Single-cell sequencing and target identification of clonally expanded T cells in neoplasms of the B-cell lineage and aplastic anemia

Abstract

T cells play a key role in the development, progression and therapy of malignant tumors and autoimmune diseases. The aim of this work is to determine T-cell function and specificity in malignancies and autoimmune diseases of the hematopoietic system. The underlying hypothesis is that disease-associated T cells are clonally expanded and exhibit features of functional inhibition in malignant diseases and cytotoxic activity in autoimmune diseases. To investigate our hypothesis, we focus on two hematologic B-lineage malignancies with characteristic yet different microenvironments (multiple myeloma and Hodgkin lymphoma) and a putative T-cell-triggered autoimmune disease (aplastic anemia). The exact determination of T-cell function and specificity is only possible at the single-cell level. We show that infiltrating T cells in multiple myeloma and Hodgkin lymphoma expand oligoclonally and only rarely express immune checkpoint molecules. In multiple myeloma, we also determine the specificities of dominant T-cell clones and show that they predominantly do not recognize antigens on myeloma cells. Bone marrow-infiltrating T cells in acquired aplastic anemia show oligoclonal expansion, cytotoxic differentiation and are able to specifically eliminate hematopoietic progenitor cells. The T-cell-driven destruction of hematopoietic progenitor cells is based on target structures derived from molecular mimicry of epitopes of persistent viral infections. The results of this work contribute to a better understanding of the role of tumor-infiltrating lymphocytes in hematologic malignancies and provide experimental background for the successes and failures of therapeutic immune checkpoint blockade. In the case of aplastic anemia, we present experimental evidence for the existence of autoreactive T-cell clones that specifically eliminate hematopoietic progenitor cells. Our data form the basis for a new disease concept in which virus-associated antigens may trigger autoreactive T-cell responses.

T-Zellen spielen eine zentrale Rolle bei Entstehung, Verlauf und Therapie von bösartigen Tumoren und Autoimmunerkrankungen. Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung von T-Zell-Funktion und Spezifität in bösartigen Erkrankungen und Autoimmunerkrankungen der Hämatopoese. Die zugrundeliegende Hypothese lautet, dass krankheitsassoziierte T-Zellen klonal expandiert sind und bei Tumorerkrankungen Merkmale der funktionellen Inhibition, bei Autoimmunerkrankungen der zytotoxischen Aktivität aufweisen. Zur Untersuchung unserer Hypothese fokussieren wir uns auf zwei hämatologische Neoplasien der B-Zell-Linie mit charakteristischer, aber sehr unterschiedlicher Mikroumgebung (Multiples Myelom und Hodgkin Lymphom) und eine mutmaßlich T-Zell-getriggerte Autoimmunerkrankung (aplastische Anämie). Die exakte Bestimmung von T-Zell-Funktion und Spezifität ist nur auf Einzelzellebene möglich. Wir zeigen, dass infiltrierende T-Zellen beim Multiplen Myelom und Hodgkin Lymphom oligoklonal expandieren und nur selten Immuncheckpoint-Moleküle exprimieren. Beim Multiplen Myelom bestimmen wir zudem die Spezifitäten dominanter T-Zell-Klone und zeigen, dass diese überwiegend keine Antigene auf Myelom Zellen erkennen. Knochenmarkinfiltrierende T-Zellen bei der erworbenen aplastischen Anämie zeigen ebenfalls oligoklonale Expansion, zytotoxische Differenzierung und sind in der Lage, spezifisch hämatopoetische Vorläuferzellen zu eliminieren. Der T-Zell-getriebenen Zerstörung hämatopoetischer Vorläuferzellen liegen Zielstrukturen zugrunde, die sich durch molekulare Mimikry von Epitopen persistierender Virusinfektionen ableiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit verbessern unser Verständnis der Rolle tumorinfiltrierender Lymphozyten bei hämatologischen Neoplasien und bieten experimentellen Hintergrund für Erfolge und Misserfolge therapeutischer Immuncheckpoint-Blockade. Im Falle der aplastischen Anämie bestätigen wir experimentell die lange vermutete Existenz von au toreaktiven T-Zell-Klonen, die spezifisch hämatopoetische Vorläuferzellen eliminieren. Unsere Daten bilden die Basis für ein neues Krankheitskonzept, bei dem Virus-assoziierte Antigene potenzielle Auslöser autoreaktiver T-Zell-Reaktionen darstellen.