Le carcinome séreux de haut grade (CSHG) est le sous-type histologique le plus courant du cancer de l'ovaire et demeure le cancer le plus meurtrier de l'appareil reproducteur féminin. Les récents progrès de l'immunothérapie contre le cancer ont mis en évidence un énorme potentiel thérapeutique pour les patientes confrontées à des besoins non satisfaits de soins de santé pour le traitement des CSHG. Une étape cruciale pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques consiste à identifier les antigènes spécifiques des tumeurs (TSA), c’est-à-dire des antigènes majeurs d'histocompatibilité de classe I présents à la surface des cellules cancéreuses mais absents des cellules normales. Ces TSA peuvent être reconnus par les cellules T et sont des éléments essentiels dans la conception de vaccins destinés à stimuler les réponses immunitaires anticancéreuses. Les travaux menés dans le cadre de mon programme de doctorat ont porté sur l'identification et la caractérisation des TSAs dans les CSHG. Les premières études sur les TSAs ont été dirigées uniquement vers l’identification de TSAs dérivés de mutations dans les régions codantes, menant à l’identification d’antigènes très rares et privés dans les CSHG. Dans notre première étude, nous avons analysé 23 échantillons de cancer de l'ovaire en utilisant une approche protéogénomique nous permettant d'étudier à la fois les régions génomiques codantes et non codantes. Ce faisant, nous avons identifié un total de 103 TSAs, dont 91 qui ne portaient pas de mutations et dérivaient de séquences présumées non-codantes. Nous appelons ces antigènes « TSAs exprimés de manière aberrante (aeTSAs) » puisqu’ils sont exprimés de manière aberrante dans les échantillons de cancer mais absents dans les tissus normaux. Contrairement aux TSAs mutés, qui sont davantage patient- spécifiques, l’ARN codant pour les aeTSAs est exprimé par plusieurs patientes atteints d’un CSHG, celles-ci exprimant individuellement une médiane de 5 aeTSAs. De par leur nombre élevé et du fait que leur expression soit partagée dans une large population de patientes atteints de CSHG, les aeTSAs représentent des cibles intéressantes pour l'immunothérapie du cancer. En raison de leur origine principalement non codante, la nature et la régulation des aeTSAs sont peu connues. Notre seconde étude a donc porté sur la régulation de la biogenèse des aeTSAs. L’analyse de données de séquençage de l'ARN de CSHG en cellule unique a montré une expression enrichie et spécifique des gènes sources des aeTSAs dans les cellules cancéreuses. Grâce à une analyse transcriptomique plus poussée, nous avons identifié de nouveaux transcrits récurrents codant pour les aeTSAs et avons déterminé que ces transcrits sont largement surexprimés dans les CSHG. De plus, nous avons déterminé que les aeTSAs issus d'événements de traduction non canonique sont codés préférentiellement par des cadres de lecture ouverts courts et générés à partir de régions près de l'extrémité C-terminale. Finalement, nos analyses sur l'accessibilité de la chromatine et les modifications des histones supportent l’hypothèse que les transcrits codant pour les aeTSAs ont recourt à des promoteurs alternatifs, ce qui suggère un rôle important de l'épigénome du cancer dans la genèse du paysage antigénique. Nos travaux représentent la première analyse complète des antigènes provenant des régions codantes et non codantes dans les tumeurs ovariennes. Nous avons pu dresser une liste exhaustive de cibles thérapeutiques potentielles et mieux comprendre leur biogenèse. Nos travaux portant sur la découverte et la caractérisation des aeTSAs favoriseront la conception de nouvelles immunothérapies ciblant ces antigènes et ce qui sera bénéfique pour un plus grand nombre de patientes atteintes de CSHG. / High-grade serous carcinoma (HGSC) is the most common histologic subtype of ovarian cancer and the most lethal cancer in the female reproductive system. Recent advances in cancer immunotherapy have highlighted enormous therapeutical potential for patients facing unmet clinical needs in HGSC treatment. A crucial step for developing new therapeutic strategies is identifying targetable tumor-specific antigens (TSAs), namely the major histocompatibility class I antigens presented on the cancer cell surface but absent from normal cells. These TSAs can be recognized by T cells and are essential elements in designing vaccines to stimulate anti-cancer immune responses. The goal of my Ph.D. thesis was to identify and characterize TSAs in HGSC. In early studies of TSAs, most groups focused solely on TSAs derived from mutations in coding regions, which reported very rare and private antigens in HGSCs. In our first study, we used a proteogenomic workflow that enabled us to survey both coding and noncoding sequences to analyse 23 ovarian cancer samples. We uncovered 103 TSAs, 91 of which were not mutated and derived mainly from allegedly noncoding sequences. We call these antigens aberrantly expressed TSAs (aeTSAs), for their lack of expression in normal tissues while being aberrantly expressed in cancer samples. Unlike the mutated TSAs unique to individual tumors, the aeTSAs have shared RNA expression in HGSC tumors, with an estimated median presentation of five per patient. Because of their number and shared expression in a large population, we consider aeTSAs attractive targets for immunotherapy. Due to their primarily noncoding origin, little is known about the nature and regulation of aeTSAs. In our second study, we explored the biogenesis of the aeTSAs. HGSC single-cell RNA sequencing data showed a malignant cell-specific/enriched expression of aeTSA source genes. Further transcriptomic profiling identified novel recurrent transcripts coding for aeTSAs and revealed broad overexpression of aeTSA-coding transcripts in HGSC. Moreover, we showed that aeTSAs derived from noncanonical translation events are coded preferably by short open reading frames and generated from regions close to the C-terminus. Our analysis of chromatin accessibility and histone modifications support a differential promoter activity for aeTSA-coding transcripts, suggesting an important role of cancer epigenome in shaping the antigen landscape. Our work is the first comprehensive analysis of ovarian tumor antigens derived from both coding and noncoding regions. We reported an extensive list of potential therapeutic targets and provided insights into their biogenesis. Our work on discovering and characterizing shared TSAs shall promote the design of new antigen-targeting immunotherapy that benefits more HGSC patients.

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Malgré les progrès en matière de greffe de cellules souches hématopoïétique (GCSH), environ 40% des enfants atteints d’une leucémie aigüe lymphoblastique (LAL) réfractaire à la chimiothérapie ne peuvent être guéris. Notre laboratoire a démontré que l’effet précoce de greffe contre leucémie (GvL) est significativement augmenté par les cellules Natural Killer (NK) stimulées par des cellules plasmacytoïdes dendritiques (pDC). Une nouvelle thérapie cellulaire adoptive basée sur la stimulation des cellules NK par les pDC a été développée et son efficacité a été démontrée dans un modèle de souris humanisées. Des cellules hautement spécialisées appelées « Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing » (ThINKK), analogues des pDC, sont produites à partir de cellules souches hématopoïétiques de sang de cordon. Afin d’amener les ThINKK vers un usage clinique, ce projet avait comme objectif d’en compléter la caractérisation, d’investiguer leurs effets secondaires potentiels après transfert adoptif dans le contexte de transplantation hématopoïétique allogénique et d’évaluer l’impact d’un régime prophylactique immunosuppresseur sur l’axe ThINKK/cellules NK. L’identité cellulaire des ThINKK a été déterminée par cytométrie de flux et par analyse unicellulaire du transcriptome (scRNA-seq). Pour déterminer si la présence des ThINKK pourrait augmenter l’activation et la prolifération des cellules T allogéniques, nous avons utilisé des réactions lymphocytaires mixtes (MLR) dans lesquelles les cellules T et les ThINKK ont été cultivées en présence de cellules présentatrices d’antigènes. Un modèle murin de réaction de greffe contre l’hôte (xéno-GvHD) nous a permis de déterminer l’impact du transfert adoptif de ThINKK sur la GvHD in vivo. Finalement, nous avons testé l’effet d’immunosuppresseurs sur la cytotoxicité des cellules NK activées par ThINKK contre des cellules LAL. Nos résultats démontrent que les ThINKK n’expriment pas les marqueurs associés aux cellules présentatrices d’antigènes, mais expriment les marqueurs des cellules plasmacytoïdes dendritiques. L’analyse des résultats de scRNA-seq démontre la présence d’une sous-population cellulaire mineure exprimant le récepteur AXL, sans toutefois exprimer les autres marqueurs conventionnels des cellules présentatrices d’antigènes. Les ThINKK, incluant la sous-population AXL-positive, n’exacerbent pas l’activation ou la prolifération des cellules T allogéniques in vitro ou in vivo. Finalement, des cinq immunosuppresseurs testés, seules la cyclosporine A et de la méthylprednisolone diminuaient l’activation et la cytotoxicité des cellules NK induites par les ThINKK. Nos résultats suggèrent qu’une immunothérapie par transfert adoptif de ThINKK serait sécuritaire chez les patients ayant reçu une greffe allogénique. L’utilisation d’un régime prophylactique immunosuppresseur est également possible sans affecter l’efficacité de cette nouvelle immunothérapie post-transplantation. / The survival outcomes of children with relapsed acute lymphoblastic leukemia (ALL) remain dismal despite progress in hematopoietic stem cell transplantation. In the past, our team has demonstrated that the stimulation of Natural Killer (NK) cells with a subset of plasmacitoid dendritic cells (pDCs) called Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing (ThINKK) improved the early graft-versus-leukemia effect and controlled ALL development in humanized mice. ThINKK are expanded from cord blood hematopoietic stem cell progenitors for adoptive post-transplant immunotherapy. To translate these findings into the clinic, the main objectives of this project was to further characterize the ThINKK phenotype, to investigate the potential adverse effects of ThINKK in the context of allogeneic hematopoietic transplantation, and to evaluate the functional impact of the post-transplant prophylactic immunosuppressive regimen on the ThINKK/NK cell axis. The cellular identity of ThINKK was assessed using flow cytometry and single-cell RNA sequencing. To assess the potential exacerbation of T-cell activation and proliferation by ThINKK, allogeneic T cells and ThINKK were co-cultured with or without antigen-presenting cells in mixed lymphocyte reactions (MLR). We used a xenograft mouse model to evaluate the efficacy and potential side effects of an adoptive transfer of ThINKK on graft-versus-host reactions in vivo. Finally, we tested the effect of immunosuppressive drugs on ThINKK-induced NK cell cytotoxicity against ALL cells. We found that ThINKK cells did not express antigen-presenting cell markers but expressed pDCs lineage markers. Single-cell RNA sequencing analysis revealed the presence of a minor cell subset expressing the AXL receptor gene, but lacking expression of other conventional dendritic cell marker genes. Importantly, ThINKK including the AXL+ subset did not exacerbate allogeneic T-cell activation and proliferation in vitro and in vivo. Finally, out of the five immunosuppressive drugs tested, only cyclosporine A and methylprednisolone decreased ThINKK-induced NK cell activation and cytotoxicity. Our results support that ThINKK cell transfer immunotherapy could be safe in transplanted subjects even in allogeneic settings and that a prophylactic immunosuppressive regimen may be used without affecting the efficacy of this novel post-transplant immunotherapy.

Presque toutes les cellules nucléées expriment des peptides associés au CMH I (HLA I chez l’humain)(MAP) qui sont échantillonnés à partir du protéome cellulaire et transportés vers la surface cellulaire pour inspection par les lymphocytes T CD8. En tant que tel, la collection de MAP à la surface des cellules, ou immunopeptidome, informe les lymphocytes T CD8 de l’état cellulaire interne. L’immunosurveillance du cancer repose sur la capacité des lymphocytes T CD8 à reconnaître les MAP anormaux sur les cellules tumorales et à les éliminer tout en épargnant les cellules saines. Par conséquent, l’existence du cancer indique que bien souvent, les lymphocytes T CD8 spécifiques à la tumeur sont impuissants, dysfonctionnels ou incapables d’exercer leur fonction. Les vaccins anticancéreux peuvent actionner la destruction des tumeurs en stimulant la reconnaissance des MAP anormaux. Toutefois, le développement de vaccins anticancéreux efficaces est entravé par le manque de MAP exploitables, ou antigènes tumoraux (TA), exprimés exclusivement sur les cellules tumorales. La recherche et l’identification de TA ont été largement limitées aux MAP dérivés de mutations non synonymes situées dans des exons canoniques codant pour des protéines. Ces régions génomiques ne représentent que 2% du génome humain. Le fait que les MAP puissent potentiellement dériver de la traduction non canonique de toutes les régions génomiques n’a été pleinement compris que récemment. Ici, nous avons utilisé la protéogénomique pour découvrir des TA exploitables dérivés de produits de traduction canoniques et non canoniques partagés au sein ou entre divers types de cancers humains. Premièrement, nous avons utilisé des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) pour identifier les MAP associés à la pluripotence (paMAP) étant partagés par les cellules cancéreuses. Les antigènes pluripotents sont exprimés dans les tissus embryonnaires et absents des tissus adultes sains, mais anormalement réexprimés par les cellules cancéreuses. Ainsi, bien qu'ils ne soient pas mutés, les paMAP constituent des cibles idéales et spécifiques au cancer. Nous avons identifié un ensemble de 48 paMAP dérivés de transcrits codants et non codants (48 %) impliqués dans le maintien de la pluripotence et exprimés de manière aberrante dans plusieurs types de cancer. Ainsi, bien qu’elles proviennent de différents types de cellules et de tissus, des tumeurs 4 distinctes convergent vers un programme transcriptionnel associé à la pluripotence. En effet, l’expression des paMAP dans les cancers est corrélée à l’hypométhylation récurrente de leurs gènes sources, la présence d’aberrations génomiques courantes et l’adoption par les tumeurs de stratégies d’évasion immunitaire communes. Enfin, comme plusieurs paMAP sont immunogènes, leur utilisation comme cibles dans des vaccins anticancéreux pourrait entrer en synergie avec les inhibiteurs disponibles des voies d'évasion immunitaire et améliorer le traitement de plusieurs cancers agressifs. Ensuite, nous avons évalué l’ensemble des TA ayant un potentiel thérapeutique dans deux types de tumeurs présentant une charge mutationnelle particulièrement élevée, le mélanome et le cancer du poumon non à petites cellules (NSCLC). Nous avons constaté que les TA mutés (mTSAs) représentent une minorité (1 %) des TA exploitables dans ces deux types de cancer. Cela peut s'expliquer par une faible expression d'ARN de la plupart des mutations non synonymes ainsi que par leur localisation en dehors des régions génomiques les plus efficaces pour la génération de MAP. En revanche, 99 % des TA dérivent de séquences génomiques non mutées spécifiques au cancer (aeTSA), surexprimées dans le cancer (TAA) ou spécifiques à la lignée cellulaire d'origine (LSA, exprimés par les mélanocytes ou par les cellules épithéliales pulmonaires, pour le mélanome et le NSCLC, respectivement). Tout comme les paMAP, environ 50 % des aeTSA identifiés dans le mélanome et le NSCLC proviennent de séquences non canoniques et sont régulés de manière épigénétique. Alors que les mTSA sont exclusivement spécifiques à chaque patient patient, les aeTSA sont partagés entre les échantillons tumoraux. De plus, leur absence dans les tissus normaux, leur abondance et leur capacité à activer les lymphocytes T CD8 en font des cibles idéales pour traiter les mélanomes et les NSCLC. En conclusion, cette thèse fournit un aperçu de la biogenèse de différents types de TA dans diverses cohortes de patients et ouvre la voie au développement d’immunothérapies ciblées et efficaces contre une grande variété de cancers. / Nearly all nucleated cells express MHC I (HLA I in humans)-associated peptides (MAPs) which are sampled from the cellular proteome and transported to the cell surface for inspection by CD8 T cells. As such, the collection of cell-surface MAPs, or the immunopeptidome, informs CD8 T cells on the inner cell state. Cancer immunosurveillance relies on the capacity of CD8 T cells to recognize abnormal MAPs on tumor cells and eliminate them while sparing healthy cells. Hence, the existence of cancer indicates that tumor-specific CD8 T cells are underpowered, dysfunctional or inhibited from exerting their function. Anti-cancer vaccines can boost tumor killing by stimulating the recognition of abnormal MAPs. The development of effective anti-cancer vaccines is limited by the identification of actionable MAPs, or tumor antigens (TAs), expressed exclusively on tumor cells. The TA search space has been largely limited to MAPs derived from non-synonymous mutations in canonical protein-coding exons which represent a mere 2% of the human genome. That MAPs can derive from the non-canonical translation of potentially all genomic regions has only recently been fully appreciated. Herein, we used proteogenomics to discover actionable TAs derived from canonical and non-canonical translation products shared within or across different types of human cancer. First, we used induced pluripotent stem cells (iPSCs) to identify pluripotency-associated MAPs (paMAPs) shared by cancer cells. Pluripotency antigens are restricted to embryonic tissues and absent from healthy adult tissues but abnormally re-expressed by cancer cells, which makes them ideal tumor-specific targets despite being unmutated. We identified a set of 46 paMAPs derived from coding and allegedly non-coding (48%) transcripts involved in pluripotency maintenance and aberrantly expressed in multiple cancer types. Thus, despite originating from different cell types and tissues, distinct tumor types converged towards a pluripotency-associated transcriptional program. Indeed, the expression of paMAPs across cancers correlated with recurrent source gene hypomethylation, genomic aberrations, and immune evasion properties. Several paMAPs were immunogenic, thus their targeting could synergize with available inhibitors of immune evasion pathways to improve the outcome of multiple aggressive cancers. 7 Next, we evaluated the actionable TA landscape of two tumor types with particularly high mutational load, melanoma and non-small cell lung cancer (NSCLC). We found that mutated TAs (mTSAs) represent a minority (1%) of actionable TAs in both cancer types, which can be explained by a low RNA expression of most non-synonymous mutations and their localization outside genomic regions proficient for MAP generation. By contrast, 99% of TAs derived from unmutated genomic sequences specific to cancer (aeTSAs), overexpressed in cancer (TAAs), or specific to the cell lineage of origin (LSAs, expressed by melanocytes or by lung epithelial cells, for melanoma and NSCLC LSAs, respectively). As for paMAPs, around 50% of aeTSAs in melanoma and NSCLC were non-canonical and were epigenetically regulated. Whereas mTSAs were exclusively patient-specific, aeTSAs were shared among tumor samples and exhibited all characteristics of targetable TAs, including tumor-specificity, high abundance, and immunogenicity. Altogether, this thesis provides insights into the biogenesis of different TA types in various patient cohorts and paves the way for the development of effective TA-based immunotherapies against a large variety of cancers.