Analysis of the role of intracellular peptide catabolism in the immunopeptidome, proteome and metabolism of cancer cells

Abstract

Endoplasmic reticulum aminopeptidase 1 (ERAP1) is an enzyme located in the endoplasmic reticulum (ER), that trims antigenic peptide precursors for Major Histocompatibility Complex class I presentation. As a result, ERAP1 has been proposed to constitute a key regulator of the cellular immunopeptidome, and modulating its activity is a promising strategy for cancer immunotherapy and the treatment of HLA-associated autoimmunity. However, before clinical application, a deeper understanding of ERAP1’s biological role and mechanism of function in both cells and intact organisms is necessary. Moreover, ERAP1 is hypothesised to have additional, yet poorly characterised roles. Furthermore, ERAP1 is polymorphic, with ten main allotypes in the human population. These allotypes differ in enzymatic activities and substrate specificities and have been associated with disease predisposition. However, their exact role in shaping the immunopeptidome and disease mechanisms is not clear. To address these gaps, I employed immunopeptidomics, label-free quantitative proteomics, and other biochemical techniques to investigate the role of ERAP1 modulation and allotypic variation on antigen presentation and cellular functions. My results show how ERAP1 activity can shape the immunopeptidome in multiple cancer cell lines and tumours. Moreover, ERAP1 functional disruption alters the cellular proteome and affects ER homeostasis and cellular metabolism. ERAP1 allotypic variation can induce qualitative and quantitative changes on the immunopeptidome of cancer cells in patterns that may contribute to the development of autoimmunity. Overall, this study further establishes the important role and mechanism of ERAP1 and its allotypes in shaping antigen presentation, highlights previously unknown secondary biological functions and further validates it as a target for cancer immunotherapy and the treatment of certain forms of autoimmunity.

Η αμινοπεπτιδάση του ενδοπλασματικού δικτύου ERAP1 είναι ένα ένζυμο γνωστό για τη συμμετοχή του στην αντιγονοπαρουσίαση τύπου Ι. Ρόλος της είναι να κόβει πρόδρομα πεπτίδια στο κατάλληλο μήκος ώστε να ταιριάζουν στην κοιλότητα των μορίων του μείζονος συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας τάξης Ι. Κατά συνέπεια, η ERAP1 μπορεί να επηρεάσει το ανοσοπεπτιδίωμα, το οποίο έχει μεγάλη σημασία για την ανοσοθεραπεία του καρκίνου και για θεραπείες αυτοάνοσων νοσημάτων. Ωστόσο, προτού να γίνει εφικτή η αξιοποίηση του ρόλου της ERAP1 στην κλινική, απαιτείται βαθύτερη κατανόηση του μηχανισμού δράσης της. Επιπλέον, η ERAP1 έχει συσχετιστεί με επιδράσεις στην κυτταρική ομοιόσταση, οι οποίες είναι λιγότερο χαρακτηρισμένες και χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης. Εκτός αυτού, πρόκειται για ένα πολυμορφικό ένζυμο, με δέκα κύριους αλλότυπους στον πληθυσμό. Αυτοί οι αλλότυποι παρουσιάζουν διαφορετικές ενζυμικές δραστικότητες, προτιμήσεις υποστρωμάτων και έχουν συσχετιστεί με προδιάθεση σε ασθένειες. Ωστόσο, η επίδραση τους στο ανοσοπεπτιδίωμα δεν είναι ξεκάθαρη. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές χαρακτηρισμού του ανοσοπεπτιδιώματος, του πρωτεόματος, και άλλες βιοχημικές τεχνικές για τη διερεύνηση των επιδράσεων της αναστολής και της αλλοτυπικής διαφοροποίησης της ERAP1. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αναστολή της μεταβάλλει το ανοσοπεπτιδίωμα διαφόρων καρκινικών κυτταρικών σειρών αλλά και όγκων, αλλάζει το πρωτέωμα καρκινικών κυτταρικών σειρών και επηρεάζει την κυτταρική ομοιόσταση. Επιπλέον, η αλλοτυπική διαφοροποίηση επηρεάζει το ανοσοπεπτιδίωμα με τρόπο που ενδεχομένως συμβάλλει στην ανάπτυξη αυτοανοσίας. Συνολικά, η παρούσα μελέτη εδραιώνει το ρόλο της ERAP1 και των αλλοτύπων της στην αντιγονοπαρουσίαση, αναδεικνύει άγνωστες δευτερεύουσες λειτουργίες και την επικυρώνει ως θεραπευτικό στόχο για την ανοσοθεραπεία του καρκίνου και ορισμένων μορφών αυτοανοσίας.