T cells. Lastly, islets of patients with T1D show preferential HLA-B hyper-expression when compared with non-diabetic donors, and islet-infiltrating CD8+ T cells reactive to HLA-B-restricted granule peptides are found in T1D donors. Thus, the inflammatory milieu of insulitis may skew the autoimmune response toward alternative epitopes presented by HLA-B, hence recruiting T cells with a distinct repertoire that may be relevant to T1D pathogenesis.