Structural, biophysical and evolutionary aspects of chicken MHC class I molecules

Abstract

One of the most interesting features that separates chicken from most mammalian immune systems investigated so far is that its major histocompatibility complex (MHC) maps to two genetically unlinked regions on the same chromosome. The core MHC has been termed MHC-B, while the other region is called MHC-Y. Each of the regions harbours two MHC class I loci of which only one is dominantly expressed, i.e. BF2 and YF1, respectively. BF2 has been studied extensively but much less is known about the YF1 molecule. The major focus of this work was to understand the possible function of YF1 molecule in the chicken immune system. The first part of this dissertation describes the structural and biochemical analyses of the chicken YF1*7.1 molecule. The high resolution YF1*7.1 structures possess the typical architecture of a classical MHC class I molecule but contain a hydrophobic groove binding non-peptidic ligands. Only polyethyleneglycol (PEG) could be modelled into the electron density within the binding groove although self- lipids were added during complex formation. However, lipid-binding assay using native isoelectric focusing revealed that YF1*7.1 is also able to bind bacterial lipids, a feature that is unprecedented among classical MHC class I molecules. This lipid-presenting molecule might aid the chicken immune system to recognize a diverse ligand repertoire with a minimal number of MHC class I molecules. Furthermore, comparison of YF1*7.1 to other MHC class I structures revealed a structural feature in chickens that appears to be shared by non- mammalian but not by mammalian vertebrates. The second part of this work focuses on β2-microglobulin (β2m) and its evolutionary role in stabilizing a wide range of MHC class I and class I-like heavy chains (HC). The biophysical characterization and comparison of free chicken β2m to monomeric β2m of other vertebrates showed that chicken β2m is structurally nearly identical but thermodynamically different to β2m of other species so far investigated. This is likely due to fewer intra-molecular contacts within this molecule. A comparison of the free and HLA-B*27:05 HC-bound human β2m in solution reveals a number of β2m residues involved in interface interactions exhibiting considerable dynamics in the unbound form, but gaining stability upon binding to the HC. The analyses of molecular interactions in selected MHC class I and class I-like molecules associated with β2m reveals a number of conserved β2m- HC contacts established by residues that are retained from mammals to chicken. The presence of these evolutionarily conserved interface interactions demonstrate that they are crucial for the stabilization of all MHC class I complexes. Additionally, these analyses identified β2m-HC interactions that are characteristic for a particular vertebrate taxon or a specific group of molecules. The last part of this dissertation describes an optimized procedure and examples of embedding 3D models of macromolecular structures into electronic Portable Document Format (PDF) files for scientific publication. Interactive PDF-embedded 3D models are especially useful to present complex and diminutive structural details. This feature facilitates readers without prior knowledge of 3D manipulation programs to visualize images discussed within an article in 3D, that are otherwise difficult to be shown in a conventional 2D publication.

Eines der interessantesten Merkmale, welches das Immunsystem von Hühnern von dem der meisten Säugetiere unterscheidet, ist die Tatsache, dass der Haupthistokompatibilitätskomplex (major histocompatibility complex oder MHC) in zwei genetisch unverbundenen Regionen desselben Chromosoms liegt. Der Kern- MHC-Bereich wird MHC-B, der andere MHC-Y genannt. Jeder der beiden Bereiche beinhaltet zwei MHC-Klasse-I-Loci, von denen jeweils nur einer dominant exprimiert wird (z.B. BF2 und YF1). BF2 wurde bereits gut untersucht, während über das YF1-Molekül fast nichts bekannt war. Der Hauptfokus dieser Arbeit bestand darin, die potentielle Rolle von YF1 im Immunsystem von Hühnern zu verstehen. Der erste Teil dieser Dissertation beschreibt die strukturelle und biochemische Analyse des Hühner-YF1*7.1-Moleküls. Die hochaufgelöste Röntgenkristallstruktur von YF1*7.1 zeigt die typische Architektur eines klassischen MHC-Klasse-I-Komplexes. Das Molekül weist aber eine hydrophobe Bindungsgrube auf, welche nicht-peptidische Liganden bindet. Nur Polyethylenglykol (PEG) konnte in die Elektronendichte in der Bindungsgrube modelliert werden, obwohl Eigen-Lipide während der Komplexbildung hinzugegeben wurden. Mittels eines Lipid-Bindungsassays, der auf nativer isoelektrischer Fokussierung basiert, konnte jedoch gezeigt werden, dass auch YF1*7.1 in der Lage ist, bakterielle Lipide zu binden. Diese Eigenschaft wurde noch nie für klassische MHC-Klasse-I-Moleküle beschrieben. Dieses Lipid-bindende Molekül könnte dem Hühner-Immunsystem helfen, eine maximale Diversität von Liganden mit einer minimalen Anzahl an MHC-Klasse-I-Molekülen präsentieren zu können. Darüberhinaus führte der Vergleich von YF1*7.1 mit anderen MHC- Klasse-I-Strukturen zur Identifizierung eines Strukturmerkmals, welches alle klassischen MHC-Klasse-I Moleküle von Nicht-Säugern gemeinsam zu haben scheinen. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf β2-Mikroglobulin (β2m) und seine evolutionäre Rolle bei der Stabilisierung einer großen Vielfalt von klassischen und nicht-klassischen MHC-Klasse-I-Molekülen. Die biophysikalische Charakterisierung und der Vergleich von ungebundenem Hühner- β2m mit anderen Vertebraten-β2m-Molekülen zeigte eine strukturell fast komplette Übereinstimmung, ergab aber thermodynamische Unterschiede. Dies könnte an der geringeren Anzahl intramolekularer Kontakte im Hühner-β2m liegen. Der Vergleich des freien und an die schwere Kette (heavy chain, HC) gebundenen menschlichen β2m in Lösung zeigt, dass einige β2m-Aminosäurereste, welche an Interface-Wechselwirkungen beteiligt sind, in der freien Form eine deutliche Dynamik aufweisen, jedoch nach HC-Bindung stabilisiert werden. Die Untersuchung der molekularen Interaktionen bei ausgewählten klassischen und nicht-klassischen MHC-Klasse-I Molekülen, die β2m binden, enthüllte mehrere konservierte Kontakte zwischen β2m und HC, die durch Aminosäuren gebildet werden, welche von Säugern bis zu Hühnern erhalten geblieben sind. Die Präsenz solcher evolutionär konservierten Interface-Wechselwirkungen zeigt, dass sie sehr wichtig für die Stabilisierung aller MHC-Klasse-I-Komplexe sein müssen. Zusätzlich konnten diese Untersuchungen β2m-HC-Wechselwirkungen identifizieren, die spezifisch für eine bestimmte Tierklasse, Spezies oder Molekülgruppe sind, eine Eigenschaft, welche sich auch mit den evolutionären Entwicklungen oder den biologischen Funktionen der jeweiligen Moleküle in Übereinstimmung befindet. Der letzte Teil dieser Dissertation beschreibt ein optimiertes Vorgehen, um interaktiv manipulierbare dreidimensionale (3D) Modelle von makromolekularen Strukturen in elektronische Portable Document Format (PDF) Dateien für wissenschaftliche Publikationen einzubetten. Derartige Modelle sind besonders nützlich, um komplexe strukturelle Details zu veranschaulichen, insbesondere auch vergleichend. Durch diese Herangehensweise können Leser, welche 3D-Bearbeitungsprogramme für Kristallographen nicht beherrschen, die in einem Artikel diskutierten Bilder direkt in 3D ansehen, was in einer konventionellen 2D-Publikation nicht möglich ist.