The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

61 
Chapter II 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 3.7: Comparison of the peptide-binding groove of DR1 carrying a full length HA peptide 
versus carrying an N-terminally truncated HA peptide. (A, B) The new DR1 structure carrying an N-
terminally  truncated  HA  peptide  (green)  is  superimposed  with  the  previously  published  DR1  structure 
carrying  a  full  length  HA  peptide  (PDB:  1DLH,  orange).  (A)  No  major  conformational  changes  of  the 
peptide-binding  groove  were  observed.  (B)  The  helices  of  the  DRα  and  DRß  chains  adjacent  to  the 
peptide N-terminus are further apart in the DR1 structure missing two N-terminal peptide residues, 7.3 Å 
versus 6.4 Å.  Distances  were  measured between  C
α
 atoms  of residues  Alaα52 and Valß85. (A, B) DR1 
molecules  and  peptides  are  shown  as  cartoon  representation.  (A,  B,  C,  D)  Part  of  the  peptide-binding 
groove is shown which binds the N-terminal part of the peptide. (A, C, D) DRα chain can be seen in the 
foreground and DRβ chain in the background. The peptide extends horizontally  with the N-terminus at 
the right side. (B) DRα chain can be seen on the left and DRβ chain on the right. The peptide N-terminus 
is pointing towards the observer. (C) The peptide-binding groove of the DR1 structure is shown binding 
an N-terminally truncated HA peptide with an additional valine at P1 position and residues P-2 and P-1 
missing. A coordinating water molecule between His β81 and the peptide N-terminus is shown as filled 
circle  in  blue.  (D)  The  peptide-binding  groove  of  the  previously  published  DR1  structure  (1DLH)  is 
shown binding a full length  HA peptide. (C, D) DR molecules are shown as cartoon representation and 
bound  peptides  as  stick  model.  DR1  residues  interacting  with  the  peptide  N-terminus  are  labeled  and 
shown as stick representation. Hydrogen bonds between DR1 and peptide are shown as dotted lines. 
 
 

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62 
Chapter II 
Next,  the  conformations  of  conserved  DR  residues  around  the  peptide-binding 
groove of DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) were compared with the conformations of DR residues of 
previously  published  DR  structures  to  detect  minor  changes  of  the  partially  empty 
peptide-binding  groove.  Most  of  the  conserved  residues  in  the  peptide-binding  area 
either overlapped quite well with the conformation of the residues of the newly solved 
DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) structure or showed general conformational variability like residue 
Pheα51.  However  residue  Valβ85,  which  showed  a  conserved  conformation  for 
previously  published  DR  structures  (see  figure  3.8,  A),  revealed  a  different 
conformation  with  the  valine  rotated  outwards  from  the  peptide-binding  groove  (see 
figure 3.8, B). At first, the rotation seems to be a subtle conformational change, but is of 
particular  relevance  as  Valβ85  is  involved  in  forming  the  crucial  P1  pocket  which  is 
important  for  peptide-binding.  By  rotation  of  Valβ85  the  pocket  is  opened  up  on  one 
side (figure 3.8, B). This can be nicely seen in the surface representation of the peptide-
binding  groove  of  DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  (figure  3.8,  C)  and  is  further  illustrated  by 
comparison  with  the  fully  closed P1 pocket  exhibited by the DR1  structure carrying  a 
full  length  HA  peptide  (figure  3.8,  D).  The  rotated  conformer  of  Valβ85  was  also 
observed  for  the  DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  molecule  exhibiting  a  peptide-binding  groove 
interacting with the C-terminus of an adjacent DR1 molecule as described above. As the 
C-terminus  binds  further  away  than  the  peptide  N-terminus  the  peptide-binding  site  is 
still  destabilized  as  the  tight  peptide/MHC II  interactions  are  not  compensated  (figure 
3.9).  The  conformational  change  of  Valβ85  might  occur  as  the  tight  interactions  with 
peptide  residues  P-1  and  P1  are  absent  and  diminished,  respectively.  The  altered 
rotamer  of  Valß85  was  not  observed  for  the  DR1/CLIP  structure  missing  residue  P-2 
(Gunther  et  al.,  2010)  and  may  be  dependent  on  the  absence  of  residue  P-1  (figure 
3.10).  With  regard  to  the  entire  process  of  peptide  release  a  partial  opening  of  the  P1 
pocket in consequence of the release of the two N-terminal peptide residues (P-2, P-1) 
likely destabilizes the P1 anchor residue and might further facilitate release of the entire 
peptide. 
 

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Chapter II 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 3.8: Minor conformational changes of Val β85 were observed affecting the P1 pocket. (A) 
The  newly  solved  structure  DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  was  superimposed  with  other  DR  structures  and  the 
conserved residue Val β85 is shown as stick model. It can be seen that the conformation (rotamer) of Val 
β85  is  conserved  for  DR  molecules  carrying  a  peptide  containing  residue  P-1.  However  Val  β85  of 
DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  exhibits  a  different  conformer.  The  distance  between  C
β
-atoms  of  Val  β85  of 
DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) and other DR molecules is 0.9-1.7 Å. DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) (green), DR1/HA (1DLH, 
cyan),  DR2/MBP  (1BX2,  purple),  DR3/CLIP  (1A6A,  yellow),  DR4/human  collagen  II  peptide  (2SEB, 
light  pink),  DR1/CLIP(106-120)
flipped
  (3PGC,  grey),  DR1/CLIP(102-120)  (3PDO,  purple  blue), 
DR1/CLIP(106-120)
canonical
  (3PGD,  orange),  DR1/A2(103-117)  (1AQD,  red),  DR2/MBP  (1HQR,  pink), 
DR1/HA  (1HXY,  pale  yellow),  DR4/HA  (1J8H,  purple),  DR1/TPI(23-37)  (1KLU,  grey).  (B)  In  the 
crystal structure of DR1/HA(P
1,Val
-P
11
) which is missing two N-terminal peptide residues (P-2, P-1), Val 
β85 is rotated outwards from the binding groove opening up the P1 pocket on one side (C). In the crystal 
structure of DR1 with a full length HA peptide (orange/yellow, 1DLH) the P1 pocket is fully closed (D). 
(B) In yellow the surface representation of DR1 (1DLH) is shown except Val β85 which is shown as stick 
model  (orange).  The  structure  DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  was  superimposed  and  residue  Val  β85  is  shown  as 
stick  model (green). The full  length HA peptide of DR1/HA (1DLH) is shown as stick  model (orange). 
(C)  The  DR  molecule  of  DR1/HA(P
1,Val
-P
11
)  is  shown  as  surface  representation  (green)  and  the  N-
terminally  truncated  HA  peptide  P
1,Val
-P
11
  is  shown  as  stick  model  (orange).  (D)  The  DR  molecule  of 
DR1/HA  (1DLH)  is  shown  as  surface  representation  (yellow)  and  the  full  length  HA  peptide  as  stick 
model (orange). 
 

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