The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

10 
Introduction 
hetero-dimer  associates  with  the  multi-subunit  peptide  loading  complex  (PLC)  in  the 
ER (Wearsch and Cresswell, 2008). One of the key components of the PLC is tapasin, 
which  directly  binds  to  the  MHC  I  molecule  and  also  makes  contact  with  the  TAP 
peptide  transporter  (Sadasivan  et  al.,  1996).  Furthermore,  tapasin  forms  a  covalently 
linked  dimer  with  ERp57,  which  interacts  with  calreticulin,  which  in  turn  is  bound  to 
the MHC I molecule through a glycosylation site (Wearsch and Cresswell, 2007, 2008). 
It has been shown that the disulfide-linked dimer of tapasin and ERp57 is sufficient for 
peptide  exchange  and  might  have  a  similar  function  to  DM  in  the  MHC  II  pathway 
(Peaper  et  al.,  2005;  Wearsch  and  Cresswell,  2007).  Similarly  to  what  has  been 
observed for DM and MHC  II molecules, the  covalent tapasin-ERp57  dimer stabilizes 
MHC  I  molecules  in  a  peptide-receptive  conformation  and  greatly  enhances  peptide-
binding. It also favors binding of high-affinity peptides which are then displayed on the 
cell surface. Furthermore, binding of high-affinity peptide induces dissociation of MHC 
I  molecules  from  the  PLC  (Wearsch  and  Cresswell,  2007),  in  the  same  way  that  the 
complex  between  MHC  II  molecules  and  DM  is  disrupted  by  binding  of  high-affinity 
peptide (Anders et al., 2011).  
These are striking similarities between the peptide loading processes of MHC  I and 
MHC II molecules even though peptide exchange is facilitated by different proteins and 
in distinct cellular compartments (Sadegh-Nasseri et al., 2008; Wearsch and Cresswell, 
2008).  However,  in  both  cases  the  peptide  to  be  exchanged  is  buried  deep  within  the 
binding groove, and MHC I and MHC  II molecules are highly unstable in the absence 
of any peptide (Germain and Rinker, 1993; Wearsch and Cresswell, 2008), which seem 
to be similar preconditions and likely require similar functions. 
 
 

---

11 
Introduction 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure  1.5:  Similarities  between  the  peptide  loading  mechanisms  facilitated  by  MHC  I  and 
MHC  II  molecules.  Peptide  loading  occurs  in  different  compartments  for  MHC  I  (ER)  and  MHC  II 
(endosomes-lysosomes) molecules, but key features of the peptide loading/editing process are similar, as 
illustrated  here.  Empty  MHC  I  molecules  become  part  of  a  peptide-loading  complex  involving  tapasin, 
ERp57  and  calreticulin;  tapasin  links  the  peptide  loading  complex  to  the  peptide  transporter  TAP  (not 
shown). Tapasin is covalently linked to ERp57 and this hetero-dimer performs a peptide editing function. 
Empty MHC I and MHC II molecules are highly unstable in the absence of peptide, and peptide loading 
requires  chaperones  that  stabilize  the  empty  state  in  a  functional  form.  In  both  cases,  binding  of  high-
affinity peptides results in release from the respective chaperones. (Schulze and Wucherpfennig, 2012)
 
 
1.5
 
Structure of HLA-DM and lateral interaction with HLA-DR 
As expected from the high overall sequence similarity (Cho et al., 1991; Kelly et al., 
1991) DM is a hetero-dimer with an overall fold and domain organization similar to that 
of classical MHC II molecules (Mosyak et al., 1998). The major difference compared to 
MHC  II  molecules  lies  in  the  peptide-binding  groove.  The  α  helices  of  the  α1  and  ß1 
domains of DM, which build the rim of the peptide-binding cleft for MHC II molecules, 
are  closer  together  and  make  several  contacts  which  preclude  peptide-binding  (figure 
1.6,  A,  C).  At  both  ends  of  the  cleft,  bulky  hydrophobic  residues  protrude  into  the 

---

12 
Introduction 
groove displaying a small and a large hydrophobic cluster where the N- and accordingly 
C-termini of the peptide normally bind to MHC II molecules. In the middle part, polar 
and  charged  residues  form  a  deep  pocket  which  is  very  different  from  the  peptide-
binding pockets of classical MHC II molecules (figure 1.6, B, C). Whether this pocket 
has  a  function  or  binding  capability  is  unknown.  The  two  outer  hydrophobic  clusters 
and  the  central  polar  cavity  are  divided  and  flanked  by  three  distinct  kinks  formed  by 
the ß1 domain α helix. The conformation of the closed groove of DM shows similarities 
to the structure of the neonatal Fc receptor, which binds immunoglobulin, has a protein 
fold similar to MHC I molecules, and also contains a collapsed peptide-binding groove 
(Mosyak et al., 1998). Aside from minor differences in loop conformations, the α2 and 
ß2 domains of DM are very similar to the corresponding domains of classical MHC II 
molecules.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 1.6: Comparison of the protein structures of DM and MHC II molecules. (A) An overlap 
of  the  α1/ß1  membrane-distal  domains  of  DM  (orange)  and  MHC  II  molecules  (yellow)  is  shown  as 
ribbon diagram. (B) Top view of the peptide-binding groove of MHC II molecules is displayed as surface 
representation.  (C)  Top  view  of  the  α1/ß1  membrane-distal  domains  of  DM  is  depicted  as  surface 
representation revealing a deep pocket in the center. Models are based on crystal structures of DM (PDB: 
2BC4) and DR1 (PDB: 1DLH). 

---