Stabilität und Struktur der Fledermaus Haupt Histokompatibilität Komplex Klasse I mit heterologen β2-Mikroglobulin
Summary
Das Protokoll beschreibt experimentelle Methoden zur Erlangung stabiler Haupthistokompatibilitätskomplexe (MHC) Klasse I durch potenzielle β 2-Mikroglobulin(β2m) Substitutionen verschiedener Arten. Untersucht wurde der strukturelle Vergleich von MHC I, der durch homologe und heterologe β2m stabilisiert wurde.
Abstract
Der Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) spielt eine zentrale Rolle bei der Darstellung von Antigenpeptid und T-Zell-Immunreaktionen gegen Infektionskrankheiten und Tumorentwicklung. Die hybride MHC I, komplexiert mit heterologen β 2-Mikroglobulin (β2m) Substitution verschiedener Arten kann in vitro stabilisiert werden. Dies ist ein praktikables Mittel, um MHC I von Säugetieren zu untersuchen, wenn die homologe β2m nicht verfügbar ist. In der Zwischenzeit wird darauf hingewiesen, dass Die β2m Substitution die Peptiddarstellung nicht signifikant beeinflusst. Allerdings gibt es eine begrenzte Zusammenfassung hinsichtlich der Methodik und der Technologie für den Hybrid MHC I, der mit heterologen β2-Mikroglobulin (β2m) komplexiert ist. Hierin werden Methoden zur Bewertung der Durchführbarkeit heterologer β2m Substitution in der MHC-I-Studie vorgestellt. Diese Methoden umfassen die Vorbereitung von Ausdruckskonstrukten. Reinigung von Inklusionskörpern und Umfaltung des MHC-Komplexes; Bestimmung der Protein-Thermostabilität; Kristallsiebung und Strukturbestimmung. Diese Studie bietet eine Empfehlung zum Verständnis der Funktion und Struktur von MHC I und ist auch wichtig für die Bewertung der T-Zell-Reaktion während der Infektionskrankheit und Tumorimmuntherapie.
Introduction
Der Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) existiert in allen Wirbeltieren und ist eine Reihe von Genen, die die zellvermittelte Immunität gegen infektiöse Krankheitserreger bestimmen. MHC-Klasse I präsentiert endogene Peptide, wie virale Komponenten, die bei virus-Infektion produziert werden, T-Zellrezeptoren (TCR) auf der Oberfläche von CD8+ T-Zellen, um die zelluläre Immunität zu vermitteln und an der Immunregulation1teilzunehmen. Eine strukturelle Studie der Ankehrung von MHC I an Peptide liefert Informationen über Peptidbindungsmotive und Präsentationsmerkmale von MHC-I-Molekülen, die bei der Bewertung von CD8+ T-Zell-Immunantworten und der Impfstoffentwicklung eine entscheidende Rolle spielen.
Seit der ersten Kristallisation und strukturellen Bestimmung von MHC I molecular durch Bjorkman et al.2hat die Kristallstrukturanalyse von MHC I Molekülen das Verständnis der Bindung von Peptiden an MHC I Moleküle stark gefördert und hilft, die Wechselwirkung von Lichtketten mit schweren Ketten und Peptiden zu verstehen. Eine Reihe von Folgestudien zeigte, dass, obwohl die Gene, die die Lichtkette kodieren, nicht mit dem MHC verbunden sind, die Lichtkette ein Schlüsselprotein für die Montage von MHC I Molekülen3,4ist. Es interagiert mit den drei Domänen der MHC-Klasse I Moleküle auf mehreren Oberflächen. Wenn die Lichtkette fehlt, können MHC-Moleküle der Klasse I nicht korrekt auf der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen exprimiert werden und können nicht mit TCR interagieren, um ihre immunologischen Funktionen auszuüben.
MHC I besteht aus einer schweren Kette (H-Kette) und einer Leichten Kette (d.h. β 2-Mikroglobulin (β2m)) und wird durch Bindung an ein geeignetes Peptid5montiert. Das extrazelluläre Segment der H-Kette besteht aus den Domänen6, 1, 2 und 3 . Die Domänen 1 und 2 bilden die Peptidbindungsnut (PBG). Die β2m Kette fungiert als strukturelle Untereinheit des Montagekomplexes in MHC I, stabilisiert die Konformation des Komplexes und ist ein molekulares Chaperon für MHC I H Kettenfaltung7,8,9. Eine Reihe von Studien haben gezeigt, dass MHC I H Ketten von verschiedenen Säugetieren wie Fledermaus (Chiroptera) (Ptal-N*01:01)10, rhesus makaken (Primaten) (Mamu-B*17)11 (Mamu-A*01)12 (Mamu-A*02)13, Maus (Rodentia) (H-2Kd)14,15, Hund (Carnivora) (DLA-88*50801)16, Rinder (Artiodactyla) (BoLA-A11)17 und Pferde (Perissodactyla) (Eqca-N*00602 und Eqca-N*00601)18 können mit heterologen β2m (Tabelle 1) kombinieren. Diese Hybridmoleküle werden häufig in strukturellen und funktionellen Studien verwendet. Die Methodik für die funktionelle und strukturelle Untersuchung des hybriden MHC I mit heterologen β2m ist jedoch noch nicht zusammengefasst. Unterdessen bleibt die strukturelle Grundlage für die ausgetauschte β2m zwischen verschiedenen Taxa unklar.
Hierin werden das Verfahren für MHC I Expression, Umfaltung, Kristallisation, Kristalldatenerfassung und Strukturbestimmung zusammengefasst. Darüber hinaus werden mögliche Substitutionen von β2m von verschiedenen Arten durch vergleicht die strukturelle Konformation von MHC I durch homologe und heterologe β2m stabilisiert. Diese Methoden werden für weitere MHC I Strukturstudie und CD8+ T-Zell-Immunantwort-Bewertung bei Krebs und Infektionskrankheiten hilfreich sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Aufbau eines Hybridproteinkomplexes durch heterologe Substitution aus verschiedenen Taxa ist eine gemeinsame Strategie für funktionelle und strukturelle Untersuchungen, wenn der homologe Komplex nicht verfügbar ist, wie z. B. im MHC I und seinen Liganden. Allerdings gibt es eine begrenzte Zusammenfassung in Bezug auf die Methodik und die Technologie. Dabei wurde die Struktur der Fledermaus MHC I, Ptal-N*01:01, stabilisiert durch b2m oder h2m, analysiert. Die wichtigsten Aminosäuren von β<sub…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde durch den offenen Fonds des staatlichen Schlüssellabors für pharmazeutische Biotechnologie, Nan-jing University, China (Grant-Nr. KF-GN-201905), die National Natural Science Foundation of China (Stipendien 81971501). William J. Liu wird vom Excellent Young Scientist Program der NSFC (81822040) und Beijing New-Star Plan of Science and Technology (Z181100006218080) unterstützt.
Materials
| 10 kDa MMCO membrane | Merck millipore | PLGC07610 | |
| 30% Acrylamide | LABLEAD | A3291-500ml*5 | |
| 5×Protein SDS Loading | Novoprotein | PM099-01A | |
| AMICON ULTRA-15 15ML-10 KDa cutoff | Merck millipore | UFC901096 | |
| Ampicillin | Inalco | 1758-9314 | |
| APS | Sigma | A3678-100G | |
| BL21(DE3) strain | TIANGEN | CB105-02 | |
| DMSO | MP | 219605580 | Wear suitable gloves and eye/face protection. In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice. |
| DTT | Solarbio | D1070 | Gloves and goggles should be worn and operated in a ventilated kitchen. In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice. |
| EDTA-2Na | KeyGEN BioTECH | KGT515500 | |
| Glycerin | HUSHI | 10010618 | |
| GSH | Amresco | 0399-250G | |
| GSSG | Amresco | 0524-100G | |
| Guanidine hydrochloride | Amresco | E424-5KG | |
| hβ2m | our lab | Zhang, S. et al. Structural basis of cross-allele presentation by HLA-A*0301 and HLA-A*1101 revealed by two HIV-derived peptide complexes. Mol Immunol. 49 (1-2), 395-401, (2011). | |
| IPTG | Inalco | 1758-1400 | |
| L-Arginine Hydrochloride | Amresco | 0877-5KG | |
| NaCl | Solarbio | S8210 | |
| Protein Marker | Fermentas | 26614 | |
| SDS | Boao Rui Jing | A112130 | |
| Superdex Increase 200 10/300 GL | GE Healthcare | 28990944 | |
| TEMED | Thermo | 17919 | Gloves and goggles should be worn and operated in a ventilated kitchen. |
| Tris-HCl | Amresco | 0497-5KG | |
| Triton X-100 | Bioruler | RH30056-100mL | |
| Tryptone | Oxoid | LP0042 | |
| Yeast extract | Oxoid | LP0021 |
References
- Vyas, J. M., Van der Veen, A. G., Ploegh, H. L. The known unknowns of antigen processing and presentation. Nature Reviews Immunology. 8 (8), 607-618 (2008).
- Bjorkman, P. J., et al. Structure of the human class I histocompatibility antigen, HLA-A2. Nature. 329 (6139), 506-512 (1987).
- Seong, R. H., Clayberger, C. A., Krensky, A. M., Parnes, J. R. Rescue of Daudi cell HLA expression by transfection of the mouse beta 2-microglobulin gene. Journal of Experimental Medicine. 167 (2), 288-299 (1988).
- Zijlstra, M., et al. Beta 2-microglobulin deficient mice lack CD4-8+ cytolytic T cells. Nature. 344 (6268), 742-746 (1990).
- Gao, G. F., et al. Crystal structure of the complex between human CD8alpha(alpha) and HLA-A2. Nature. 387 (6633), 630-634 (1997).
- Bjorkman, P. J., Parham, P. Structure, function, and diversity of class I major histocompatibility complex molecules. Annual Review of Biochemistry. 59, 253-288 (1990).
- Achour, A., et al. Structural basis of the differential stability and receptor specificity of H-2Db in complex with murine versus human beta 2-microglobulin. Journal of Molecular Biology. 356 (2), 382-396 (2006).
- Kubota, K. Association of serum beta 2-microglobulin with H-2 class I heavy chains on the surface of mouse cells in culture. Journal of Immunology. 133 (6), 3203-3210 (1984).
- Bernabeu, C., van de Rijn, M., Lerch, P. G., Terhorst, C. P. Beta 2-microglobulin from serum associates with MHC class I antigens on the surface of cultured cells. Nature. 308 (5960), 642-645 (1984).
- Lu, D., et al. Peptide presentation by bat MHC class I provides new insight into the antiviral immunity of bats. PLoS Biology. 17 (9), 3000436 (2019).
- Wu, Y., et al. Structural basis of diverse peptide accommodation by the rhesus macaque MHC class I molecule Mamu-B*17: insights into immune protection from simian immunodeficiency virus. Journal of Immunology. 187 (12), 6382-6392 (2011).
- Chu, F., et al. First glimpse of the peptide presentation by rhesus macaque MHC class I: crystal structures of Mamu-A*01 complexed with two immunogenic SIV epitopes and insights into CTL escape. Journal of Immunology. 178 (2), 944-952 (2007).
- Liu, J., et al. Diverse peptide presentation of rhesus macaque major histocompatibility complex class I Mamu-A*02 revealed by two peptide complex structures and insights into immune escape of simian immunodeficiency virus. Journal of Virology. 85 (14), 7372-7383 (2011).
- Liu, W. J., et al. Protective T cell responses featured by concordant recognition of Middle East respiratory syndrome coronavirus-derived CD8+ T cell epitopes and host MHC. Journal of Immunology. 198 (2), 873-882 (2017).
- Mitaksov, V., Fremont, D. H. Structural definition of the H-2Kd peptide-binding motif. Journal of Biological Chemistry. 281 (15), 10618-10625 (2006).
- Xiao, J., et al. Diversified anchoring features the peptide presentation of DLA-88*50801: first structural insight into domestic dog MHC class I. Journal of Immunology. 197 (6), 2306-2315 (2016).
- Li, X., et al. Two distinct conformations of a rinderpest virus epitope presented by bovine major histocompatibility complex class I N*01801: a host strategy to present featured peptides. Journal of Virology. 85 (12), 6038-6048 (2011).
- Yao, S., et al. Structural illumination of equine MHC class I molecules highlights unconventional epitope presentation manner that is evolved in equine leukocyte antigen alleles. Journal of Immunology. 196 (4), 1943-1954 (2016).
- Wynne, J. W., et al. Characterization of the antigen processing machinery and endogenous peptide presentation of a bat MHC class I molecule. Journal of Immunology. 196 (11), 4468-4476 (2016).
- Zhang, S., et al. Structural basis of cross-allele presentation by HLA-A*0301 and HLA-A*1101 revealed by two HIV-derived peptide complexes. Molecular Immunology. 49 (1-2), 395-401 (2011).
- Hoof, I., et al. NetMHCpan, a method for MHC class I binding prediction beyond humans. Immunogenetics. 61 (1), 1-13 (2009).
- Raveh, B., London, N., Zimmerman, L., Schueler-Furman, O. Rosetta FlexPepDock ab-initio: simultaneous folding, docking and refinement of peptides onto their receptors. PLoS One. 6 (4), 18934 (2011).
- Otwinowski, Z., Minor, W. Processing of X-ray diffraction data collected in oscillation mode. Methods in Enzymology. 276, 307-326 (1997).
- Brunger, A. T., et al. Crystallography & NMR system: A new software suite for macromolecular structure determination. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. 54, 905-921 (1998).
- Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W. G., Cowtan, K. Features and development of Coot. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. 66, 486-501 (2010).
- Glithero, A., et al. Crystal structures of two H-2Db/glycopeptide complexes suggest a molecular basis for CTL cross-reactivity. Immunity. 10 (1), 63-74 (1999).
- Tungatt, K., et al. Induction of influenza-specific local CD8 T-cells in the respiratory tract after aerosol delivery of vaccine antigen or virus in the Babraham inbred pig. PLoS Pathogens. 14 (5), 1007017 (2018).
- McCoy, W. H. t., Wang, X., Yokoyama, W. M., Hansen, T. H., Fremont, D. H. Structural mechanism of ER retrieval of MHC class I by cowpox. PLoS Biology. 10 (11), 1001432 (2012).
- Altman, J. D., et al. Phenotypic analysis of antigen-specific T lymphocytes. Science. 274 (5284), 94-96 (1996).
- Zhao, M., et al. Heterosubtypic protections against human-infecting avian influenza viruses correlate to biased cross-T-cell responses. mBio. 9 (4), (2018).
- Zhao, L., Cao, Y. J. Engineered T cell therapy for cancer in the clinic. Search Results. 10, 2250 (2019).
- Thompson, J. D., Gibson, T. J., Plewniak, F., Jeanmougin, F., Higgins, D. G. The CLUSTAL_X windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Research. 25 (24), 4876-4882 (1997).
- Gouet, P., Robert, X., Courcelle, E. ESPript/ENDscript: Extracting and rendering sequence and 3D information from atomic structures of proteins. Nucleic Acids Research. 31 (13), 3320-3323 (2003).
