Suitability of the TEL-AML1 chromosomal translocation for targeting by adoptive T cell therapy of leukemia: an investigation in a novel humanized mouse model

Abstract

Adoptive therapy with T cell receptor (TCR)-engineered T cells is a promising approach in cancer treatment. While usage of T cells specific for tumor- associated antigens (TAAs) can lead to serious side effects due to autoimmunity, targeting true tumor-specific mutations, such as the products of translocations in leukemias, should reduce such risk. A potentially ideal target might be the chimeric protein TEL-AML1, which results from the chromosomal translocation 12;21 and represents the most common fusion gene in childhood B cell precursor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL). Within the fusion region of TEL-AML1, a single epitope has been described by reverse immunology as immunogenic in HLA-A*0201 restriction settings. Engineering T cells with a TCR, which would specifically recognize the epitope, should enable design of a widely applicable adoptive cell therapy protocol. As a potential source of TCRs specific for the TEL-AML1 epitope we have used a novel mouse model, termed ABabDII, expressing a human TCR-αβ repertoire and human major histocompatibility complex (MHC) class I. In order to show that ABabDII mice present a valid model for investigation of human HLA-A*0201-restricted T cell epitopes, we tested if they could mount specific functional responses against some previously characterized epitopes derived from human tumor antigens. Specific responses could indeed be induced, arguing for existence of a functionally diverse human TCR repertoire in these mice. Additionally, we showed that effector T cells differentiating in the mice were functional, bona fide cytotoxic T lymphocytes (CTLs). Finally, we confirmed that ABabDII mice, as shown previously for other murine models, were capable of correctly processing human HLA-A*0201-restricted epitopes. Therefore, we propose ABabDII mice as a suitable model for testing immunogenicity of human HLA-A*0201-restricted epitopes. The described TEL-AML1 peptide, however, could not prime specific CTLs in ABabDII mice, the most probable reason being its unexpectedly low HLA-A*0201-binding affinity. This problem could be overcome by modifying an anchor-residue. The modification rendered the peptide immunogenic and the induced effectors retained the specificity for the native TEL-AML1 peptide. Surprisingly, however, we found that although specific functional CD8+ T cell responses against the peptide could be evoked, the described epitope was in fact not endogenously processed. Analyses done with a potent antigen presenting cell line, as well as with purified human proteasomes, support the conclusion that this peptide cannot be proposed as a potential target in immunotherapy of ALL in HLA-A*0201-restricted fashion. Further investigation showed that the TEL-AML1 fusion comprises no other HLA-A*0201-restricted epitopes, hence cannot be recognized as foreign by HLA-A*0201-restricted CTLs. Alternative target molecules for immunotherapy of BCP-ALL, possibly some of the newly characterized ALL-specific mutations should be considered. Based on our findings presented here, we propose that inducing specific CTLs might not be the limiting step in determining antigenic potential of such tumor-specific mutations. Testing whether a putative epitope would be naturally processed and presented for efficient recognition by specific effectors should, therefore, be performed with a relatively high specificity threshold set, to enable identification of genuine targets suitable for therapy.

Adoptive Therapie mit T-Zellrezeptor (TCR, engl. T cell receptor)-gentechnisch ausgestatteten T-Zellen ist eine vielversprechende Krebsbehandlungsmethode. Die Verwendung von T-Zellen, die spezifisch für Tumor-assoziierte Antigene sind, kann jedoch zu ernsthaften Nebenwirkungen durch Autoimmunreaktion führen. Hingegen sollte ein Ansatz, bei dem man auf Tumor-spezifische Antigene, wie beispielsweise Produkte von Chromosomentranslokationen in Leukämien, abzielt, dieses Risiko reduzieren. Ein potentiell ideales Zielantigen könnte das chimäre Protein TEL-AML1 sein, das durch die Chromosomentranslokation 12;21 entsteht und das häufigste Fusionsgen in pädiatrischer Precursor-B-Zell-akuter-lymphoblastischer-Leukämie (BCP-ALL, engl. B cell precursor acute lymphoblastic leukemia) ist. Mittels “reverser Immunologie” ist innerhalb der TEL-AML1-Fusionsregion ein einziges Epitop beschrieben worden. Die Erkennung dieses Epitops war HLA-A*0201-restringiert. Gentechnische Ausstattung von T-Zellen mit einem TCR, der dieses Epitop spezifisch erkennt, sollte ein breit anwendbares Protokoll für adoptive Zelltherapie ermöglichen. Als potentielle Quelle eines solchen TEL-AML1 -Epitop-spezifischen TCR haben wir ein neues Mausmodell (ABabDII genannt) verwendet, das ein humanes TCR-αβ-Repertoire und humane Haupthistokompatibilitätskomplex-Klasse-I (MHC class I, engl. major histocompatibility complex) Moleküle ausprägt. Um zu zeigen, dass ABabDII Mäuse ein geeignetes Modellsystem für Untersuchungen humaner HLA-A*0201-restringierter T-Zell-Epitope sind, haben wir analysiert, ob spezifische funktionelle Reaktionen gegen bekannte humane Tumorantigen- abgeleitete Epitope in den Mäusen ausgelöst werden können. Spezifische Reaktionen gegen diese Antigene konnten tatsächlich induziert werden, was dafür spricht, dass ABabDII Mäuse ein funktionell diverses Repertoire ausprägen. Außerdem konnten wir zeigen, dass Effektor-T-Zellen, die in den Mäusen differenzieren, funktionelle, bona fide zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs, engl. cytotoxic T lymphocytes) sind. Schließlich haben wir bestätigt, dass ABabDII Mäuse fähig sind, humane HLA-A*0201-restringierte Epitope korrekt zu prozessieren. Deshalb schlagen wir vor, dass ABabDII Mäuse ein geeignetes Modell darstellen, die Immunogenität von humanen HLA-A*0201-restringierten Epitopen zu untersuchen. Das beschriebene TEL-AML1 Epitop konnte jedoch keine spezifischen CTLs in ABabDII Mäusen auslösen, vermutlich wegen der unerwartet niedrigen HLA-A*0201-Bindungsaffinität. Die Einführung einer Anker-Aminosäure erhöhte die Immunogenität des Peptids. Die induzierten Effektor-T-Zellen behielten die Spezifität für das native Peptid. Überraschenderweise, obwohl spezifische funktionelle CD8+ T-Zell-Antworten gegen das Peptid induziert werden konnten, haben wir gefunden, dass das beschriebene Epitop nicht endogen prozessiert wird. Analysen, die sowohl mit effektiven Antigen-präsentierenden Zellen als auch mit gereinigten humanen Proteasomen durchgeführt wurden, befürworteten die Schlußfolgerung, dass dieses Peptid als potentielles HLA-A*0201-restringiertes Zielantigen für Immuntherapie nicht vorgeschlagen werden kann. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass das TEL-AML1 Fusionsprotein keine anderen HLA-A*0201-restringierten Epitope enthält, daher wird diese Mutation nicht als Fremdantigen von HLA-A*0201-restringierten CTLs erkannt. Alternative Ziel-Moleküle für eine BCP-ALL-Immuntherapie, eventuell solche kürzlich charakterisierter ALL-spezifischer Mutationen, könnten in Betracht gezogen werden. Aufgrund der hier präsentierten Ergebnisse schlagen wir vor, dass das Auslösen spezifischer CTLs kein limitierender Faktor bei der Immunogenitätsbestimmung solcher Tumor-spezifischer Mutationen sein sollte. Analysen, die zeigen sollten, ob das mutmaßliche Epitop endogen prozessiert und präsentiert wird, um effizient von spezifischen Effektoren erkannt zu werden, sollten deshalb mit einer hohen Spezifitätsschwelle durchgeführt werden. Dies sollte ermöglichen, geeignete Zielantigene für adoptive T-Zelltherapie zu identifizieren.