Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La chaîne invariante (Ii ; CD74) est une protéine membranaire de type II qui joue un rôle majeur dans la présentation antigénique. Dans le réticulum endoplasmique (RE), Ii favorise l’assemblage du CMH II et prévient la liaison indésirable de polypeptides. Grâce à son motif di-leucine, la chaîne invariante cible le CMH II dans les endosomes. Une fois dans ces compartiments acides, Ii est dégradé, permettant la liaison de peptides de forte affinité qui seront ensuite présentés aux cellules T CD4+. Chez les souris déficientes en Ii murin (mIi), le CMH II présente une conformation non compacte typique des molécules vides ou liées faiblement à un peptide. Le transport du CMH II est aberrant ce qui conduit à une réduction de son expression en surface ainsi qu’à un défaut de présentation antigénique. De plus, Ii diversifie le répertoire de peptides et assure la sélection thymique des cellules T CD4+. Enfin, il a un rôle dans la maturation des cellules B et les souris déficientes en Ii présentent des nombres réduits de cellules B matures folliculaires (FO). L’isoforme mineure humaine p35 (Iip35) n’existe pas chez la souris et possède une extension cytoplasmique de 16 acides aminés contenant un motif R-x-R de rétention dans le RE. La sortie du RE est conditionnelle à la liaison du CMH II qui permet de masquer le motif de rétention. Iip35 agit comme dominant et impose la rétention aux autres isoformes d’Ii. Cependant, le rôle physiologique du motif R-x-R et, plus globalement, celui d’Iip35, demeurent nébuleux. Pour mieux cerner la fonction d’Iip35, nous avons généré des souris transgéniques (Tg) exprimant l’isoforme humaine Iip35 et avons analysé la conformation et le trafic du CMH II, la sélection thymique et la maturation des cellules B ainsi que la présentation antigénique. Nos résultats ont démontré qu’Iip35 favorise l’assemblage du CMH II dans le RE. Il induit également une conformation compacte du CMH II et augmente l’expression du CMH II en surface. De plus, Iip35 cible le CMH II dans les endosomes où un peptide de forte affinité se lie dans la niche peptidique. Par ailleurs, Iip35 diversifie le répertoire de peptides et rétablit totalement la sélection des cellules T CD4+ ainsi que le niveau d’expression du TCR de ces dernières. Iip35 restaure également la présentation antigénique de l’ovalbumine dont la présentation requiert l’expression d’Ii. Par contre, Iip35 rétablit la présentation des superantigènes mais à un niveau moindre que celui des souris sauvages. Ensuite, Iip35 permet le rétablissement de la sélection des cellules iNKT démontrant qu’il assiste la présentation des lipides par les molécules CD1d. Enfin, les résultats ont démontré qu’Iip35 restaure le développement des cellules B matures folliculaires (FO) mais pas celui des cellules B de la zone marginale. Ceci suggère qu’Iip35 est capable d’induire le développement des cellules FO sans stimulation préalable par le MIF (macrophage migration inhibitory factor). Ainsi, l’ensemble de ces résultats démontre qu’Iip35 est fonctionnel et assure la majorité des fonctions d’Ii. Cependant, Iip35 ne remplace pas mIi endogène concernant la maturation des cellules B MZ suggérant qu’il pourrait avoir un rôle de régulateur. / The invariant chain (Ii; CD74) is a type II membrane protein which plays a key role in antigen presentation as well as acting as a receptor for the cytokine MIF (macrophage migration inhibitory factor). In the endoplasmic reticulum (ER), Ii assists the folding of MHC II and prevents the loading of nascent polypeptides in the peptide-binding groove. Di-leucine-like motifs contained in the Ii cytoplasmic tail target the MHC II-Ii complexes in the endocytic pathway. Once in low pH-endosomes, Ii is degraded allowing the binding of a high affinity peptide which is then presented on cell surface to CD4+ T cells. In Ii deficient mice, MHC II displays a “floppy” conformation typical of empty molecules or is loosely bound with peptides. The transport is aberrant leading to decreased surface expression of MHC II and defective antigenic presentation. Also, the lack of Ii restricts the peptide repertoire and impairs thymic selection of CD4+ T cells. Moreover, Ii regulates B cells maturation and Ii deficient mice display reduced numbers of mature follicular B cells (FO). The human minor p35 isoform (Iip35) does not exist in mice and displays a 16 amino acids N-terminal cytoplasmic extension containing a di-arginine (R-x-R) motif causing ER retention and acting as dominant in heterotrimeric complexes with Iip33. Upon binding to MHC II, the retention motif is masked, which allows the complexes to egress from the ER. The physiological role of the R-x-R motif is poorly understood. To shed light on Iip35 function, we generated transgenic mice expressing Iip35 and analyzed the conformation and traffic of MHC II, the thymic selection and the development of B cells as well as the antigenic presentation. Our results showed that Iip35 generates an MHC II in the right conformation and increases MHC II surface expression. Also, Iip35 targets MHC II into endosomes where high affinity peptides bind to the groove. We also showed that Iip35 diversifies the peptide repertoire and fully restores thymic selection of CD4+ T cells as well as the TCR levels on these cells. Then, Iip35 ensures presentation of the Ii-dependent antigen ovalbumin but does not totally rescue the presentation of superantigens. Interestingly, thymic selection of the iNKT cells is fully restored showing that Iip35 assists with lipids presentation by CD1d. Finally, Iip35 allows B cells to develope into FO B cells but does not support marginal zone (MZ) B cells maturation. This result suggests that MIF stimulation is not a prerequisite for FO B cells development. Altogether, these results showed that Iip35 is functional and has most of the CD74 functions. However, it cannot replace the endogenous Ii regarding the MZ B cells maturation suggesting that Iip35 could have regulatory functions by modulating the development of some cells.

La chaîne invariante forme un complexe nonamérique avec les molécules classiques du CMH de classe II. HLA-DM et HLA-DO, des molécules non-classiques de classe II, sont aussi impliquées dans la présentation des peptides antigéniques aux lymphocytes T. Ces molécules chaperones de la présentation antigénique modulent la capacité d’une cellule à présenter des antigènes par les moloécules classiques du CMH de classe II. La régulation transcriptionnelle des molécules chaperones, tout comme celle des autres molécules du CMH de classe II, est assurée par le transactivateur CIITA. La molécule HLA-DR peut être régulée négativement de manière post-traductionnelle par ubiquitination grâce à l’enzyme E3 ubiquitine ligase MARCH1. Celle-ci est induite par l’interleukine-10 dans les monocytes. L’objectif de ce projet était de déterminer si l’ubiquitination par MARCH1 peut aussi réguler l’expression des molécules chaperones de la présentation antigénique. Les expériences furent réalisées dans le contexte de co-transfections en cellules HEK293T. L’expression des molécules fut évaluée par immunomarquages et cytométrie de flux. Il a été montré que l’isoforme p33 de la chaîne invariante est régulé négativement en présence de MARCH1 à partir de la surface cellulaire, causant ainsi sa dégradation. Tel que démontré par l’utilisation d’un mutant dépourvu de queue cytoplasmique, cette dernière région n’est pas indispensable à ce phénomène. Une hypothèse est qu’une molécule non-identifiée, associée à Ii, serait ubiquitinée par MARCH1, l’entraînant dans sa régulation négative. Il fut déterminer que cette molécule n’était pas CXCR2, un récepteur pouvant être impliqué, avec la chaîne invariante et CD44, en tant que récepteur de MIF (Macrophage Inhibitory Factor). Il fut aussi montré que HLA-DO peut être ciblé par MARCH1 mais ceci ne semble pas être un phénomène dominant; l’expression des complexes DO/DM n’étant pas affectée bien qu’ils entrent en interaction avec MARCH1. L’expression de HLA-DM n’est pas affectée par MARCH1. Il n’a toutefois pas été déterminé hors de tout doute si MARCH1 peut modifier DM; des résultats obtenus avec une queue cytoplasmique de DM possédant une lysine laissant suggérer qu’il est possible que MARCH1 interagisse avec DM. Dans l’ensemble, les travaux démontrent que l’ubiquitination par MARCH1 joue un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle de la chaîne invariante p33 mais pas HLA-DO et HLA-DM. / The invariant chain, which form a nonameric complex with the classical MHC class II molecules. HLA-DM and HLA-DO (non-classical class II molecules) are involved in the presentation of antigens to T lymphocytes. The chaperons molecules of the antigenic presentation can modulate the capacity of the cells to present antigens. The transcriptional regulation of the chaperons and all of the other molecules linked to the MHC is assured by the CIITA transactivator. Little is know of the post-transcriptional mechanisms, other than the fact that HLA-DR molecule can be down-regulated by ubiquitination due to E3 ubiquitin ligase MARCH1. MARCH1 is induce by interleukin-10 in monocytes. The goal of this project is to figure out if ubiquitination by MARCH1 can also regulate the expression of the antigenic presentation chaperons. The experiences were performed in the context of co-transfections in HEK293T cells and the expression of the diverses molecules was evaluated by cell stainings and FACS analysis. The p33 isoform of the invariant chain was found to be down-regulated and degraded in the presence of MARCH1. The invariant chain cytoplasmic tail is not completely essential to this phenomenon; a non-identified molecule, associated with Ii, is probably ubiquitinated by MARCH1 and is then down-regulated, together with Ii. It was shown tha CXCR2, a reeptor involved with the invariant chain and CD44 in the reception of the MIF signal, is not that molecule. HLA-DO can ben targetd by MARCH1 but this does not seem to be a general phenomenon; the expression of the DO/DM complexes remaning unaffected even with the interaction of those complexes with MARCH1. Therefore, a certain protection seem to be provided by HLA-DM to HLA-DO. The expression of HLA-DM itself is not affected by the presence of MARCH1. However, it was not cleary demonstrated if MARCH1 can modify DM. Some results obtained with a cytoplasmic tail of DM comprising an additional lysine suggest that there is a possibility that MARCH1 interact with DM. Generally, the work presented here show that ubiquitination by MARCH1 is involved in post-transcriptionnal regulation of the p33 isoform of the invariant chain but not in the regulation of HLA-DO and HLA-DM.

La présentation antigénique par les molécules de classe II du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH II) est un mécanisme essentiel au contrôle des pathogènes par le système immunitaire. Le CMH II humain existe en trois isotypes, HLA-DP, DQ et DR, tous des hétérodimères composés d’une chaîne α et d’une chaîne β. Le CMH II est entre autres exprimé à la surface des cellules présentatrices d’antigènes (APCs) et des cellules épithéliales activées et a pour fonction de présenter des peptides d’origine exogène aux lymphocytes T CD4+. L’oligomérisation et le trafic intracellulaire du CMH II sont largement facilités par une chaperone, la chaîne invariante (Ii). Il s’agit d’une protéine non-polymorphique de type II. Après sa biosynthèse dans le réticulum endoplasmique (ER), Ii hétéro- ou homotrimérise, puis interagit via sa région CLIP avec le CMH II pour former un complexe αβIi. Le complexe sort du ER pour entamer son chemin vers différents compartiments et la surface cellulaire. Chez l’homme, quatre isoformes d’Ii sont répertoriées : p33, p35, p41 et p43. Les deux isoformes exprimées de manière prédominante, Iip33 et p35, diffèrent par une extension N-terminale de 16 acides aminés portée par Iip35. Cette extension présente un motif de rétention au réticulum endoplasmique (ERM) composé des résidus RXR. Ce motif doit être masqué par la chaîne β du CMH II pour permettre au complexe de quitter le ER. Notre groupe s’est intéressé au mécanisme du masquage et au mode de sortie du ER des complexes αβIi. Nous montrons ici que l’interaction directe, ou en cis, entre la chaîne β du CMH II et Iip35 dans une structure αβIi est essentielle pour sa sortie du ER, promouvant la formation de structures de haut niveau de complexité. Par ailleurs, nous démontrons que NleA, un facteur de virulence bactérien, permet d’altérer le trafic de complexes αβIi comportant Iip35. Ce phénotype est médié par l’interaction entre p35 et les sous-unités de COPII. Bref, Iip35 joue un rôle central dans la formation des complexes αβIi et leur transport hors du ER. Ceci fait d’Iip35 un régulateur clef de la présentation antigénique par le CMH II. / Antigen presentation by the major histocompatibility complex class II molecules (MHCII) is a pathway essential to the immune system control over pathogens. There are three MHCII isotypes in humans, which are HLA-DP, DQ and DR. These are all heterodimers made of an α and a β chain. MHCII is expressed at the cell surface of antigen presenting cells (APCs) and activated epithelial cells and its role is mainly to present peptides of exogenous origin to CD4+ T lymphocytes. MHCII oligomerization and trafficking are largely favored by its chaperone, the invariant chain (Ii). Ii is a non-polymorphic type II protein. It hetero- or homotrimerizes right after biosynthesis in the endoplasmic reticulum (ER), and then its CLIP region interacts with MCHII to form a αβIi structure. This multimer exits the ER and starts its journey towards numerous compartments and the cell surface. Humans have four Ii isoforms: p33, p35, p41 et p43. The two most predominantly expressed are Ii p33 and p35. They differ in a N-terminal extension long of 16 amino acids that is displayed by Iip35. This extension bears an ER retention motif (ERM) made of the RXR residues. The RXR motif must be masked by the MHCII β chain in order for the αβIi multimer to exit the ER. Our group investigated the masking and ER exit mechanisms of the αβIi structures. Here we show that a direct (cis) interaction between the MHCII β chain and Iip35 is essential for ER exit, thus promoting the formation of high order αβIi structures. Moreover, we demonstrate that the bacterial virulence factor NleA impairs the trafficking of Iip35-containing αβIi multimers. This observation is mediated by an interaction between COPII subunits and Iip35. Altogether, Iip35 plays a crucial role in the αβIi multimer formation and ER exit. Iip35 is therefore a key regulator for MHCII antigen presentation.

La chaîne invariante forme un complexe nonamérique avec les molécules classiques du CMH de classe II. HLA-DM et HLA-DO, des molécules non-classiques de classe II, sont aussi impliquées dans la présentation des peptides antigéniques aux lymphocytes T. Ces molécules chaperones de la présentation antigénique modulent la capacité d’une cellule à présenter des antigènes par les moloécules classiques du CMH de classe II. La régulation transcriptionnelle des molécules chaperones, tout comme celle des autres molécules du CMH de classe II, est assurée par le transactivateur CIITA. La molécule HLA-DR peut être régulée négativement de manière post-traductionnelle par ubiquitination grâce à l’enzyme E3 ubiquitine ligase MARCH1. Celle-ci est induite par l’interleukine-10 dans les monocytes. L’objectif de ce projet était de déterminer si l’ubiquitination par MARCH1 peut aussi réguler l’expression des molécules chaperones de la présentation antigénique. Les expériences furent réalisées dans le contexte de co-transfections en cellules HEK293T. L’expression des molécules fut évaluée par immunomarquages et cytométrie de flux. Il a été montré que l’isoforme p33 de la chaîne invariante est régulé négativement en présence de MARCH1 à partir de la surface cellulaire, causant ainsi sa dégradation. Tel que démontré par l’utilisation d’un mutant dépourvu de queue cytoplasmique, cette dernière région n’est pas indispensable à ce phénomène. Une hypothèse est qu’une molécule non-identifiée, associée à Ii, serait ubiquitinée par MARCH1, l’entraînant dans sa régulation négative. Il fut déterminer que cette molécule n’était pas CXCR2, un récepteur pouvant être impliqué, avec la chaîne invariante et CD44, en tant que récepteur de MIF (Macrophage Inhibitory Factor). Il fut aussi montré que HLA-DO peut être ciblé par MARCH1 mais ceci ne semble pas être un phénomène dominant; l’expression des complexes DO/DM n’étant pas affectée bien qu’ils entrent en interaction avec MARCH1. L’expression de HLA-DM n’est pas affectée par MARCH1. Il n’a toutefois pas été déterminé hors de tout doute si MARCH1 peut modifier DM; des résultats obtenus avec une queue cytoplasmique de DM possédant une lysine laissant suggérer qu’il est possible que MARCH1 interagisse avec DM. Dans l’ensemble, les travaux démontrent que l’ubiquitination par MARCH1 joue un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle de la chaîne invariante p33 mais pas HLA-DO et HLA-DM. / The invariant chain, which form a nonameric complex with the classical MHC class II molecules. HLA-DM and HLA-DO (non-classical class II molecules) are involved in the presentation of antigens to T lymphocytes. The chaperons molecules of the antigenic presentation can modulate the capacity of the cells to present antigens. The transcriptional regulation of the chaperons and all of the other molecules linked to the MHC is assured by the CIITA transactivator. Little is know of the post-transcriptional mechanisms, other than the fact that HLA-DR molecule can be down-regulated by ubiquitination due to E3 ubiquitin ligase MARCH1. MARCH1 is induce by interleukin-10 in monocytes. The goal of this project is to figure out if ubiquitination by MARCH1 can also regulate the expression of the antigenic presentation chaperons. The experiences were performed in the context of co-transfections in HEK293T cells and the expression of the diverses molecules was evaluated by cell stainings and FACS analysis. The p33 isoform of the invariant chain was found to be down-regulated and degraded in the presence of MARCH1. The invariant chain cytoplasmic tail is not completely essential to this phenomenon; a non-identified molecule, associated with Ii, is probably ubiquitinated by MARCH1 and is then down-regulated, together with Ii. It was shown tha CXCR2, a reeptor involved with the invariant chain and CD44 in the reception of the MIF signal, is not that molecule. HLA-DO can ben targetd by MARCH1 but this does not seem to be a general phenomenon; the expression of the DO/DM complexes remaning unaffected even with the interaction of those complexes with MARCH1. Therefore, a certain protection seem to be provided by HLA-DM to HLA-DO. The expression of HLA-DM itself is not affected by the presence of MARCH1. However, it was not cleary demonstrated if MARCH1 can modify DM. Some results obtained with a cytoplasmic tail of DM comprising an additional lysine suggest that there is a possibility that MARCH1 interact with DM. Generally, the work presented here show that ubiquitination by MARCH1 is involved in post-transcriptionnal regulation of the p33 isoform of the invariant chain but not in the regulation of HLA-DO and HLA-DM.

La chaîne invariante (Ii) agit à titre de chaperon dans l’assemblage et le trafic des molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe II (CMHII). Chez l’humain, les deux isoformes prédominantes, p33 et p35, diffèrent par la présence d’un motif di-arginine (RXR). Ce dernier permet la rétention de p35 au réticulum endoplasmique (RE) jusqu’à son masquage par une molécule de CMHII. La chaîne invariante forme des trimères auxquels s’associent successivement jusqu’à trois dimères αß de CMHII résultant en la formation de pentamères, heptamères et nonamères. Toutefois, la stœchiométrie exacte des complexes Ii-CMHII qui quittent le RE et le mécanisme permettant le masquage du motif RXR demeurent un sujet de débats. Dans un premier temps, nous avons examiné par une approche fonctionnelle la stœchiométrie des complexes formés autour de p33 et de p35. Nous avons observé que p35 engendre la formation de complexes nonamériques (αßIi)3 et permet l’incorporation de différents isotypes de CMHII autour d’un même trimère de p35 alors que p33 facilite la formation de pentamères (αß)1Ii3. Lors de l’étude du masquage du motif RxR par les CMHII, nous avons montré que son inactivation requiert une interaction directe (en cis) entre les sous-unités p35 et CMHII, résultant en une rétention des trimères de p35 insaturés au RE. Aussi, nous avons observé que contrairement aux complexes p33-CMHII, les complexes p35-CMHII sont retenus au RE lorsque coexprimés avec la protéine NleA de la bactérie Escherichia coli entérohémorragique. Comme l’expression de NleA interfère avec la formation des vésicules COPII responsable de l’export du RE, nous supposons que la sortie du RE des complexes p35-CMHII dépend des vésicules COPII alors que la sortie des complexes formés autour de l’isoforme p33 est indépendante de la formation de ces vésicules. La trimérisation d’Ii représente la toute première étape dans la formation des complexes Ii-CMHII. Deux domaines d’Ii permettent la formation de trimères; le domaine de trimérisation (TRIM) et le domaine transmembranaire (TM). Nous nous sommes intéressés à la nécessité de ces domaines dans la trimérisation de la chaîne et la formation subséquente de complexes avec les CMHII. Nous avons démontré que le domaine TRIM n’est pas essentiel à la trimérisation de la chaîne, à la formation de pentamères et de nonamères ainsi qu’au trafic adéquat de ces complexes Ii-CMHII dans la cellule. En absence des domaines TM d’Ii et des CMHII, nous avons observé la formation de complexes pseudo-nonamériques. Ceci suppose que la présence de ce domaine n’est pas un prérequis à la formation de nonamères. En conséquence, la présence d’un seul domaine de trimérisation de Ii est requise pour la formation de trimères et de complexes nonamériques. L’ensemble de nos résultats démontrent que la fonction de p35 n’est pas redondante à celle de p33. p35 influence de manière distincte le trafic des CMHII puisqu’il affecte la stœchiométrie des sous-unités incorporées aux complexes Ii- CMHII. / The invariant chain (Ii) assists in the folding and trafficking of MHC class II molecules (MHCII). Four different isoforms of the human Ii have been described (p33, p35, p41 and p43). The main isoforms, p33 and p35, differ by the presence of a di-arginine (RXR) endoplasmic reticulum (ER) retention motif in p35. This motif is inactivated upon binding of MHCII. In the ER, p33 and p35 assemble into trimers before associating with MHCII. The sequential binding of up to three MHCII αß dimers to Ii trimers results in the formation of pentamers, heptamers and nonamers. However, the exact stoichiometry of the Ii-MHCII complex and the mechanism allowing shielding of the ER retention motif remain a matter of debate. To shed light on these issues, we chose a functional approach to examine the stoichiometry of complexes formed around the p33 and p35 isoforms. We showed that p35 promotes formation of nonameric complexes (αßIi)3 while formation of pentameric complexes (αß)1Ii3 was observed for p33. We then showed that formation of nonameric complexes can result in the inclusion of distinct MHCII isotypes around a single trimeric p35 scaffold. When answering the question wetter masking of the p35 RXR motif by MHCII results in the formation of nonamers, we showed that the actual inactivation of motif requires a direct cis-interaction between p35 and the MHCII, precluding ER egress of unsaturated p35 trimers. Interestingly, as opposed to p33-MHCII complexes, p35-MHCII complexes remained in the ER when co-expressed with the NleA protein of enterohaemorrhagic Escherichia coli. Expression of this bacterial protein is thought to interfere with the formation of COPII vesicles, leading to the conjecture that p35-MHCII and p33-MHCII complexes exit the ER in a COPII-dependant and COPII-independent manner, respectively. The trimerization of Ii represents the very first step in the formation of Ii-MHCII complex. Two domains of Ii, the trimerization domain (TRIM) and the transmembrane (TM) domain have been shown to trigger the trimerization of the chain. We focused our attention on the requirement of the two trimerization domains in Ii self-association and in the formation of pentameric and nonameric complexes. We showed that the TRIM domain of Ii is not essential for the chain’s trimerization, formation of pentamers and nonamers and for proper traffic with MHCII molecules. In absence of the Ii and MHCII TM domains, we observed the formation of a nonamer-like structure hereby suggesting that the presence of this domain is not a prerequisite for nomamer complex formation. Consequently, our results showed that either Ii trimerization domains are sufficient for Ii trimer formation and nonameric complex trafficking. Taken together, our results demonstrate that the function of the p35 isoform is not redundant, influencing distinctively MHCII trafficking as the subunit stoichiometry of oligomeric Ii/MHCII complexes is affected by p35.