HLA class I maturation - in the presence and absence of tapasin

Abstract

Human leukocyte antigen class I (HLA-I) molecules are present on all nucleated cells and present the cell content to cytotoxic T lymphocytes in the form of peptides. Maturation of HLA-I occurs in the endoplasmic reticulum and results in stable peptide-HLA-I complexes, in the presence of proper quality control. For proper peptide binding most HLA-I molecules interact with the peptide-loading complex (PLC), which is a multi-protein complex consisting of the transporter associated with antigen presentation, calreticulin, ERp57 and tapasin. Tapasin integrates HLA-I into the PLC and mediates quality control of the HLA-I maturation. When an optimal peptide is bound, tapasin releases the peptide-loaded HLA-I molecule that is next transported to the cell surface. The mechanisms for tapasin quality control of HLA-I maturation and the criteria defining optimal peptides are not completely known.



Here, a recombinant part of tapasin, the first 87 N-terminal amino acids (Tpn1-87), was produced and shown to facilitate folding of different HLA-I molecules, i.e. allomorphs, to different degree in a peptide dependent manner. Folding of HLA-A*02:01 molecules with natural ligands, i.e. with peptides purified mainly from HLA-I expressed on the cell surface, was not facilitated by Tpn1-87, while folding of non-natural ligands, i.e. not presented at the cell surface, was facilitated. The folding facilitation exerted by Tpn1-87, tapasin-facilitation, inversely correlated with the stability of the peptide-HLA-I complex to some extent. The inverse correlation of these two parameters, tapasin-facilitation and stability, was studied in detail in the third paper. An increased stability was shown to not necessarily be associated with a decreased tapasin-facilitation. In the last paper of this thesis the tapasin-facilitation was studied in a large set of allomorphs folded with peptides of 7 to 13 amino acids in length. The influence of peptide-length for the different allomorphs increased with their tapasin dependence.



In conclusion, Tpn1-87 facilitates folding of HLA-I in a peptide- and allomorph-dependent manner. Based on the above studies and data showing tapasin retention of immature HLA-I molecules, and studies of a suggested peptide-editing role of tapasin, we propose that tapasin keeps HLA-I molecules in a peptide-receptive conformation, which reduces the risk degradation of HLA-I molecules and increases the possibility for binding of optimal peptides.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Undetermined

Vårt immunförsvar består av molekyler, celler, och barriärer som har till uppgift att hålla oss friska genom att avlägsna eller stänga ute virus och skadliga mikroorganismer. På alla kärnförsedda celler i vår kropp sitter en stor mängd MHC klass I-molekyler, strukturer som kan liknas vid korgar. I varje korg ligger en peptid som är ett fragment av något som finns inuti cellen, exempelvis delar av kroppsegna proteiner, virusproducerade proteiner och tumörspecifika proteiner. Specifika celler i immunförsvaret, CD8-positiva T-celler, har tidigt lärt sig vad som är kroppseget och vad som är främmande. Om det ligger en peptid i en korg som inte är kroppsegen, känns den igen av CD8-positiva T-celler. T-cellerna aktiveras då och dödar de celler som bär den icke-kroppsegna peptiden i sina korgar.



Den peptid som tillverkats och lagts i korgen (binder till MHC klass I-molekylen) inne i cellen transporteras sedan ut och sätter sig på cellytan. MHC klass I-molekylen är dock väldigt restriktiv i sin bindning och transporteras bara till cellytan om den bär på en peptid som väl passar in i dess peptid-bindningsklyfta. Bindning av peptid sker oftast med hjälp av det så kallade peptidladdnings-komplexet, ett komplex bestående av ett antal medhjälpare där i synnerhet en molekyl vid namn tapasin är av stor vikt.



Av det enorma antal peptider som finns i cellen är det således bara en bråkdel som presenteras på cellytan. Tapasin binder till MHC klass I-molekyler och tros stabilisera dem så att lämpliga peptider får en möjlighet att binda in till peptid-bindningsklyftan. Om tapasin av någon anledning saknas i cellen transporteras färre MHC klass I-molekyler ut till cellytan och de som finns där är väldigt instabila och faller lätt sönder. Tapasin är alltså med och ser till att stabila peptid-MHC klass I-komplex kan bildas. När detta väl skett så släpper tapasin taget om peptid-MHC klass I-komplexet så det kan transporteras till cellytan. Exakt hur denna process fungerar är ännu inte klarlagt.



Studierna av tapasins funktion inleddes med att vi producerade en liten del av molekylen, Tpn1-87. I vårt första arbete (I) redogör vi för hur vi gick tillväga när vi producerade Tpn1-87 och visar att vid närvaro av denna tapasin-del under peptid-bindning till MHC klass I i biokemisk modell utanför cellen formas fler peptid-MHC klass I-komplex. I den andra delen av första arbetet (I) redogör vi för tillverkningen av antikroppar. Antikroppar känner igen och binder till ett visst ställe på en specifik molekyl, i vårt fall tapasin. Vi demonstrerar och kartlägger olika tillämpningsområden för en av dessa antikroppar och har kartlagt dess exakta inbindningsställe på tapasin. Antikropparna mot tapasin kan användas på många sätt och ge oss mycket kunskap om tapasins funktion.



Det finns en mängd olika MHC klass I-molekyler, så kallade allomorfer, i den mänskliga populationen. De är mer eller mindre beroende av tapasin för att uttryckas på cellytan. I arbete nummer två (II) visar vi att Tpn1-87 påverkar olika allomorfer olika mycket, genom att studera hur mycket peptid-MHC klass I-komplex som bildas i närvaro respektive frånvaro av Tpn1-87 med de olika allomorferna. Resultaten är helt i linje med vad som har visats i andra studier med tapasin. Genom att dividera mängden bildade peptid-MHC klass I-komplex i närvaro av Tpn1-87 med mängden bildade i frånvaro av Tpn1-87 kan man beräkna tapasin-faciliteringen, och få fram ett mått på hur stor inverkan Tpn1-87 har på antalet peptid-MHC klass I-komplex som bildas. Det framkom att komplex-bildning med peptider som presenteras på cellytan, SYFPEITHI-peptider, har en lägre tapasin-facilitering än icke-SYFPEITHI-peptider, som inte har påvisats på cellytan. Vi föreslår därför att tapasin-facilitering kan användas för att på ett enkelt sätt fastställa vilka peptider det är som presenteras på cellytan, vilket kan vara till stor hjälp vid tillverkningen av peptid-baserade vaccin. Härmed fick vi också en bättre förståelse för tapasins funktion att stabilisera mindre stabila MHC klass I-molekyler och därmed göra dem mer tillgängliga för inbindning av peptid. Våra resultat tyder även på att inbindning av tapasin leder till att stabila peptid-MHC klass I-komplex bildar en än mer stabil låst struktur, medan peptid-MHC klass I-komplex med mindre passande peptid hålls öppna av tapasin så att peptiden snabbt och lätt kan lossna och lämna plats åt en ny peptid. När en optimal peptid har bundit till peptidbindningsklyftan frigör tapasin sig från peptid-MHC klass I-komplexet, vilket tillåter komplexet att uttryckas på cellytan.



I det tredje arbetet (III) ville vi undersöka om graden av tapasin-facilitering omvänt korrelerar med stabiliteten på peptid-MHC klass I-komplexen. Det visade sig att de inte alltid följde varandra; en högre stabilitet medförde inte nödvändigtvis en lägre tapasin-facilitering av komplexet. De två parametrarna, stabilitet och tapasin-facilitering, föreslås med fördel kunna användas som komplementära verktyg för att välja ut lämpliga peptider till peptidbaserade vaccin.



I arbete nummer fyra (IV) utökar vi antalet allomorfer och jämför tapasin-faciliteringen dem emellan. Detta är första gången någon i en och samma studie tittar på tapasins effekt på ett så stort antal allomorfer samtidigt, något som är till stor fördel om man direkt vill kunna jämföra dem. De mest extrema allomorferna på skalan av tapasin-beroende behöll sin plats i hierarkin medan några allomorfer placerade sig något annorlunda jämfört med tidigare studier. Vi såg också att de minst tapasin-faciliterade allomorferna formade fler peptid-MHC klass I-komplex än de allomorfer som är mer tapasin-faciliterade, något som möjligen avspeglar proportionerna av de olika allomorferna på cellytan. Dessutom studerade vi effekten av peptiders längd med avseende på tapasin-facilitering och kunde observera att dess relevans ökar med tapasin-faciliteringsgraden för allomorferna.



Dessa studier har lärt oss att antalet korgar innehållande peptid/inbindning av peptid till MHC klass I ökar i närvaro av tapasin. Detta tros bero på tapasins funktion att stabilisera MHC klass I-molekylen, vilket möjliggör inbindning av rätt sorts peptid. Denna peptid ger MHC klass I-komplexet tillräckligt hög stabilitet för att tapasin ska släppa taget och tillåta transport av komplexet till cellytan. Vi kan också konstatera att det finns en stor spännvidd i tapasin-beroende bland olika allomorfer, något som delvis omvänt korrelerar med stabiliteten av MHC klass I-komplexet. Exakt hur och vad tapasin känner av när det binder respektive släpper MHC klass I-molekyler kvarstår att undersöka men en stor del av tapasin-pusslet är nu lagt.

• author: Geironson Ulfsson, Linda
• supervisor: Kajsa Maria Paulsson
• opponent: Achour, Adnane, Institutionen för medicin
• organization: Department of Biology; StemTherapy: National Initiative on Stem Cells for Regenerative Therapy
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• defense location: Segerfalksalen, BMC A10
• defense date: 2012-05-25 13:00:00
• ISBN: 978-91-7473-304-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1024eb1a-86d3-42b9-99c4-ce69cc3ad863 (old id 2438654)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:24:34
• date last changed: 2018-11-21 21:04:40