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La sensibilité et la profondeur de l'analyse protéomique sont limitées par les ions isobares et les interférences qui entravent l'identification des peptides de faible abondance. Lorsque nous analysons des échantillons de grande complexité, une séparation extensive de l'échantillon est souvent nécessaire pour étendre la couverture protéomique. Ces dernières années, la spectrométrie de mobilité ionique à forme d'onde asymétrique à haut champ (FAIMS) a gagné en popularité dans le domaine de la protéomique pour sa capacité à séparer les ions isobares, à améliorer la capacité de pic et la sensibilité de la spectrométrie de masse (MS). Nous rapportons ici l'intégration d'un appareil FAIMS Pro™ à un Q-Exactive HF™ ainsi qu'un spectromètre de masse Orbitrap Exploris 480™. Des expériences protéomiques sur des digestions d'extraits protéiques issues de cellules Hela à l'aide d'un spectromètre de masse avec FAIMS ont amélioré le rapport signal sur bruit (S/N) et réduit les ions interférents, ce qui a entraîné une augmentation du taux d'identification des peptides de plus de 42 %. FAIMS est également combiné avec le fractionnement ionique segmenté (SIFT), qui utilise tour à tour une fenêtre de 100 ~ 300 m/z au lieu de la large plage traditionnelle (700 ~ 800 m/z), augmentant ainsi la profondeur de la couverture protéomique tout en réduisant la proportion de spectres MS/MS chimériques de 50% à 27%. Dans l'analyse quantitative, nous démontrons l'application de FAIMS pour améliorer les mesures quantitatives lorsque le marquage peptidique isobare est utilisé. Par rapport aux expériences LC-MS/MS conventionnelles, la combinaison des expériences FAIMS et SIFT réalisées sur un modèle à deux protéomes a montré une amélioration de 65 % de la précision des mesures quantitatives. Les digestions tryptiques d'extraits protéiques de différentes lignées cellulaires du cancer colorectal ont été utilisées pour l'évaluation de stratégie combinée FAIMS et SIFT sur un spectromètre de masse Orbitrap Exploris 480™ offre un gain d'identification de 70 % par rapport à l'approche conventionnelle et combinée aux données transcriptomiques elle facilite l’identification de variants protéiques. / The sensitivity and depth of proteomic analysis in mass spectrometry (MS) is limited by isobaric ions and interferences that hinder the identification of low-abundance peptides. For high complexity samples, extensive separation is often required to expand proteomic coverage. In recent years, high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) has gained popularity in the field of proteomics for its ability to resolve confounding ions, improve peak capacity, and sensitivity. This thesis presents the integration of a FAIMS Pro™ interface with electrical and gas embedded connections to a Q-Exactive HF™ as well as an Orbitrap Exploris 480™ mass spectrometer. Proteomic experiments on tryptic digests of HeLa cell line using a FAIMS integrated mass spectrometer improved signal-to-noise ratio (S/N) and reduced the occurrence of interfering ions. This enabled a 42% increase in peptide identification rate. Also, FAIMS was combined with segmented ion fractionation (SIFT), which in turn scans with windows of 100~300 m/z width instead of the traditional width (700~800 m/z), further increasing the depth of proteome coverage by a reducing from 50% to 27% in terms of MS/MS chimeric spectra numbers. The application of FAIMS gain improvement on quantitative measurements with TMT labeling method is presented. Compared to conventional LC-MS/MS tests, the combination of FAIMS and SIFT experiments showed a improvement by 65% in quantitative accuracy when performed on a human-yeast two-proteome model. As an application of the method, the tryptic digests from different colorectal cancer cell lines were used for the evaluation. FAIMS-SIFTcombined strategy on an Orbitrap Exploris 480™ mass spectrometer provides a 70% gain in identification compared to the conventional LC-MS/MS approach for the same sample amount and instrument time. This enhanced sensitivity facilitates single amino acid mutations confirmed by RNAseq analyses.

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.