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A single model system for integrative studies on multiple facets of antigen presentation is lacking. PAKC is a novel panel of ten cell lines knocked out for individual components of the HLA class I antigen presentation pathway. PAKC will accelerate HLA-I research in the fields of oncology, infectiology, and autoimmunity.
With the emergence of immunotherapies, the understanding of functional HLA class I antigen presentation to T cells is more relevant than ever. Current knowledge on antigen presentation is based on decades of research in a wide variety of cell types with varying antigen presentation machinery (APM) expression patterns, proteomes and HLA haplotypes. This diversity complicates the establishment of individual APM contributions to antigen generation, selection and presentation. Therefore, we generated a novel Panel of APM Knockout Cell lines (PAKC) from the same genetic origin. After CRISPR/Cas9 genome-editing of ten individual APM components in a human cell line, we derived clonal cell lines and confirmed their knockout status and phenotype. We then show how PAKC will accelerate research on the functional interplay between APM components and their role in antigen generation and presentation. This will lead to improved understanding of peptide-specific T cell responses in infection, cancer and autoimmunity.
The adaptive immune system is able to detect and destroy cells that are malignantly transformed or infected by intracellular pathogens. Specific immune responses against these cells are elicited by antigenic peptides that are presented on major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules and recognized by cytotoxic T lymphocytes at the cell surface. Since these MHC I-presented peptides are generated in the cytosol by proteasomal protein degradation, they can be metaphorically described as a window providing immune cells with insights into the state of the cellular proteome. A crucial element of MHC I antigen presentation is the peptide-loading complex (PLC), a multisubunit machinery, which contains as key constituents the transporter associated with antigen processing (TAP) and the MHC I-specific chaperone tapasin (Tsn). While TAP recognizes and shuttles the cytosolic antigenic peptides into the endoplasmic reticulum (ER), Tsn samples peptides in the ER for their ability to form stable complexes with MHC I, a process called peptide proofreading or peptide editing. Through its selection of peptides that improve MHC I stability, Tsn contributes to the hierarchy of immunodominant peptide epitopes. Despite the fact that it concerns a key event in adaptive immunity, insights into the catalytic mechanism of peptide proofreading carried out by Tsn have only lately been gained via biochemical, biophysical, and structural studies. Furthermore, a Tsn homolog called TAP-binding protein-related (TAPBPR) has only recently been demonstrated to function as a second MHC I-specific chaperone and peptide proofreader. Although TAPBPR is PLC-independent and has a distinct allomorph specificity, it is likely to share a common catalytic mechanism with Tsn. This review focuses on the current knowledge of the multivalent protein–protein interactions and the concomitant dynamic molecular processes underlying peptide-proofreading catalysis. We do not only derive a model that highlights the common mechanistic principles shared by the MHC I editors Tsn and TAPBPR, and the MHC II editor HLA-DM, but also illustrate the distinct quality control strategies employed by these chaperones to sample epitopes. Unraveling the mechanistic underpinnings of catalyzed peptide proofreading will be crucial for a thorough understanding of many aspects of immune recognition, from infection control and tumor immunity to autoimmune diseases and transplant rejection.
Innerhalb des adaptiven Immunsystems spielt der Major Histocompatibility Complex (MHC)-Klasse I-Weg der Antigenpräsentation eine essenzielle Rolle bei der Erkennung und Zerstörung Virus-infizierter Zellen. Ein grundlegender Schritt innerhalb dieses Prozesses ist die Translokation endogener Peptide durch den transporter associated with antigen processing (TAP) in das ER-Lumen. Der TAP-Transporter ist zusammen mit verschiedenen Chaperonen und weiteren Faktoren in einem Peptidbeladungskomplex (PLC) assoziiert. Insbesondere Herpesviren, die durch eine lebenslange Persistenz im Wirt und wiederkehrende Reaktivierung unter Stresssituationen gekennzeichnet sind, interferieren direkt mit dem PLC und dem TAP-Transporter. Das varicellovirale Typ-I-Membranprotein UL49.5 inhibiert den TAP-Komplex, wobei das Protein des Rinderherpesvirus (Bovines Herpesvirus 1, BHV-1) zusätzlich die proteasomale Degradation verschiedener Komponenten des PLCs einleitet. Dieser Mechanismus wird durch die C-terminale Domäne des UL49.5-Proteins vermittelt und ist von keinem anderen Virusprotein bekannt. Welche Aminosäuren des Virusproteins jedoch für diese Inhibition und Degradation essenziell sind, wurde bisher nicht aufgeklärt. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Funktionsweise des BHV-1 UL49.5-Proteins zu verstehen und insbesondere zu analysieren, welche Bereiche des Proteins für die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes verantwortlich sind. Das UL49.5-Protein wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgreich in Insektenzellen und in HeLa-Zellen exprimiert. Mittels Coimmunpräzipitation (Co-IP) wurde daraufhin die Bindung verschiedener UL49.5-Varianten an den TAP-Komplex analysiert. Unterstützt wurden diese Daten durch einen in vivo Interaktionsscreen (BiFC) und in vitro translatiertes UL49.5. Hierbei stellte sich heraus, dass das UL49.5-Protein in Abwesenheit sämtlicher Komponenten des Immunsystems an beide Untereinheiten des TAP-Transporters bindet. Die Bindung erfolgt sowohl an vollständige TAP-Untereinheiten als auch an den sogenannten coreTAP-Komplex, der nur die inneren sechs Transmembranhelices besitzt. Weiterhin wurden systematisch verkürzte UL49.5-Varianten generiert, um wichtige Reste für TAP-Inhibition und proteasomale Degradation zu identifizieren. Interessanterweise sind weder die N-terminale noch die C-terminale Domäne von UL49.5 für die Bindung an den TAP-Komplex zwingend notwendig. Die Bindung an den TAP-Transporter wird demnach über die Transmembrandomäne von UL49.5 vermittelt. Mit Hilfe von Peptidtransport-Analysen wurde die inhibitorische Aktivität verschiedener UL49.5-Mutanten eingehend untersucht. Zusätzlich wurde eine Untersuchung der MHC I-Oberflächenexpression in transient transfizierten HeLa-Zellen etabliert. In diesen Zellen wurde nach Sortierung eine drastisch reduzierte TAP-Konzentration nachgewiesen, die auf proteasomale Degradation des TAP-Komplexes zurückzuführen war. Die Untersuchung von C-terminal verkürzten UL49.5-Mutanten zeigte, dass die letzten zwei C-terminalen Aminosäuren essenziell für die Induktion der TAP-Degradation sind. Die C-terminale Domäne von UL49.5 konnte jedoch, nach Übertragung auf andere Proteine, keine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleiten. Demnach ist ein weiterer Bereich des Proteins für diesen Prozess zwingend notwendig. Erstaunlicherweise waren auch N-terminal verkürzte UL49.5-Proteine deutlich in ihrer inhibitorischen Funktion beeinträchtigt. Bereits nach der Deletion von 10 N-terminalen Aminosäuren war das Protein nicht mehr in der Lage, eine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einzuleiten. Demnach spielt auch die ER-luminale Domäne von UL49.5 eine wichtige Rolle bei der UL49.5-induzierten TAP-Degradation. Somit wurde ein bisher noch nicht beschriebener neuartiger Inhibitionsmechanismus für das BHV-1 UL49.5-Protein entdeckt. Nach Bindung von UL49.5 über die Transmembrandomäne an beide Untereinheiten des TAP-Transporters scheint die ER-luminale Domäne von UL49.5 ein Signal über die ER-Membran an die zytoplasmatische Domäne zu übertragen, die dann die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleitet. Es konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit erstmals gezeigt werden, dass additive Effekte eines sehr kleinen Virusproteins auf zwei unterschiedlichen Seiten der ER-Membran zu einer proteasomalen Degradation eines sehr großen Membran-Komplexes führen.