Structure-fonction de MARCH1, une E3 ubiquitine ligase régulant la présentation antigénique par le CMH II

Les molécules classiques du CMH de classe II sont responsables de la présentation de peptides exogènes par les cellules présentatrices d’antigène aux lymphocytes T CD4+. Cette présentation antigénique est essentielle à l’établissement d’une réponse immunitaire adaptative. Cependant, la reconnaissance d’auto-antigènes ainsi que l’élimination des cellules du Soi sont des problèmes à l’origine de nombreuses maladies auto-immunes. Notamment, le diabète et la sclérose en plaque. D’éventuels traitements de ces maladies pourraient impliquer la manipulation de la présentation antigénique chez les cellules dont la reconnaissance et l’élimination engendrent ces maladies. Il est donc primordial d’approfondir nos connaissances en ce qui concerne les mécanismes de régulation de la présentation antigénique.  La présentation antigénique est régulée tant au niveau transcriptionnel que post-traductionnel. Au niveau post-traductionnel, diverses cytokines affectent le processus. Parmi celles-ci, l’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, cause une rétention intracellulaire des molécules du CMH II. Son mécanisme d’action consiste en l’ubiquitination de la queue cytoplasmique de la chaîne bêta des molécules de CMH II. Cette modification protéique est effectuée par MARCH1, une E3 ubiquitine ligase dont l’expression est restreinte aux organes lymphoïdes secondaires. Jusqu’à tout récemment, il y avait très peu de connaissance concernant la structure et les cibles de MARCH1. Considérant son impact majeur sur la présentation antigénique, nous nous sommes intéressé à la structure-fonction de cette molécule afin de mieux caractériser sa régulation ainsi que les diverses conditions nécessaires à son fonctionnement. Dans un premier article, nous avons étudié la régulation de l’expression de MARCH1 au niveau protéique. Nos résultats ont révélé l’autorégulation de la molécule par formation de dimères et son autoubiquitination. Nous avons également démontré l’importance des domaines transmembranaires de MARCH1 dans la formation de dimères et l’interaction avec le CMH II. Dans un second article, nous avons investigué l’importance de la localisation de MARCH1 pour sa fonction. Les résultats obtenus montrent la fonctionnalité des motifs de localisation de la portion C-terminale de MARCH1 ainsi que la présence d’autres éléments de localisation dans la portion N-terminale de la protéine. Les nombreux mutants utilisés pour ce projet nous ont permis d’identifier un motif ‘‘VQNC’’,  situé dans la portion cytoplasmique C-terminale de MARCH1, dont la valine est requise au fonctionnement optimal de la molécule. En effet, la mutation de la valine engendre une diminution de la fonction de la molécule et des expériences de BRET ont démontré une modification de l’orientation spatiale des queues cytoplasmiques. De plus, une recherche d’homologie de séquence a révélé la présence de ce même motif dans d’autres ubiquitines  ligases, dont Parkin. Parkin est fortement exprimée dans le cerveau et agirait, entre autre, sur la dégradation des agrégats protéiques. La dysfonction de Parkin cause l’accumulation de ces agrégats, nommés corps de Lewy, qui entraînent des déficiences au niveau du fonctionnement neural observé chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. La valine comprise dans le motif ‘’VQNC’’ a d’ailleurs été identifiée comme étant mutée au sein d’une famille où cette maladie est génétiquement transmise. Nous croyons que l’importance de ce motif ne se restreint pas à MARCH1,  mais  serait généralisée à d’autres E3 ligases. Ce projet de recherche a permis de caractériser des mécanismes de régulation de MARCH1 ainsi que de découvrir divers éléments structuraux requis à sa fonction.  Nos travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes de contrôle de la présentation antigénique par les molécules de CMH II. Classical MHC class II molecules are responsible for the presentation of exogenous peptides to CD4+ T cells, which is essential for the establishment of the adaptive immune response. However, problems with recognition of auto-antigens and the subsequent cell elimination are at the root of numerous autoimmune diseases. Manipulation of the antigen presentation pathway in order to eliminate cells that present self-antigens could serve as potential treatments of many autoimmune disorders. It is therefore essential to deepen our knowledge regarding the mechanisms regulating antigen presentation.  Antigen presentation is regulated both transcriptionally and post-translationally. Whereas many cytokines affect the latter, IL-10, an anti-inflammatory cytokine, causes the intracellular retention of MHC II molecules. This phenotype is the result of the ubiquitination of MHC II -chain cytoplasmic tail by MARCH1.  MARCH1 is an E3 ubiquitin ligase expressed in secondary lymphoid organs. Until recently, little was known about the structure-function and the targets of MARCH1. Considering its major impact on antigen presentation, we were interested to study this E3 ligase in order to reveal how it is regulated and what are the required conditions for its function. In a first report, we have investigated the regulation of MARCH1’s protein expression. Our results revealed its autoregulation via dimer formation and autoubiquitination. In addition, we have demonstrated the involvement of MARCH1’s transmembrane domains for dimerization and MHC II interaction. In a second article, we highlighted the importance of MARCH1 localization for its function. Our results indicated that localization motifs in the C-terminal portion of MARCH1 were functional and revealed the presence of some sorting elements in the N-terminal portion of the molecule. A panel of mutant were used and allowed us to identify a ‘’VQNC’’ motif, located in the C-terminal cytoplasmic portion of MARCH1, in which the valine is central for the molecule’s function. Indeed, point-mutation of the valine led to a decrease in MARCH1 ability to relocate MHC II whereas BRET experiments revealed a modification in the spatial organization of the cytoplasmic tails. Moreover, a blast of sequence homology showed the presence or that same motif in others ubiquitine ligases, one of which is Parkin. Parkin is highly expressed in the brain and seems to be implicated in protein aggregates’ degradation. It was reported that malfunction of Parkin leads to the accumulation of aggregates, called Lewy bodies, responsible for the neural functions deficiencies observed in patients with Parkinson disease. Interestingly, a family for which the sickness was genetically transmitted has a mutated valine in the VQNC motif. We believe that the importance of this motif is not restricted to MARCH1 and could be generalized to others E3 ubiquitin ligases. This project enabled us to characterize the regulation mechanisms of MARCH1. In addition, we discovered various structural elements required for its function. Altogether, our data allows for a better understanding of the mechanisms controlling MHC II molecules antigen presentation.

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