Ciblage exosomal et effet de HLA-DM sur la présentation antigénique par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe II

Les molécules du complexe majeur d'histocompatibilité de classe II (CMH II) sont exprimées exclusivement à la surface des cellules présentatrices d'antigènes et servent à stimuler les cellules CD4+ initiant une réponse immunitaire. Le chargement peptidique sur HLA-DR se produit dans les endosomes tardifs et les lysosomes sous l'action de HLA-DM. Cette molécule de classe II non-classique enlève les fragments peptidiques de la chaîne invariante (Ii) restés associés aux molécules de classe II (CLIP) et édite leur répertoire d'antigènes présentés. En utilisant une forme mutante de HLA-DM (HLA-DMy) qui s'accumule à la surface plasmique, nous avons observé que HLA-DMy augmente les chargements de peptides exogènes et aussi la réponse des cellules T en comparaison avec HLA-DM sauvage. Il a été démontré que des molécules chimiques, comme le n-propanol, pouvait avoir le même effet que HLA-DM en remplaçant les peptides associés aux molécules de classe II de la surface cellulaire. De plus, HLA-DMy et le n-propanol ont présenté un effet additif sur la présentation de peptides exogènes. Certaines protéines de la voie endocytique, comme HLA-DR, HLA-DM, HLA-DO et Ii sont ciblés aux compartiments multivésiculaires (MVB) et peuvent être ciblées aux exosomes. Suite à une fusion entre les MVB et la membrane plasmique, les exosomes sont relâchés dans le milieu extracellulaire. Nous avons déterminé que le motif tyrosine de HLA-DMβ et son interaction avec HLA-DR n'affectaient pas le ciblage aux exosomes, sauf la molécule HLA-DO. Cette étude nous a permis de démontrer que HLA-DMy augmente la quantité de peptides exogènes chargés sur les CPA et que HLA-DM et HLA-DMy sont incorporés dans les exosomes.

Interaction between HLA-DM and HLA-DR involves regions that undergo conformational changes at lysosomal pH

Antigenic peptide loading of major histocompatibility complex class II molecules is enhanced by lysosomal pH and catalyzed by the HLA-DM molecule. The physical mechanism behind the catalytic activity of DM was investigated by using time-resolved fluorescence anisotropy (TRFA) and fluorescence binding studies with the dye 8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid (ANS). We demonstrate that the conformations of both HLA-DM and HLA-DR3, irrespective of the composition of bound peptide, are pH sensitive. Both complexes reversibly expose more nonpolar regions upon protonation. Interaction of DM with DR shields these hydrophobic domains from the aqueous environment, leading to stabilization of the DM and DR conformations. At lysosomal pH, the uncovering of additional hydrophobic patches leads to a more extensive DM–DR association. We propose that DM catalyzes class II peptide loading by stabilizing the low-pH conformation of DR, favoring peptide exchange. The DM–DR association involves a larger hydrophobic surface area with DR/class II-associated invariant chain peptides (CLIP) than with stable DR/peptide complexes, explaining the preferred association of DM with the former. The data support a release mechanism of DM from the DM–DR complex through reduction of the interactive surface, upon binding of class II molecules with antigenic peptide or upon neutralization of the DM–DR complex at the cell surface.

Kinetic analysis of peptide loading onto HLA-DR molecules mediated by HLA-DM.

The nonclassical major histocompatibility complex class II molecule HLA-DM (DM) has recently been shown to play a central role in the class II-associated antigen presentation pathway: DM releases invariant chain-derived CLIP peptides (class II-associated invariant chain protein peptide) from HLA-DR (DR) molecules and thereby facilitates loading with antigenic peptides. Some observations have led to the suggestion that DM acts in a catalytic manner, but so far direct proof is missing. Here, we investigated in vitro the kinetics of exchange of endogenously bound CLIP for various peptides on DR1 and DR2a molecules: we found that in the presence of DM the peptide loading process follows Michaelis-Menten kinetics with turnover numbers of 3-12 DR molecules per minute per DM molecule, and with KM values of 500-1000 nM. In addition, surface plasmon resonance measurements showed that DM interacts efficiently with DR-CLIP complexes but only weakly with DR-peptide complexes isolated from DM-positive cells. Taken together, our data provide evidence that DM functions as an enzyme-like catalyst of peptide exchange and favors the generation of long-lived DR-peptide complexes that are no longer substrates for DM.

Identification of the HLA-DM/HLA-DR interface

Human leukocyte antigen (HLA)-DM is a critical participant in antigen presentation that catalyzes the dissociation of the Class II-associated Invariant chain-derived Peptide (CLIP) from the major histocompatibility complex (MHC) Class II molecules. There is competition amongst peptides for access to an MHC Class II groove and it has been hypothesised that DM functions as a 'peptide editor' that catalyzes the replacement of one peptide for another within the groove. It is established that the DM catalyst interacts directly with the MHC Class II but the precise location of the interface is unknown. Here, we combine previously described mutational data with molecular docking and energy minimisation simulations to identify a putative interaction site of >4000A2 which agrees with known point mutational data for both the DR and DM molecule. The docked structure is validated by comparison with experimental data and previously determined properties of protein-protein interfaces. A possible dissociation mechanism is suggested by the presence of an acidic cluster near the N terminus of the bound peptide.

Caractérisation des molécules non-classiques du complexe majeur d'histocompatibilité humain HLA-DM et HLA-DO

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation des molécules non-classiques du complexe majeur d'histocompatibilité humain HLA-DM et HLA-DO

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation structurale de la molécule HLA-DO

Les molécules classiques du CMH de classe II présentent des peptides antigéniques aux lymphocytes T CD4+. Cette présentation est régulée par deux molécules non classiques : HLA-DM catalyse la relâche de CLIP et le chargement de peptides et HLA-DO module l’activité de DM. Une expression insuffisante en cellules d’insectes empêche les expériences de cristallisation de DO, probablement en raison de sa conformation, rendant DO instable et inapte à sortir du réticulum endoplasmique (RE). DM corrige la conformation de DO et permet sa sortie du RE. Aussi, par ses ponts disulfures uniques, DM adopte une conformation stable et peut sortir du RE sans lier d’autre molécule. Nous avons tenté de corriger la conformation de DO en introduisant des cystéines pour établir des ponts homologues à ceux de DM. La conformation de DO ne fut pas corrigée. Par ailleurs, nous avons augmenté l’expression de DO en introduisant une séquence partielle de Kozak. Nous avons aussi étudié l’effet de DM sur l’expression de DO. DM a favorisé l’expression de DO, probablement en diminuant sa dégradation. Chaque chaîne du dimère DMαβ est impliquée dans l’oxydation de sa chaîne partenaire. La conformation non-optimale de DO pourrait traduire une incapacité des chaînes α ou β à favoriser l’oxydation de sa partenaire; DM corrigerait ce problème. Notre analyse d’immunobuvardage de type Western a toutefois démontré que DM ne modifie pas l’état d’oxydation de DOα et DOβ. Finalement, nous avons étudié l’interaction DO-DM. L’acide aminé DOαE41 est impliqué dans cette liaison. Certains des acides aminés entre α80 et α84 pourraient être impliqués. Nous avons muté des acides aminés de cette région de DOα. Les résidus testés ne semblent pas impliqués dans la liaison DO-DM. L’obtention de la structure tridimensionnelle de DO et la caractérisation de son état oxydatif et de sa liaison à DM permettront de mieux comprendre son rôle.

Analyse structure-fonction de la molécule non classique du CMH de classe II HLA-DO

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Modulation de la présentation antigénique par le CMH de classe II : utilisation de HLA-DO dans les cellules dendritiques

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Analyse structure-fonction de la molécule non classique du CMH de classe II HLA-DO

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Modulation de la présentation antigénique par le CMH de classe II : utilisation de HLA-DO dans les cellules dendritiques

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

MHC class II expression is regulated in dendritic cells independently of invariant chain degradation

We have investigated the mechanisms that control MHC class II (MHC II) expression in immature and activated dendritic cells (DC) grown from spleen and bone marrow precursors. Degradation of the MHC II chaperone invariant chain (li), acquisition of peptide cargo by MHC II, and delivery of MHC II-peptide complexes to the cell surface proceeded similarly in both immature and activated DC. However, immature DC reendocytosed and then degraded the MHC II-peptide complexes much faster than the activated DC. MHC II expression in DC is therefore not controlled by the activity of the protease(s) that degrade Ii, but by the rate of endocytosis of peptide-loaded MHC II. Late after activation, DC downregulated MHC II synthesis both in vitro and in vivo.

CD40-stimulated B Lymphocytes Pulsed with Tumor Antigens Are Effective Antigen-presenting Cells That Can Generate Specific T Cells

Although they are considered as antigen presenting cells (APC), the role of antigen-unspecific B-lymphocytes in antigen presentation and T lymphocyte stimulation remains controversial. In this paper, we tested the capacity of normal human peripheral activated B cells to stimulate T cells using melanoma antigens or melanoma cell lysates. B lymphocytes activated through CD40 ligation and then pulsed with tumor antigens efficiently processed and presented MHC class II restricted peptides to specific CD4+ T cell clones. This suggests that CD40-activated B cells have the functional and molecular competence to present MHC class II epitopes when pulsed with exogenous antigens, thereby making them a relevant source of APC to generate T cells. To test this hypothesis, CD40-activated B cells were pulsed with a lysate prepared from melanoma cells and used to stimulate peripheral autologous T cells. Interestingly, T cells specific to melanoma antigens were generated. Further analysis of these T cell clones revealed that they recognized MHC class II restricted epitopes from tyrosinase, a known melanoma tumor antigen. The efficient antigen presentation by antigen-unspecific activated B cells was correlated with a down-regulation in the expression of HLA-DO, a B cell specific protein known to interfere with HLA-DM function. Because HLA-DM is important in MHC class II peptide loading, the observed decrease in HLA-DO may partially explain the enhanced antigen presentation following B-cell activation. Results globally suggest that when they are properly activated, antigen-unspecific B-lymphocytes can present exogenous antigens by MHC class II molecules and stimulate peripheral antigen-specific T cells. Antigen presentation by activated B cells could be exploited for immunotherapy by allowing the in vitro generation of T cells specific against antigens expressed by tumors or viruses.

Régulation des chaperons de la présentation antigénique par ubiquitination

La chaîne invariante forme un complexe nonamérique avec les molécules classiques du CMH de classe II. HLA-DM et HLA-DO, des molécules non-classiques de classe II, sont aussi impliquées dans la présentation des peptides antigéniques aux lymphocytes T. Ces molécules chaperones de la présentation antigénique modulent la capacité d’une cellule à présenter des antigènes par les moloécules classiques du CMH de classe II. La régulation transcriptionnelle des molécules chaperones, tout comme celle des autres molécules du CMH de classe II, est assurée par le transactivateur CIITA. La molécule HLA-DR peut être régulée négativement de manière post-traductionnelle par ubiquitination grâce à l’enzyme E3 ubiquitine ligase MARCH1. Celle-ci est induite par l’interleukine-10 dans les monocytes. L’objectif de ce projet était de déterminer si l’ubiquitination par MARCH1 peut aussi réguler l’expression des molécules chaperones de la présentation antigénique. Les expériences furent réalisées dans le contexte de co-transfections en cellules HEK293T. L’expression des molécules fut évaluée par immunomarquages et cytométrie de flux. Il a été montré que l’isoforme p33 de la chaîne invariante est régulé négativement en présence de MARCH1 à partir de la surface cellulaire, causant ainsi sa dégradation. Tel que démontré par l’utilisation d’un mutant dépourvu de queue cytoplasmique, cette dernière région n’est pas indispensable à ce phénomène. Une hypothèse est qu’une molécule non-identifiée, associée à Ii, serait ubiquitinée par MARCH1, l’entraînant dans sa régulation négative. Il fut déterminer que cette molécule n’était pas CXCR2, un récepteur pouvant être impliqué, avec la chaîne invariante et CD44, en tant que récepteur de MIF (Macrophage Inhibitory Factor). Il fut aussi montré que HLA-DO peut être ciblé par MARCH1 mais ceci ne semble pas être un phénomène dominant; l’expression des complexes DO/DM n’étant pas affectée bien qu’ils entrent en interaction avec MARCH1. L’expression de HLA-DM n’est pas affectée par MARCH1. Il n’a toutefois pas été déterminé hors de tout doute si MARCH1 peut modifier DM; des résultats obtenus avec une queue cytoplasmique de DM possédant une lysine laissant suggérer qu’il est possible que MARCH1 interagisse avec DM. Dans l’ensemble, les travaux démontrent que l’ubiquitination par MARCH1 joue un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle de la chaîne invariante p33 mais pas HLA-DO et HLA-DM.

Enforcing dendritic cell vaccines by manipulating the MHC II antigen presentation pathway

Les vaccins à base de cellules dendritiques (DCs) constituent une avenue très populaire en immunothérapie du cancer. Alors que ces cellules peuvent présenter des peptides exogènes ajoutés au milieu, l’efficacité de chargement de ces peptides au le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe II est limitée. En effet, la majorité des molécules du CMH II à la surface des DCs sont très stable et l’échange de peptide spontané est minime. Confinée aux vésicules endosomales, HLA-DM (DM) retire les peptides des molécules du CMH II en plus de leur accorder une conformation réceptive au chargement de peptides. Il est possible, cependant, de muter le signal de rétention de DM de façon à ce que la protéine s’accumule en surface. Nous avons émis l’hypothèse que ce mutant de DM (DMY) sera aussi fonctionnel à la surface que dans la voie endosomale et qu’il favorisera le chargement de peptides exogènes aux DCs. Nous avons utilisé un vecteur adénoviral pour exprimer DMY dans des DCs et avons montrer que la molécule augmente le chargement de peptides. L’augmentation du chargement peptidique par DMY est autant qualitatif que quantitatif. DMY améliore la réponse T auxiliaire (Th) du coté Th1, ce qui favorise l’immunité anti-cancer. Du côté qualitatif, le chargement de peptides résulte en des complexes peptide-CMHII (pCMH) d’une conformation supérieure (conformère). Ce conformère (Type A) est le préféré pour la vaccination et DMY édite avec succès les complexes pCMH à la surface en éliminant ceux de type B, lesquels sont indésirables. La fonction de DM est régulée par HLA-DO (DO). Ce dernier inhibe l’habilité de DM à échanger le peptide CLIP (peptide dérivée de la chaîne invariante) en fonction du pH, donc dans les endosomes tardifs. Mes résultats indiquent que la surexpression de DO influence la présentation des superantigènes (SAgs) dépendants de la nature du peptide. Il est probable que DO améliore indirectement la liaison de ces SAgs au pCMH dû à l’accumulation de complexe CLIP-CMH, d’autant plus qu’il neutralise la polarisation Th2 normalement observée par CLIP. Ensemble, ces résultats indiquent que DMY est un outil intéressant pour renforcer le chargement de peptides exogènes sur les DCs et ainsi générer des vaccins efficaces. Un effet inattendu de DO sur la présentation de certains SAgs a aussi été observé. Davantage de recherche est nécessaire afin de résoudre comment DMY et DO influence la polarisation des lymphocytes T auxiliaires. Cela conduira à une meilleure compréhension de la présentation antigénique et de son étroite collaboration avec le système immunitaire.