Effect of the unfolded protein response on MHC class I antigen presentation

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Studies of MHC class I antigen presentation & the origins of the immunopeptidome

La présentation d'antigène par les molécules d'histocompatibilité majeure de classe I (CMHI) permet au système immunitaire adaptatif de détecter et éliminer les agents pathogènes intracellulaires et des cellules anormales. La surveillance immunitaire est effectuée par les lymphocytes T CD8 qui interagissent avec le répertoire de peptides associés au CMHI présentés à la surface de toutes cellules nucléées. Les principaux gènes humains de CMHI, HLA-A et HLA-B, sont très polymorphes et par conséquent montrent des différences dans la présentation des antigènes. Nous avons étudié les différences qualitatives et quantitatives dans l'expression et la liaison peptidique de plusieurs allotypes HLA. Utilisant la technique de cytométrie de flux quantitative nous avons établi une hiérarchie d'expression pour les quatre HLA-A, B allotypes enquête. Nos résultats sont compatibles avec une corrélation inverse entre l'expression allotypique et la diversité des peptides bien que d'autres études soient nécessaires pour consolider cette hypothèse. Les origines mondiales du répertoire de peptides associés au CMHI restent une question centrale à la fois fondamentalement et dans la recherche de cibles immunothérapeutiques. Utilisant des techniques protéogénomiques, nous avons identifié et analysé 25,172 peptides CMHI isolées à partir des lymphocytes B de 18 personnes qui exprime collectivement 27 allotypes HLA-A,B. Alors que 58% des gènes ont été la source de 1-64 peptides CMHI par gène, 42% des gènes ne sont pas représentés dans l'immunopeptidome. Dans l'ensemble, l’immunopeptidome présenté par 27 allotypes HLA-A,B ne couvrent que 17% des séquences exomiques exprimées dans les cellules des sujets. Nous avons identifié plusieurs caractéristiques des transcrits et des protéines qui améliorent la production des peptides CMHI. Avec ces données, nous avons construit un modèle de régression logistique qui prédit avec une grande précision si un gène de notre ensemble de données ou à partir d'ensembles de données indépendants génèrerait des peptides CMHI. Nos résultats montrent la sélection préférentielle des peptides CMHI à partir d'un répertoire limité de produits de gènes avec des caractéristiques distinctes. L'idée que le système immunitaire peut surveiller des peptides CMHI couvrant seulement une fraction du génome codant des protéines a des implications profondes dans l'auto-immunité et l'immunologie du cancer.

Studies of MHC class I antigen presentation & the origins of the immunopeptidome

La présentation d'antigène par les molécules d'histocompatibilité majeure de classe I (CMHI) permet au système immunitaire adaptatif de détecter et éliminer les agents pathogènes intracellulaires et des cellules anormales. La surveillance immunitaire est effectuée par les lymphocytes T CD8 qui interagissent avec le répertoire de peptides associés au CMHI présentés à la surface de toutes cellules nucléées. Les principaux gènes humains de CMHI, HLA-A et HLA-B, sont très polymorphes et par conséquent montrent des différences dans la présentation des antigènes. Nous avons étudié les différences qualitatives et quantitatives dans l'expression et la liaison peptidique de plusieurs allotypes HLA. Utilisant la technique de cytométrie de flux quantitative nous avons établi une hiérarchie d'expression pour les quatre HLA-A, B allotypes enquête. Nos résultats sont compatibles avec une corrélation inverse entre l'expression allotypique et la diversité des peptides bien que d'autres études soient nécessaires pour consolider cette hypothèse. Les origines mondiales du répertoire de peptides associés au CMHI restent une question centrale à la fois fondamentalement et dans la recherche de cibles immunothérapeutiques. Utilisant des techniques protéogénomiques, nous avons identifié et analysé 25,172 peptides CMHI isolées à partir des lymphocytes B de 18 personnes qui exprime collectivement 27 allotypes HLA-A,B. Alors que 58% des gènes ont été la source de 1-64 peptides CMHI par gène, 42% des gènes ne sont pas représentés dans l'immunopeptidome. Dans l'ensemble, l’immunopeptidome présenté par 27 allotypes HLA-A,B ne couvrent que 17% des séquences exomiques exprimées dans les cellules des sujets. Nous avons identifié plusieurs caractéristiques des transcrits et des protéines qui améliorent la production des peptides CMHI. Avec ces données, nous avons construit un modèle de régression logistique qui prédit avec une grande précision si un gène de notre ensemble de données ou à partir d'ensembles de données indépendants génèrerait des peptides CMHI. Nos résultats montrent la sélection préférentielle des peptides CMHI à partir d'un répertoire limité de produits de gènes avec des caractéristiques distinctes. L'idée que le système immunitaire peut surveiller des peptides CMHI couvrant seulement une fraction du génome codant des protéines a des implications profondes dans l'auto-immunité et l'immunologie du cancer.

Antigen presentation subverted: Structure of the human cytomegalovirus protein US2 bound to the class I molecule HLA-A2

Many persistent viruses have evolved the ability to subvert MHC class I antigen presentation. Indeed, human cytomegalovirus (HCMV) encodes at least four proteins that down-regulate cell-surface expression of class I. The HCMV unique short (US)2 glycoprotein binds newly synthesized class I molecules within the endoplasmic reticulum (ER) and subsequently targets them for proteasomal degradation. We report the crystal structure of US2 bound to the HLA-A2/Tax peptide complex. US2 associates with HLA-A2 at the junction of the peptide-binding region and the α3 domain, a novel binding surface on class I that allows US2 to bind independently of peptide sequence. Mutation of class I heavy chains confirms the importance of this binding site in vivo. Available data on class I-ER chaperone interactions indicate that chaperones would not impede US2 binding. Unexpectedly, the US2 ER-luminal domain forms an Ig-like fold. A US2 structure-based sequence alignment reveals that seven HCMV proteins, at least three of which function in immune evasion, share the same fold as US2. The structure allows design of further experiments to determine how US2 targets class I molecules for degradation.

The central repeat domain 1 of Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) latency associated-nuclear antigen 1 (LANA1) prevents cis MHC class I peptide presentation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Analysis of the influence of epitope flanking regions on MHC class I restricted antigen presentation

Peptides presented by MHC class I molecules for CTL recognition are derived mainly from cytosolic proteins. For antigen presentation on the cell surface, epitopes require correct processing by cytosolic and ER proteases, efficient TAP transport and MHC class I binding affinity. The efficiency of epitope generation depends not only on the epitope itself, but also on its flanking regions. In this project, the influence of the C-terminal region of the model epitope SIINFEKL (S8L) from chicken ovalbumin (aa 257-264) on antigen processing has been investigated. S8L is a well characterized epitope presented on the murine MHC class I molecule, H-2Kb. The Flp-In 293Kb cell line was transfected with different constructs each enabling the expression of the S8L sequence with different defined C-terminal flanking regions. The constructs differed at the two first C-terminal positions after the S8L epitope, so called P1’ and P2’. At these sites, all 20 amino acids were exchanged consecutively and tested for their influence on H-2Kb/S8L presentation on the cell surface of the Flp-In 293Kb cells. The detection of this complex was performed by immunostaining and flow cytometry. The prevailing assumption is that proteasomal cleavages are exclusively responsible for the generation of the final C-termini of CTL epitopes. Nevertheless, recent publications showed that TPPII (tripeptidyl peptidase II) is required for the generation of the correct C-terminus of the HLA-A3-restricted HIV epitope Nef(73-82). With this background, the dependence of the S8L generation on proteasomal cleavage of the designed constructs was characterized using proteasomal inhibitors. The results obtained indicate that it is crucial for proteasomal cleavage, which amino acid is flanking the C-terminus of an epitope. Furthermore, partially proteasome independent S8L generation from specific S8L-precursor peptides was observed. Hence, the possibility of other existing endo- or carboxy-peptidases in the cytosol that could be involved in the correct trimming of the C-terminus of antigenic peptides for MHC class I presentation was investigated, performing specific knockdowns and using inhibitors against the target peptidases. In parallel, a purification strategy to identify the novel peptidase was established. The purified peaks showing an endopeptidase activity were further analyzed by mass spectrometry and some potential peptidases (like e.g. Lon) were identified, which have to be further characterized.

Inhibition of MHC class I-restricted antigen presentation by γ2-herpesviruses

The γ-herpesviruses, in contrast to the α- and β-herpesviruses, are not known to inhibit antigen presentation to CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) during lytic cycle replication. However, murine γ-herpesvirus 68 causes a chronic lytic infection in CD4+ T cell-deficient mice despite the persistence of a substantial CTL response, suggesting that CTL evasion occurs. Here we show that, distinct from host protein synthesis shutoff, γ-herpesvirus 68 down-regulates surface MHC class I expression on lytically infected fibroblasts and inhibits their recognition by antigen-specific CTLs. The viral K3 gene, encoding a zinc-finger-containing protein, dramatically reduced the half-life of nascent class I molecules and the level of surface MHC class I expression and was by itself sufficient to block antigen presentation. The homologous K3 and K5 genes of the related Kaposi's sarcoma-associated virus also inhibited antigen presentation and decreased cell surface expression of HLA class I antigens. Thus it appears that an immune evasion strategy shared by at least two γ-herpesviruses allows continued lytic infection in the face of strong CTL immunity.

Molecular characterization of the contribution of autophagy to antigen presentation using quantitative proteomics

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée.

An inhibitor of HIV-1 protease modulates proteasome activity, antigen presentation, and T cell responses

Inhibitors of the protease of HIV-1 have been used successfully for the treatment of HIV-1-infected patients and AIDS disease. We tested whether these protease inhibitory drugs exerted effects in addition to their antiviral activity. Here, we show in mice infected with lymphocytic choriomeningitis virus and treated with the HIV-1 protease inhibitor ritonavir a marked inhibition of antiviral cytotoxic T lymphocyte (CTL) activity and impaired major histocompatibility complex class I-restricted epitope presentation in the absence of direct effects on lymphocytic choriomeningitis virus replication. A potential molecular target was found: ritonavir selectively inhibited the chymotrypsin-like activity of the 20S proteasome. In view of the possible role of T cell-mediated immunopathology in AIDS pathogenesis, the two mechanisms of action (i.e., reduction of HIV replication and impairment of CTL responses) may complement each other beneficially. Thus, the surprising ability of ritonavir to block the presentation of antigen to CTLs may possibly contribute to therapy of HIV infections but potentially also to the therapy of virally induced immunopathology, autoimmune diseases, and transplantation reactions.

Human cytomegalovirus inhibits antigen presentation by a sequential multistep process.

The human cytomegalovirus (HCMV) genomic unique short (US) region encodes a family of homologous genes essential for the inhibition of major histocompatibility complex (MHC) class I-mediated antigen presentation during viral infection. Here we show that US3, the only immediate early (IE) gene within the US region, encodes an endoplasmic reticulum-resident glycoprotein that prevents intracellular transport of MHC class I molecules. In contrast to the rapid degradation of newly synthesized MHC class I heavy chains mediated by the early gene product US11, we found that US3 retains stable MHC class I heterodimers in the endoplasmic reticulum that are loaded with peptides while retained in the ER. Consistent with the expression pattern of US3 and US11, MHC class I molecules are retained but not degraded during the IE period of infection. Our data identify the first nonregulatory role of an IE protein of HCMV and suggest that HCMV uses different T-cell escape strategies at different times during the infectious cycle.

Impaired Antigen Presentation and Effectiveness of Combined Active/Passive Immunotherapy for Epithelial Tumors

Background: Although immunization with tumor antigens can eliminate many transplantable tumors in animal models, immune effector mechanisms associated with successful immunotherapy of epithelial cancers remain undefined. Methods: Skin from transgenic mice expressing the cervical cancer-associated tumor antigen human papillornavirus type 16 (HPV16) E6 or E7 proteins from a keratin 14 promoter was grafted onto syngeneic, non-transgenic mice. Skin graft rejection was measured after active immunization with HPV16 E7 and adoptive transfer of antigen-specific T cells. Cytokine secretion of lymphocytes from mice receiving skin grafts and immunotherapy was detected by enzyme-linked immunosorbent assay, and HPV16 E7-specific memory CD8(+) T cells were detected by flow cytometry and ELISPOT. Results: Skin grafts containing HPV16 E6- or E7-expressing keratinocytes were not rejected spontaneously or following immunization with E7 protein and adjuvant. Adoptive transfer of E7-specific T-cell receptor transgenic CD8(+) T cells combined with immunization resulted in induction of antigen-specific interferon gamma-secreting CD8(+) T cells and rejection of HPV16 E7-expressing grafts. Specific memory CD8(+) T cells were generated by immunotherapy. However, a further HPV16 E7 graft was rejected from animals with memory T cells only after a second E7 immunization. Conclusions: Antigen-specific CD8(+) T cells can destroy epithelium expressing HPV16 E7 tumor antigen, but presentation of E7 antigen from skin is insufficient to reactivate memory CD8(+) T cells induced by immunotherapy. Thus, effective cancer immunotherapy in humans may need to invoke sufficient effector as well as memory T cells.

TLR 9 Activation in Dendritic Cells Enhances Salmonella Killing and Antigen Presentation via Involvement of the Reactive Oxygen Species

Synthetic CpG containing oligodeoxynucleotide Toll like receptor-9 agonist (CpG DNA) activates innate immunity and can stimulate antigen presentation against numerous intracellular pathogens. It was observed that Salmonella Typhimurium growth can be inhibited by the CpG DNA treatment in the murine dendritic cells. This inhibitory effect was mediated by an increased reactive oxygen species production. In addition, it was noted that CpG DNA treatment of dendritic cells during Salmonella infection leads to an increased antigen presentation. Further this increased antigen presentation was dependent on the enhanced reactive oxygen species production elicited by Toll like receptor-9 activation. With the help of an exogenous antigen it was shown that Salmonella antigen could also be cross-presented in a better way by CpG induction. These data collectively indicate that CpG DNA enhance the ability of murine dendritic cells to contain the growth of virulent Salmonella through reactive oxygen species dependent killing.

The basics and advances of immunomodulators and antigen presentation: a key to development of potent memory response against pathogens

Introduction: Immunomodulators are agents, which can modulate the immune response to specific antigens, while causing least toxicity to the host system. Being part of the modern vaccine formulations, these compounds have contributed remarkably to the field of therapeutics. Despite the successful record maintained by these agents, the requirement of novel immunomodulators keeps increasing due to the increasing severity of diseases. Hence, research regarding the same holds great importance. Areas covered: In this review, we discuss the role of immunomodulators in improving performance of various vaccines used for counteracting most threatening infectious diseases, mechanisms behind their action and criteria for development of novel immunomodulators. Expert opinion: Understanding the molecular mechanisms underlying immune response is a prerequisite for development of effective therapeutics as these are often exploited by pathogens for their own propagation. Keeping this in mind, the present research in the field of immunotherapy focuses on developing immunomodulators that would not only enhance the protection against pathogen, but also generate a long-term memory response. With the introduction of advanced formulations including combination of different kinds of immunomodulators, one can expect tremendous success in near future.

Phenotypic characteristics of human type II alveolar epithelial cells suitable for antigen presentation to T lymphocytes.

Type II alveolar epithelial cells (AECII) are well known for their role in the innate immune system. More recently, it was proposed that they could play a role in the antigen presentation to T lymphocytes but contradictory results have been published both concerning their surface expressed molecules and the T lymphocyte responses in mixed lymphocyte cultures. The use of either AECII cell line or fresh cells could explain the observed discrepancies. Thus, this study aimed at defining the most relevant model of accessory antigen presenting cells by carefully comparing the two models for their expression of surface molecules necessary for efficient antigen presentation.