Transcriptional regulation of the invariant chain associated with MHC class II molecules

The invariant chain associated with the major histocompatibility complex (MHC) class II molecules is a non-polymorphic glycoprotein implicated in antigen processing and class II molecule intracellular transport. Class II molecules and invariant chain (In) are expressed primarily by B lymphocytes and antigen-presenting cells such as macrophages and can be induced by interferon gamma (IFN-$\gamma$) in a variety of cell types such as endothelial cells, fibroblasts, and astrocytes. In this study the cis-acting sequences involved in the constitutive, tissue-specific, and IFN-$\gamma$ induced expression of the human In gene were investigated and nuclear proteins which specifically bound these sequences were identified.^ To define promoter sequences involved in the regulation of the human In gene, 790 bp 5$\sp\prime$ to the initiation of transcription were subcloned upstream of the gene encoding chloramphenicol acetyl transferase (CAT). Transfection of this construct into In expressing and non-expressing cell lines demonstrated that this 790 bp In promoter sequence conferred tissue specificity to the CAT gene. Deletion mutants were created in the promoter to identify sequences important for transcription. Three regulatory regions were identified $-$396 to $-$241, $-$241 to $-$216, and $-$216 to $-$165 bp 5$\sp\prime$ to the cap site. Transfection into a human glioblastoma cell line, U-373 MG, and treatment with IFN-$\gamma$, demonstrated that this 5$\sp\prime$ region is responsive to IFN-$\gamma$. An IFN-$\gamma$ response element was sublocalized to the region $-$120 to $-$61 bp. This region contains homology to the interferon-stimulated response element (ISRE) identified in other IFN responsive genes. IFN-$\gamma$ induces a sequence-specific DNA binding factor which binds to an oligonucleotide corresponding to $-$107 to $-$79 bp of the In promoter. This factor also binds to an oligonucleotide corresponding to $-$91 to $-$62 of the interferon-$\beta$ gene promoter, suggesting this factor may be member of the IRF-1/ISGF2, IRF-2, ICSBP family of ISRE binding proteins. A transcriptional enhancer was identified in the first intron of the In gene. This element, located in a 2.6 kb BamHI/PstI fragment, enhances the IFN-$\gamma$ response of the promoter in U-373 MG. The majority of the In enhancer activity was sublocalized to a 550 bp region $\sim$1.6 kb downstream of the In transcriptional start site. ^

Functionality of major histocompatibility complex class II molecules in mice doubly deficient for invariant chain and H-2M complexes

By combining two previously generated null mutations, Ii° and M°, we produced mice lacking the invariant chain and H-2M complexes, both required for normal cell-surface expression of major histocompatibility complex class II molecules loaded with the usual diverse array of peptides. As expected, the maturation and transport of class II molecules, their expression at the cell surface, and their capacity to present antigens were quite similar for cells from Ii°M° double-mutant mice and from animals carrying just the Ii° mutation. More surprising were certain features of the CD4+ T cell repertoire selected in Ii°M° mice: many fewer cells were selected than in Ii+M° animals, and these had been purged of self-reactive specificities, unlike their counterparts in Ii+M° animals. These findings suggest (i) that the peptides carried by class II molecules on stromal cells lacking H-2M complexes may almost all derive from invariant chain and (ii) that H-2M complexes edit the peptide array displayed on thymic stromal cells in the absence of invariant chain, showing that it can edit, in vivo, peptides other than CLIP.

Truncation of the class II beta-chain cytoplasmic domain influences the level of class II/invariant chain-derived peptide complexes.

Previous studies have established that antigen presenting cells (APC) expressing major histocompatibility complex class II beta chains with truncated cytoplasmic domains are impaired in their capacity to activate T cells. While it had been widely accepted that this impairment is due to a defect in class II cytoplasmic domain-dependent signal transduction, we recently generated transgenic mice expressing only truncated class II beta chains, and functional analyses of APC from these mice revealed signaling-independent defects in antigen presentation. Here, we demonstrate that T cells primed on such transgenic APC respond better to stimulation by APC expressing truncated beta chains than by wild-type APC. This finding suggests that APC expressing truncated class II beta chains are not inherently defective in their antigen presenting capacity but, rather, may differ from wild-type APC in the peptide antigens that they present. Indeed, analysis of the peptides bound to class II molecules isolated from normal and transgenic spleen cells revealed clear differences. Most notably, the level of class II-associated invariant chain-derived peptides (CLIP) is significantly reduced in cells expressing only truncated beta chains. Prior studies have established that CLIP and antigenic peptides compete for binding to class II molecules. Thus, our results suggest that the cytoplasmic domain of the class II beta chain affects antigen presentation by influencing the level of CLIP/class II complexes.

Invariant chain made in Escherichia coli has an exposed N-terminal segment that blocks antigen binding to HLA-DR1 and a trimeric C-terminal segment that binds empty HLA-DR1.

Invariant chain (Ii), a membrane glycoprotein, binds class II major histocompatibility complex (MHC) glycoproteins, probably via its class II-associated Ii peptide (CLIP) segment, and escorts them toward antigen-containing endosomal compartments. We find that a soluble, trimeric ectodomain of Ii expressed and purified from Escherichia coli blocks peptide binding to soluble HLA-DR1. Proteolysis indicates that Ii contains two structural domains. The C-terminal two-thirds forms an alpha-helical domain that trimerizes and interacts with empty HLA-DR1 molecules, augmenting rather than blocking peptide binding. The N-terminal one-third, which inhibits peptide binding, is proteolytically susceptible over its entire length. In the trimer, the N-terminal domains act independently with each CLIP segment exposed and free to bind an MHC class II molecule, while the C-terminal domains act as a trimeric unit.

Proteolysis of major histocompatibility complex class II-associated invariant chain is regulated by the alternatively spliced gene product, p41.

Invariant chain (Ii) is an intracellular type II transmembrane glycoprotein that is associated with major histocompatibility complex class II molecules during biosynthesis. Ii exists in two alternatively spliced forms, p31 and p41. Both p31 and p41 facilitate folding of class II molecules, promote egress from the endoplasmic reticulum, prevent premature peptide binding, and enhance localization to proteolytic endosomal compartments that are thought to be the sites for Ii degradation, antigen processing, and class II-peptide association. In spite of the dramatic and apparently equivalent effects that p31 and p41 have on class II biosynthesis, the ability of invariant chain to enhance antigen presentation to T cells is mostly restricted to p41. Here we show that degradation of Ii leads to the generation of a 12-kDa amino-terminal fragment that in p41-positive, but not in p31-positive, cells remains associated with class II molecules for an extended time. Interestingly, we find that coexpression of the two isoforms results in a change in the pattern of p31 degradation such that endosomal processing of p31 also leads to extended association of a similar 12-kDa fragment with class II molecules. These data raise the possibility that p41 may have the ability to impart its pattern of proteolytic processing on p31 molecules expressed in the same cells. This would enable a small number of p41 molecules to modify the post-translational transport and/or processing of an entire cohort of class II-Ii complexes in a manner that could account for the unique ability of p41 to enhance antigen presentation.

Direct observation of disordered regions in the major histocompatibility complex class II-associated invariant chain.

Invariant chain (Ii) is a trimeric membrane protein which binds and stabilizes major histocompatibility complex class II heterodimers in the endoplasmic reticulum and lysosomal compartments of antigen-presenting cells. In concert with an intracellular class II-like molecule, HLA-DM, Ii seems to facilitate loading of conventional class II molecules with peptides before transport of the class II-peptide complex to the cell surface for recognition by T cells. The interaction of Ii with class II molecules is thought to be mediated in large part through a region of 24 amino acids (the class II-associated Ii peptide, CLIP) which binds as a cleaved moiety in the antigenic peptide-binding groove of class II molecules in HLA-DM-deficient cell lines. Here we use nuclear magnetic resonance techniques to demonstrate that a soluble recombinant Ii ectodomain contains significant disordered regions which probably include CLIP.

A general model of invariant chain association with class II major histocompatibility complex proteins.

The binding of invariant chain to major histocompatibility complex (MHC) proteins is an important step in processing of MHC class II proteins and in antigen presentation. The question of how invariant chain can bind to all MHC class II proteins is central to understanding these processes. We have employed molecular modeling to predict the structure of class II-associated invariant chain peptide (CLIP)-MHC protein complexes and to ask whether the predicted mode of association could be general across all MHC class II proteins. CLIP fits identically into the MHC class II alleles HLA-DR3, I-Ak, I-Au, and I-Ad, with a consistent pattern of hydrogen bonds, contacts, and hydrophobic burial and without bad contacts. Our model predicts the burial of CLIP residues Met-91 and Met-99 in the deep P1 and P9 anchor pockets and other detailed interactions, which we have compared with available data. The predicted pattern of I-A allele-specific effects on CLIP binding is very similar to that observed experimentally by alanine-scanning mutations of CLIP. Together, these results indicate that CLIP may bind in a single, general way across products of MHC class II alleles.

Structural features of the invariant chain fragment CLIP controlling rapid release from HLA-DR molecules and inhibition of peptide binding.

The invariant chain (Ii) prevents binding of ligands to major histocompatibility complex (MHC) class II molecules in the endoplasmic reticulum and during intracellular transport. Stepwise removal of the Ii in a trans-Golgi compartment renders MHC class II molecules accessible for peptide loading, with CLIP (class II-associated Ii peptides) as the final fragment to be released. Here we show that CLIP can be subdivided into distinct functional regions. The C-terminal segment (residues 92-105) of the CLIP-(81-105) fragment mediates inhibition of self- and antigenic peptide binding to HLA-DR2 molecules. In contrast, the N-terminal segment CLIP-(81-98) binds to the Staphylococcus aureus enterotoxin B contact site outside the peptide-binding groove on the alpha 1 domain and does not interfere with peptide binding. Its functional significance appears to lie in the contribution to CLIP removal: the dissociation of CLIP-(81-105) is characterized by a fast off-rate, which is accelerated at endosomal pH, whereas in the absence of the N-terminal CLIP-(81-91), the off-rate of C-terminal CLIP-(92-105) is slow and remains unaltered at low pH. Mechanistically, the N-terminal segment of CLIP seems to prevent tight interactions of CLIP side chains with specificity pockets in the peptide-binding groove that normally occurs during maturation of long-lived class II-peptide complexes.

Expression of endogenous peptide-major histocompatibility complex class II complexes derived from invariant chain-antigen fusion proteins.

CD4+ T cells recognize major histocompatibility complex (MHC) class II-bound peptides that are primarily obtained from extracellular sources. Endogenously synthesized proteins that readily enter the MHC class I presentation pathway are generally excluded from the MHC class II presentation pathway. We show here that endogenously synthesized ovalbumin or hen egg lysozyme can be efficiently presented as peptide-MHC class II complexes when they are expressed as fusion proteins with the invariant chain (Ii). Similar to the wild-type Ii, the Ii-antigen fusion proteins were associated intracellularly with MHC molecules. Most efficient expression of endogenous peptide-MHC complex was obtained with fusion proteins that contained the endosomal targeting signal within the N-terminal cytoplasmic Ii residues but did not require the luminal residues of Ii that are known to bind MHC molecules. These results suggest that signals within the Ii can allow endogenously synthesized proteins to efficiently enter the MHC class II presentation pathway. They also suggest a strategy for identifying unknown antigens presented by MHC class II molecules.

Cathepsin S: therapeutic, diagnostic, and prognostic potential

Cathepsin S is a member of the cysteine cathepsin protease family. It is a lysosomal protease which can promote degradation of damaged or unwanted proteins in the endo-lysosomal pathway. Additionally, it has more specific roles such as MHC class II antigen presentation, where it is important in the degradation of the invariant chain. Unsurprisingly, mis-regulation has implicated cathepsin S in a variety of pathological processes including arthritis, cancer, and cardiovascular disease, where it becomes secreted and can act on extracellular substrates. In comparison to many other cysteine cathepsin family members, cathepsin S has uniquely restricted tissue expression and is more stable at a neutral pH, which supports its involvement and importance in localised disease microenvironments. In this review, we examine the known involvement of cathepsin S in disease, particularly with respect to recent work indicating its role in mediating pain, diabetes, and cystic fibrosis. We provide an overview of current literature with regards cathepsin S as a therapeutic target, as well as its role and potential as a predictive diagnostic and/or prognostic marker in these diseases.

CCL2 is transcriptionally controlled by the lysosomal protease cathepsin S in a CD74-dependent manner

Cathepsins S (CatS) has been implicated in numerous tumourigenic processes and here we document for the first time its involvement in CCL2 regulation within the tumour microenvironment. Analysis of syngeneic tumours highlighted reduced infiltrating macrophages in CatS depleted tumours. Interrogation of tumours and serum revealed genetic ablation of CatS leads to the depletion of several pro-inflammatory chemokines, most notably, CCL2. This observation was validated in vitro, where shRNA depletion of CatS resulted in reduced CCL2 expression. This regulation is transcriptionally mediated, as evident from RT-PCR analysis and CCL2 promoter studies. We revealed that CatS regulation of CCL2 is modulated through CD74 (also known as the invariant chain), a known substrate of CatS and a mediator of NFkB activity. Furthermore, CatS and CCL2 show a strong clinical correlation in brain, breast and colon tumours. In summary, these results highlight a novel mechanism by which CatS controls CCL2, which may present a useful pharmacodynamic marker for CatS inhibition.

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.

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.

Impact de l’expression de l’isoforme p35 de la chaîne invariante humaine chez des souris déficientes en CD74 endogène

La chaîne invariante (Ii ; CD74) est une protéine membranaire de type II qui joue un rôle majeur dans la présentation antigénique. Dans le réticulum endoplasmique (RE), Ii favorise l’assemblage du CMH II et prévient la liaison indésirable de polypeptides. Grâce à son motif di-leucine, la chaîne invariante cible le CMH II dans les endosomes. Une fois dans ces compartiments acides, Ii est dégradé, permettant la liaison de peptides de forte affinité qui seront ensuite présentés aux cellules T CD4+. Chez les souris déficientes en Ii murin (mIi), le CMH II présente une conformation non compacte typique des molécules vides ou liées faiblement à un peptide. Le transport du CMH II est aberrant ce qui conduit à une réduction de son expression en surface ainsi qu’à un défaut de présentation antigénique. De plus, Ii diversifie le répertoire de peptides et assure la sélection thymique des cellules T CD4+. Enfin, il a un rôle dans la maturation des cellules B et les souris déficientes en Ii présentent des nombres réduits de cellules B matures folliculaires (FO). L’isoforme mineure humaine p35 (Iip35) n’existe pas chez la souris et possède une extension cytoplasmique de 16 acides aminés contenant un motif R-x-R de rétention dans le RE. La sortie du RE est conditionnelle à la liaison du CMH II qui permet de masquer le motif de rétention. Iip35 agit comme dominant et impose la rétention aux autres isoformes d’Ii. Cependant, le rôle physiologique du motif R-x-R et, plus globalement, celui d’Iip35, demeurent nébuleux. Pour mieux cerner la fonction d’Iip35, nous avons généré des souris transgéniques (Tg) exprimant l’isoforme humaine Iip35 et avons analysé la conformation et le trafic du CMH II, la sélection thymique et la maturation des cellules B ainsi que la présentation antigénique. Nos résultats ont démontré qu’Iip35 favorise l’assemblage du CMH II dans le RE. Il induit également une conformation compacte du CMH II et augmente l’expression du CMH II en surface. De plus, Iip35 cible le CMH II dans les endosomes où un peptide de forte affinité se lie dans la niche peptidique. Par ailleurs, Iip35 diversifie le répertoire de peptides et rétablit totalement la sélection des cellules T CD4+ ainsi que le niveau d’expression du TCR de ces dernières. Iip35 restaure également la présentation antigénique de l’ovalbumine dont la présentation requiert l’expression d’Ii. Par contre, Iip35 rétablit la présentation des superantigènes mais à un niveau moindre que celui des souris sauvages. Ensuite, Iip35 permet le rétablissement de la sélection des cellules iNKT démontrant qu’il assiste la présentation des lipides par les molécules CD1d. Enfin, les résultats ont démontré qu’Iip35 restaure le développement des cellules B matures folliculaires (FO) mais pas celui des cellules B de la zone marginale. Ceci suggère qu’Iip35 est capable d’induire le développement des cellules FO sans stimulation préalable par le MIF (macrophage migration inhibitory factor). Ainsi, l’ensemble de ces résultats démontre qu’Iip35 est fonctionnel et assure la majorité des fonctions d’Ii. Cependant, Iip35 ne remplace pas mIi endogène concernant la maturation des cellules B MZ suggérant qu’il pourrait avoir un rôle de régulateur.