The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

13 
Introduction 
Interestingly, residues that are part of the tight interactions between the α helices of 
the  α1  and  ß1  domains  are  conserved  among  human  DM  and  homologous  murine, 
rabbit  and  bovine  sequences.  However,  residues  that  are  pointing  away  from  this 
interface  are  variable  and  show  limited  polymorphism  (Mosyak  et  al.,  1998).  This 
stands in contrast to classical MHC II molecules that show extensive polymorphism of 
amino acids that are located within the peptide-binding groove, which allows capturing 
a variety of peptides. 
 
Mutagenesis studies of DM and MHC II molecules (Doebele et al., 2000; Pashine et 
al.,  2003)  revealed  a  lateral  binding  site  between  both  molecules  (figure  1.7)  which 
comprises part of the concave side of DM and the DR side close to the peptide-binding 
groove where the peptide N-terminus binds.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure  1.7:  Lateral  interaction  surfaces  of  HLA-DM  and  HLA-DR  molecules.  Contact  residues 
are  colored  red  on  both  proteins,  based  on  mutations  that  substantially  reduced  susceptibility  of 
DR/peptide complexes to DM (Anders et al., 2011; Doebele et al., 2000) or the activity of DM (Pashine et 
al., 2003). Mutants that only  showed small effects or introduced a glycosylation site (and thereby  steric 
hindrance)  were  omitted.  A  functionally  important  cluster  is  located  in  the  DRα1  domain  close  to  the 
peptide N-terminus; a second cluster is present in the membrane proximal DRß2 domain. DM also shows 
two  clusters  of  contact  residues,  located  in  the  membrane-distal  α1/ß1  domains  and  the  membrane 
proximal α2/ß2 domains. DM chains are colored yellow (DMα) and orange (DMß), DR chains light blue 
(DRα) and turquoise (DRß). Models are based on crystal structures of DM (PDB: 1HDM and 2BC4) and 
DR3/CLIP (PDB: 1A6A). (Schulze and Wucherpfennig, 2012)
 

---

14 
Introduction 
Together  with  other  mutagenesis  studies  and  functional  experiments  (Anders  et  al., 
2011)  two  clusters  of  interacting  residues  were  found  for  both  molecules,  respectively 
(figure 1.7). For DR, one cluster is present in the DRα1 domain close to the peptide N-
terminus and a second cluster is located in the membrane-proximal DRß2 domain. The 
contact  residues  for  DM  are  located  in  the  membrane-distal  α1/ß1  domains  and  the 
membrane-proximal α2/ß2 domains. The same lateral interaction surface was confirmed 
by  functional  experiments  in  which  DM  was  tethered  either  to  the  peptide  N-  or  C-
terminus  (Stratikos  et  al.,  2002).  Enhanced  peptide  release  was  observed  with  DM 
covalently  bound  to  the  peptide  N-terminus,  but  not  to  the  C-terminus.  Although  the 
overall  binding  site  has  been  identified,  the  molecular  mechanism  of  DM-catalyzed 
peptide exchange is still unknown.  
 
1.6
 
Proposed mechanisms for HLA-DM-catalyzed peptide exchange  
As  described  in  the  previous  section,  the  general  interaction  site  between  DM  and 
MHC II molecules has been identified. However, crucial residues important for peptide 
exchange  which  could  elucidate  how  DM  catalyzes  peptide  exchange  are  still 
unidentified.  An  attractive  potential  target  for  DM  activity  is  the  conserved  hydrogen 
bond  network  between  peptide  and  MHC  II  molecules  because  it  is  a  prominent 
sequence-independent  feature,  and  it  has  been  shown  that  DM  acts  promiscuously  on 
different DR alleles and catalyzes the exchange of various peptides (Weber et al., 1996). 
For  example,  Weber  et  al.  discovered  that  the  rate  of  enhancement  of  peptide 
dissociation catalyzed by DM is directly proportional to the intrinsic dissociation rate of 
a peptide from its DR molecule (Weber et al., 1996). Several studies have been already 
carried out investigating whether DM targets some of these conserved hydrogen bonds, 
but  the  results  have  been  somewhat  conflicting.  Sadegh-Nasseri  and  colleagues 
perturbed  the  conserved  hydrogen  bond  between  histidine  81  of  the  DRß  chain  and 
peptide  backbone  with  a  histidine-to-asparagine  mutation,  which  abolished  DM 
enhancement  of  peptide  dissociation  (Narayan  et  al.,  2007).  The  conserved  residue 
Hisß81  is  located  close  to  the  peptide  N-terminus  and,  therefore,  also  close  to  the 
interaction  surface  of  DM  and  DR.  A  ‘hit-and-run’  mechanism  was  proposed  by 
Sadegh-Nasseri and colleagues in which DM transiently but repeatedly interacts with a 
DR/peptide complex and thereby induces a conformational change leading to disruption 

---

15 
Introduction 
of  the  hydrogen  bond  between  Hisß81  and  bound  peptide  and  initiating  peptide 
dissociation. However, studies by Ferrante et al. investigating the mutation His81Asn of 
the  DRß  chain  showed  no  impairment  of  DM  activity,  excluding  residue  Hisß81  as 
special  target  of  DM  activity  (Ferrante  and  Gorski,  2010).  Furthermore,  in  a 
comprehensive  study,  Jensen  and  colleagues  mutated  six  conserved  DR  residues  to 
alanines,  including  residue  ßHis81.  These  residues  normally  form  nine  conserved 
hydrogen bonds with the peptide backbone (the other three conserved hydrogen bonds 
are between peptide  and the backbone of  DRα chain). No altered susceptibility to  the 
catalytic activity of DM was found, suggesting that no single conserved hydrogen bond 
is  directly  targeted  by  DM  catalysis  (Zhou  et  al.,  2009),  leaving  the  role  of  residue 
Hisß81 controversial.  
While  disruption  of  the  hydrogen  bond  network  between  peptide  and  MHC  II 
residues might not be the only target of DM it definitely plays an important role in the 
peptide  exchange  mechanism  as  has  been  shown  by  Stern  and  colleagues.  Backbone 
amide  N-methylation  and  truncation  of  the  peptide  allowed  systematic  elimination  of 
the hydrogen bonds between peptide N-terminus and conserved DR residues including 
hydrogen bonds to the DRα backbone (Stratikos et al., 2004). Interestingly, elimination 
of the three hydrogen bonds between peptide and the DRα backbone involving residues 
α51-53 increased susceptibility to DM, indicating that these hydrogen bonds might be 
disrupted in the MHC conformation recognized by DM.  
Concluding,  disruption  of  the  hydrogen  bond  network  to  the  peptide  backbone  is 
likely  involved  in  the  peptide  exchange  mechanism  catalyzed  by  DM,  however, 
additionally  DM  might  impact  the  structural  flexibility  of  the  peptide-binding  groove 
and  thereby  alter  the  interactions  of  peptide  anchor  residues  with  the  deep  pockets 
formed  by  MHC  II  molecules.  Global  conformational  change  in  the  peptide-binding 
groove  has  been  previously  proposed  (Belmares  et  al.,  2002)  as  well  as  direct  DM 
interactions  with  and  involvement  of  the  P1  pocket  (Chou  and  Sadegh-Nasseri,  2000; 
Sato et al., 2000).  
 

---