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Mechanistic and structural insights into the quality control of the MHC I antigen processing pathway
(2022)
The human body is permanently exposed to its environment and thus to viruses and other pathogens, which require a flexible response and defense. Alongside to the innate immune system, the adaptive immune system provides highly specialized protection against these threats. The major histocompatibility complex class I (MHC I) antigen presentation system is a cornerstone of the adaptive immune system and a major constituent of cellular immunity. Pathogens such as viruses that invade a cell will leave traces in the form of proteins and peptides which are degraded and loaded onto MHC I molecules. MHC I peptide loading is performed by peptide loading complex (PLC) in the membrane of the endoplasmic reticulum as part of a multifaceted and comprehensive quality control machinery. Monitored by multiple layers of quality assurance, the MHC I molecules consequently display the immune status of the cell on its surface. In this context, the captured fragment of the virus serves as a call for help issued by the cell, alerting the adaptive immune system to the infection to mount an appropriate immune response.
The three-dimensional structure as well as the mechanistic details of parts of this complex machinery were characterized in the context of this dissertation. Among other tools, light-modulable nanotools were developed in this thesis, which permit external regulation of cellular processes in temporal and spatial resolution. Furthermore, methods and model systems for the biochemical characterization of cellular signaling cascades, proteins, as well as entire cell organelles were developed, which are likely to influence the field of cellular immunity and protein biochemistry in the future.
This cumulative work comprises a total of six publications whose scientific key advances will be briefly outlined in this abstract. In the introduction, the scientific background as well as the current state of research and methodological background knowledge are conveyed. The results section condenses the main aspects of the publications and links them to each other. Further details can be retrieved from the attached original publications.
In “Semisynthetic viral inhibitor for light control of the MHC I peptide loading complex, Winter, Domnick et al., Angew Chem Int Ed 2022” a photocleavable viral inhibitor of the peptide loading complex was produced by semi-synthesis. This nanotool was shown to be suitable for both purifying the PLC from human Raji cells as well as reactivating it in a light-controlled manner. Thus, this tool establishes the isolation of a fully intact and functional peptide loading complex for biochemical characterization. In addition, a novel flow cytometric analysis pipeline for microsomes was developed, allowing cellular vesicles to be characterized with single organelle resolution, similar to cells.
In “Molecular basis of MHC I quality control in the peptide loading complex, Domnick, Winter et al., Nat Commun 2022” the peptide loading complex was reconstituted into large nanodiscs, and a cryo-EM structural model of the editing module at 3.7 Å resolution was generated. By combining the structural model with in vitro glycan editing assays, an allosteric coupling between peptide-MHC I assembly and glycan processing was revealed, extending the known model of MHC I loading and dissociation from the PLC. These mechanisms provide a prototypical example for endoplasmic reticulum quality control.
In a related context, in “Structure of an MHC I–tapasin–ERp57 editing complex defines chaperone promiscuity, Müller, Winter et al., Nat Commun 2022” a recombinantly assembled editing module comprised of MHC I-tapasin-ERp57 was crystallized for X-ray structural biology. The resulting crystal structure at a resolution of 2.7 Å permitted the precise identification of characteristic features of the editing module and particularly of the peptide proofreading mechanism of tapasin. This study provided pivotal insights into the tapasin-mediated peptide editing of different MHC I allomorphs as well as similarities to TAPBPR-based MHC I peptide proofreading.
In “TAPBPR is necessary and sufficient for UGGT1-mediated quality control of MHC I, Sagert, Winter et al. (in preparation)” novel insights concerning the peptide proofreader TAPBPR and its close interplay with the folding sensor and glucosyltransferase UGGT1 were obtained. It was shown that TAPBPR is an integral part of the second level of endoplasmic quality control and is indispensable for effective MHC I coordination by UGGT1.
In “Light-guided intrabodies for on-demand in situ target recognition in human cells, Joest, Winter et al., Chem Sci 2021” intracellular nanobodies were equipped with a photocaged target recognition domain by genetic code expansion via amber suppression. These intrabodies, acting as high-affinity binding partners endowed with a fluorophore, could be used in a light-triggered approach to instantaneously visualize their target molecule...
In der vorliegenden Arbeit wird die Einbindung der Navigation in die operative Versorgung der Femurfrakur beschrieben und mit der konventionellen Methode verglichen. Die Marknagelung ist eine von Prof. Dr. G. B. G. Küntscher in den 40er Jahren des 20ten Jahrhunderts entwickelte Behandlung zur Bruchversorgung und Durchführung von Arthrodesen. Die Navigation ist eine Variante der computer-assistierten Chirurgie. Diese Technologien haben in den 90er Jahren des 20ten Jahrhunderts Einzug in die Operationssäle gehalten. Die Navigationssysteme erfahren eine fortwährende Entwicklung und Ausweitung des Einsatzgebietes. Sie konnten sich bis jetzt jedoch nicht, trotz der Möglichkeiten, gegenüber den bisherigen konventionellen Entwicklungen im Bereich der intramedullären Marknagelversorgung durchsetzen. Den Vorzügen der Navigation, der Reduktion der Strahlenbelastung und Erhöhung der Präzision, werden hohe Anschaffungskosten, eine lange Einarbeitungszeit, längere Vorbereitungs- und Operationszeiten und der personelle Mehraufwand gegenüber gestellt. Ein ausführlicher Vergleich der Navigation mit dem konventionellen Verfahren existiert in der Fachliteratur bis jetzt nur auf einzelne Arbeitsschritte bezogen, wie z.B. dem Vorgang der distalen Verriegelung. In unseren Untersuchungen wurden 22 Patienten mit der Navigation versorgt. Die konventionelle Methode wurde bei 12 Patienten verwendet. Alle entscheidenden Schritte der Femurmarknagelversorgung, die Nageleintrittsbestimmung, die Frakturreposition und die distale Verriegelung wurden in der Dauer und Strahlenbelastung erfasst, ebenso die Gesamtoperationszeit und Gesamtstrahlenbelastung einander gegenübergestellt und mit den vorhandenen Daten in der Fachliteratur verglichen. Die Verwendung der Navigation hat den Arbeitsschritt des Nageleintritts verlängert (23,3 min vs 14,8 min). Gegenüber der konventionellen Methode konnte eine Reduktion der Röntgenzeit um 22 % (0,39 min vs 0,5 min) bei diesem Vorgang beobachtet werden. Die navigierte Frakturreposition dauerte im Durchschnitt 25,1 min vs 16,8 min bei der konventionellen Methode. Die Strahlenbelastung konnte um 70 % auf 0,39 min vs 1,28 min gesenkt werden. Die Rate der geschlossenen Frakturrepositionen lag bei 86 % gegenüber 67 % bei dem konventionellen Vorgehen. Die distale Verriegelung mit zwei Bolzen konnte mit der Navigation in 28,9 min vs 13,9 min bei der konventionellen Methode durchgeführt werden. Die Röntgenzeit wurde mit Hilfe der Navigation um 50 % reduziert (0,39 min vs 0,78 min). Die Präzision bei der distalen Verriegelung konnte mit dem Verfahren der Navigation gegenüber der konventionellen Methode und dem strahlendurchlässigen Winkelgetriebe nur geringfügig gesteigert werden (93 % bei 44 Bolzen vs 91 % bei 23 Bolzen). Die Gesamtoperationszeit der navigierten Fälle war durchschnittlich 43,2 min länger als die konventionell behandelten Fälle (150,1 min vs 106,9 min). Die Gesamtstrahlenzeit konnte mit der Navigation gegenüber der konventionellen Methode um 37,5 % gesenkt werden (2,5 min vs 4 min). Die Vorteile der Navigation zeigten sich vorallem bei der Frakturreposition. Hier konnte die Strahlenbelastung deutlich gesenkt werden (70 %, 0,39 min vs 1,28 min). Die Rate der erfolgreichen geschlossenen Manöver wurde gegenüber der konventionellen Methode gesteigert (86 % vs 67 %).
Bei der distalen Verriegelung haben wir eine Reduktion der Dauer einer Bohrung mit Navigation um 14 % gegenüber der konventionellen Methode mit dem strahlendurchlässigen Winkelgetriebe festgestellt (3,6 min vs 4,2 min, gemessen Haut-inzision und Bohrung bis Gegencorticalis). Die Gesamtstrahlenzeit für den Vorgang der distalen Verriegelung mit zwei Bolzen und sich anschließender Lagekontrolle zeigte sich mit der Navigation um 50 % redziert (0,39 min vs 0,78 min). Ein zeitlicher Mehraufwand wurde durch die Vorbereitung der Navigation bei allen Arbeitsschritten festgestellt.