The mechanism of peptide exchange by mhc II molecules

7 
Introduction 
How are peptides presented by MHC II molecules? 
As MHC  molecules have to  present  peptides with various sequences  arising from  a 
wide range of different  pathogens their binding  patterns have to  be quite distinct from 
receptors  which  bind  only  one  specific  peptide.  Thus,  on  the  one  hand  the  binding 
groove has to target common peptide features to accommodate different peptides and on 
the  other  hand  has  to  build  tight  and  specific  interactions  to  form  a  long-lasting 
individual complex. Therefore, peptides  are bound in  an elongated orientation enabled 
by two major interactions between peptide and MHC molecule.  
First, a set of conserved hydrogen bonds between residues of the MHC molecule and 
the peptide backbone fix the peptide along the groove. In the case of MHC II molecules, 
conserved  amino  acids  of  the  α1  (Phe51,  Ser53,  Asn62,  Asn69  and  Arg76)  and  ß1 
domain  (Trp61,  His81  and  Asn82)  form  12  hydrogen  bonds  to  the  peptide  backbone 
which are located close to the peptide N-terminus (6), the middle part of the peptide (2) 
and the peptide C-terminus (4) (figure 1.4, B). The second main contribution to peptide-
binding and alignment is the tight interaction of peptide residues with shallow and deep 
pockets  formed  by  MHC  molecules  (figure  1.4,  A,  C).  Peptide  residues  protrude  into 
these  pockets  and  are  partially  or  entirely  covered  by  residues  of  the  MHC  molecule. 
Peptide  residues  residing  in  deep  pockets  are  particularly  important  as  they  provide 
anchor  points  for  the  peptide  along  the  binding  groove.  For  MHC  I  and  MHC  II 
molecules  the  binding  pockets  are  located  at  fixed  positions  of  the  binding  cleft. 
Therefore,  for  efficient  binding  peptides  have  to  contain  anchor  residues  at  consistent 
positions. For MHC II molecules the binding pockets are at positions P1, P4, P6, and P9 
(figure 1.4, D).  
As  the  amino  acids  which  form  the  binding  pockets  are  highly  polymorphic,  the 
cavity size can vary between different MHC alleles. This divergence results in binding 
preference  of  MHC  molecules  for  different  peptides.  In  contrast  MHC  residues  which 
form  the  hydrogen  bond  network  between  peptide  and  MHC  molecules  are  highly 
conserved and as they interact with peptide backbone and not peptide side chains, these 
interactions target most peptides equally.  
The peptide is an integral part of the MHC molecule as it stabilizes the structure. In 
the  absence  of  bound  peptide  or  chaperones,  MHC  I  and  MHC  II  molecules  readily 
aggregate. This ensures that only stable MHC/peptide complexes are transported to the 
cell surface and MHC molecules present peptides that were processed within the cell.  

---

8 
Introduction 
Until  some  time  ago,  crystal  structures  of  MHC  II/peptide  complexes  had  shown 
only  one  conserved  N-  to  C-terminal  orientation  of  the  peptide  with  the  peptide  N-
terminus  being  located  in  the  proximity  of  the  P1  pocket  (figure  1.4,  D).  But  recent 
studies showed that a CLIP peptide can also bind to an MHC II molecule (DR1) in an 
inverted orientation (Gunther et al., 2010). Whether this flipped orientation also applies 
to  other  peptides  and  MHC  II  molecules  and  whether  peptides  with  an  inverse 
alignment are also presented on the cell surface and recognized by T cell receptors still 
has to be investigated. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure  1.4:  Comparison  of  the  peptide-binding  groove  of  MHC  I  and  MHC  II  molecules  and 
crucial peptide/MHC II interactions. (A, C) Top views of the peptide-binding grooves of a MHC I (A) 
and a MHC II molecule (C) are shown with the MHC molecules as surface presentation and the peptide 
as stick  model. The peptide-binding  groove of MHC I  molecules is closed on both ends  whereas in the 
peptide-binding groove of MHC II molecules the peptide termini protrude on both sides. (B, D) The two 
main interactions between peptide and MHC II molecule are a conserved hydrogen bond network (B) and 
a series of pockets filled by peptide side chains (D). (B) Helices of the α (top) and ß chains (bottom) are 
shown as ribbon diagram (blue) and the peptide backbone as stick model with the N-terminus on the left 
side.  (D)  Cross  section  of  the  peptide-binding  groove  of  MHC  II  molecules  with  the  peptide  shown  as 
stick model (green) and the MHC II molecule as surface presentation. Peptide positions are indicated. The 
models of MHC I and MHC II molecules were generated using structures of A2 (PDB: 3HLA) and DR1 
(PDB: 1DLH), respectively. 
 

---

9 
Introduction 
1.4
 
The  role  of  HLA-DM  in  the  MHC  class  II  presentation  pathway 
and  comparison  to  the  peptide  loading  complex  of  MHC  class  I 
molecules 
As already mentioned above, HLA-DM (DM, H-2M in mice) plays a crucial role in 
peptide  loading  of  MHC  II  molecules  and  therefore  can  modify  the  peptide  repertoire 
presented to T cells. DM was discovered by analysis of mutant human B cell lines with 
a defect in antigen presentation (Kelly et al., 1991). Although MHC class II molecules 
in  these  cells  assembled  correctly  and  entered  the  endosomal  pathway  they  failed  to 
bind internalized peptides and mostly presented only CLIP on the cell surface. Later, it 
was  discovered  that  these  cells  had  a  genetic  defect  in  the  DMβ  gene  (Morris  et  al., 
1994). At that time it was proposed that DM plays an important role in peptide-loading 
of  MHC  II  molecules,  which  was  confirmed  later  by  experiments  in  vitro  and  ex  vivo 
(Denzin and Cresswell, 1995; Sloan et al., 1995).  
DM  is  directed  to  the  MHC  class  II-containing  compartment  through  a  targeting 
sequence in the cytoplasmic tail of the β chain (Marks et al., 1995). But in contrast to 
MHC II molecules, DM also carries a cytoplasmic internalization signal which prevents 
it  from  being  stably  expressed  on  the  cell  surface  (Lindstedt  et  al.,  1995).  DM  fulfills 
several  functions  during  peptide  loading  and  exchange  of  MHC  II  molecules.  First,  it 
catalyzes  the  release  of  CLIP  peptide  which  occupies  the  binding  groove  of  MHC  II 
molecules  following  partial  proteolysis  of  the  invariant  chain  (Denzin  and  Cresswell, 
1995).  During  this  process  DM  also  assists  binding  of  other  peptides  to  MHC  II 
molecules  that  are  present  in  the  late  endosome  (Sloan  et  al.,  1995).  In  addition,  DM 
stabilizes empty MHC II molecules and prevents them from aggregating (Kropshofer et 
al., 1996; Weber et al., 1996). Lastly, by continuous binding and rebinding to the MHC 
II/peptide  complex  DM  facilitates  the  removal  of  weakly  bound  peptides  and  allows 
peptides  with  higher  affinity  to  bind,  ensuring  that  predominantly  stable  MHC 
II/peptide complexes  are transported to  the cell surface  (Kropshofer et  al., 1996). This 
function of DM is also referred to as ‘editing’ of the peptide repertoire.  
Some  of  these  key  principles  are  similar  to  the  peptide  loading  process  of  MHC  I 
molecules (figure 1.5). As mentioned above, MHC I molecules are loaded with peptides 
in the ER after their assembly. Compared to MHC II molecules, there are more proteins 
involved in  the process  of peptide loading of MHC  I molecules, including  chaperones 
for protein folding. After assembly of the MHC I heavy chain with ß
2
-microglobulin the 

---