MHC-restricted antigen presentation and recognition: constraints on gene, recombinant and peptide vaccines in humans

The target of any immunization is to activate and expand lymphocyte clones with the desired recognition specificity and the necessary effector functions. In gene, recombinant and peptide vaccines, the immunogen is a single protein or a small assembly of epitopes from antigenic proteins. Since most immune responses against protein and peptide antigens are T-cell dependent, the molecular target of such vaccines is to generate at least 50-100 complexes between MHC molecule and the antigenic peptide per antigen-presenting cell, sensitizing a T cell population of appropriate clonal size and effector characteristics. Thus, the immunobiology of antigen recognition by T cells must be taken into account when designing new generation peptide- or gene-based vaccines. Since T cell recognition is MHC-restricted, and given the wide polymorphism of the different MHC molecules, distinct epitopes may be recognized by different individuals in the population. Therefore, the issue of whether immunization will be effective in inducing a protective immune response, covering the entire target population, becomes an important question. Many pathogens have evolved molecular mechanisms to escape recognition by the immune system by variation of antigenic protein sequences. In this short review, we will discuss the several concepts related to selection of amino acid sequences to be included in DNA and peptide vaccines.

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.

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.

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.

The protease inhibitor cystatin C is differentially expressed among dendritic cell populations, but does not control antigen presentation

Dendritic cells (DC) undergo complex developmental changes during maturation. The MHC class H (MHC H) molecules of immature DC accumulate in intracellular compartments, but are expressed at high levels on the plasma membrane upon DC maturation. It has been proposed that the cysteine protease inhibitor cystatin C (CyC) plays a pivotal role in the control of this process by regulating the activity of cathepsin S, a protease involved in removal of the MHC H chaperone E, and hence in the formation of MHC H-peptide complexes. We show that CyC is differentially expressed by mouse DC populations. CD8(+) DC, but not CD4(+) or CD4(-)CD8(-) DC, synthesize CyC, which accumulates in MHC II(+)Lamp(+) compartments. However, II processing and MHC H peptide loading proceeded similarly in all three DC populations. We then analyzed MHC H localization and Ag presentation in CD8(+) DC, bone marrow-derived DC, and spleen-derived DC lines, from CyC-deficient mice. The absence of CyC did not affect the expression, the subcellular distribution, or the formation of peptide-loaded MHC II complexes in any of these DC types, nor the efficiency of presentation of exogenous Ags. Therefore, CyC is neither necessary nor sufficient to control MHC II expression and Ag presentation in DC. Our results also show that CyC expression can differ markedly between closely related cell types, suggesting the existence of hitherto unrecognized mechanisms of control of CyC expression.

The serine repeat antigen (SERA) gene family phylogeny in Plasmodium: the impact of GC content and reconciliation of gene and species trees.

Plasmodium falciparum is the parasite responsible for the most acute form of malaria in humans. Recently, the serine repeat antigen (SERA) in P. falciparum has attracted attention as a potential vaccine and drug target, and it has been shown to be a member of a large gene family. To clarify the relationships among the numerous P. falciparum SERAs and to identify orthologs to SERA5 and SERA6 in Plasmodium species affecting rodents, gene trees were inferred from nucleotide and amino acid sequence data for 33 putative SERA homologs in seven different species. (A distance method for nucleotide sequences that is specifically designed to accommodate differing GC content yielded results that were largely compatible with the amino acid tree. Standard-distance and maximum-likelihood methods for nucleotide sequences, on the other hand, yielded gene trees that differed in important respects.) To infer the pattern of duplication, speciation, and gene loss events in the SERA gene family history, the resulting gene trees were then "reconciled" with two competing Plasmodium species tree topologies that have been identified by previous phylogenetic studies. Parsimony of reconciliation was used as a criterion for selecting a gene tree/species tree pair and provided (1) support for one of the two species trees and for the core topology of the amino acid-derived gene tree, (2) a basis for critiquing fine detail in a poorly resolved region of the gene tree, (3) a set of predicted "missing genes" in some species, (4) clarification of the relationship among the P. falciparum SERA, and (5) some information about SERA5 and SERA6 orthologs in the rodent malaria parasites. Parsimony of reconciliation and a second criterion--implied mutational pattern at two key active sites in the SERA proteins-were also seen to be useful supplements to standard "bootstrap" analysis for inferred topologies.

Antigen presentation in the lung: dendritic cells and macrophages.

Antigen presentation is a required prime event before T-cell activation can occur. Cells which constitutively express major histocompatibility antigen class I or II are responsible for presenting antigens. These are essentially alveolar macrophages (AM) residing mostly in the air spaces, and dendritic cells (DC), which create a tight surveillance network just below the epithelial cells of the airways and in the loose connective tissue around the vessels or in the pleura. AM are poor antigen presenting cells compared to DC. AM when encountering foreign particles or organisms may, however, influence the degree of activity or maturation of neighbouring DC, by releasing cytokines. Thus, we will describe how the innate immune processes may influence specific immunity and perhaps Th1 and Th2 differentiation. Following the description of the differences in phenotype and functions of AM and DC, we will provide data showing that in some pathological conditions, such as sarcoidosis, AM can acquire some specificities of DC.

NLRC5, at the Heart of Antigen Presentation.

Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing receptors (NLRs) are intracellular proteins mainly involved in pathogen recognition, inflammatory responses, and cell death. Until recently, the function of the family member NLR caspase recruitment domain (CARD) containing 5 (NLRC5) has been a matter of debate. It is now clear that NLRC5 acts as a transcriptional regulator of the major-histocompatibility complex class I. In this review we detail the development of our understanding of NLRC5 function, discussing both the accepted and the controversial aspects of NLRC5 activity. We give insight into the molecular mechanisms, and the potential implications, of NLRC5 function in health and disease.

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.

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.

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.

Chemotherapeutic Agents in Noncytotoxic Concentrations Increase Antigen Presentation by Dendritic Cells via an IL-12-Dependent Mechanism

Antineoplastic chemotherapeutic agents may indirectly activate dendritic cells (DCs) by inducing the release of danger signals from dying tumor cells. Whereas the direct cytotoxic or inhibitory effect of conventional chemotherapy on DCs has been reported, modulation of DC function by chemotherapeutic agents in low noncytotoxic concentrations has not yet been investigated. We have tested the effects of different classes of antineoplastic chemotherapeutic agents used in low noncytotoxic concentrations on the Ag-presenting function of DCs. We revealed that paclitaxel, doxorubicin, mitomycin C, and methotrexate up-regulated the ability of DCs to present Ags to Ag-specific T cells. Stimulation of DC function was associated with the up-regulation of expression of Ag-processing machinery components and costimulatory molecules on DCs, as well as increased IL-12p70 expression. However, the ability of DCs treated with paclitaxel, methotrexate, doxorubicin, and vinblastine to increase Ag presentation to Ag-specific T cells was abolished in DCs generated from IL-12 knockout mice, indicating that up-regulation of Ag presentation by DCs is IL-12-dependent and mediated by the autocrine or paracrine mechanisms. At the same time, IL-12 knockout and wild-type DCs demonstrated similar capacity to up-regulate OVA presentation after their pretreatment with low concentrations of mitomycin C and vincristine, suggesting that these agents do not utilize IL-12-mediated pathways in DCs for stimulating Ag presentation. These findings reveal a new mechanism of immunopotentiating activity of chemotherapeutic agents-a direct immunostimulatory effect on DCs (chemomodulation)-and thus provide a strong rationale for further assessment of low-dose chemotherapy given with DC vaccines for cancer treatment. The Journal of Immunology, 2009, 183: 137-144.