The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

---

 
 
 
 
The mechanism of peptide exchange by 
MHC class II molecules 
 
 
 
 
 
Inaugural – Dissertation 
to obtain the academic degree  
Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) 
 
 
 
submitted to  
the Department of Biology, Chemistry and Pharmacy of 
Freie Universität Berlin 
 
 
 
by 
Monika-Sarah Schulze 
from Giessen 
 
 
 
 
2012 
 

---

II 
 
 
This  thesis  is  based  on  research  conducted  from  2008  to  2012  at  the  Dana-Farber 
Cancer  Institute  in  Boston,  MA,  USA,  under  the  supervision  of  Prof.  Dr.  Kai 
Wucherpfennig.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gutachter: 
 
Erster Gutachter:   Prof. Dr. Kai Wucherpfennig 
 
 
 
Dana-Farber Cancer Institute 
 
 
 
Harvard Medical School 
 
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Udo Heinemann 
 
 
 
Max-Delbrück-Center for Molecular Medicine  
 
 
 
Freie Universität Berlin 
 
 
Disputationstermin: 15. Mai 2012 
 

---

III 
 
Declaration 
 
I  hereby  declare  that  the  work  presented  in  this  thesis  has  been  conducted 
independently  and  without  any  inappropriate  support,  and  that  all  sources  of  content, 
experimental or intellectual, are suitably referenced and acknowledged. I further declare 
that this thesis has not been submitted before, either in the same or a different form, to 
this or any other university for a degree. 
 
 
 
Boston, 26 February 2012   
 
 
       Monika-Sarah Schulze 
 
 
 
 

---

IV 
Acknowledgment 
Acknowledgment 
 
First of all, I would like to thank Professor Dr. Kai Wucherpfennig for giving me the 
opportunity  to  carry  out  my  PhD  project  in  his  lab  and  work  on  a  scientifically 
extremely interesting but also highly challenging project. Thanks to him I could work in 
a  stimulating  multi-disciplinary  environment  and  learn  a  lot  about  immunology 
research,  a  field  I  am  very  interested  in.  I  also  want  to  thank  him  for  his  continuous 
support  and  confidence  in  me  throughout  the  years  and  his  interest  in  and  guidance 
during the project as well as his valuable advice during the writing process of my thesis. 
 
Furthermore, I would like to thank Prof. Dr. Andreas Ziegler for making it possible 
for me to start as  a PhD student at the Freie Universität Berlin many  years ago.  I also 
would  like  to  thank  him  and  Dr.  Barbara  Uchanska-Ziegler  for  their  advice  and 
feedback  concerning  my  projects  during  our  annual  meetings.  I  extend  my  special 
thanks  to  Prof.  Dr.  Udo  Heinemann  who  agreed  to  be  my  second  reviewer  from  the 
beginning and Prof. Dr. Beate Koksch for being the chair of my defense committee.  
 
Special  thanks  also  goes  to  our  collaborators  Prof.  Dr.  James  Chou  from  the 
Department of Biological Chemistry and Molecular Pharmacology of Harvard Medical 
School and, especially,  Dr. Matt Call, who introduced me to the field of protein NMR 
spectroscopy  and  helped  me  carrying  out  and  analyzing  the  multidimensional  NMR 
experiments during this dissertation.  
 
I am also most grateful to the people in the Wucherpfennig lab throughout the years 
for  creating  such  an  enjoyable  and  encouraging  work  environment  and  providing 
motivation  during  difficult  times.  Especially,  Dr.  Melissa  Call  I  want  to  thank  for  her 
continuous  input  and  inspiring  discussions  about  my  projects.  Kathrin  Anders,  who 
taught me the method of surface plasmon resonance, and Bettina Franz I want to thank 
for  their  scientific  help  and  friendship  throughout  the  common  journey  towards  the 
PhD. Furthermore, I would like to thank Dr. Dhruv Sethi for his crystallographic advice 
and  his  help  with  installing  software  programs.  For  reading  parts  of  my  thesis  and 
giving  feedback  I  would  like  to  thank  Don  Shaffer,  Jessica  Dobbins,  Howell  Moffett, 
Torsten Meissner and Chris Harvey. 
 
Last  but  not  least  I  would  like  to  thank  my  parents  for  giving  me  the  freedom  and 
constant support to do what I am really interested in.  

---

V 
Summary 
Summary 
 
Presentation  of  antigenic  peptides  by  major  histocompatibility  complex  class  II 
(MHC II)  molecules  on  the  cell  surface  is  essential  as  it  evokes  different  immune 
responses  including  antibody  production,  cell  destruction,  and  initiation  of  regulatory 
mechanisms.  Peptide  loading  and  formation  of  stable  MHC II/peptide  complexes  is 
catalyzed by the MHC II like protein HLA-DM (DM). A major focus of this work was 
to  understand  the  molecular  mechanism  of  DM-mediated  peptide  exchange  which 
would  aid  in  efforts  to  predict  immunogenicity  of  known  and  emerging  pathogens. 
Furthermore,  enhanced  peptide  exchange  of  MHC II  molecules  by  a  synthetic  small 
molecule,  J10,  was  investigated.  This  small  molecule  has  therapeutic  potential  as  it 
could allow actively modifying the presented peptide repertoire which is of interest for 
various medicinal applications, e.g. peptide based vaccination. To address the dynamic 
process of peptide exchange, which involves breaking and reforming multiple peptide-
MHC II  interactions,  various  methods  were  applied  including  X-ray  crystallography, 
NMR spectroscopy and surface plasmon resonance (SPR).  
 
SPR  experiments  undertaken  during  this  doctoral  work  revealed  definitive  DM 
binding  at  increased  temperature  to  the  high-affinity  MHC II/peptide  complexes 
DR1/HA and DR2/MBP previously exhibiting no or only little DM susceptibility. This 
finding  supports  the  model  of  a  common  transient  MHC II/peptide  conformation  for 
high-  and  low-affinity  MHC II/peptide  complexes  which  is  dependent  on  kinetic 
parameters  and  more  abundant  at  higher  temperature.  Furthermore,  the  functional 
significance  of  the  SPR  data  was  demonstrated  by  correlating  DM  binding  to  a  high- 
and a low-affinity MHC II/peptide complex with DM activity on the two complexes as 
measured by fluorescence polarization, showing that the two assays were in agreement.  
 
Previous  studies  showed  that  release  of  the  peptide  N-terminus  is  crucial  for  DM 
binding and may be facilitated by spontaneous peptide motion which is also supported 
by  SPR  and  NMR  data  obtained  during  this  doctoral  work.  However,  the  structural 
implications  of  a  partial  peptide  release  were  unknown.  In  this  doctoral  thesis  a  DR1 
structure  is  presented  carrying  an  HA  peptide  variant  missing  the  two  N-terminal 
peptide residues (P-2, P-1) that represents  an intermediate state of a MHC II molecule 
during  peptide  release.  Surprisingly,  no  major  but  small  conformational  changes  were 

---