Conformational variability of MHC class I molecules

Abstract

Major histocompatibility complex (MHC; human leukocyte antigen (HLA) complex in humans) class I molecules are responsible for pathogen detection and transplant rejection, and play a key role in immune surveillance by presenting antigens derived from endogenous proteins to effector cells such as cytotoxic T cells (CTL). The successful recognition of MHC molecules and the presented antigens by receptors located on effector cells such as T cell receptors (TCR) or killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR), elicits appropriate immune responses by these cells. Despite extensive cellular, biochemical and structural studies of the interaction of peptide-MHC complexes (pMHC) with effector cells, the molecular basis for these interactions is still insufficiently understood. The major focus of this doctoral work was to study the conformational variability of MHC class I molecules due to polymorphism, differences in the residues of the bound peptides, post-translational modification of the bound peptides and ligand binding, and to relate the variability with the relevant biological functions of the MHC class I molecules. A comparative analysis of peptide presentation by two human disease-associated MHC subtypes, HLA-B14 and HLA-B27, was performed with the aim of understanding the role of MHC polymorphism in peptide presentation by distantly related MHC alleles. The crystal structures of the common self- ligand pCatA (IRAAPPPLF, derived from cathepsin A) in complex with B*1402, B*2705 and B*2709 show the peptide bound in nearly identical conformations by the three HLA-B subtypes, whereas the crystal structures of the viral-ligand pLMP2 (RRRWRRLTV, derived from Epstein-Barr virus latent membrane protein 2) in complex with B*1402, B*2705 and B*2709 reveal that the viral peptide is bound in drastically different conformations by all three HLA-B subtypes. The similarities in conformations of pCatA in the three HLA-B subtypes suggest that TCR of alloreactive CTL may find similar docking points on the three pCatA complexes, whereas due to the differential binding of pLMP2 to the three subtypes, TCR will likely be unable to find similar docking points on the three pLMP2 complexes. These results provide a structural basis for T cell alloreactivity due to similarities in binding modes of common peptide ligands by different MHC molecules.

Klasse I Moleküle des Haupthistokompatibilitätskomplexes (major histocompatibility complex (MHC); Humaner Leukozyten Antigen (HLA) Komplex beim Menschen) sind für die Erkennung von Krankheitserregern und die Abstoßung von Transplantaten von ausschlaggebender Bedeutung, und spielen bei der immunologischen Überwachung eine wichtige Rolle durch die Präsentation von Antigenen körpereigener Proteine gegenüber Effektor-Zellen wie zytotoxischen T-Zellen (CTL). Die erfolgreiche Erkennung von MHC-Molekülen mitsamt den von ihnen präsentierten Antigenen durch Membranrezeptoren von Effektorzellen wie T-Zellrezeptoren (TCR) oder Killerzell-Igähnlichen Rezeptoren (KIR), lösen Immunreaktionen in diesen Zellen aus. Trotz umfangreicher zellulärer, biochemischer und struktureller Untersuchungen der Interaktionen von Peptid- MHC-Komplexen (pMHC) mit Effektorzellen, ist unser Verständnis über die molekulare Grundlage dieser Wechselwirkungen noch immer lückenhaft. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit war es, die konformationelle Variabilität der MHC-Klasse-I-Moleküle durch ihren Polymorphismus, durch Unterschiede bei den Aminosäuren der gebundenen Peptide, durch post-translationale Änderungen der gebundenen Peptide und durch die Ligandenbindung zu untersuchen, und diese Variabilität mit relevanten biologischen Funktionen der MHC-Klasse-IMoleküle in Verbindung zu bringen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine vergleichende Analyse der Peptid-Präsentation zweier menschlicher Krankheits-assoziierter MHC-Subtypen (HLA-B14 und HLA-B27) durchgeführt. Diese Analyse hatte zum Ziel, die Rolle des MHC Polymorphismus bei der Präsentation von entfernt verwandten MHC Allelen zu verstehen. Die Kristallstrukturen des Selbstliganden pCatA (IRAAPPPLF, von Cathepsin A abgeleitet) im Komplex mit B*1402, B*2705 und B*2709 zeigen, dass das Peptid von den drei HLAB- Subtypen in nahezu identischen Konformationen gebunden wird, während die Kristallstrukturen des viralen Liganden pLMP2 (RRRWRRLTV, von Epstein-Barr-Virus, latent membrane protein 2, abgeleitet) im Komplex mit B*1402, B*2705 und B*2709 belegen, dass das virale Peptid in drastisch unterschiedlichen Konformationen von den drei HLA-B-Subtypen gebunden wird. Die Ähnlichkeiten der pCatA Konformationen der drei HLA-B-Subtypen deuten darauf hin, dass der TCR alloreaktiver CTL ähnliche Docking-Punkte bei den drei pCatA Komplexen nützt. Dies ist nicht der Fall für die drei pLMP2 Komplexe, die aufgrund der unterschiedlichen Bindung von pLMP2 an die drei Subtypen einem TCR wahrscheinlich keine ähnlichen Docking-Punkte bieten können. Diese Ergebnisse liefern eine strukturelle Grundlage für die T -Zelle-Alloreaktivität im HLA-B14/HLA-B27 System.