NBT | 新工具揭示免疫肽组抗原翻译后修饰全景

撰文 | 春晓

靶向与MHC （主要组织相容性复合体） 分子结合的肿瘤抗原为T细胞疗法和免疫疗法带来了巨大的希望。前期研究发现例如磷酸化、瓜氨酸化或糖基化等翻译后修饰（ PTM ）可调节抗原呈递和识别 【1】 。然而，由于不同类型的PTM超过200种，以及检测技术的重重困难，PTM驱动的改变是否以及在多大程度上扩展了癌症抗原靶点全景仍有待探索。

目前发现新抗原的方法主要依赖于基因组或转录组数据 【2】 结合 HLA I （人白细胞抗原I类） 计算预测工具。因为这种方法只适合于鉴定翻译前水平，所以它们不能给出关于肽的修饰状态的直接信息。还有一种基于质谱的免疫肽组学分析方法。然而，由于每一个额外的修饰都会使鉴定理论可能肽的数量呈指数级增加，因此，迄今为止，绝大多数PTM还没有在免疫肽组中进行过检测。

为了解决上述挑战，近日，来自以色列Weizmann科学研究所免疫学系的Yifat Merbl 研究小组在Nature Biotechnology杂志上发表题为 Post-translational modifications reshape the antigenic landscape of the MHC I immunopeptidome in tumors 的研究论文，这篇论文 开发了蛋白质修饰集成搜索引擎 PROMISE （Protein Modification Integrated Search Engine） ，能够检测多个PTM，而无需预先进行生化富集。通过对包括患者来源的肿瘤样本和癌细胞系的不同PTM组合产生的数据进行分析，作者发现了数千个新的修饰HLA I结合肽。此外，作者还比较了小鼠结肠直肠癌的免疫肽组和健康组织的免疫肽组，发现了肿瘤特有的肽。最后，通过将分析扩展到来自临床蛋白质组乳腺癌队列，揭示了癌症位点特异性修饰。这项研究使我们得以深入了解癌症状态引起的PTM改变，拓宽了PTM对定义肿瘤-宿主相互作用的理解。

PROMISE依靠超快的MSFragger 35软件来比较理论得出的肽和仪器中捕获的肽，并搜索多种修饰类型的HLA免疫肽组学数据 （图1） 。通过PROMISE鉴定的修饰可指示代表细胞中蛋白质PTM的改变。为了充分利用PROMISE的潜力，作者根据修饰状态将谱图分成不同的组，通过PeptideProphet 43计算得出修饰肽组中肽谱匹配更高。虽然标准搜索和PROMISE之间免疫肽组的氨基酸组成相似，但当比较修饰和未修饰的肽亚组时，PROMISE可富集带修饰的氨基酸。接下来，作者分析了每种修饰类型的长度分布，观察到乙酰化、瓜氨酸化、二甲基化、SUMoylation和泛素化水平均比未修饰亚组中的更长。

图1：PROMISE检测HLA I结合肽的修饰

为了了解PTM在形成癌症免疫肽组中的影响，作者检查了丰富的肽库。根据氨基酸残基的分布与背景的相关性对所有PTM进行排序，关注到了可能改变HLA结合偏好或T细胞受体 （TCR） 识别PTM基序，肽与HLA I分子的结合取决于肽和HLA I的结构及生化性质，TCR识别基序由HLA I肽复合物决定。特异性HLA单倍型的生化结合特性是肽基序的最强决定因素。为了检验所检测到的PTM驱动基序是否与特定的单倍型相关，作者重新分析了参考文献中的单等位基因HLA免疫肽组学数据。为了集中于最突出的特征，作者定义了“位点评分”：在锚位置的富集为阳性评分，而在肽中间的富集为阴性评分。通过位点评分对数据集中包含的生物PTM和单倍型进行聚类，揭示了对于不同的单倍型，相同的PTM可能对肽-MHC-TCR相互作用影响不同，此外还新发现了几种与人类疾病相关的HLA （例如，HLA-A*03：01与多发性硬化症相关，HLA-B*51：01与白塞病相关） 。

作者使用结构建模评估了新PTM结合基序。发现所预测的MHC和修饰肽之间的相互作用都非常强，表明该它们比未修饰肽更稳定，PROMISE也预测了相同的结果。为了测试PROMISE鉴定的肽是否是癌组织所特有的，作者对MC 38小鼠结肠癌细胞进行了免疫肽组学，并将结果与参考文献 【3】 中的健康小鼠组织免疫肽组学数据进行了比较。PROMISE分析揭示了2803个肽中36%具有至少一个PTM。当比较MC 38免疫肽组的修饰肽与健康组织中的修饰肽时，作者找到了癌症特有的一个亚组，通过手动注释和光谱相似性评分，确认都与鉴定结果匹配，包括具有N-末端乙酰化、瓜氨酸化、二甲基化、甲基化、磷酸化和SUMO化修饰的肽 （图2） 。作者还分析了来自三阴性乳腺癌和对照队列的免疫肽组学数据。在该队列中发现了2771个修饰肽，评估发现肿瘤免疫肽组中的几种修饰包括氨甲酰甲基化和瓜氨酸化频率显著降低，半胱氨酰化肽频率在肿瘤免疫肽组中显著增加。此外，还发现了27个磷酸化的肽只出现在肿瘤组织中而不在对照中，在免疫肽组学和磷酸化蛋白质组学中鉴定的位点中，42%都被磷酸化。

图2：MC 38免疫肽组的PROMISE分析鉴定

通过开发PROMISE，作者系统地分析了免疫肽组中的PTM景观，并在不同的癌症中鉴定了数千种修饰肽，扩展了抗原领域，揭示了疾病特异性修饰靶点，这项发现可能会在癌症的T细胞介导治疗方面有广泛的意义，另外，除了癌症，这个方法还可以用于扩展对传染病、自身免疫病、神经相关疾病病理学中PTM驱动的HLA的了解 。由于PTM相比于突变还更加不稳定，如果PTM成为免疫肽组学分析的一个常规补充，未来还需要努力使其检测实现标准化。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-022-01464-2

制版人：十一

参考文献

1. Ramarathinam, S.H., Croft, N.P., Illing, P.T., Faridi, P. & Purcell, A.W. Employing proteomics in the study of antigen presentation: an update. Expert Rev. Proteomics 15, 637–645 (2018).

2. Karasaki, T. et al. Prediction and prioritization of neoantigens: integration of RNA sequencing data with whole-exome sequencing. Cancer Sci. 108, 170–177 (2017).

3. Schuster, H. et al. A tissue-based draft map of the murine MHC class I immunopeptidome. Sci. Data 5, 180157 (2018).

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