Ubiquitin modification and its perception by the MHC class I antigen processing pathway

Abstract

It is more than forty years since it was described that MHC class I molecules bind and present peptides to CD8+ T cells, yet it is only recently that the pathway for processing and delivering peptides for MHC class I complexes has begun to be unraveled. It is now well appreciated that most of the MHC class I-restricted peptides derive from the degradation of proteins by the ubiquitin-proteasome system (UPS). In this process, proteins are tagged with a small protein called ubiquitin for subsequent degradation by 26S proteasome complexes. This allows the generation of peptides which are subsequently transported into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) where they bind to MHC class I molecules before being transported to the cell surface. Depending on the origin of antigens, the MHC class I processing pathway may be referred to as direct or cross-presentation. By convention, the term direct presentation (or direct priming) applies to antigens of endogenous origin, while cross-presentation (or cross-priming) is restricted to exogenous antigens. It is assumed that MHC class I cross-presentation is restricted to a subset of immune cells capable of phagocytosis including dendritic cells (DC), whereas direct MHC class I antigen presentation occurs as a consequence of protein homeostasis in almost all nucleated cells of the body. Although the regulation of MHC class I antigen processing by proteasomes is well documented, the mechanisms controlling the selection of antigens for ubiquitin modification as well as their trafficking and recognition by proteasomes remain poorly understood. To close this gap of knowledge, our aim in this work was to unveil the events of the MHC class I processing pathway taking place upstream antigen breakdown by proteasomes. Interestingly, our data reveal that the supply of MHC class I-restricted peptides by the UPS is not restricted to antigens bearing ubiquitin modifications. Here, we identified the ubiquitin- like protein HLA-F-adjacent transcript 10 (FAT10) as an efficient and alternative signal for MHC class I antigen presentation. In this process, FAT10-marked antigens are shuttled to the 26S proteasome by the ubiquitin- binding proteins NEDD8 ultimate buster (NUB) 1 and/or NUB1 long (NUB1L) for degradation, leading to the generation of fully functional MHC class I epitopes. We also report the Rpn10 subunit of the 19S regulator particle as a universal receptor for ubiquitin- and FAT10-modified proteins, thereby allowing their recognition by proteasomes prior to their processing into MHC class I-restricted peptides. Finally, our data support a role the ER- associated degradation machinery (ERAD) in the MHC class I antigen processing pathway whereby p97/VCP ensures the extraction of antigens from the ER in direct priming and ER-like vesicles in cross-priming into the cytoplasm for subsequent degradation by proteasomes. Altogether, our data describe the identification of a novel inducible FAT10/NUB1(L)/Rpn10 route for MHC class I presentation and report p97/VCP as an ERAD protein functioning at the interface of the direct and cross-presentation pathways. Future work will attempt to determine the precise contribution of these components to the mounting of cytotoxic T cell responses in vivo.

Vor etwa 40 Jahren wurde von R.M. Zinkernagel und P.C. Doherty festgestellt, dass die Funktion der MHC Klasse I Moleküle darin besteht, bestimmte Peptidfragmente zu binden und diese den CD8 T Zellen zu präsentieren. Jedoch erst zwanzig Jahre später wurden die zellulären Mechanismen der Synthese solcher MHC Klasse I Peptide aufgeklärt. Es ist heute allgemein bekannt, dass MHC Klasse I Liganden von Proteinen stammen, die durch das Ubiquitin-Proteasom System (UPS) abgebaut wurden. Bei diesem Prozess werden Proteine mit dem kleinen Molekül Ubiquitin markiert, bevor deren Abbau durch das 26S Proteasom erfolgt. Die generierten Peptide gelangen dann ins Endoplasmatische Retikulum (ER), wo sie nach weiterer Prozessierung an MHC Klasse I Moleküle binden. Die beladenen MHC-Komplexe werden wiederum an die Zelloberfläche transportiert, um die Peptide für die Erkennung durch Zytotoxische CD8 T Zellen zu präsentieren. Je nachdem, ob die zu prozessierenden Antigene einen intra- oder extrazellulären Ursprung aufweisen, wird der Vorgang der Antigenpräsentation als Direkt- oder Kreuzpräsentation bezeichnet. Während alle kernhaltigen Zellen befähigt sind, endogene Peptide im Verlauf der Proteinhomöostase zu präsentieren, sind an der Kreuzpräsentation von exogenen Antigenen hauptsächlich die dendritischen Zellen (DC) beteiligt. Obwohl die Rolle des Proteasoms in der Generierung von MHC Klasse I Peptiden mittlerweile besonders gut dokumentiert ist, sind die Mechanismen der Antigenmodifizierungen mit dem Ubiquitin sowie deren Transport und Erkennung durch das Proteasom bislang nicht im Detail verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Ereignisse der MHC Klasse I Antigenpräsentation vor dem proteasomalen Abbau untersucht. Unsere Daten zeigen, dass eine Ubiquitin-Modifizierung für die MHC Klasse I Präsentation keine Voraussetzung darstellt, da das Ubiquitin-ähnliche Protein HLA-F-adjacent transcript 10 (FAT10) die Rolle vom Ubiquitin übernehmen kann. Bei diesem Weg werden FAT10-markierte Proteine mit Hilfe der Ubiquitin-bindenden Proteine NUB1 und NUB1L bis zum Proteasom transportiert, wobei die Erkennung durch die proteasomale Untereinheit Rpn10 stattfindet. FAT10 war mindestens genauso effektiv wie das Ubiquitin für die nachfolgende Erzeugung von MHC Klasse I Peptiden. In dieser Arbeit wird auch die ER- associated degradation machinery (ERAD) als Kernkomponente der MHC Klasse I Antigenpräsentation identifiziert, wobei das Ubiquitin-bindende Protein p97/VCP eine kritische Rolle spielt. Bei diesem Prozess scheint p97/VCP dafür verantwortlich zu sein, dass Antigene vom ER oder von ER-ähnlichen Vesikeln zum Zytosol transportiert werden. Allerdings unterscheidet der ERAD Komplex nicht, ob Antigene aus dem intra- oder extrazellulären Raum stammen und erweist sich insofern wichtig sowohl bei der Direktpräsentation als auch bei der Kreuzpräsentation. Auf Basis der ermittelten Daten lässt sich der Ablauf der MHC Klasse I Antigenpräsentation durch die neuen Komponenten FAT10, NUB1(L), Rpn10 und p97/VCP ergänzen. Der genaue Beitrag jedes einzelnen Faktors zur Entstehung einer CD8 T-Zell vermittelten Immunantwort sollte in zukünftigen Experimenten daher näher untersucht werden.