Complete structural characterization of an autoimmune TCR: ANTIGEN:MHC synapse associated with type 1 diabetes

• Autores: Elena Erausquin Arrondo
• Directores de la Tesis: Jacinto López Sagaseta (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 232
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias de la Salud por la Universidad Pública de Navarra
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    La destrucción mediada por linfocitos T de las células beta pancreáticas productoras de insulina es uno de los principales desencadenantes de la diabetes autoinmune de tipo 1 (T1D). El clon de linfocitos T 4.1, aislado a partir de linfocitos infiltrantes de los islotes pancreáticos de ratones NOD, reconoce varios péptidos híbridos de insulina (HIP) derivados de células beta pancreáticas. Este reconocimiento está restringido por la molécula I-Ag7 del Complejo Mayor de Histocompatibilidad de clase II (MHC-II), el principal factor genético asociado a susceptibilidad a T1D en los ratones NOD. Es importante destacar que, en los ratones NOD transgénicos con TCR 4.1, el reconocimiento de estos complejos péptido-MHCII (pMHC-II) provoca la activación y el reclutamiento de células T en los islotes pancreáticos, lo que conduce a la rápida destrucción de las células beta pancreáticas y al desarrollo de diabetes tipo 1 que se manifiesta en las primeras semanas de vida. A pesar de la evidente relevancia de este autorreconocimiento, los mecanismos moleculares y estructurales que lo sustentan permanecían desconocidos. En esta tesis doctoral, se propuso abordar esta cuestión mediante la caracterización completa de los componentes estructurales que participan en dicho reconocimiento. Mediante ingeniería de proteínas, que incluye la desafiante heterodimerización del TCR a través de refolding, y la cristalografía de rayos X, hemos resuelto las estructuras de ambos componentes de esta reacción autoinmune: (i) el TCR 4.1 y (ii) el complejo binario HIP/I-Ag7. Además, determinamos (iii) la estructura del complejo trimolecular 4.1 TCR:HIP/I-Ag7. Observamos que el reconocimiento promiscuo de HIPs por el TCR 4.1 está dictado por la presencia de residuos ácidos conservados que permiten una unión energéticamente favorable del TCR en el complejo pMHC. Además, una notable plasticidad conformacional en todos los componentes que conforman la triple interacción es fundamental, siendo la magnitud de estos movimientos particularmente llamativa en el caso de las regiones complementarias determinantes del TCR. Estas observaciones representan la primera prueba de que la adaptabilidad estructural puede ser de especial importancia en relación con los mecanismos que subyacen a la aparición de la T1D. Además, el clon de células T 4.1 también muestra promiscuidad por moléculas MHC-II, como demuestra la deleción o diferenciación a fenotipos Treg del clon de células T 4.1 tras el reconocimiento de alelos MHC-II asociados a resistencia en ratones heterocigotos para H-2. En este trabajo, hemos resuelto la estructura cristalina del complejo antidiabetogénico CL3E/I-Ab, proporcionando la piedra angular para futuros estudios de los fundamentos moleculares de la promiscuidad por MHC-II del TCR 4.1, y el papel dominante de los alelos I-A protectores en la T1D.

  • English

    T cell-mediated destruction of insulin-producing pancreatic beta cells is a known and major trigger of autoimmune type 1 diabetes (T1D). The 4.1 T cell clone, isolated from pancreatic islet-infiltrating lymphocytes of non-obese diabetic (NOD) mice, recognizes several pancreatic beta cell-derived hybrid insulin peptides (HIPs). It does so in a manner restricted by the Major Histocompatibility Complex class II (MHC-II) molecule I-Ag7, the most significant T1D-predisposing genetic component in the NOD mice. Importantly, in 4.1 TCR-transgenic NOD mice, recognition of these peptide-MHCII (pMHC-II) complexes results in the activation and recruitment of T cells into pancreatic islets, leading to rapid destruction of pancreatic beta cells and manifest type 1 diabetes within the first few weeks of life. Despite the evident relevance of this autorecognition, the molecular and structural determinants behind it remained unknown. This doctoral thesis set out to address this question by fully characterizing the structural elements that orchestrate such recognition. Through protein engineering, including challenging TCR heterodimerization via refolding, and X-ray crystallography, we solved the structures of both components of this autoimmune reaction: (i) the 4.1 TCR and (ii) the binary HIP/I-Ag7 complex. In addition to these, we determined (iii) the structure of the trimolecular 4.1 TCR: HIP/I-Ag7 assembly. We found that promiscuous HIP recognition by the 4.1 TCR is dictated by the presence of conserved acidic residues that enable and energetically favorable engagement of the TCR on the pMHC complex. Further, a remarkable conformational plasticity in all components conforming the triple interaction is pivotal, with the magnitude of these motions being particularky striking in the case of the TCR’s complementary determining regions. These observations represent the first evidence that structural adaptability can be paramount with regard to the mechanisms underlying the onset of T1D. Additionally, the 4.1 T cell clone is also MHC-II promiscuous, as demonstrated by the deletion or differentiation into Treg phenotypes of the 4.1 T cell clone upon recognition of resistance-associated MHC-II alleles in H-2 heterozygous mice. Here, we solved the crystal structure of the antidiabetogenic CL3E/I-Ab complex, providing the cornerstone for future studies of the molecular underpinnings of 4.1 TCR MHC-II promiscuity, and the dominant role of protective I-A alleles in T1D.