Structure-function analysis of AID reveals intramolecular catalytic inhibition and a novel functional domain required for targeting to chromatin

• Main Author: Eranki, Anil
• Other Authors: Javier Di Noia (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Health Sciences - Immunology
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=114341

The B-cell specific enzyme Activation-induced deaminase (AID) is responsible for the diversification of rearranged antibody genes in activated B cells during humoral immune responses. AID deaminates dC to dU at the Immunoglobulin (Ig) loci and the uracil thereby introduced is processed in an error-prone fashion by specific DNA repair enzymes leading to somatic hypermutation (SHM), which underpins the affinity maturation of the antibody response, and to the DNA breaks necessary for class-switch recombination (CSR), which changes the isotype class of the antibody from IgM to IgG, IgA or IgE. Structure-function analysis of the AID protein was undertaken to better refine the 3-dimensional model of the protein previously published (Patenaude et al., 2009) which was based on a similar protein APOBEC2 whose structure has been previously elucidated (Prochnow et al., 2007). However, the C-terminal domain of AID (residues 182-198) is unique to AID and its structural details are lacking. This region is further interesting because the C-terminal domain, encoded by exon 5 of Aicda gene, has been shown to be essential for several of its biological functions: CSR, cytoplasmic retention, and nucleo-cytoplasmic shuttling. To better understand this region, and to define and identify potential functional domains, structure-function analysis was undertaken by creating truncations and point mutants and systematically assessing them for catalytic, SHM, and CSR activities. From such studies, it was identified that alpha-helix 6 (α6) is structurally important for AID catalytic activity while the C-terminal domain is not just dispensable for catalytic activity, but mutants lacking a portion of or all of the C-terminal domain are hyperactive for both catalytic activity and somatic hypermutation. We speculated that the hyperactivity of these mutants could account for the apparent dominant negative effect observed in a subset of patients with Hyper IgM type II (HIGM-II) syndrome, an immunodeficiency characterized by a normal or elevated SHM and lack or reduced switched isotypes in serum. While most loss of function mutations in AID are transmitted as autosomal recessive traits resulting in AID deficiency, in a subset of patients suffering from HIGM-II, Aicda mutations are inherited in an autosomal dominant (AD) manner. While the heterozygous carriers of the recessive alleles are asymptomatic, AD patients, who express one normal protein of AID along with a C-terminally truncated protein, show a similar HIGM-II immunodeficiency to AID-deficient patients and AID-null mice. This would suggest that the truncated AID protein has a dominant negative effect on the full-length protein. Two non-mutually exclusive possible explanations for this effect have been proposed: the truncated protein could form oligomers with full-length AID protein and render them non-functional, or the truncated protein could compete with the full-length protein for cellular factors involved in nucleo-cytoplasmic shuttling and/or other factors. We have investigated these possibilities and propose the alternative explanation that the hyperactivity of the truncated proteins leads to increased off-target mutations, DNA double-strand breaks, clonal expansion defects, and presumably p53-dependant apoptosis in primary B-lymphocytes. Our results correlate well with the clinical symptoms presented by AD patients: B cells with normal SHM and absence of the lymphadenopathies characteristic of AID-deficient patients. Furthermore, we identify a novel domain in alpha-helix 6 containing positively charged arginines that seem to be necessary for the enzyme's biological function, by mediating the interaction with a DNA targeting factor. === L'enzyme Activation-Induced Deaminase (AID), qui se trouve uniquement dans des lymphocytes B, est responsable pour la diversification des gènes d'anticorps réarrangés dans les cellules B actives au cours de la réponse immunitaire humorale. AID est responsible pour la déamination des dC à dU dans les gènes d'immunoglobulines (Ig). L'uracile ainsi introduit est traitée d'une manière erreurs par des enzymes de réparation conduisant l'hypermutation somatique (SH), promouvant la maturation de l'affinité de la réponse immunitaire, et des l'ADN brisées nécessaire pour la commutation isotypique (CS), qui change la classe isotype de l'anticorps d'IgM à IgG, IgA ou IgE. Analyse structure-fonction de la molécule AID a été réalisée afin d' améliorer la modèle en 3-D de la protéine, précédemment publiée (Patenaude et al., 2009). Cependant, le domaine C-terminale de l'AID (les résidus 182-198) est unique à l'AID, mais ses détails structurels font absents. Cette région est plus intéressant parce que le domaine C-terminale, codée par le cinquième l'exon du gène AICDA, a été révélée essentielle pour plusieurs de ses fonctions biologiques: CS, la rétention cytoplasmique, et pour le transport nucléo-cytoplasmique. Afin de mieux comprendre cette région et à définir et à identifier des nouveaux domaines fonctionnels, un rapport structure-fonction a été réalisée par la création de troncatures et des mutants ponctuels et les évaluer systématiquement pour les activités catalytiques, SH, et CS. De ces études, on a constaté que l'hélice alpha 6 (α6) est structurellement importante pour l'activité catalytique d'AID alors que le domaine C-terminale n'est pas seulement superflu pour l'activité catalytique, mais des mutants manquant une partie ou de la totalité du domaine C-terminale sont hyperactifs pour l'activité catalytique et hypermutation somatique. Nous avons supposé que l'hyperactivité de ces mutants pourrait expliquer l'effet apparent dominante négative observée dans un sous-ensemble de patients avec syndrome d'Hyper-IgM de type II (HIGM-II), une immunodéficience caractérisée par l'hypermutation somatique normale ou élevée et l'absence ou réduit d'anticorps de types IgG, IgA, et IgE. Alors que la plupart des mutations affectant le gène de la protéine AID sont transmises comme récessive autosomique résultant de carences de la protéine AID, dans un sous-ensemble de patients souffrant de HIGM-II, les mutations sont héritées dans une manière autosomique dominante (AD). Alors que des porteurs hétérozygotes des mutations récessifs sont asymptomatiques, les patients qui héritent des mutations dans une manière autosomique dominante expriment une protéine normale AID avec une protéine tronquée de côté C-terminale souffrent un déficit immunitaire. Cela suggère que la protéine AID tronquée a un effet dominante négative sur la protéine normale. Deux explications possibles ont été proposées: la protéine tronquée pourrait former des oligomères avec protéine AID normale et les rendre non-fonctionnelles, soit la protéine tronquée pouvait rivaliser avec la protéine normale pour des facteurs cellulaires impliqués dans le transport nucléo-cytoplasmique ou pour des autres facteurs. Nous avons étudié ces possibilités et on propose que l'hyperactivité des protéines tronquées conduit à une augmentation des mutations dans les gènes d'immunoglobulines, résultant en les défauts expansion clonale à cause d'apoptose dépendante sur p53 dans les lymphocytes B primaires. Nos résultats sont bien corrélés avec les symptômes cliniques présentés par les patients atteints de HIGM-II: les cellules B avec SHM normale et l'absence contrairement à les patients atteints du syndrome HIGM récessif autosomique avec d'adénopathies lymphocytiques. Nous aussi identifions une domaine nouvelle en hélice alpha 6 contenant arginines chargés positives qui semblent être nécessaires pour la fonction biologique de l'enzyme.