ABSTRACT T-cells detect with their T-cell antigen receptors (TCRs) the presence of rare peptide/MHC complexes (pMHCs) on the surface of antigen presenting cells (APCs). How they convert a biochemical interaction into a signaling response is poorly understood, yet indirect evidence pointed to the spatial antigen arrangement on the APC surface as a critical factor. To examine this, we engineered a biomimetic interface based on laterally mobile functionalized DNA origami platforms, which allow for nanoscale control over ligand distances without interfering with the cell-intrinsic dynamics of receptor clustering. We found that the minimum signaling unit required for efficient T-cell activation consisted of two ligated TCRs within a distance of 20 nanometers, if TCRs were stably engaged by monovalent antibody fragments. In contrast, antigenic pMHCs stimulated T-cells robustly as well-isolated entities. These results identify the minimal requirements for effective TCR-triggering and validate the exceptional stimulatory potency of transiently engaging pMHCs.

Abstract IgG molecules are essential players in the human immune response against bacterial infections. An important effector of IgG-dependent immunity is the induction of complement activation, a reaction that triggers a variety of responses that help to kill bacteria. Antibody-dependent complement activation is promoted by the organization of target-bound IgGs into hexamers that are held together via noncovalent Fc-Fc interactions. Here we show that Staphylococcal protein A (SpA), an important virulence factor and vaccine candidate of Staphylococcus aureus , effectively blocks IgG hexamerization and subsequent complement activation. Using native mass spectrometry and high-speed atomic force microscopy, we demonstrate that SpA blocks IgG hexamerization through competitive binding to the Fc-Fc interaction interface on IgG monomers. In concordance, we show that SpA interferes with the formation of (IgG) 6 :C1q complexes and prevents downstream complement activation on the surface of S. aureus. Lastly, we demonstrate that IgG3 antibodies against S. aureus can potently induce complement activation even in the presence of SpA. Altogether, this study identifies SpA as an immune evasion protein that specifically blocks IgG hexamerization.

Abstract Complement is an important effector mechanism for antibody-mediated clearance of infections and tumor cells. Upon binding to target cells, the antibody’s constant (Fc) domain recruits complement component C1 to initiate a proteolytic cascade that generates lytic pores and stimulates phagocytosis. The C1 complex (C1qr 2 s 2 ) consists of the large recognition protein C1q and a heterotetramer of proteases C1r and C1s (C1r 2 s 2 ). While interactions between C1 and IgG-Fc’s are believed to be mediated by the globular heads of C1q, we here find that C1r 2 s 2 proteases affect the capacity of C1q to form an avid complex with surface-bound IgG molecules (on various DNP-coated surfaces and pathogenic Staphylococcus aureus ). The extent to which C1r 2 s 2 contribute to C1q-IgG stability strongly differs between human IgG subclasses. Using antibody engineering of monoclonal IgG we reveal that hexamer-enhancing mutations improve C1q-IgG stability, both in absence and presence of C1r 2 s 2 . In addition, hexamer-enhanced IgGs targeting S. aureus mediate improved complement-dependent phagocytosis by human neutrophils. Altogether, these molecular insights into complement binding to surface-bound IgGs could be important for optimal design of antibody therapies.

Abstract At the plasma membrane of mammalian cells, major histocompatibility complex class I molecules (MHC-I) present antigenic peptides to cytotoxic T cells. Following the loss of the peptide and the light chain beta-2 microglobulin (β 2 m), the resulting free heavy chains (FHCs) can associate into homotypic complexes in the plasma membrane. Here, we investigate the stoichiometry and dynamics of MHC-I FHCs assemblies by combining a micropattern assay with fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and with single molecule co-tracking. We identify non-covalent MHC-I FHC dimers mediated by the α 3 domain as the prevalent species at the plasma membrane, leading a moderate decrease in the diffusion coefficient. MHC-I FHC dimers show increased tendency to cluster into higher order oligomers as concluded from an increased immobile fraction with higher single molecule co-localization. In vitro studies with isolated proteins in conjunction with molecular docking and dynamics simulations suggest that in the complexes, the α 3 domain of one FHC binds to another FHC in a manner similar to the β 2 m light chain. Significance Statement MHC class I molecules are cell surface transmembrane proteins with key functions in adaptive immunity against viral infections. The spatiotemporal organization of fully assembled MHC I at the cell surface and its function with respect to trans-interactions with T and NK cells has been studied in detail. By contrast, the consequences of peptide and β 2 m dissociation yielding to formation of free heavy chains (FHC) have remained unclear. We have discovered that class I free heavy chains form distinct non-covalent dimers at the cell surface rather than non-specific clustering, and we have identified a dimerization interface mediated by the α 3 domain. We propose that these non-covalent dimers are the basis of distinct signaling and endocytic sorting of MHC I FHC. This is to be explored in further work.

Abstract Interest in mesenchymal stem cell derived extracellular vesicles (MSC-EVs) as therapeutic agents has dramatically increased over the last decade. Preclinical studies show that MSC-EVs have anti-apoptotic and neuroprotective effects, boost wound healing, and improve the integration of allogeneic grafts through immunomodulation. Current approaches to the characterization and quality control of EV-based therapeutics include particle tracking techniques, Western blotting, and advanced cytometry, but standardized methods are lacking. In this study, we established and verified quartz crystal microbalance (QCM) as highly sensitive label-free immunosensing technique for characterizing clinically approved umbilical cord MSC-EVs enriched by tangential flow filtration and ultracentrifugation. Using QCM in conjunction with common characterization methods, we were able to specifically detect EVs via EV (CD9, CD63, CD81) and MSC (CD44, CD49e, CD73) markers and gauge their prevalence. Additionally, we characterized the topography and elasticity of these EVs by atomic force microscopy (AFM), enabling us to distinguish between EVs and non-vesicular particles (NVPs) in a therapeutic formulation. This measurement modality makes it possible to identify EV sub-fractions, discriminate between EVs and NVPs, and to characterize EV surface proteins, all with minimal sample preparation and using label-free measurement devices with low barriers of entry for labs looking to widen their spectrum of characterization techniques. Our combination of QCM with impedance measurement (QCM-I) and AFM measurements provides a robust multi-marker approach to the characterization of clinically approved EV formulations and opens the door to improved quality control.

Translocation of many secretory proteins through the bacterial plasma membrane is facilitated by a complex of the SecYEG channel with the motor protein SecA. The ATP-free complex is unstable in detergent, raising the question how SecA may perform several rounds of ATP hydrolysis without being released from the membrane embedded SecYEG. Here we show that dual recognition of (i) SecYEG and (ii) vicinal acidic lipids confers an apparent nanomolar affinity. High-speed atomic force microscopy visualizes the complexes between monomeric SecA and SecYEG as being stable for tens of seconds. These long-lasting events and complementary shorter ones both give rise to single ion channel openings of equal duration. Furthermore, luminescence resonance energy transfer reveals two conformations of the SecYEG-SecA complex that differ in the protrusion depth of SecA’s two-helix finger into SecYEG’s aqueous channel. Such movement of the finger is in line with the power stroke mechanism of protein translocation.

Abstract Complement activation through antibody-antigen complexes is crucial in various pathophysiological processes such as infections, inflammation, and autoimmunity, but is also utilized in immunotherapies to eliminate infectious agents, regulatory immune cells, or cancer cells. Although the tertiary structures of the four IgG antibody subclasses are largely identical, complement recruitment and further activation depend strongly on subclass, which is commonly explained by the respective affinity for C1, the first component of the classical complement pathway. Contradicting this established view, we here demonstrate that complement activation by different IgG subclasses is determined by their varying ability to form IgG oligomers on antigenic surfaces large enough to multivalently bind and activate C1. We directly visualize the resulting IgG oligomer structures and characterize their distribution by means of high-speed atomic force microscopy (HS-AFM), quantify their complement recruitment efficiency from quartz crystal microbalance (QCM) experiments, and characterize their ability to activate complement on tumor cell lines as well as in vesicle-based complement lysis assays. We present a mechanistic model of the multivalent interactions that govern C1 binding to IgG oligomers and use this model to extract affinities and kinetic rate constants from real-time interaction QCM data. Together, our detailed characterization yields a comprehensive view on the parameters that govern complement activation by the different IgG subclasses, which may inform the design of future antibody therapies.