How potently CAR T cells with CD28 or 4-1BB costimulatory domains stimulate intracellular signaling correlates with treatment efficacy.

We report a comprehensive proteogenomics analysis, including whole-genome sequencing, RNA sequencing, and proteomics and phosphoproteomics profiling, of 218 tumors across 7 histological types of childhood brain cancer: low-grade glioma (n = 93), ependymoma (32), high-grade glioma (25), medulloblastoma (22), ganglioglioma (18), craniopharyngioma (16), and atypical teratoid rhabdoid tumor (12). Proteomics data identify common biological themes that span histological boundaries, suggesting that treatments used for one histological type may be applied effectively to other tumors sharing similar proteomics features. Immune landscape characterization reveals diverse tumor microenvironments across and within diagnoses. Proteomics data further reveal functional effects of somatic mutations and copy number variations (CNVs) not evident in transcriptomics data. Kinase-substrate association and co-expression network analysis identify important biological mechanisms of tumorigenesis. This is the first large-scale proteogenomics analysis across traditional histological boundaries to uncover foundational pediatric brain tumor biology and inform rational treatment selection.

Chimeric antigen receptor (CAR)-modified T cell therapy is effective in treating lymphomas, leukemias, and multiple myeloma in which the tumor cells express high amounts of target antigen. However, achieving durable remission for these hematological malignancies and extending CAR T cell therapy to patients with solid tumors will require receptors that can recognize and eliminate tumor cells with a low density of target antigen. Although CARs were designed to mimic T cell receptor (TCR) signaling, TCRs are at least 100-fold more sensitive to antigen. To design a CAR with improved antigen sensitivity, we directly compared TCR and CAR signaling in primary human T cells. Global phosphoproteomic analysis revealed that key T cell signaling proteins-such as CD3δ, CD3ε, and CD3γ, which comprise a portion of the T cell co-receptor, as well as the TCR adaptor protein LAT-were either not phosphorylated or were only weakly phosphorylated by CAR stimulation. Modifying a commonplace 4-1BB/CD3ζ CAR sequence to better engage CD3ε and LAT using embedded CD3ε or GRB2 domains resulted in enhanced T cell activation in vitro in settings of a low density of antigen, and improved efficacy in in vivo models of lymphoma, leukemia, and breast cancer. These CARs represent examples of alterations in receptor design that were guided by in-depth interrogation of T cell signaling.

Targeted proteomics enables sensitive and specific quantification of proteins and post-translational modifications. By coupling peptide immunoaffinity enrichment with targeted mass spectrometry, we have developed the methodology for multiplexed quantification of proteins and phosphosites involved in the RAS/MAPK signaling network. The method uses anti-peptide antibodies to enrich analytes and heavy stable isotope-labeled internal standards, spiked in at known concentrations. The enriched peptides are directly measured by multiple-reaction monitoring (MRM), a well-characterized quantitative mass spectrometry-based method. The analyte (light) peptide response is measured relative to the heavy standard. The method described provides quantitative measurements of phospho-signaling and is generally applicable to other phosphopeptides and sample types.

Abstract Despite advances in proteomic technologies, clinical translation of plasma biomarkers remains low, partly due to a major bottleneck between the discovery of candidate biomarkers and downstream costly clinical validation studies. Due to a dearth of multiplexable assays, generally only a few candidate biomarkers are tested, and the validation success rate is accordingly low. Here, we demonstrate the capability of internal standard triggered-parallel reaction monitoring (IS-PRM) to prioritize candidate biomarkers for validation studies. A 5,176-plex assay coupling immunodepletion and fractionation with IS-PRM was developed and implemented in human plasma to quantify peptides representing 1,314 breast cancer biomarker candidates. Compared to prior approaches using data-dependent analysis, IS-PRM showed improved sensitivity (912 vs 295 proteins quantified) and precision (CV 0.1 vs 0.27) enabling rank-ordering of candidate biomarkers for validation studies. The assay greatly expands capabilities for quantification of large numbers of proteins and is well suited for prioritization of viable candidate biomarkers.

Abstract Immunotherapies are revolutionizing cancer care, but many patients do not achieve durable responses and immune-related adverse events are difficult to predict. Quantifying the hundreds of proteins involved in cancer immunity has the potential to provide biomarkers to monitor and predict tumor response. We previously developed robust, multiplexed quantitative assays for immunomodulatory proteins using targeted mass spectrometry, providing measurements that can be performed reproducibly and harmonized across laboratories. Here, we expand upon those efforts in presenting data from a multiplexed immuno-oncology (IO)-3 assay panel targeting 43 peptides representing 39 immune- and inflammation-related proteins. A suite of novel monoclonal antibodies was generated as assay reagents, and the fully characterized antibodies are made available as a resource to the community. The publicly available dataset contains complete characterization of the assay performance, as well as the mass spectrometer parameters and reagent information necessary for implementation of the assay. Quantification of the proteins will provide benefit to correlative studies in clinical trials, identification of new biomarkers, and improve understanding of the immune response in cancer.