The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

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Chapter II 
to the peptide backbone of residue Leuα211 of the C-terminal DRα chain. Overall the 
DRα C-terminus is not as closely and tightly packed in the DR binding groove as can be 
observed for the peptide N-terminus in crystal structures of MHC II/peptide complexes 
(figure 3.9). However the extended intermolecular interactions show the ability of this 
DR  region  to  bind  protruding  protein  parts  and  might  bind  certain  DM  regions  in  a 
similar way during DM/DR interaction after partial peptide release. One hypothesis was 
that the N-terminus  of the DMα chain  could  interact  with  the partially empty peptide-
binding groove of DR in a similar way and was further investigated by surface plasmon 
resonance experiments as described in section 3.3.7.  
 
A
   
 
 
 
 
            
B
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 3.5: C-terminus of DRα chain of one DR1 molecule in the asymmetric unit binds in the 
partially empty peptide-binding group of the other DR1 molecule. (A) The two DR1 molecules of the 
asymmetric  unit  are  shown  in  cartoon  representation.  The  red  circle  indicates  where  the  flexible  C-
terminus of the α chain of one DR1 molecule (blue) binds in the partially empty peptide-binding groove 
of the other DR1 molecule (green), normally filled with the peptide N-terminus. (B) In green as cartoon 
representation part of the peptide-binding groove is shown where normally the peptide N-terminus binds. 
DR residues Hisβ81, Valβ85 and Serα53 are indicated and shown as stick representation. In blue the C-
terminus  of  the  α  chain  of  an  adjacent  DR1  molecule  is  shown  as  stick  model.  Dotted  lines  indicate 
hydrogen  bonds  whereas  black  numbers  display  the  lengths  of  the  hydrogen  bonds  in  Angstrom.  The 
filled circle in blue indicates a coordinated water molecule.  
 
During  refinement  of  the  DR1  structure  the  peptide  and  a  region  of  the  DRα  chain 
next to the peptide N-terminus were omitted to reduce model bias as these parts could 
possibly  reveal  conformational  changes.  After  building  missing  protein  and  peptide 
residues  into  the  observable  electron  density,  extra  electron  density  was  visible  at  the 
site  where  normally  the  P1  peptide  residue  is  bound  (figure  3.6).  As  the  HA  peptide 

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Chapter II 
which was covalently  linked to  the DRα  chain  should  be N-terminally truncated  with 
residues P1, P-1 and P-2 missing (VKQNCLKLATK) this site should be empty unless 
other  small  molecules  bound  in  the  P1  pocket.  Therefore,  small  molecules  (e.g.  TFA, 
acetate),  which  could  fit  into  the  extra  electron  density  and  were  present  during 
crystallization,  were  built  into  the  extra  electron  density.  However,  none  of  the  small 
molecules  sufficiently  explained  the  extra  electron  density  as  still  negative  or  positive 
electron density was observable after model refinement including the small molecules. 
Upon closer inspection of the extra electron density it looked like the missing part was 
covalently linked to the peptide N-terminus, i.e. an additional residue would be present 
at the peptide N-terminus. In fact, when an additional valine was built at the peptide N-
terminus  the  extra  electron  density  was  well  explained.  The  additional  valine  at  the 
peptide  N-terminus  (VVKQNCLKLATK)  likely  resulted  from  a  peptide  contaminant 
during peptide synthesis. Such a peptide would preferentially bind to DR1 molecules as 
it has higher affinity to DR1 due to the additional valine as P1 anchor compared to the 
primarily  present  peptide  lacking  a  P1  anchor  residue  (VKQNCLKLATK).  To  further 
prove  the  presence  of  an  additional  valine  at  P1  position  the  peptide  was  eluted  from 
DR1  molecules  used  for  crystallization  experiments  and  was  analyzed  by  mass 
spectrometry (see 3.3.6).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure  3.6:  Electron  density  (2F
o
-F
c
)  of  the  peptide  N-terminus  showing  extra  electron  density 
(F
o
-F
c
)  for  an additional  peptide  residue.  The  peptide  N-terminus  and  parts  of  the  DR1  molecule  are 
shown as stick model. The electron density is shown in mesh representation (2F
o
-F
c
: blue, F
o
-F
c
: green). 
The peptide extends horizontally with the N-terminus at the right side. In the front parts of residues of the 
DRα chain and in the background residue Hisβ81 of the DRβ chain can be seen. The red circle indicates 
extra electron density accounting for an additional valine at the peptide N-terminus. 

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Chapter II 
Figure  3.7  (A,  B)  shows  an  overlay  of  the  peptide-binding  groove  of  the  newly 
solved  DR1  structure  carrying  an  N-terminally  truncated  HA  peptide  (green)  with  the 
previously published DR1 structure carrying a full length HA peptide (orange). As can 
be seen from the superimposition no major conformational change was observed in the 
DR1  region  around  the  partially  empty  peptide-binding  groove  and  the  overall 
conformation  of the  DRα and DRβ  chains stayed intact.  However, the  DRα and  DRß 
helices  normally  next  to  the  peptide  N-terminus  were  further  apart  (0.8-0.9 Å)  in  the 
DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) structure compared to the DR1 structure carrying a full length HA 
peptide (figure 3.7, B) and also carrying a CLIP(106-120) peptide missing residue P-2 
(figure 3.10). 
It was surprising that greater conformational changes were not observed since in the 
absence  of  two  N-terminal  peptide  residues  (P-2,  P-1)  several  peptide/MHC II 
interactions  were  missing  resulting  in  possible  destabilization  of  the  respective  DR1 
region. For example, two hydrogen bonds normally formed between peptide residue P-2 
and  DR  residues  Serα53  and  Pheα51  could  not  be  formed  (figure  3.7,  C,  D). 
Furthermore, the hydrogen bond between peptide residue P-1 and His β81 could not be 
built  and  instead  Hisβ81  formed  a  bridged  hydrogen  bond  to  the  amine  group  of  the 
peptide  N-terminus  (P1  residue)  that  was  mediated  by  a  coordinated  water  molecule. 
However, the other three N-terminal hydrogen bonds formed by peptide residues P2 and 
P1  with  DR1  residues  Asnβ82  and  Serα53  were  unmodified.  Concerning  the  peptide 
conformation, peptide residue valine at position P2 exhibited a different rotamer in the 
DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) structure as had been seen for the same peptide residue in the DR1 
structure carrying a full length HA peptide (figure 3.7, C, D).  
 

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