The murine helminth parasite Heligmosomoides polygyrus expresses a family of modular proteins which, replicating the functional activity of the immunomodulatory cytokine TGF-beta, have been named TGM (TGF-beta beta Mimic). Multiple domains bind to different receptors, including TGF-beta receptors TbetaRI (ALK5) and TbetaRII through domains 1-3, and prototypic family member TGM1 binds the cell surface co-receptor CD44 through domains 4-5. This allows TGM1 to induce T lymphocyte Foxp3 expression, characteristic of regulatory (Treg) cells, and to activate a range of TGF-beta-responsive cell types. In contrast, a related protein, TGM4, targets a much more restricted cell repertoire, primarily acting on myeloid cells, with less potent effects on T cells and lacking activity on other TGF-beta-responsive cell types. TGM4 binds avidly to myeloid cells by flow cytometry, and can outcompete TGM1 for cell binding. Analysis of receptor binding in comparison to TGM1 reveals a 10-fold higher affinity than TGM1 for TGFbetaR-I (TbetaRI), but a 100-fold lower affinity for TbetaRII through Domain 3. Consequently, TGM4 is more dependent on co-receptor binding; in addition to CD44, TGM4 also engages CD49d (Itga4) through Domains 1-3, as well as CD206 and Neuropilin-1 through Domains 4 and 5. TGM4 was found to effectively modulate macrophage populations, inhibiting lipopolysaccharide-driven inflammatory cytokine production and boosting interleukin (IL)-4-stimulated responses such as Arginase-1 in vitro and in vivo. These results reveal that the modular nature of TGMs has allowed the fine tuning of the binding affinities of the TbetaR- and co-receptor binding domains to establish cell specificity for TGFbeta-signalling in a manner that cannot be attained by the mammalian cytokine.

ABSTRACT The murine helminth parasite Heligmosomoides polygyrus expresses a family of proteins structurally related to TGF-β Mimic 1 (TGM1), a secreted five domain protein that activates the TGF-β pathway and converts naïve T lymphocytes to immunosuppressive Tregs. TGM1 signals through the TGF-β type I and type II receptors, TβRI and TβRII, with domains 1-2 and 3 binding TβRI and TβRII, respectively, and domains 4-5 binding CD44, a co-receptor abundant on T cells. TGM6 is a homologue of TGM1 that is co-expressed with TGM1, but lacks domains 1 and 2. Herein, we show that TGM6 binds TβRII through domain 3, but does not bind TβRI, or other type I or type II receptors of the TGF-β family. In TGF-β reporter assays in fibroblasts, TGM6, but not truncated TGM6 lacking domains 4 and 5, potently inhibits TGF-β- and TGM1-induced signaling, consistent with its ability to bind TβRII but not TβRI or other receptors of the TGF-β family. However, TGM6 does not bind CD44 and is unable to inhibit TGF-β and TGM1 signaling in T cells. To understand how TGM6 binds TβRII, the X-ray crystal structure of the TGM6 domain 3 bound to TβRII was determined at 1.4 Å. This showed that TGM6 domain 3 binds TβRII through an interface remarkably similar to the TGF-β:TβRII interface. These results suggest that TGM6 has adapted its domain structure and sequence to mimic TGF-β binding to TβRII and function as a potent TGF-β and TGM1 antagonist in fibroblasts. The coexpression of TGM6, along with the immunosuppressive TGMs that activate the TGF-β pathway, may prevent tissue damage caused by the parasite as it progresses through its life cycle from the intestinal lumen to submucosal tissues and back again.