The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

1 
Introduction 
1
 
Introduction 
1.1
 
The major histocompatibility complex 
The  major  histocompatibility  complex  (MHC;  human  leukocyte  antigen  (HLA) 
complex in humans) is a highly polymorphic region on chromosome 6 in humans with 
genes that encode MHC molecules that play a fundamental role in the immune system 
and  autoimmunity  (figure  1.1).  For  example,  lack  of  expression  of  MHC  class  II 
(MHC II)  molecules  results  in  severe  immunodeficiency  with  defects  in  both  cellular 
and  humoral  immunity  causing  extreme  vulnerability  to  infections  (Reith  and  Mach, 
2001). Genetic susceptibility to many autoimmune diseases, including multiple sclerosis 
and  rheumatoid  arthritis,  has  been  linked  directly  to  the  MHC  II  locus  (Goronzy  and 
Weyand,  2005;  Svejgaard,  2008).  The  MHC  first  received  attention  in  the  context  of 
tissue  and  organ  transplantation  studies  which  showed  that  this  locus  was  involved  in 
graft acceptance and rejection (histocompatibility). 
The  class  I  molecules  are  expressed  in  most  nucleated  cells  where  they  present 
mainly  endogenous  peptides  on the cell surface to effector cells  such as  CD8+ T cells 
(cytotoxic T lymphocytes). The presented peptide repertoire can be derived from either 
normally-expressed  self  proteins  or  microbial  proteins  in  the  case  of  an  infected  cell. 
Presentation  of  pathogen-derived  peptide  by  MHC  class  I  molecule  to  an  effector  cell 
allows for recognition and killing of the infected cell, while presentation of normal self-
peptide induces tolerance.  
In  comparison,  the  class  II  molecules  (HLA-DR,  -DQ  and  -DP)  are  presented  on 
specialized antigen presenting cells including macrophages, dendritic cells and B cells. 
During  infection  MHC II  molecules  present  exogenous  peptides  to  CD4+  T  cells 
derived from extracellular pathogens. Upon recognition of pathogenic peptides CD4+ T 
cells  activate  and  direct  other  immune  cells  to  the  site  of  inflammation  and  therefore 
play a crucial role in initiating an adequate immune response. Both MHC class I and II 
molecules  show  extensive  sequence  polymorphisms  especially  in  the  peptide-binding 
region allowing different types of peptides to bind (Germain, 1994).  
The  MHC  III  region,  also  called  central  MHC,  as  it  is  flanked  by  the  centromeric 
MHC  II  and  the  telomeric  MHC  I  genes,  is  less  polymorphic  and  encodes  protein 
families  involved  in  various  aspects  of  innate  immunity  (complement  proteins, 

---

2 
Introduction 
inflammatory cytokines, and heat shock proteins) as well as some proteins not directly 
involved in the immune system (Hauptmann and Bahram, 2004). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 1.1: Schematic representation of the HLA locus on chromosome 6 in humans. The HLA 
region  is  located  on  the  short  arm  of  chromosome  6  from  6p21.1  to  p21.3  indicated  by  a  red  bar.  T he 
extent of the class II (red), class III (blue) and class I (green) genes that spans from the centromeric (cen) 
to the telomeric (tel) end is shown. The class II region includes the genes for α and ß chains of the MHC 
class II molecules HLA-DR, -DP, and  -DQ. In addition, the genes encoding the DMα and DMß chains, 
and the genes encoding α and ß chains of the DO molecule (DNα and DOß, respectively) are also located 
in the MHC class II region (adapted from (Mehra and Kaur, 2003)).
 
 
1.2
 
MHC class II dependent pathway of antigen presentation 
Like  other  cell-surface  glycoproteins,  MHC  class  I  (MHC  I)  and  MHC  class  II 
(MHC  II) molecules assemble in  the endoplasmic reticulum (ER).  As shown in  figure 
1.2,  unlike  MHC  I  molecules  which  bind  endogenous  peptides  in  the  ER,  MHC  II 
molecules  must  protect  their  peptide-binding  site  until  they  reach  the  late  endosomal 
compartment  where  they  bind  exogenous  peptides.  Therefore  the  α-  and  β-  subunits 
which  form  the  MHC  II  molecule  associate  with  a  third  molecule,  the  MHC  class  II-
associated invariant chain (Ii), which partially binds to and occludes the peptide-binding 
groove. In the ER lumen the invariant chains first form a trimer and successively three 
MHC  II  α/β-  heterodimers  bind  noncovalently  to  each  subunit  (Lamb  and  Cresswell, 
1992)  with  the  chaperone  calnexin  binding  and  stabilizing  the  different  components 
(Anderson  and  Cresswell,  1994).  After  assembly,  the  nonameric  complex  is  directed 
through the Golgi apparatus to a low pH endosomal compartment via a signal sequence 
in the cytoplasmic region of the invariant chain. The main site of peptide loading in the 
MHC  II  pathway  is  the  endocytic  MHC  class  II-containing  compartment  (MIIC) 
(Anderson and Cresswell, 1994). During transport and within these late endocytic, early 

---

3 
Introduction 
lysosomal  structures,  the  invariant  chain  is  gradually  cleaved  by  lysosomal  proteases 
(Cresswell,  1996;  Newcomb  and  Cresswell,  1993;  Roche  et  al.,  1991)  such  as  the 
cysteine  proteases  cathepsins  S  and  L  (Deussing  et  al.,  1998;  Nakagawa  et  al.,  1998; 
Riese  et  al.,  1996).  After  initial  C-terminal  truncation  of  the  invariant  chain,  further 
degradation  leaves  only  short  peptide  fragments,  called  CLIP  (class  II-associated 
invariant-chain  peptides),  bound  to  MHC  II  molecules.  As  CLIP  binds  in  the  peptide-
binding  groove of MHC  II molecules, it must be removed in order for other antigenic 
peptides to bind and later on to be presented on the cell surface.  
HLA-DM  (DM),  another  transmembrane  protein  also  encoded  in  the  MHC  and 
regulated by the class II transcriptional transactivator (CIITA) like MHC II molecules, 
undertakes  the  task  of  peptide  exchange  and  plays  an  important  role  in  the  process  of 
peptide  loading  and  formation  of  stable  MHC  II/peptide  complexes.  Forming  stable 
complexes  between  MHC  II  molecules  and  peptides  is  crucial  for  a  specific  immune 
response as these complexes can be present on the cell surface for days  (Lanzavecchia 
et  al.,  1992).  During  this  time  peptide  loss  due  to  weak  interactions  and  binding  of 
locally  available  peptides  outside  the  cell  by  empty  MHC  II  molecules  could  lead  to 
ineffective and uncontrolled peptide presentation. The important function and activity of 
DM will be further discussed in section 1.4.  
In  uninfected  cells,  similar  to  MHC  I  molecules,  MHC  II  molecules  bind  peptides 
derived  from  self  proteins,  frequently  originating  from  aggregated  and  degraded 
MHC II and invariant chain molecules (Vogt et al., 1994). In case of infection MHC II 
molecules  present  exogenous  peptides  derived  from  internalization  of  pathogens  and 
pieces of pathogenic organisms or eukaryotic parasites residing in intracellular vesicles. 
The  loaded  peptides  are  products  of  proteolytic  degradation  by  proteases  that  are 
activated  at  low  pH  in  the  late  endosomes  and  lysosomes.  Among  these  proteases  are 
the cysteine proteases cathepsins B, D, S, and L whereas cathespsins S and L are most 
predominant.  There  are  also  other  proteases  involved  in  antigen  processing  and  the 
overall  peptide  repertoire  presumably  reflects  the  activities  of  the  many  proteases  that 
are present in the endosomal pathway.  
After forming stable MHC II/peptide complexes the molecules are transported to the 
cell  surface  where  bound  peptides  are  presented  to  T  cell  receptors  (TCR)  which  are 
present on T cells. As T cell recognition of antigens is MHC restricted, the TCR has to 
recognize  the  peptide  and  the  specific  MHC  II  molecule.  In  order  to  achieve  full 
activation  of  a  naïve  T  cell,  the  activated  antigen  presenting  cell  must  also  provide 

---