• No results found

Unmasking the masters of evasion : TAP inhibition by varicellovirus UL49.5 proteins

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Unmasking the masters of evasion : TAP inhibition by varicellovirus UL49.5 proteins"

Copied!
29
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

UL49.5 proteins

Verweij, M.C.

Citation

Verweij, M. C. (2010, September 29). Unmasking the masters of evasion : TAP inhibition by varicellovirus UL49.5 proteins. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/15995

Version: Corrected Publisher’s Version

License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden

Downloaded

from: https://hdl.handle.net/1887/15995

Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).

(2)
(3)

Abstract  

Viral  infections  are  counteracted  by  virus‐specific  cytotoxic  T  cells  that  recognize  the  infected  cell  via  MHC  I  molecules  presenting  virus‐derived  peptides.  The  loading  of  the  peptides onto MHC I molecules occurs in the endoplasmic reticulum (ER) and is facilitated  by the peptide loading complex. A key player in this complex is the transporter associated  with antigen processing (TAP), which translocates the viral peptides from the cytosol into  the  ER.  Herpesviruses have  developed  many  strategies to  evade  cytotoxic T  cells.  Several  members  of  the  genus  Varicellovirus  encode  a  UL49.5  protein  that  prevents  peptide  transport through TAP. These include bovine herpesvirus 1 (BoHV‐1), pseudorabies virus,  and  the  equine  herpesvirus  1  and  4.  BoHV‐1  UL49.5  inhibits  TAP  by  preventing  conformational changes essential for peptide transport and by inducing degradation of the  TAP  complex.  UL49.5  consists  of  an  ER‐luminal  N‐terminal  domain,  a  transmembrane  domain and a cytosolic C‐terminal tail domain.  

In this study, the following features of UL49.5 were deciphered: 1) the ER‐luminal and  the  transmembrane  domain  of  UL49.5  are  both  required  for  its  function  and  cannot  be  substituted for, 2) chimeric constructs of BoHV‐1 and VZV UL49.5 attribute the lack of TAP  inhibition by VZV UL49.5 to its ER‐luminal domain, 3) the ER‐luminal and TM domains of  UL49.5 are required for efficient interaction with TAP, 4) the C‐terminal RXRX sequence is  essential for TAP degradation by BoHV‐1 UL49.5, and 5) in addition to the RXRX sequence,  the  cytoplasmic  tail  of  BoHV‐1  UL49.5  carries  a  motif  that  is  required  for  efficient  TAP  inhibition  by  the  protein.  A  model  is  presented  depicting  how  the  different  domains  of  UL49.5  may block  the  translocation  of  peptides  by  TAP  and  target TAP for  proteasomal  degradation. 

(4)

Introduction 

Herpesviruses  establish  a  lifelong  infection  in  their  host,  which  is  accompanied  by  intermittent  reactivations.  This  persistent  infection  is  characterized  by  a  delicate  balance  between the host immune response and immune evasion strategies employed by the virus. 

Herpesvirus’  interference  with  the  host  immune  system  ranges  from  innate  to  adaptive  immune  responses.  These  viruses  code  for  specific  molecules  that  counteract  the  rising  immune response through the inhibition of, amongst others, chemokine, cytokine and toll‐

like receptor signaling pathways that are required for the induction of a sustained immune  response. Virus‐specific cytotoxic T cells (CTL) that do arise despite these countermeasures  are  inhibited  by  immune  evasion  proteins  that  interfere  with  the  function  of  major  histocompatibility complex class I (MHC I) molecules (Hansen and Bouvier, 2009; Griffin et  al., 2010; Koch and Tampe, 2006). 

MHC  I  molecules  present  viral  peptides  derived  from  cytosolic  proteins  that  are  degraded  by  proteasomes.  The  transporter  associated  with  antigen  processing  (TAP)  translocates the peptides into the endoplasmic reticulum (ER) where they are loaded onto  MHC I molecules. TAP consists of two multi‐membrane‐spanning subunits, TAP1 and TAP2,  that  constitute  a  channel  through  which  viral  peptides  are  transported  in  an  ATP‐

dependent  manner.  Quality  controlled  loading  of  the  peptides  onto  MHC  I  molecules  is  facilitated by a number of chaperone molecules that link TAP to the MHC I molecules and  stabilize  the  resulting  complex.  These  molecules  include  tapasin,  ERp57  and  calreticulin. 

Assembled MHC I molecules travel from the ER to the cell surface to present the peptides,  including those derived from viral proteins, to specific CTL (Lehner and Trowsdale, 1998; 

Wright et al., 2004; Cresswell et al., 2005; Peaper and Cresswell, 2008). 

Herpesviruses  interfere  with  many  steps  of  the  MHC  I  antigen  presentation  route.  A  favorable target within this pathway is the TAP transporter. Currently, four families of TAP  inhibitors  have  been  identified.  Herpes  simplexvirus  1  and  2  code  for  ICP47,  a  cytosolic  protein  that  inhibits  TAP  function  by  interfering  with  peptide  binding  to  the  transporter  (Fruh et al., 1995; Hill et al., 1995; Tomazin et al., 1996; Ahn et al., 1996; Aisenbrey et al.,  2006). Human cytomegalovirus (HCMV) and rhesus CMV inhibit TAP via the US6 protein. 

This protein prevents ATP binding to the transporter, thereby limiting the energy supply to  the complex (Ahn et al., 1997; Lehner et al., 1997; Hengel et al., 1997; Hewitt et al., 2001; 

Halenius et al., 2006; Pande et al., 2005). The Epstein‐Barr virus‐encoded BNLF2a protein  blocks  both  the  binding  of  peptides  and  of  ATP  to  TAP  (Hislop  et  al.,  2007;  Horst  et  al.,  2009). Functional homologs of this protein were also found in herpesviruses of Old World  primates  (Hislop  et  al.,  2007).  TAP‐inhibiting  UL49.5  proteins  have  been  identified  for  many varicelloviruses, these proteins appear to be remarkably heterogeneous in function.  

 

(5)

Bovine herpesvirus 1 (BoHV‐1) UL49.5 inhibits TAP by preventing conformational changes  that are required for the transport of peptides from the cytosol to the ER. Additionally, TAP  complexes are sent for proteasomal degradation by the viral protein (Koppers‐Lalic et al.,  2005).  A  strong  inhibition  of  TAP  and  degradation  of  the  transporter  by  UL49.5  was  observed in cells of bovine, human and mouse origin (Koppers‐Lalic et al., 2005; Koppers‐

Lalic et al., 2008; van Hall et al., 2007). UL49.5 possesses a  dual role in viral infection; in  addition to immune evasion, UL49.5 guides the maturation of glycoprotein M (gM), which  is  required  for  proper  virion  formation  and  spread  (Lipinska  et  al.,  2006).  Homologs  of  UL49.5, or glycoprotein N, are found in every herpesvirus sequenced to date (McGeoch et  al., 2006; Davison et al., 2009). Whereas the gM chaperone function of UL49.5 appears to be  conserved  amongst  herpesviruses  (Rudolph  et  al.,  2002;  Klupp  et  al.,  2000;  Ziegler  et  al.,  2005),  the  capacity  to  block  TAP  has  been  found  for  varicelloviruses  only.  Like  BoHV‐1,  equine herpesvirus (EHV) 1 and 4, and pseudorabiesvirus (PRV) encode a UL49.5 homolog  that mediates immune evasion via TAP inhibition (Koppers‐Lalic et al., 2005; Koppers‐Lalic  et  al.,  2008).  Despite  these  similarities,  the  mechanism  of  TAP  inhibition  differs  remarkably.  While  BoHV‐1,  EHV‐1,  EHV‐4,  and  PRV  UL49.5  all  prevent  essential  conformational  changes  within  the  TAP  complex,  only  BoHV‐1  UL49.5  mediates  TAP  degradation.  In  contrast,  EHV‐1  and  EHV‐4  UL49.5  block  ATP  binding  to  the  complex,  thereby limiting the energy supply required for peptide translocation (Koppers‐Lalic et al.,  2008).  BoHV‐1,  EHV‐1,  EHV‐4,  and  PRV  belong  to  the  genus  Varicellovirus.  Outside  this  genus,  no  TAP‐inhibiting  UL49.5  proteins  have  been  found  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2005). 

However,  even  amongst  the  varicelloviruses,  homologs  that  fail  to  block  TAP  have  been  identified. Varicella‐zoster virus (VZV) UL49.5 interacts with TAP, but interference with its  function  has  not  been  found  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2008).  The  UL49.5  homolog  of  canine  herpesvirus 1 (CHV‐1) causes only a minor reduction in peptide transport by canine TAP to  some extent (Koppers‐Lalic et al., 2008). Thus, effective UL49.5‐mediated TAP inhibition is 

Fig.  1,  alignment  of  varicellovirus‐encoded  UL49.5  proteins.  The  amino  acid  sequences  of  of  UL49.5  proteins  were aligned using VectorNTI software (Invitrogen). Previous work has shown that of these varicellovirus‐encoded  homologs only BoHV‐1, PRV, EHV‐1, and EHV‐4 are able to block TAP (names shown in bold), while CaHV‐1 and  VZV  had  minor  or  no  affect,  respectively,  on  TAP  function.  N‐terminal  signal  sequences  (dashed  line)  and  TM  regions (bold line) are indicated. The proline conserved amongst TAP‐inhibiting homologs is boxed.  

(6)

limited to a subgroup of the varicelloviruses that includes BoHV‐1, EHV‐1, EHV‐4 and PRV  UL49.5. 

UL49.5  proteins  consist  of  a  cleavable  signal  sequence,  an  ER‐luminal  domain,  a  transmembrane  (TM)  domain,  and  a  carboxy‐terminal  cytosolic  tail  (Fig.  1).  The  cytoplasmic  domain  of  the  BoHV‐1  UL49.5  protein  mediates  TAP  degradation  (Koppers‐

Lalic  et  al.,  2005).  Deletion  of  this  domain  resulted  in  reduced  inhibition  of  peptide  transport  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2005).  In  this  study,  we  aim  to  further  elucidate  the  contribution  of  the  different  UL49.5  domains  to  TAP  inhibition  and  degradation.  In  addition,  designated  point  mutations  are  introduced  to  reveal  the  contribution  of  individual amino acids to the various functions of UL49.5. 

Materials and methods 

The  construction  of  chimeric  proteins  and  mutant  forms  of  UL49.5  All  PCR‐generated  products were inserted into the retroviral expression vector pLZRS‐IRES‐GFP, behind the  HCMV  E1  promotor‐enhancer  and  upstream  of  an  internal  ribosome  entry  site  (IRES)  element,  which  is  followed  by  GFP.  The  identity  of  the  constructs  was  verified  by  DNA  sequencing. The sequence of the described primers can be found in table 1. 

BHVER‐VZVTM  and  VZVER‐BHVTM  were  constructed  using  a  plasmid  coding  for  BoHV‐1  UL49.5  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2005)  and  one  coding  for  VZV  UL49.5  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2008) as a template for standard PCR reactions using the polymerases Pfu (Invitrogen) and  Taq  (Promega).  For  BHVER‐VZVTM,  the  sequence  coding  for  the  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  was  amplified  using  primer  1  and  2  and  the  sequence  coding  for  the  TM  domain  of  VZV  UL49.5  was  amplified  using  primers  3  and  4.  Through  fusion  PCR,  both  constructs  were  combined  and  amplified  using  primers  1  and  4.  The  fused  insert  was  cloned into pLZRS by GATEWAY technology (pDEST‐LZRS‐IRES‐GFP was constructed by K. 

Franken,  Department  of  Immunohematology  and  Blood  Transfusion,  Leiden  University  Medical Center, The Netherlands, and Invitrogen) using primers 5 and 6. VZVER‐BHVTM was  constructed via the same method using primers 7 and 8 for amplification of the sequence  coding for the ER‐luminal domain of VZV UL49.5, primers 9 and 10 for the amplification of  the  sequence  coding  for  the TM domain  of BoHV‐1  UL49.5, and  primers  7 and  10 for the  fusion PCR. Primers 11 and 12 were used to amplify the fused insert before insertion into  pLZRS via GATEWAY technology. 

For  BHVER‐CD3TM,  the  sequence  coding  for  the  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  was amplified by standard PCR using Pfu and Taq and the primers 13 and 14, the sequence  coding for the TM domain of CD3δ was amplified using primers 15 and 16, after which both  PCR products were fused using primers 13 and 16. Primers 17 and 18 were used to amplify  the product before insertion into pLZRS via GATEWAY technology.  

(7)

anchor 

 

Table 1, PCR primers 

#a  Constructa  Primer sequence a 

BHVER‐VZVTM  Fw: 5’‐ CTGCAGACCATGCCGCGG ‐3’

  Rev: 5’‐ GTAGAAGAAAAGCAGGGCCTGCGGTGGCT ‐3’

  Fw: 5'‐ CCGCAGGCCCTGCTTTTCTTCTACGCATCCCTTTTGG ‐3'   Rev: 5’‐ AGATCTAATGAACACGCATGATAAGCTAACGAAATAAG ‐3’

  Fw: 5’‐ TCTAGATTAGAAACACGCATGATAAGCTAACGAAATAAG ‐3’

  Rev: 5’‐ GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCCTCGAGTTAGAAACACGCATGATAAGCTAACGAAATAAG ‐3’

VZVER‐BHVTM  Fw: 5’‐ CTGCAGACCATGGGATCAATTACCGCTTCGTTC ‐3’

  Rev: 5’‐ GTAAAAAACAACGGTGGTGATCATTGATCCGTCG ‐3'   Fw: 5’‐ ATGATCACCACCGTTGTTTTTTACGTGGCCCTGCTGGACC ‐3’

10    Rev: 5’‐ TCTAGATTAAAAGCAAAGCCCGTACGCGT ‐3’

11    Fw: 5’‐ GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTGAATTCACCATGGGATCAATTACCGCTTCGTTC ‐3’

12    Rev: 5’‐ GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCCTCGAGTTAAAAGCAAAGCCCGTACGCGT ‐3’ 

13  BHVER‐CD3TM  Fw: 5’‐ GAATTCACCATGCCGCGGTCGCCG ‐3’

14    Rev: 5'‐ GTGGCTGGCAGGGCCTGCGGTGGCTC ‐3’

15    Fw: 5’‐ GGCCCTGCCAGCCACCGTGGCTGGC ‐3’

16    Rev: 5’‐ CTCGAGTCATCCAGCAAAGCAGAAGACTCC ‐3’

17    Fw: 5’‐ GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTGAATTCACCATGCCGCGGTCGCCG ‐3’ 

18    Rev: 5’‐GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCCTCGAGTCATCCAGCAAAGCAGAAGACTCC ‐3’

19  CD3ER‐BHVTM+tail  Fw: 5’‐ GAATTCACCATGGAACATAGCACGTTTCTCTCTGGC ‐3’

20    Rev: 5’‐ GTAAAAAACAACATCCAGCTCCACACAGCTCTGGC ‐3’

21    Fw: 5’‐ GGAGCTGGATGTTGTTTTTTACGTGGCCCTGACCG ‐3’

22    Rev: 5’‐ CTCGAGTCAGCCCCGCCCCCGC ‐3’

23  CD3ER+TM‐BHVtail  Fw: 5’‐ GAGCCTTCCAGCAAAGCAGAAGACTCCC ‐3’

24    Rev: 5’‐ CTTTGCTGGAAGGCTCATGGGCGCCAGC ‐3’

27  UL49.5 P48A  Fw: 5’‐ CGGTGGCTCCGAGAGGGCCACCCCGCGCGCGTA ‐3’ 

28    Rev: 5’‐ TACGCGCGCGGGGTGGCCCTCTCGGAGCCACCG ‐3’ 

29  UL49.5 P48G  Fw: 5’‐ CGGTGGCTCCGAGAGTCCCACCCCGCGCGCGTA ‐3’

30    Rev: 5’‐ TACGCGCGCGGGGTGGGACTCTCGGAGCCACCG ‐3’ 

31  UL49.5 KK→AA  Fw: 5’‐ CAGAATTCACCATGCCGCGGTCG ‐3’

32    Rev: 5’‐ GGGGAATTCTTTCAGCCCCGCCCCCGCGACTCCGCGGCATTGGGC ‐3’

33  UL49.5 SS→AA  Fw: 5’‐ CGGGATCCCACCATGCCGCGGTCG ‐3’

34    Rev: 5’‐ CTTTTTATTGGGCCCGGCGGCGCCCATG ‐3’ 

35    Rev: 5’‐ CGCCCCCGCGCCTCCTTTTTATTGGG ‐3’ 

36    Rev: 5’‐ GGAATTCAGCCCCGCCCCCGCGC ‐3’ 

37  UL49.5 AA/AA  Rev: 5’‐ GCGGCATTGGGCCCGGCGGCGCCCATG ‐3’ 

38    Rev: 5’‐ CGCCCCCGCGCCTCCGCGGCATTGGG ‐3’ 

39  UL49.5 G96A  Rev: 5’‐ GGAATTCACGCCCGCCCCCGCGAC ‐3’

40  UL49.5 R95A  Rev: 5’‐ GGAATTCAGCCCGCCCCCCGCGAC ‐3’

41  UL49.5 G94A  Rev: 5’‐ GGAATTCAGCCCCGCGCCCGCGAC ‐3’

a = restriction sites used in bold 

(8)

The BHVER‐TLR2TM construct was obtained by de novo gene synthesis (Genscript). The  construct was inserted into the pLZRS via the BamHI and EcoRI restriction sites. For CD3ER‐ BHVTM+tail,  the  sequence  coding  for  the  ER‐luminal  domain  of  CD3δ  was  amplified  by  standard PCR using Pfu and Taq and the primers 19 and 20, the sequence coding for the TM  and  tail  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  were  amplified  using  primers  21  and  22,  after  which  both  PCR  products  were  fused  using  primer  19  and  22.  For  CD3ER+TM‐BHVtail,  the  the  sequence  coding  for  the  ER‐luminal  and  the  TM  domain  of  CD3δ  were  amplified  using  primers  19  and  23,  the  sequence  coding  for  the  tail  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  was  amplified  using  primers  24  and  22,  after  which  both  PCR  products  were  fused  using  primers 19 and 20. The resulting inserts were cloned into pLZRS via the BamHI and EcoRI  restriction sites. 

For  UL49.5  P48A  and  P48G  point  mutations  were  introduced  into  UL49.5  wt  by  Quickchange  site  directed  mutagenesis  using  Pfu  and  primers  27  and  28,  and  29  and  30,  respectively.  The  mutants  were  inserted  into  pLZRS  via  the  BamHI  and  EcoRI  restriction  sites. 

To create UL49.5 KK→AA point mutations were introduced into UL49.5 wt by standard  PCR  with  Pfu  using  primers  31  and  32.  For  UL49.5  SS→AA,  UL49.5  wt  was  used  as  a  template for three sequential PCR reactions using KOD DNA polymerase (Novagen‐Merck). 

The  forward  primer  33  was  used  in  combination  with  primer  34,  followed  by  two  amplification steps with primers 35 and 36. For UL49.5 AA/AA the mutant UL49.5 SS→AA  was used as a template. Again three sequential reactions were performed with primer 33  as forward primer and, in this order, primers 37, 38 and 36. 

The  alanine  scan  of  the  tail  domain  resulting  in  G96A,  R95A,  G94A,  R93A,  and  AAAA  was performed by introducing point mutations into UL49.5 wt by standard PCR using KOD  DNA polymerase. The forward primer 33 was used in combination with primers 39, 40, 41, 

Table 1, continued 

#a  Constructa  Primer sequence a 

42  UL49.5 R93A  Rev: 5’‐ CGAATTCAGCCCCGCCCCGCCGACTCCG ‐3’

43  UL49.5 AAAA  Rev: 5’‐ GGAATTCACGCTGCTGCTGCCGACTCCTTTTTATTG ‐3’

44  UL49.5 P87A  Rev: 5’‐ GCGACTCCTTTTTATTGGCCCCGGCGG ‐3’

45    Rev: 5’‐ CGAATTCAGCCCCGCCCCCGCGACTC ‐3’

46  UL49.5 R95K  Fw: 5’‐ CCGGAATTCCGGATGCCGCGGTCGCCGCTCATCGTTG ‐3’

47    Rev: 5’‐ CCGCTCGAGTCAGCCCTTCCCCCGCGACTCCTTTTTATTG ‐3’

48  UL49.5 R93K  Rev: 5’‐ CCGCTCGAGTCAGCCCCGCCCCTTCGACTCCTTTTTATTG ‐3’

49  UL49.5 R93/95K  Rev: 5’‐ CCGCTCGAGTCAGCCCTTCCCCTTCGACTCCTTTTTATTG ‐3’

a = restriction sites used in bold 

(9)

42,  and  43,  respectively.  P87A  was  created  using  primer  33  and  two  sequential  amplification using primers 44 and 45.  

The arginine point mutations resulting in R95K, R93K, and R93/95K were introduced  into the UL49.5 wt by standard PCR using Phusion HF DNA polymerase (Finnzymes). The  forward primer 46 was used in combination with primers 47, 48 or 49 (respectively). 

Cell  lines  and  recombinant  viruses  The  human  melanoma  cell  line  Mel  JuSo  (MJS),  MJS  BoHV‐1 UL49.5, MJS BoHV‐1 UL49.5Δtail and MJS BoHV‐1 UL49.5 sol were constructed as  described before (Koppers‐Lalic et al., 2005; Lipinska et al., 2006) and maintained in RPMI‐

1640  medium  supplemented  with  10%  heat‐inactivated  fetal  bovine  serum  (FBS),  2  mM  L‐glutamine (Invitrogen), 140 IU/ml penicillin and 140 mg/ml streptomycin.  

Recombinant viruses were made using the Phoenix amphotropic packaging system as  described  before  (www.stanford.edu/group/nolan/retroviral_systems/retsys.html).  The  retroviruses  were  used  to  transduce  target  cells,  after  which  GFP  positive  cells  were  selected  using  a  FACSAria  cell  sorter  (Becton  Dickinson).  The  following  stable  cell  lines  were generated: MJS expressing BHVER‐VZVTM, VZVER‐BHVTM, BHVER‐CD3TM, BHVER‐TLR2TM,  CD3ER‐BHVTM+tail,  CD3ER+TM‐BHVtail,  UL49.5  P48A,  UL49.5  P48G,  UL49.5  KK→AA,  UL49.5  SS→AA,  UL49.5  AA/AA,  UL49.5  G96A,  UL49.5  R95A,  UL49.5  G94A,  UL49.5  R93A,  UL49.5  AAAA, UL49.5 P87A, UL49.5 R95K, UL49.5 R93K, and UL49.5 R93/95K. 

Antibodies  The  following  antibodies  were  used  for  flow  cytometry:  anti‐human  MHC  I  complexes  mAb  B9.12.1  (kindly  provided  by  Bernard  Malissen,  Centre  d’Immunologie  Marseille‐Luminy,  France)  and  anti‐human  MHC  II  HLA‐DR  mAb  L243  (ATCC).  For  detection  of  UL49.5,  previously  raised  rabbit  polyclonal  anti‐sera  against  synthetic  peptides  derived  either  from  the  N‐terminal  domain  (H11/nt)  or  from  the  C‐terminal  domain (H19/ct) of BoHV‐1 UL49.5 were used (Lipinska et al., 2006). Anti‐VZV UL49.5 was  made earlier using two synthetic peptides from both the N‐ and C‐terminal domain of the  protein,  as  described  before  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2008).  In  addition,  we  used  anti‐TAP1  mAb  148.3  (Meyer  et  al.,  1994),  anti‐TAP2  mAb  435.3  (kind  gift  from  P.  van  Endert,  INSERM,  U580,  Université  Paris  Descartes,  Paris,  France),  and  anti‐β‐actin  mAb  AC‐74  (Sigma‐Aldrich), as a control. 

Flow  cytometry  Surface  levels  of  MHC  I  and  MHC  II  molecules  were  determined  by  flow  cytometry.  Cells  were  stained  with  the  indicated  primary  antibodies  and,  after  washing,  with  the  secondary  goat  anti‐mouse  allophycocyanin  Ab  (Leinco  Technologies)  or  goat  anti‐mouse phycoerythrin Ab (Jackson ImmunoResearch Laboratories) at 4°C. Stained cells  were  measured  using  a  FACSCalibur  (Becton  Dickinson)  and  analyzed  using  CellQuest  software.  

Peptide transport assay Cells were permeabilized using Streptolysin‐O (Murex Diagnostics)  at  37°C  for  10  min.  Permeabilized  cells  were  incubated  with  4.5  µM  of  the  fluorescein‐

(10)

conjugated  synthetic  peptide  CVNKTERAY  (N‐core  glycosylation  site  underlined)  in  the  presence  of  10  mM  ATP  or  0.125  M  EDTA  at  37°C  for  10  min.  Peptide  translocation  was  terminated by adding 1 ml of ice‐cold lysis buffer (1% Triton X‐100, 500 mM NaCl, 2 mM  MgCl2,  50  mM  Tris  HCl,  pH  8.0).  After  lysis  for  30  min  at  4°C,  cells  were  centrifuged  at  16,000  g  for  20  min  at  4°C  in  order  to  obtain  post‐nuclear  lysates.  Glycosylated  peptides  were isolated from these lysates by incubation with concanavalin A Sepharose beads (GE  Healthcare)  for  2  h at 4°C.  After washing  of the  beads, glycosylated  peptides were eluted  from the beads with elution buffer (500 mM mannopyranoside, 10 mM EDTA, 50 mM Tris  HCl  pH  8.0)  during  a  one  hour  incubation  step  at  room  temperature.  Fluorescence  was  measured using a Mithras LB 940 multilabel reader (Berthold Technologies).  

Immunoprecipitations  and  Western  blotting  For  immunoprecipitations,  cells  were  resuspended  in  a  lysis  buffer  containing  1%  (w/v)  digitonin,  50  mM  Tris  HCl  (pH  7.5),  5 mM  MgCl2,  150  mM  NaCl,  1mM  leupeptin,  and  1  mM  4‐(2‐aminoethyl)benzenesulfonyl  fluoride. Lysates were incubated with anti‐TAP1 and protein‐G and ‐A Sepharose beads (GE  Healthcare)  to  isolate  the  immune  complexes.  Precipitated  immune  complexes  and  1% 

Nonidet  P‐40  lysates  of  the  cells  were  separated  by  SDS‐PAGE  and  subsequently  transferred  to  PVDF  membranes  (GE  Healthcare).  UL49.5  proteins  were  separated  using  16.5%‐tricine  PAGE.  The  blots  were  incubated  with  the  indicated antibodies,  followed  by  horseradish  peroxidase  (HRP)‐conjugated  secondary  antibodies  (DAKO  and  Jackson  ImmunoResearch Laboratories). Bound HRP‐labeled antibodies were visualized using ECL  Plus (GE Healthcare).  

Results  

The ER‐luminal  and TM  domains  of UL49.5  contribute essentially to TAP inhibition  and degradation 

To assess whether the ER‐luminal domain of UL49.5 domain inhibits TAP in the absence of  a  TM  domain,  a  soluble  UL49.5  protein,  encompassing  amino  acid  residues  1‐54,  was  constructed  (Fig.  2A).  Previously,  it  was  shown  that  the  deletion  of  the  tail  domain  of  UL49.5  results  in  intermediate  MHC  I  downregulation  and  the  loss  of  TAP  degradation  (Koppers‐Lalic et al., 2005). Wild‐type and recombinant proteins were expressed in human  melanoma  cells  (MJS),  after  which  MHC  I  cell  surface  expression  was  analyzed.  Whereas  wild‐type UL49.5 (UL49.5 wt) and UL49.5Δtail reduced MHC I expression to the expected  levels, the expression of soluble UL49.5 (UL49.5 sol) did not result in decreased MHC I cell  surface expression (Fig. 2B). MHC I downregulation was specific, as MHC II expression was  not affected by UL49.5 (Fig. 2B, lower panel). The assessment of the steady state levels of  all proteins revealed the presence of UL49.5 wt and UL49.5Δtail, but undetectable UL49.5 

(11)

sol (Fig. 2C). Yet, UL49.5 mRNA transcripts were found in all cell lines, suggesting that the  UL49.5 sol protein is unstable (Fig. 2D).  

VZV  UL49.5  has  been  shown  to  interact  with  TAP,  but  the  protein  does  not  block  peptide transport by TAP (Koppers‐Lalic et al., 2008). To assess the contribution of the ER‐

luminal  and  the  TM  domains  of  BoHV‐1  and  VZV  UL49.5  to  TAP  binding  and,  in  case  of  BoHV‐1  UL49.5,  TAP  inhibition,  chimeras  of  both  proteins  were  constructed.  The  ER‐

luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  was  fused  to  the  TM  domain  of  VZV  UL49.5  (BHVER‐ VZVTM) and vice‐versa (VZVER‐BHVTM) (Fig. 3A). The chimeric proteins were expressed in  MJS.  Proper  expression  was  confirmed  using  BoHV‐1  and  VZV  UL49.5‐specific  antibodies  (Fig.  3B).  Expression  of  BHVER‐VZVTM  resulted  in  a  reduction  in  MHC  I  cell  surface  expression  that  was  comparable  to  the  reduction  induced  by  UL49.5  deficient  of  its  cytosolic domain (Fig. 3C). In contrast, VZVER‐BHVTM did not reduce MHC I levels (Fig. 3C). 

None  of  the  UL49.5  proteins  reduced  MHC  II  expression,  indicating  that  the  observed  downregulation was specific for MHC I.  

 

Fig. 2, the ER‐luminal domain of UL49.5, expressed as a soluble protein, is unstable. (A) Soluble UL49.5 (UL49.5  sol)  encompasses  amino  acid  residues 1  till  54  of UL49.5.  SS:  signal  sequence,  TM:  transmembrane.  (B)  Surface  expression  of  MHC  I  and  MHC  II  molecules  on  control  (graph  2)  and  UL49.5‐expressing  cells  (graph  3)  was  assessed  through  flow  cytometry  using  the  indicated  antibodies.  Graph  1:  secondary  antibody  only.  (C)  The  expression  of  the  truncated  UL49.5  proteins  was  evaluated  by  SDS‐PAGE  and  Western  blotting  (WB)  using  an  antibody specific for the N‐terminus of the UL49.5. β‐actin was used as a loading control. (D) Transcription of the  UL49.5 proteins was verified by RT‐PCR using specific primers. GAPDH expression was assessed  as a control for  loading. One representative experiment out of at least two independent experiments is shown. 

(12)

These results described above show that the ER‐luminal domain of BoHV‐1 UL49.5 is  unstable when expressed in the absence of its TM domain. However, when fused to the TM  domain  of  VZV  UL49.5,  the  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  can  induce  TAP  inhibition. To evaluate if the ER‐luminal domain can still inhibit TAP when attached to an  irrelevant  membrane  anchor,  it  was  fused  to  the  TM  domain  of  CD3  (BHVER‐CD3TM)  (Fig. 4A).  When  expression  of  the  resulting  BoHV‐1  UL49.5/CD3  chimera  was  verified,  it  appeared  to  be  undetectable  (Fig.  4B).  Treating  the  cells  with  the  proteasome  inhibitor  Cbz‐L3  for  3  or  6  h  stabilized  the  chimeric  protein,  yet  the  expression  level  was  still  low  compared to UL49.5Δtail (Fig. 4B). The assessment of MHC I cell surface expression levels  on  the  BHVER‐CD3TM‐expressing  cells  revealed  that  this  chimera  was  unable  to  downregulate MHC I, even after Cbz‐L3 treatment (Fig. 4C).  

A second chimera was constructed in which the ER‐luminal domain of BoHV‐1 UL49.5  was  fused  to  the  TM  domain  of  toll‐like  receptor  (TLR)  2  (BHVER‐TLR2TM)  (Fig.  4A).  In  contrast  to  BHVER‐CD3TM,  BHVER‐TLR2TM  was  detectable  without  Cbz‐L3  treatment.  

 

Fig.  3,  BHVER‐VZVTM  induces  MHC  I  downregulation.  (A)  UL49.5  chimeras  were  established  by  fusing  the  ER‐

luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  to  the  transmembrane  (TM)  domain  of  VZV  UL49.5  (BHVER‐VZVTM)  and  vice  versa  (VZVER‐BHVTM).  BoHV‐1  UL49.5:  dark  gray  blocks,  VZV  UL49.5:  light  gray  blocks.  SS:  signal  sequence.  (B)  Surface  expression  of  MHC  I  and  MHC  II  on  untransduced  cells  (graph  2)  and  on  cells  expressing  the  UL49.5  proteins  (graph  3)  was  assessed  through  flow  cytometry  using  the  indicated  antibodies.  Graph  1:  background  staining in the presence of secondary antibody only. (C) The expression of the UL49.5 chimeras was verified by  SDS‐PAGE and Western blotting (WB) using antibodies specific for BoHV‐1 and VZV UL49.5. β‐actin was used as a  loading control. One representative experiment out of at least two independent experiments is shown. 

(13)

anchor 

 

Fig.  4,  the  role  of  the  UL49.5  TM  domain  in  TAP  inhibition.  (A)  The  N‐terminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  was  fused to the transmembrane (TM) domain of CD3 (light gray) or TLR2 (off‐white). SS: signal sequence. (B) BHVER CD3TM expression in the presence or absence of Cbz‐L3 was evaluated by SDS‐PAGE and Western blotting (WB)  using  an  antibody  specific  for  the  N‐terminus  of  the  UL49.5.  β‐actin  was  used  as  a  loading  control.  (C)  Surface  expression  of  MHC  I  and  MHC  II  molecules  on  control  (graph  2)  and  UL49.5‐expressing  cells  (graph  3)  was  assessed  through  flow  cytometry  using  the  indicated  antibodies.  Graph  1:  secondary  antibody  only.  (D)  BHVER TLR2TM expression in the presence or absence of Cbz‐L3 was evaluated using the UL49.5 antibody raised against its  N‐terminus (see B for legend). (E) MHC I and MHC II cell surface expression (see C for legend). (F) To visualize the  interaction between TAP and BHVER‐TLR2TM, TAP complexes were immunoprecipitated (IP) from cell lysates using  a  TAP1‐specific  antibody.  The  resulting  complexes  were  stained  for  TAP1  or  UL49.5.  All  experiments  were  repeated twice. 

(14)

However,  the  steady  state  levels  of  this  chimera  were  low  and  could  only  be  increased  slightly  by  treating  the  cells  with  the  proteasome  inhibitor  (Fig.  4D).  The  assessment  of  MHC I cell surface levels revealed some BHVER‐TLR2TM‐induced downregulation, which was  independent of Cbz‐L3 treatment (Fig. 4E). Cells expressing UL49.5Δtail displayed a higher  degree  of  MHC  I  downregulation  (Fig.  4E).  To  assess  binding  of  BHVER‐TLR2TM  to  TAP,  TAP1 was precipitated from the cells. While UL49.5Δtail co‐precipitated efficiently with the  TAP complex, an interaction with BHVER‐TLR2TM was undetectable (Fig. 4F). 

Summarizing  the  data  obtained  thus  far,  a  fusion  protein  comprising  the  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  and  the  TM  domain  VZV  UL49.5  efficiently  mediates  MHC  I  downregulation. However, when fused to the TM domain of TLR2, the ER‐luminal domain  of  BoHV‐1  UL49.5  had  only  a  minor  effect  on  MHC  I  expression.  This  indicates  that  TAP  inhibition, and consequently MHC I downregulation, is mediated by the ER‐luminal domain  of BoHV‐1 UL49.5, but the TM of UL49.5 is required for efficient inhibition.  

To  assess  the  necessity  of  the  TM  and  cytosolic  domains  for  TAP  inhibition  and  TAP  degradation, two chimeras were created in which the ER‐luminal domain or both the ER‐

luminal and TM domains of UL49.5 were replaced by the corresponding domains of CD3. 

The resulting chimeras, CD3ER‐BHVTM+tail and CD3ER+TM‐BHVtail, are shown in Fig. 5A. 

MHC  I  and  MHC  II  levels  were  assessed  on  cells  expressing  UL49.5  wt  and  the  two  chimeras.  While  UL49.5  wt  reduced  MHC  I  levels  to  almost  background  levels,  CD3ER‐ BHVTM+tail  and  CD3ER+TM‐BHVtail  did  not  induce  MHC  I  downregulation  at  all  (Fig.  5B). 

Analyzing  the  expression  levels  of  the  proteins  revealed  proper  expression  of  CD3ER‐ BHVTM+tail,  but  CD3ER+TM‐BHVtail  could  not  be  detected  (Fig.  5C).  TAP1  and  TAP2  levels  appeared unaffected by the presence of CD3ER‐BHVTM+tail, while UL49.5 wt‐expressing cells  did  show  diminished  TAP  levels  (Fig.  5C).  To  investigate  if  CD3ER‐BHVTM+tail  was  able  to  interact  with  TAP,  co‐immunoprecipitation  studies  were  performed.  UL49.5  wt  was  present in the complexes that co‐immunoprecipitated with TAP1, despite the fact that most  TAP  molecules  were  degraded  in  the  presence  of  UL49.5  wt  (Fig.  5C).  An  interaction  between CD3ER‐BHVTM+tail and TAP1 appeared undetectable (Fig. 5D). These data indicate  that  the  TM  domain  of  UL49.5  contributes  to  stabilization  of  the  protein.  However,  the  presence of the ER‐luminal domain of UL49.5 is required for a stable interaction with TAP  and the induction of its degradation. 

Function of the ER‐luminal membrane‐proximal proline residue uniquely present in  TAP‐inhibiting UL49.5 homologs  

Comparing  the  protein  sequences  of  ER‐luminal  domains  of  the  TAP‐inhibiting  homologs  with the non‐inhibiting homologs revealed a conserved proline at position 48 of the TAP‐

inhibiting homologs encoded by BoHV‐1, EHV‐1, EHV‐4, and PRV (Fig. 1). The fact that this 

(15)

involvement  of  this  residue  in  TAP  inhibition.  To  establish  the  involvement  of  Pro48  in  BoHV‐1  UL49.5‐induced  TAP  inhibition,  this  residue  was  substituted  for  an  alanine  or  a  glycine, the latter residue is also capable of introducing a kink in the structure.  

MHC  I  cell  surface  expression  and  TAP  function  were  determined  to  assess  if  the  substitution  of  the  Pro48  for  either  an  alanine  or  a  glycine  influenced  UL49.5‐mediated  TAP  inhibition.  The  MHC  I  downregulation  induced  by  these  mutants  was  entirely  comparable to MHC I downregulation induced by UL49.5 wt (Fig. 6A). Also, UL49.5 P48A  and P48G inhibited peptide transport to the same extent as UL49.5 wt (Fig. 6B). Analyses of  the steady state levels of UL49.5, TAP1 and TAP2 confirmed proper UL49.5 expression and  showed that UL49.5‐mediated degradation of both TAP subunits was also induced by the 

Fig. 5, the UL49.5 cytoplasmic tail domain does not induce degradation of TAP in the absence of the N‐terminal  domain  of  UL49.5.  (A)  Two  chimeric  proteins  carrying  either  the  N‐terminal  or  the  N‐terminal  domain  of  CD3

(dark gray blocks) fused to the tail and/or TM domain of BoHV‐1 UL49.5 (light gray blocks) were constructed. (B)  Surface expression of MHC I and MHC II on untransduced cells (graph 2), on UL49.5 wt‐expressing cells (graph 3)  and on cells expressing the UL49.5 mutants (graph 4) was assessed through flow cytometry using the indicated  antibodies.  Graph  1:  secondary  antibody  only.  (C)  Steady  state  levels  of  UL49.5,  TAP1,  and  TAP2  in  control  and  UL49.5‐expressing  MJS  were  determined  by  SDS‐PAGE  and  Western  blotting  (WB)  using  specific  antibodies.  β‐

actin was used as a loading control. (D) To visualize the interaction between TAP and the UL49.5 proteins, TAP  complexes were immunoprecipitated (IP) from the cells and the resulting complexes were stained for TAP1, TAP2  or UL49.5. All experiments were repeated twice. 

(16)

proline‐mutants (Fig. 6C). These data indicate that Pro48 does not contribute essentially to  UL49.5‐induced TAP inhibition or degradation. 

The contribution of the lysine and serine residues within the cytoplasmic domain of  UL49.5 to the degradation of TAP 

The  cytoplasmic  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  is  required  for  the  degradation  of  TAP  (Koppers‐Lalic et al., 2005). Viruses are known to utilize the ubiquitin pathway for immune  evasion  (Randow  and  Lehner,  2009).  Ubiquitin  is  mostly  attached  to  lysine  residues,  but  ubiquitinylation  was  also  observed  at  cysteine  (Cadwell  and  Coscoy,  2005),  serine,  and  threonine  residues  (Wang  et  al.,  2007).  The  protein  sequence  of  the  BoHV‐1  UL49.5  cytoplasmic  domain  contains  two  lysine  and  two  serine  residues  that  are  absent  in  the  

   

 

Fig.  6,  the  proline  kink  at  position  48  is  not  required  for  UL49.5‐mediated  MHC  I  downregulation.  Point  mutations  were  introduced  to  replace  Pro48  by  alanine  (P48A)  or  glycine  (P48G).  (A)  Cell  surface  expression  of  MHC I and MHC II was determined via flow cytometry on control (graph 2), UL49.5 wt‐expressing cells (graph 3),  and  cells  expressing  mutant  UL49.5  proteins  (graph  4)  using  the  indicated  antibodies.  Graph  1:  secondary  antibody only. (B) Peptide transport was analyzed in the presence of 10 mM ATP (black bars) or EDTA (white bars). 

Peptide  transport  is  expressed  as  percentage  of  translocation,  relative  to  the  translocation  observed  in  control  cells (set at 100%). (C) Steady state levels of UL49.5, TAP1, and TAP2 in control and UL49.5‐expressing MJS were  determined  by  SDS‐PAGE  and  Western  blotting  (WB)  using  specific  antibodies.  β‐actin  was  used  as  a  loading  control. One representative experiment out of two or three independent experiments is shown. 

(17)

C‐terminal domains of the other TAP‐inhibiting UL49.5 homologs that all fail to target TAP  for  proteasomal  degradation  (Fig.  1  and  7A).  To  investigate  the  role  of  potential  ubiquitination sites of UL49.5 in TAP‐degradation, the lysine and serine residues in the tail  domain were replaced by alanines. We constructed three different mutants of UL49.5, with 

Fig.  7,  TAP  degradation  does  not  depend  on  ubiquitinylation  of  lysine  and  serine  residues  in  the  cytoplasmic  domain  of  UL49.5.  (A)  A  schematic  representation  of  the  BoHV‐1  UL49.5  protein  displaying  the  amino  acid  sequence of the cytoplasmic tail domain. Residues that were mutated throughout this study are shown in bold. 

(B)  The  potential  ubiquitin‐binding  lysine  and  serine  residues  in  the  tail  domain  of  UL49.5  were  substituted  for  alanines. The effect of these mutations on the cell surface expression of MHC I and MHC II was determined on  control (graph 2), and UL49.5‐expressing cells (graph 3) via flow cytometry using the indicated antibodies. Graph  1: secondary antibody only. (C) Steady state levels of UL49.5, TAP1, and TAP2 in control and UL49.5‐expressing  MJS  were  determined  by  SDS‐PAGE  and  Western  blotting  (WB)  using  specific  antibodies.  β‐actin  was  used  as  a  loading control. All experiments were performed in triplicate. 

(18)

(1)  all  lysines  substituted  for  alanines  (UL49.5  KK→AA),  (2)  all  serines  substituted  for  alanines  (UL49.5  SS→AA),  and  (3)  both  the  lysines  and  serines  substituted  for  alanines  (UL49.5 AA/AA).  

It was assessed if the mutations introduced in the tail of UL49.5 would have an effect  on MHC I downregulation. The resulting phenotype was comparable to UL49.5 wt‐induced  downregulation,  indicating  that  the  introduced  point  mutations  did  not  affect  downregulation  (Fig.  7A).  Western  blot  analysis  revealed  comparable  expression  for  UL49.5 and its recombinants (Fig. 7B). TAP1 and TAP2 were degraded in cells expressing  the  UL49.5 wt  and in  cells  expressing  the  mutated UL49.5  constructs.  For  reference,  TAP  expression  was  unaffected  in  UL49.5Δtail‐expressing  cells  (Fig.  7B).  All  together,  the  substitution of lysine and serine residues in UL49.5 C‐terminal tail domain did not result in  impaired  downregulation  of  MHC  I  nor  affected  UL49.5‐mediated  degradation  of  TAP1,  thereby excluding these amino acid residues as acceptor sites for ubiquitin in the context of  TAP degradation.  

The RGRG motif is required for UL49.5‐mediated degradation of TAP 

To  determine  the  tail‐residues  involved  in  BoHV‐1  UL49.5‐induced  TAP  degradation,  an  alanine  scan  was  performed  on  the  cytosolic  domain  of  the  protein,  starting  at  the  C‐terminal  residues  of  UL49.5.  Four  point  mutations  were  introduced  to  construct  five  different mutants: UL49.5 G96A, R95A, G94A, R93A, and AAAA (Fig. 7A), in which all four  residues of the RGRG sequence were replaced by alanines. The proline residue at position  66 was predicted to induce a turn in the cytosolic tail of UL49.5. To investigate if this amino  acid  residue  is  required  for  UL49.5‐induced  TAP  inhibition  and  degradation,  Pro66  was  substituted by an alanine (P87A).  

Cells  expressing  the  above  described  mutants  and  UL49.5  wt  were  analyzed  for  downregulation by examining MHC I cell surface expression. The observed downregulation  of  MHC  I  induced  by  the  UL49.5  mutants  was  largely  comparable  to  that  obtained  in  the  presence of UL49.5 wt (Fig. 8A). UL49.5 wt‐expressing cells displayed a 99% reduction in  MHC I expression compared to control cells (Fig. 8B). The reduction induced by the alanine  mutants  ranged  from  98%  to  95%,  implying  that  the  introduced  point  mutations  hardly  affected UL49.5‐mediated MHC I downregulation. The observed phenotypes were specific,  as  MHC  II expression  was  unaffected  in  all  cells  (Fig.  8A,  lower  panel).  Next, TAP activity  was  assessed  in  cells  expressing  the  alanine  mutants  and  UL49.5  wt.  TAP  function  was  greatly  reduced  by  all  UL49.5  variants,  yet  the  relative  reduction  ranged  from  97%  for  UL49.5 wt to 80% for UL49.5 R93A (Fig. 8C). Western blot analysis of the lysates confirmed  proper expression of all UL49.5 mutants (Fig. 8D). Subsequently, the steady state levels of  TAP were determined. Remarkably, the UL49.5 mutants R95A, R93A, and AAAA largely lost  

(19)

anchor 

 

(20)

the  capacity  to  induce  TAP  degradation,  while  UL49.5  G96A,  G94A  and  P87A  maintained  the ability to degrade TAP1 and TAP2 (Fig. 8D). 

The results described above identify Arg95 and Arg93 as amino acid residues essential  for  UL49.5‐induced  degradation  of  TAP.  To  assess  if  degradation  is  dependent  on  the  charge  of  the  residues  at  position  95  and  93,  Arg95  and  Arg93  were  replaced  by  lysines  (Fig.  7A).  These  substitutions  resulted  in  the  UL49.5  mutants  R95K,  R93K,  and  R93/95K,  with the latter having both Arg95 and Arg93 are replaced by lysines. 

These point mutations did not affect MHC I downregulation, as MHC I levels on R95K,  R93K, and R93/95K‐expressing cells were highly comparable to the UL49.5 wt‐expressing  cells  (Fig.  9A).  MHC  II  was  unaffected  by  the  expression  of  UL49.5,  illustrating  the  specificity of the downregulation (Fig. 9A, lower panel). As shown by Western blotting, all  recombinant  forms  of  UL49.5  were  expressed  (Fig.  9B).  Evaluation  of  TAP1  and  TAP2  steady state levels revealed that UL49.5 R93K and R93/95K lost the capacity to induce TAP  degradation.  In  contrast,  UL49.5  R95K  reduced  the  transporter’s  expression  levels  to  the  same  extent  as  UL49.5  wt  (Fig.  9B).  Next,  TAP  was  immunoprecipitated  from  the  cells  to  assess  if  the  interaction  between  UL49.5  and  TAP  was  affected  by  the  amino  acid  substitutions.  All  UL49.5  recombinants  were  found  to  co‐immunoprecipitate  with  TAP,  indicating that the mutations did not influence the binding of UL49.5 to TAP (Fig. 9C). The  amount of TAP1 and TAP2 detected in cells expressing UL49.5 wt and R95K was strikingly  lower than that of cells expressing UL49.5 R93K and R93/95K (Fig. 9C), confirming that the  latter  two  mutants  have  lost  their  capacity  to  mediate  the  degradation  of  TAP.  These  results indicate that a charged amino acid residue (Arg or Lys) at position 95 of UL49.5 is  sufficient for TAP degradation. However, the arginine residue at position 93 of the protein  appears to be critical.  

 

Fig.  8  (opposite),  Arg95  and  Arg93  are  indispensible  for  UL49.5‐induced  degradation  of  TAP.  The  C‐terminal  RGRG  residues  were  both  individually  and  collectively  replaced  by  alanine  residues.  In  addition,  Pro87  was  substituted  for  an  alanine.  (A)  Surface  expression  of  MHC  I  and  MHC  II  was  determined  on  untransduced  cells  (graph 2), on UL49.5 wt‐expressing cells (graph 3) and on cells expressing the UL49.5 recombinants (graph 4) via  flow cytometry using the indicated antibodies. Graph 1: secondary antibody only. (B) Depicted in this graph: the  percentage of MHC I expression on UL49.5‐expressing cells relative to the expression of MHC I on control cells (set  at  100%).  (C) Peptide  transport  was  analyzed  in  the  presence  of  10  mM  ATP  (black bars)  or  EDTA (white  bars). 

Peptide  transport  is  expressed  as  percentage  of  translocation,  relative  to  the  translocation  observed  in  control  cells (set at 100%). (D) Steady state levels of UL49.5, TAP1 and TAP2 in control and UL49.5‐expressing MJS were  determined  by  SDS‐PAGE  and  Western  blotting  (WB)  using  specific  antibodies.  β‐actin  was  used  as  a  loading  control.  *The  upper  band  is  due  to  non‐specific  staining  of  the  antibody.  All  experiments  were  performed  in  triplicate. 

(21)

anchor 

 

Fig.  9,  Arg93  and  a  positive  charge  at  residue  95  of  UL49.5  are  required  for  TAP  degradation.  By  substituting  Arg93 and Arg95 for lysines, the positive charge at these positions was maintained. (A) Surface expression of MHC  I and MHC II on untransduced cells (graph 2), on UL49.5 wt‐expressing cells (graph 3) and on cells expressing the  UL49.5  mutants  (graph  4)  was  assessed  through  flow  cytometry  using  the  indicated  antibodies.  Graph  1: 

secondary antibody only. (B) Steady state levels of UL49.5, TAP1, and TAP2 in control and UL49.5‐expressing MJS  were determined by SDS‐PAGE and Western blotting (WB) using specific antibodies. β‐actin was used as a loading  control.  (C)  To  visualize  the  interaction  between  TAP  and  the  UL49.5  proteins,  TAP  complexes  were  immunoprecipitated (IP) from the cells and the resulting complexes were stained for TAP1, TAP2 and UL49.5. All  experiments were done in triplicate. 

(22)

Discussion 

BoHV‐1 UL49.5 is a member of the family of varicellovirus‐encoded TAP inhibitors. So far,  other  TAP‐inhibiting  UL49.5  proteins  have  been  found  in  PRV,  EHV‐1  and  EHV‐4  UL49.5. 

These  proteins  efficiently  block  peptide  transport  through  TAP,  thereby  preventing  the  MHC I‐mediated presentation of viral peptides and subsequent elimination by specific CTL  (Koppers‐Lalic et al., 2008). In this study, we constructed multiple UL49.5 recombinants to  reveal the contribution of the different domains of the protein and of specific amino acids  to UL49.5‐induced immune evasion.  

UL49.5  inhibits  TAP  by  introducing  structural  changes  that  interfere  with  conformational  rearrangements  required  for  peptide  transport  and  translocation  (Koppers‐Lalic et al., 2005; Koppers‐Lalic et al., 2008). To assess the contribution of the ER‐

luminal domain of BoHV‐1 UL49.5 to TAP inhibition, chimeric proteins of BoHV‐1 and VZV  UL49.5  were  constructed.  The  latter  protein  binds  to  TAP  without  affecting  its  function. 

The chimera consisting of the ER‐luminal domain of BoHV‐1 UL49.5 and the TM domain of  VZV  UL49.5  was  found  to  block  TAP  and  downregulate  MHC  I.  Fusing  the  N‐terminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  to  the  TM  domain  of  TLR2  partially  preserved  the  observed  phenotype.  A  chimeric  protein  comprising  the  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  and  the TM domain of CD3δ was non‐functional. The latter protein could only be detected after  treatment with a proteasome inhibitor. In contrast, detectable steady state levels of BHVER‐ TLR2TM  were  found  in  untreated  cells.  The  lower  expression  levels  and  the  decreased  stability  of  the  BHVER‐CD3TM  protein  might  be  accountable  for  the  lack  of  TAP  inhibition. 

The  ER‐luminal  domain  of  BoHV‐1  UL49.5  expressed  as  a  soluble  protein  appeared  unstable. Taken together, these data indicate that the ER‐luminal domain of BoHV‐1 UL49.5  contributes essentially to TAP inhibition, provided the presence of a TM domain to retain  the  membrane  integration  and  stability  of  the  protein.  An  interaction  between  BHVER‐ TLR2TM  and  TAP  could  not  be  detected,  while  in  the  same  experiment  UL49.5Δtail  was  demonstrated to bind TAP. Both proteins were expressed at comparable levels. Apparently,  BHVER‐TLR2TM interacts weakly with TAP. BHVER‐VZVTM did interact with TAP and induced  a  stronger  phenotype  than  BHVER‐TLR2TM.  These  findings  suggest  that  the  chimeric  proteins have to interact with sufficient affinity to efficiently inhibit TAP; this interaction is  mediated by the joint action of the ER‐luminal and TM domains of UL49.5. 

A  chimeric  construct  of  BoHV‐1  UL49.5  and  CD3δ  was  also  used  to  analyze  the  contribution  of  the  C‐terminal  tail  domain  to  TAP  inhibition  in  the  absence  of  the  ER‐

luminal domain. The ER‐luminal of region CD3δ fused to the TM and tail domain of UL49.5  was  properly  expressed  in  MJS,  but  did  not  result  in  either  MHC  I  downregulation  or  degradation of TAP. This is in line with a previous study where the ER‐luminal domain of  BoHV‐1 UL49.5 was demonstrated to be required for TAP degradation (Loch et al., 2008). 

Attempts  to  show  binding  of  CD3 BHV   to  TAP  were  unsuccessful.  In  the  study 

(23)

mentioned above, an N‐terminally truncated BoHV‐1 UL49.5, deficient of the first 25 amino  acids  following  the  signal  sequence,  was  demonstrated  to  interact  with  TAP  (Loch  et  al.,  2008).  However,  CD3ER‐BHVTM+tail  lacks  the  entire  N‐terminal  domain.  The  absence  of  the  remaining 11 N‐terminal residues within the latter construct might be accountable for the  observed  lack  of  interaction.  This  suggests  that  the  amino  acid  residues  47  to  57  of  the  N‐terminal  domain  of  UL49.5  contribute  essentially  to  the  interaction  between  BoHV‐1  UL49.5  and  TAP.  Combined  with  the  interaction  studies  with  BHVER‐TLR2TM,  these  data  suggest that BoHV‐1 UL49.5 binding to TAP is mediated by the last 11 amino acids of the  ER‐luminal and a yet unidentified region within the TM domain of the protein. 

The TAP‐inhibiting UL49.5 proteins all code for a proline residue at position 48 that is  not found in the sequence of non‐inhibiting homologs (Fig. 1). Proline residues can allow  the  Cα‐chain  to  make  a  sharp  turn  in  the  cis‐conformation.  The  predicted  3D  structure  of  BoHV‐1 UL49.5 (Fig. 10) reveals two prominent turns: a bend in ER‐luminal domain that is  facilitated  by  Pro48  and  a  C‐terminal  bend  facilitated  by  Pro87.  These  residues  might  be  important  for  the  specific  folding  of  BoHV‐1  UL49.5  and  the  interaction  between  UL49.5  and  TAP  and,  consequently,  the  inhibition  of  peptide  transport.  Nevertheless,  the  substitution  of  Pro48  by  either  an  alanine  or  a  glycine  did  not  abrogate  TAP  inhibition,  implicating  that  the  structure  facilitated  by  Pro48  is  not  required  for  BoHV‐1  UL49.5  function.  Similarly,  the  turn  facilitated  by  Pro87  is  dispensable  for  BoHV‐1  UL49.5‐

mediated TAP inhibition. 

BoHV‐1  UL49.5  facilitates  TAP  degradation  via  its  C‐terminal  tail  domain  (Koppers‐

Lalic et al., 2005). This strategy has not been found for other members of the UL49.5 TAP  inhibitor  family  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2008).  Therefore,  degradation  of  TAP  must  be  mediated by a tail‐resident motif that is unique for BoHV‐1 UL49.5. Here, we show that the  two lysine and two serine residues, which all are potential ubiquitin‐anchor residues, are  not required for TAP degradation. 

An alanine scan of the C‐terminal RGRG sequence of BoHV‐1 UL49.5 revealed that the  arginine  residues  at  position  93  and  95  are  involved  in  BoHV‐1  UL49.5‐induced  degradation  of  TAP.  Furthermore,  the  replacement  of  Arg95  by  a  lysine  instead  of  an  alanine  maintained  TAP  degradation  by  BoHV‐1  UL49.5.  In  contrast,  the  substitution  of  Arg93 by a lysine abrogated the phenotype. Concluding, UL49.5‐initiated TAP degradation  requires Arg93 and Arg95, but the latter residues can be replaced by a positively charged  residue.  

UL49.5Δtail lacks the capacity to degrade TAP, which is accompanied by reduced TAP  inhibition  that  results  in  a  less  efficient  downregulation  of  MHC  I  cell  surface  expression  (Koppers‐Lalic  et  al.,  2005  and  this  manuscript).  Unexpectedly,  the  reduction  of  MHC  I  expression  and  TAP  function  induced  by  UL49.5  R93A  and  R95A  closely  resembles  the  degree of UL49.5 wt‐mediated inhibition, despite the fact that these mutants fail to degrade 

(24)

TAP.  This  result  was  confirmed  by  the  UL49.5  R93K  mutant.  These  two  independent  observations  suggest  that  degradation  of  TAP  is  not  necessary  for UL49.5‐induced  MHC  I  downregulation  and  indicate  that  the  cytoplasmic  domain  of  UL49.5  must  harbour  a  hitherto  unidentified  motif  that  contributes  to  MHC  I  downregulation.  The  experiments  described here exclude a role for Pro87 and the RGRG domain in this effect. 

The  C‐terminal  two  arginines  required  for  the  degradation  of  TAP  might  serve  as  a  docking  motif  for  an  E3  ligase.  In  this  way,  BoHV‐1  UL49.5  could  facilitate  the  ubiquitinylation of TAP and, subsequently, proteasomal degradation of TAP. Alternatively,  the  RGRG  domain  might  attract  other  components  of  the  ER‐associated  protein  degradation  (ERAD)  machinery  that  mediates  the  retrograde  transport  and  subsequent  degradation of TAP. 

The  results  described  here  demonstrate  that  UL49.5‐mediated  TAP  inhibition  is  accomplished  by  motifs  within  the  N‐,  TM  and  C‐terminal  domains  of  the  protein,  as  summarized  in  Fig.  10.  TAP  inhibition,  and  consequently  MHC  I  downregulation,  induced  by the ER‐luminal domain essentially depend on an efficient interaction with TAP. This is  facilitated by residues 47 to 57 and a motif within the TM domain. The TM domain not only  anchors  UL49.5  in  the  ER  membrane,  but  also  contributes  to  its  stability.  Inhibition  and  degradation of TAP by the C‐terminal domain of BoHV‐1 UL49.5 requires the presence of  the  ER‐luminal  domain  of  the  protein.  The  two  C‐terminal  arginine  residues  of  the  tail  domain  are  essential  for  TAP  degradation  by  UL49.5.  Analysis  of  downregulation  by 

 

Fig. 10, the predicted 3D structure of BoHV‐1 UL49.5. Predicted tertiary structure of UL49.5 (ribbon) inserted in a  lipid  bilayer  (sticks)  as  determined  using  the  I‐TASSER  server.  The  different  domains  of  the  UL49.5  protein  together with their proposed function are indicated. The proline residues 48 and 87 are shown in ball‐and‐stick in  light gray, the arginine residues 93 and 95 are shown in ball‐and‐stick in dark gray. 

(25)

recombinant  forms  of  UL49.5  revealed  that  degradation  of  TAP  does  not  contribute  additionally  to  MHC  I  downregulation.  Apparently,  UL49.5  affects  MHC  I  expression  by  inhibiting TAP through an additional sequence motif located in the cytoplasmic domain of  the protein.  

Acknowledgements 

We thank Sjoerd van den Worm for the construction of mutant UL49.5 P27A and P27G and  assisting  with  cloning,  Aleksandra  Kwasnik  and  Marta  Matlacz  for  helpful  technical  assistance,  and  Guido  de  Roo  and  Menno  van  der  Hoorn  at  the  Flowcytometry  Research  Unit (LUMC) for their technical support. 

(26)

Reference List 

Ahn,K.,  Gruhler,A.,  Galocha,B.,  Jones,T.R.,  Wiertz,E.J.,  Ploegh,H.L.,  Peterson,P.A.,  Yang,Y.,  Fruh,K.,  1997. The ER‐luminal domain of the HCMV glycoprotein US6 inhibits peptide translocation by TAP. 

Immunity 6, 613‐621. 

Ahn,K., Meyer,T.H., Uebel,S., Sempe,P., Djaballah,H., Yang,Y., Peterson,P.A., Fruh,K., Tampe,R., 1996. 

Molecular  mechanism  and  species  specificity  of  TAP  inhibition  by  herpes  simplex  virus  ICP47. 

EMBO J. 15, 3247‐3255. 

Aisenbrey,C.,  Sizun,C.,  Koch,J.,  Herget,M.,  Abele,R.,  Bechinger,B.,  Tampe,R.,  2006.  Structure  and  dynamics  of  membrane‐associated  ICP47,  a  viral  inhibitor  of  the  MHC  I  antigen‐processing  machinery. J. Biol. Chem. 281, 30365‐30372. 

Cadwell,K.,  Coscoy,L.,  2005.  Ubiquitination  on  nonlysine  residues  by  a  viral  E3  ubiquitin  ligase. 

Science 309, 127‐130. 

Cresswell,P., Ackerman,A.L., Giodini,A., Peaper,D.R., Wearsch,P.A., 2005. Mechanisms of MHC class I‐

restricted antigen processing and cross‐presentation. Immunol. Rev. 207, 145‐157. 

Davison,A.J.,  Eberle,R.,  Ehlers,B.,  Hayward,G.S.,  McGeoch,D.J.,  Minson,A.C.,  Pellett,P.E.,  Roizman,B.,  Studdert,M.J., Thiry,E., 2009. The order Herpesvirales. Arch. Virol. 154, 171‐177. 

Fruh,K.,  Ahn,K.,  Djaballah,H.,  Sempe,P.,  van  Endert,P.M.,  Tampe,R.,  Peterson,P.A.,  Yang,Y.,  1995.  A  viral inhibitor of peptide transporters for antigen presentation. Nature 375, 415‐418. 

Griffin,B.D.,  Verweij,M.C.,  Wiertz,E.J.,  2010.  Herpesviruses  and  immunity:  The  art  of  evasion.  Vet. 

Microbiol. 

Halenius,A., Momburg,F., Reinhard,H., Bauer,D., Lobigs,M., Hengel,H., 2006. Physical and functional  interactions of the cytomegalovirus US6 glycoprotein with the transporter associated with antigen  processing. J. Biol. Chem. 281, 5383‐5390. 

Hansen,T.H.,  Bouvier,M.,  2009.  MHC  class  I  antigen  presentation:  learning  from  viral  evasion  strategies. Nat. Rev. Immunol. 9, 503‐513. 

Hengel,H.,  Koopmann,J.O.,  Flohr,T.,  Muranyi,W.,  Goulmy,E.,  Hammerling,G.J.,  Koszinowski,U.H.,  Momburg,F.,  1997.  A  viral  ER‐resident  glycoprotein  inactivates  the  MHC‐encoded  peptide  transporter. Immunity 6, 623‐632. 

Hewitt,E.W.,  Gupta,S.S.,  Lehner,P.J.,  2001.  The  human  cytomegalovirus  gene  product  US6  inhibits  ATP binding by TAP. EMBO J. 20, 387‐396. 

Hill,A., Jugovic,P., York,I., Russ,G., Bennink,J., Yewdell,J., Ploegh,H., Johnson,D., 1995. Herpes simplex  virus turns off the TAP to evade host immunity. Nature 375, 411‐415. 

Hislop,A.D.,  Ressing,M.E.,  van  Leeuwen,D.,  Pudney,V.A.,  Horst,D.,  Koppers‐Lalic,D.,  Croft,N.P.,  Neefjes,J.J.,  Rickinson,A.B.,  Wiertz,E.J.,  2007.  A  CD8+  T  cell  immune  evasion  protein  specific  to  Epstein‐Barr virus and its close relatives in Old World primates. J. Exp. Med. 204, 1863‐1873. 

Horst,D.,  van  Leeuwen,D.,  Croft,N.P.,  Garstka,M.A.,  Hislop,A.D.,  Kremmer,E.,  Rickinson,A.B.,  Wiertz,E.J.,  Ressing,M.E.,  2009.  Specific  targeting  of  the  EBV  lytic  phase  protein  BNLF2a  to  the  transporter  associated  with  antigen  processing  results  in  impairment  of  HLA  class  I‐restricted  antigen presentation. J. Immunol. 182, 2313‐2324. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

To determine whether the downregulation of HLA class I cell surface expression resulted in a decrement of functional recognition by mHag-specific CTLs, the transduced Modo EBV-LCLs

Uit de hierboven vermelde resultaten blijkt dat het BHV-1 UL49.5 en de andere door varicellovirussen gecodeerde homologen krachtige immuun-onderdrukkende agentia vertegenwoordigen

high school (Medical School Center, Sarajevo) education in 1988, that same year Danijela enrolled as a student at the Faculty of Natural Sciences and Mathematics (University of

Diversity of mechanisms employed by UL49.5 homologs (encoded by BHV-1, PRV and EHV-1) to block human TAP may not be that diverse if studies could be performed using natural

License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of

Interestingly, different herpesviruses have been found to code for TAP inhibitors that 

Therefore,  the  two  subunits  were  expressed  as  a  fusion  protein  (Leonhardt  et  al.,  2005)  (depicted  in  Fig.  6A).  The  N‐terminus  of  TAP1  was 

In  summary,  inhibition  of  antigen  processing  via  MHC  I  is  altered  by  deletion  of  the  C‐terminus  as  well  as  by  deletion  of  the