Many human melanoma tumors express antigens that are recognized in vitro by cytolytic T lymphocytes (CTLs) derived from the tumor-bearing patient. A gene was identified that directed the expression of antigen MZ2-E on a human melanoma cell line. This gene shows no similarity to known sequences and belongs to a family of at least three genes. It is expressed by the original melanoma cells, other melanoma cell lines, and by some tumor cells of other histological types. No expression was observed in a panel of normal tissues. Antigen MZ2-E appears to be presented by HLA-A1; anti-MZ2-E CTLs of the original patient recognized two melanoma cell lines of other HLA-A1 patients that expressed the gene. Thus, precisely targeted immunotherapy directed against antigen MZ2-E could be provided to individuals identified by HLA typing and analysis of the RNA of a small tumor sample.

A mutated cyclin-dependent kinase 4 (CDK4) was identified as a tumor-specific antigen recognized by HLA-A2. 1-restricted autologous cytolytic T lymphocytes (CTLs) in a human melanoma. The mutated CDK4 allele was present in autologous cultured melanoma cells and metastasis tissue, but not in the patient's lymphocytes. The mutation, an arginine-to-cysteine exchange at residue 24, was part of the CDK4 peptide recognized by CTLs and prevented binding of the CDK4 inhibitor p16 INK4a , but not of p21 or of p27 KIP1 . The same mutation was found in one additional melanoma among 28 melanomas analyzed. These results suggest that mutation of CDK4 can create a tumor-specific antigen and can disrupt the cell-cycle regulation exerted by the tumor suppressor p16 INK4a .

Lymphocytes of melanoma patients can be restimulated in vitro with autologous tumor cells to generate antitumor cytolytic T lymphocytes (CTL). Previous reports have indicated that, when such CTL are obtained from HLA-A2 melanoma patients, they often display broad reactivity on A2 melanoma cell lines. Such antitumor CTL clones, which appeared to recognize the same antigen, were isolated from two patients. We report here the cloning of a cDNA that directs the expression of the antigen recognized by these CTL. This cDNA corresponds to the transcript of the tyrosinase gene. The gene was found to be active in all tested melanoma samples and in most melanoma cell lines. Among normal cells, only melanocytes appear to express the gene. The tyrosinase antigen presented by HLA-A2 may therefore constitute a useful target for specific immunotherapy of melanoma. But possible adverse effects of antityrosinase immunization, such as the destruction of normal melanocytes and its consequences, will have to be examined before clinical pilot studies can be undertaken.

It has been reported previously that antitumor cytolytic T lymphocyte (CTL) clones can be isolated from blood lymphocytes of HLA-A2 melanoma patients, after stimulation in vitro with autologous tumor cells, and that some of these CTL clones lyse most HLA-A2 melanomas. A first antigen recognized by such CTL clones was previously shown to be encoded by the tyrosinase gene. We report here the identification of another gene that also directs the expression of an antigen recognized on most melanomas by CTL clones that are restricted by HLA-A2. The gene, designated Melan-A, is unrelated to any known gene. It is 18 kb long and comprises five exons. Like the tyrosinase gene, it is expressed in most melanoma tumor samples and, among normal cells, only in melanocytes.

We have reported the identification of human gene MAGE-1, which directs the expression of an antigen recognized on a melanoma by autologous cytolytic T lymphocytes (CTL). We show here that CTL directed against this antigen, which was named MZ2-E, recognize a nonapeptide encoded by the third exon of gene MAGE-1. The CTL also recognize this peptide when it is presented by mouse cells transfected with an HLA-A1 gene, confirming the association of antigen MZ2-E with the HLA-A1 molecule. Other members of the MAGE gene family do not code for the same peptide, suggesting that only MAGE-1 produces the antigen recognized by the anti-MZ2-E CTL. Our results open the possibility of immunizing HLA-A1 patients whose tumor expresses MAGE-1 either with the antigenic peptide or with autologous antigen-presenting cells pulsed with the peptide.

Tryptophan catabolism mediated by indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO1) is an important mechanism of peripheral immune tolerance contributing to tumoral immune resistance, and IDO1 inhibition is an active area of drug development. Tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO) is an unrelated hepatic enzyme that also degrades tryptophan along the kynurenine pathway. Here, we show that enzymatically active TDO is expressed in a significant proportion of human tumors. In a preclinical model, TDO expression by tumors prevented their rejection by immunized mice. We developed a TDO inhibitor, which, upon systemic treatment, restored the ability of mice to reject TDO-expressing tumors. Our results describe a mechanism of tumoral immune resistance based on TDO expression and establish proof-of-concept for the use of TDO inhibitors in cancer therapy.

ABSTRACT Background Indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) and tryptophan-dioxygenase (TDO) are enzymes catabolizing the essential amino acid tryptophan into kynurenine. Expression of these enzymes is frequently observed in advanced-stage cancers and is associated with poor disease prognosis and immune suppression. Mechanistically, the respective roles of tryptophan shortage and kynurenine production in suppressing immunity remain unclear. Kynurenine was proposed as an endogenous ligand for the aryl hydrocarbon receptor (AHR), which can regulate inflammation and immunity. However, controversy remains regarding the role of AHR in IDO1/TDO-mediated immune suppression, as well as the involvement of kynurenine. In this study, we aimed to clarify the link between IDO1/TDO expression, AHR pathway activation and immune suppression. Methods AHR expression and activation was analyzed by qRT-PCR and western blot analysis in cells engineered to express IDO1/TDO, or cultured in medium mimicking tryptophan catabolism by IDO1/TDO. In vitro differentiation of naïve CD4 + T cells into regulatory T cells (Tregs) was compared in T cells isolated from mice bearing different Ahr alleles or a knockout of Ahr , and cultured in medium with or without tryptophan and kynurenine. Results We confirmed that IDO1/TDO expression activated AHR in HEK-293-E cells, as measured by the induction of AHR target genes. Unexpectedly, AHR was also overexpressed upon IDO1/TDO expression. AHR overexpression did not depend on kynurenine but was triggered by tryptophan deprivation. Multiple human tumor cell lines overexpressed AHR upon tryptophan deprivation. AHR overexpression was not dependent on GCN2, and strongly sensitized the AHR pathway. As a result, kynurenine and other tryptophan catabolites, which are weak AHR agonists in normal conditions, strongly induced AHR target genes in tryptophan-depleted conditions. Tryptophan depletion also increased kynurenine uptake by increasing SLC7A5 (LAT1) expression in a GCN2-dependent manner. Tryptophan deprivation potentiated Treg differentiation from naïve CD4 + T cells isolated from mice bearing an AHR allele of weak affinity similar to the human AHR. Conclusions Tryptophan deprivation sensitizes the AHR pathway by inducing AHR overexpression and increasing cellular kynurenine uptake. As a result, tryptophan catabolites such as kynurenine, more potently activate AHR, and Treg differentiation is promoted. Our results propose a molecular explanation for the combined roles of tryptophan deprivation and kynurenine production in mediating IDO1/TDO-induced immune suppression. SIGNIFICANCE In preclinical models, tryptophan degradation by IDO1 or TDO was shown to induce tumoral resistance to immune rejection, by restricting inflammation and promoting T-cell tolerance to immunogenic tumor antigens. However, the mechanism that translates these metabolic changes into T-lymphocyte malfunction within the tumor microenvironment (TME) is still uncertain. It has been proposed that kynurenine, the main tryptophan catabolite, acts as an endogenous ligand for the aryl hydrocarbon receptor (AHR), leading to the suggestion that the IDO1/Kyn/AHR axis could play a key role in modulating inflammatory and immune responses. However, recent studies challenged the notion that kynurenine is a genuine and potent AHR agonistic ligand. Moreover, the relative role of tryptophan depletion versus kynurenine production in IDO1/TDO mediated immune suppression remains unknown. In this work, we further explored and clarified the association between IDO1/TDO activity and AHR activation. Unexpectedly, we observed that tryptophan depletion strongly increased AHR expression, thereby potentiating its activation by weak agonists such as kynurenine and derivatives. Tryptophan depletion thereby potentiated the induction of regulatory T cells. This was particularly true in mouse strains that express an Ahr allele of weak affinity, similar to the human AHR. Tryptophan depletion also increased cellular kynurenine uptake by increasing SLC7A5 (LAT1) expression in a GCN2-dependent manner, thereby also contributing to a better AHR activation by kynurenine upon tryptophan depletion. Altogether, our findings identify a new mechanism explaining IDO/TDO mediated AHR activation and immune suppression, based on the sensitization of the AHR pathway by tryptophan depletion, resulting in a higher AHR stimulation by weak agonists of the kynurenine pathway, and a better induction of regulatory T cells.