Differentiation associated regulation of microRNA expression in vivo in human CD8+ T cell subsets.

BACKGROUND: The differentiation of CD8+ T lymphocytes following priming of naïve cells is central in the establishment of the adaptive immune response. Yet, the molecular events underlying this process are not fully understood. MicroRNAs have been recently shown to play a key role in the regulation of haematopoiesis in mouse, but their implication in peripheral lymphocyte differentiation in humans remains largely unknown. METHODS: In order to explore the potential implication of microRNAs in CD8+ T cell differentiation in humans, microRNA expression profiles were analysed using microarrays and quantitative PCR in several human CD8+ T cell subsets defining the major steps of the T cell differentiation pathway. RESULTS: We found expression of a limited set of microRNAs, including the miR-17~92 cluster. Moreover, we reveal the existence of differentiation-associated regulation of specific microRNAs. When compared to naive cells, miR-21 and miR-155 were indeed found upregulated upon differentiation to effector cells, while expression of the miR-17~92 cluster tended to concomitantly decrease. CONCLUSIONS: This study establishes for the first time in a large panel of individuals the existence of differentiation associated regulation of microRNA expression in human CD8+ T lymphocytes in vivo, which is likely to impact on specific cellular functions.

Cooperation of human tumor-reactive CD4+ and CD8+ T cells after redirection of their specificity by a high-affinity p53A2.1-specific TCR.

Efficient immune attack of malignant disease requires the concerted action of both CD8+ CTL and CD4+ Th cells. We used human leukocyte antigen (HLA)-A*0201 (A2.1) transgenic mice, in which the mouse CD8 molecule cannot efficiently interact with the alpha3 domain of A2.1, to generate a high-affinity, CD8-independent T cell receptor (TCR) specific for a commonly expressed, tumor-associated cytotoxic T lymphocyte (CTL) epitope derived from the human p53 tumor suppressor protein. Retroviral expression of this CD8-independent, p53-specific TCR into human T cells imparted the CD8+ T lymphocytes with broad tumor-specific CTL activity and turned CD4+ T cells into potent tumor-reactive, p53A2.1-specific Th cells. Both T cell subsets were cooperative and interacted synergistically with dendritic cell intermediates and tumor targets. The intentional redirection of both CD4+ Th cells and CD8+ CTL by the same high-affinity, CD8-independent, tumor-specific TCR could provide the basis for novel broad-spectrum cancer immunotherapeutics.

Circulating Tumor-reactive CD8(+) T cells in melanoma patients contain a CD45RA(+)CCR7(-) effector subset exerting ex vivo tumor-specific cytolytic activity.

To defend the host from malignancies, the immune system can spontaneously raise CD8(+) T-cell responses against tumor antigens. Investigating the functional state of tumor-reactive cytolytic T cells in cancer patients is a key step for understanding the role of these cells in tumor immunosurveillance and for evaluating the potential of immunotherapeutic approaches of vaccination against cancer. In this study we identified a subset of circulating tumor-reactive CD8(+) T lymphocytes, which specifically secreted IFN-gamma after exposition to autologous tumor cell lines in stage IV metastatic melanoma patients. Additional phenotypic characterization using multicolor flow cytometry revealed that a significant fraction of these cells were CD45RA(+)CCR7(-), a phenotype that has been proposed recently to characterize cytolytic effectors potentially able to home into inflamed tissues. In the case of an HLA-A2-expressing patient, the antigen specificity of this population was identified by using HLA-A2/peptide multimers incorporating a tyrosinase-derived peptide. Consistently with their phenotypic characteristics, A2/tyrosinase peptide multimer(+) CD8(+) T cells, isolated by cell sorting, were directly lytic ex vivo and able to specifically recognize tyrosinase-expressing tumor cells. Overall, these results provide the first evidence that a proportion of melanoma patients have circulating tumor-reactive T cells, which are lytic effectors cells.

Loss of single HLA class I allospecificities in melanoma cells due to selective genomic abbreviations.

Expression of human leucocyte antigen (HLA) Class I molecules is essential for the recognition of malignant melanoma (MM) cells by CD8(+) T lymphocytes. A complete or partial loss of HLA Class I molecules is a potent strategy for MM cells to escape from immunosurveillance. In 2 out of 55 melanoma cell cultures we identified a complete phenotypic loss of HLA allospecificities. Both patients have been treated unsuccessfully with HLA-A2 peptides. To identify the reasons underlying the loss of single HLA-A allospecificities, we searched for genomic alterations at the locus for HLA Class I alpha-chain on chromosome 6 in melanoma cell cultures established from 2 selected patients with MM in advanced stage. This deficiency was associated with alterations of HLA-A2 gene sequences as determined by polymerase chain reaction-sequence specific primers (PCR-SSP). Karyotyping revealed a chromosomal loss in Patient 1, whereas melanoma cell cultures established from Patient 2 displayed 2 copies of chromosome 6. Loss of heterozygosity (LOH) using markers located around position 6p21 was detected in both cases. By applying group-specific primer-mixes spanning the 5'-flanking region of the HLA-A2 gene locus the relevant region was amplified by PCR and subsequent sequencing allowed alignment with the known HLA Class I reference sequences. Functional assays using HLA-A2-restricted cytotoxic T-cell clones were performed in HLA-A2 deficient MM cultures and revealed a drastically reduced susceptibility to CTL lysis in HLA-A2 negative cells. We could document the occurrence of selective HLA-A2 deficiencies in cultured advanced-stage melanoma metastases and identify their molecular causes as genomic alterations within the HLA-A gene locus.

Selective inhibition of CTL activation by a dipalmitoyl-phospholipid that prevents the recruitment of signaling molecules to lipid rafts.

Antigen-specific T-cell activation implicates a redistribution of plasma membrane-bound molecules in lipid rafts, such as the coreceptors CD8 and CD4, the Src kinases Lek and Fyn, and the linker for activation of T cells (LAT), that results in the formation of signaling complexes. These molecules partition in lipid rafts because of palmitoylation of cytoplasmic, membrane proximal cysteines, which is essential for their functional integrity in T-cell activation. Here, we show that exogenous dipalmitoyl-phosphatidylethanolamine (DPPE), but not the related unsaturated dioleoyl-phosphatidylethanolamine (DOPE), partitions in lipid rafts. DPPE inhibits activation of CD8(+) T lymphocytes by sensitized syngeneic antigen-presenting cells or specific major histocompatibility complex (MHC) peptide tetramers, as indicated by esterase release and intracellular calcium mobilization. Cytotoxic, T lymphocyte (CTL)-target cell conjugate formation is not affected by DPPE, indicating that engagement of the T-cell receptor by its cognate ligand is intact in lipid-treated cells. In contrast to other agents known to block raft-dependent signaling, DPPE efficiently inhibits the MHC peptide-induced recruitment of palmitoylated signaling molecules to lipid rafts and CTL activation without affecting cell viability or lipid raft integrity.

Development and evaluation of antibody-MHC/peptide conjugates as a new form of cancer immunotherapy

Summary One of the major goals of cancer immunotherapy is the induction of a specific and effective antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) response. However, the downregulation of Class I Major Histocompatibility Complexes (MHC) expression and the low level of tumor peptide presentation on tumor cell surface, ás well as the low immunogenicity of tumor specific antigens, limit the effectiveness of anti-tumor CTL responses. On the other hand, monoclonal antibodies, which bind with high affinity to tumor cell surface markers, are powerful tumor targeting tools. However, their capacity to .kill cancer cells is limited and mAb cancer treatments usually require the addition of different form of chemotherapy. The new cancer immunotherapy strategy described herein combines the advantage of the high tumor targeting capacity of monoclonal antibodies (mAb) with the powerful cytotoxicity of CD8 T lymphocytes directed against highly antigenic peptide-MHC complexes. Monoclonal antibody Fab fragments directed against a cell surface tumor associated antigen (TAA) are chemically coupled to soluble MHC class I complexes carrying a highly antigenic peptide. Antibody guided targeting and oligomerization of numerous antigenic class IMHC/peptide complexes on tumor cell surfaces can redirect the cytotoxicity of peptide-specific CD8 T cells towards target cancer cells. After the description of the production of murine anti-tumor xMHC/peptide conjugates in the first part of this thesis, the therapeutic potential of such conjugates were sequentially investigated in different syngeneic tumor mouse models. As a first proof of principle, transgenic OT-1 mice and later CEA transgenic C57BL/6 (B6) mice, adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, were used as a model of high frequency of ova peptide specific T cells. In these mice, growth inhibition and regression of palpable colon carcinoma expressing CEA, were obtained by systemic injection of anti-CEA Fab/H-2Kb/ova peptide conjugates. Next, LCMV virus and influenza virus infection of B6 mice were used as viral models to redirect natural antiviral CTL responses to tumors via conjugates loaded with viral peptides. We showed that in mice infected with the LCMV virus, subcutaneous CEA-expressing tumor cells were inhibited by the H2Db/GP33 restricted anti-viral CTL response when preincubated before grafting with anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 peptide conjugates. In mice infected with the influenza virus, lung metastases expressing the HER2 antigen were inhibited by the H-2Db/NP366 restricted CTLs response when preincubated before injection with anti-Her2 Fab-H-2Db/NP366 peptide conjugates. In the last chapter, the stability of the peptide in the anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 conjugates was improved by the covalent photocross-link of the GP33 peptide in the H-2Db MHC groove. Thus, LCMV immune mice could reject CEA expressing tumors when treated with systemic injections of anti-CEA FabH-2Db/GP33 cross-linked conjugates. These results are encouraging for the potential application of this strategy in clinic. Such conjugates could be used alone in patients boosted by the relevant virus, or used in combination with existing T cell based ìmmunotherapy. Résumé Une des principales approches utilisées dans l'immunothérapie contre le cancer consiste en l'induction d'une réponse T cytotoxique (CTL) spécifiquement dirigée contre la tumeur. Cependant, le faible niveau d'expression des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I (CMH I) et de présentation des peptides tumoraux à la surface des cellules cancéreuses ainsi que la faible immunogenicité des antigens tumoraux, limitent l'efficacité de la réponse CTL. D'autre part,. l'injection d'anticorps monoclonaux (mAb), se liant avec une haute affinité aux marqueurs de surface des cellules tumorales, a fourni des résultats cliniques encourageant. Cependant l'efficacité de ces mAbs contre des tumeur solides reste limitée et necessite souvent l'addition de chimiotherapie. La nouvelle stratégie thérapeutique décrite dans ce travail associe le fort pouvoir de localisation des anticorps monoclonaux et le fort pouvoir cytotoxique des lymphocytes T CD8+. Des fragments Fab d'anticorps monoclonaux, dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, ont été chimiquement couplés à des CMH I solubles, portant un peptide fortement antigénique. Le ciblage et l'oligomérisation à la surface des cellules tumorales de nombreux CMH I présentant un peptide antigénique, va réorienter la cytotoxicité des cellules T CD8+ spécifiques du peptide présenté, vers les cellules tumorales cibles. Après une description de la production de conjugé anti-tumeur x CMH Upeptide dans la première partie de cette thèse, le potentiel thérapeutique de tels conjugés a été successivement étudiés in vivo dans différents modèles de tumeur syngénéiques. Tout d'abord, des souris OT-1 transgéniques, puis des souris C57BL/6 (B6) transférées avec des cellules de rate OT-1 puis immunisées avec l'ovalbumine, ont été employées comme modèle de haute fréquence de cellules T CD8+ spécifiques du peptide ova. Chez ces souris, l'inhibition de la croissance et la régression de nodules palpables de carcinomes exprimant l'antigène caccino embryonaire (ACE), ont été obtenues par l'injection systémique de conjugés anti-ACE Fab/H-2Kb/ova. Par la suite, l'infection de souris B6 par le virus LCMV et par le virus de la grippe, ont été utilisés comme modèles viraux pour redirigées des réponses anti-virales naturelles vers les tumeurs, en utilisant des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré que .chez les souris infectées par le LCMV, la croissance de carcinome sous-cutané est empêchée par la réponse anti-virale, spécifique du complexe H2Db/GP33, lorsque les cellules tumorales greffées sont pré-incubées avec des conjugés anti-CEA Fab-H-2Db/GP33. Dans le cas de souris infectées par le virus de la grippe, la métastatisation de mélanomes pulmonaires exprimant l'antigène HER-2 est inhibée par la réponse anti-virale spécifique du complexe H-2Db/NP366, après pré-incubation des cellules tumorales avec des conjugés anti-Her2 FabxH-2Db/NP366. Dans le dernier chapitre, la liaison covalente du peptide GP33 dans le complexe H-2Db a amélioré la stabilité des conjugés correspondants et a permis le traitement systémique de souris greffées avec des tumeurs exprimant l'ACE et infectées par le LCMV. L'ensemble de ces résultats sont encourageant pour l'application de cette strategie en clinique. De tels conjugués pourraient être employés seuls ou en combinaison avec des protocols d'immunisation peptidique anti-tumoral. Résumé pour un large public Dans les pays industrialisés, le cancer se situe au deuxième rang des causes de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Les principaux traitement de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches mises en oeuvre pour la lutte contre le cancer. Elle peut être humorale, et s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la proliferation des cellules tumorales exprimant l'antigène. Certains sont utilisés en clinique pour le traitement de lymphomes, de carcinomes de l'ovaire et du sein ou encore de carcinomes metastatiques du côlon. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements exigent souvent d'être combiner avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et reposer sur une démarche de type vaccinal, consistant à générer des lymphocytes T cytotoxiques (cytotoxic T lymphocytes :CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Or les cellules tumorales ne presentent pas efficacement les peptides antigèniques, car elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des antigènes d'histocompatibilité de classe I, des molécules d'adhésion et des cytokines costimulatrices, et par une faible expression des antigènes associés aux tumeurs. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL specifiquement dirigés contre des antigens tumoraux, les régressions tumorales obtenus grace à ces vaccinations sont relativement rares. Alors que chez les personnes atteintes du cancer on observe l'instauration d'une tolérance immunitaire vis-à-vis de la tumeur, à l'inverse, notre systeme immunitaire reste parfaitement capable de combattre des infection virales classiques, tels que la grippe, qui font aussi appel à une réponse T cytotoxique. Notre groupe de recherche a donc eu l'idee de développer une nouvelle approche thérapeutique où une réponse immunitaire anti-virale très efficace serait redirigée vers les tumeurs par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons chimiquement couplés des fragments d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, à des CMH I portant un peptide viral antigénique. Les cellules tumorales, ciblées par le fragment anticorps et couvertes d' antigènes viraux présentés par des molécules de CMH I, peuvent ainsi tromper les lymphocytes cytotoxiques anti-viraux qui vont détruire les cellules tumorales comme si elles étaient infectées par le virus. Suite à des résultats prometteurs obtenus in vitro avec différents conjugués anticorps-CMH humain de type HLA.A2/peptide Flu, le but du projet était de tester in vivo des conjugués anticorps-CMH I murins sur des modèles expérimentaux de souris. Tout d'abord, des souris transgéniques pour un recepteur T specifique du peptide ova, puis des transferts adoptifs de ces cellules T specifiques dans des souris immunocompétentes, ont été choisi comme modèle de haute fréquence des cellules T spécifiques, et ont permi de valider le principe de la strategie in vivo. Puis, deux modèles viraux ont été elaboré avec le virus LCMV et le virus Influenza, pour réorienter des réponses antivirales naturelles vers les tumeurs grâce à des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré la grande capacité de nos conjugués à rediriger des réponses cytotoxiques vers les tumeurs et inhiber la croissance de tumeurs syngénéiques sous cutanés et pulmonaires. Ces résultats d'inhibition tumorales obtenus dans des souris immunocompétentes, grâce à l'injection de conjugués anticorps xCMH/peptide et réorientant deux réponses antivirales différentes vers deux modèles tumoraux syngeneiques, sont encourageant pour l'application de cette nouvelle stratégie en clinique.

Dissociation of thymic positive and negative selection in transgenic mice expressing major histocompatibility complex class I molecules exclusively on thymic cortical epithelial cells.

Thymic positive and negative selection of developing T lymphocytes confronts us with a paradox: How can a T-cell antigen receptor (TCR)-major histocompatibility complex (MHC)/peptide interaction in the former process lead to transduction of signals allowing for cell survival and in the latter induce programmed cell death or a hyporesponsive state known as anergy? One of the hypotheses put forward states that the outcome of a TCR-MHC/peptide interaction depends on the cell type presenting the selecting ligand to the developing thymocyte. Here we describe the development and lack of self-tolerance of CD8(+) T lymphocytes in transgenic mice expressing MHC class I molecules in the thymus exclusively on cortical epithelial cells. Despite the absence of MHC class I expression on professional antigen-presenting cells, normal numbers of CD8(+) cells were observed in the periphery. Upon specific activation, transgenic CD8(+) T cells efficiently lysed syngeneic MHC class I(+) targets in vitro and in vivo, indicating that thymic cortical epithelium (in contrast to medullary epithelium and antigen-presenting cells of hematopoietic origin) is incapable of tolerance induction. Thus, compartmentalization of the antigen-presenting cells involved in thymic positive selection and tolerance induction can (at least in part) explain the positive/negative selection paradox.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

Inhibitory receptors specific for MHC class I educate murine NK cells but not CD8αα intestinal intraepithelial T lymphocytes.

The engagement of inhibitory receptors specific for major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules educates natural killer (NK) cells, meaning the improvement of the response of activation receptors to subsequent stimulation. It is not known whether inhibitory MHC-I receptors educate only NK cells or whether they improve the responsiveness of all cell types, which express them. To address this issue, we analyzed the expression of inhibitory MHC-I receptors on intestinal intraepithelial lymphocytes (iIELs) and show that T-cell receptor (TCR)-αβ CD8αα iIELs express multiple inhibitory receptors specific for MHC-I molecules, including CD94/NKG2A, Ly49A, and Ly49G2. However, the presence of MHC-I ligand for these receptors did not improve the response of iIELs to activation via the TCR. The absence of iIEL education by MHC-I receptors was not related to a lack of inhibitory function of these receptors in iIELs and a failure of these receptors to couple to the TCR. Thus, unlike NK cells, iIELs do not undergo an MHC-I-guided education process. These data suggest that education is an NK cell-specific function of inhibitory MHC-I receptors.

Analyse de la production thymique et de la prolifération périphérique des lymphocytes T CD4 et CD8 durant la phase chronique de l'infection à VIH-1

RESUME Dans le cadre de l'infection à VIH-1, deux mécanismes généraux, a) une destruction périphérique massive ou b) un défaut dans la production périphérique ou centrale de nouvelles cellules, pourraient être à l'origine de l'épuisement des lymphocytes T CD4. La question soulève une importante controverse. Dans cette étude, la production thymique et la capacité de prolifération de lymphocytes T ont été étudiées conjointement. La production thymique a été évaluée par l'analyse du contenu en cercles d'excision générés lors du réarrangement du récepteur aux cellules T (ou TRECs) des cellules T CD4 et CD8 périphériques, provenant de sujets sains VIH-1 négatifs (n=120) ou infectés par le VIH-1 (n=297), au stade précoce, intermédiaire et tardif de la phase chronique de la maladie. Au stade précoce, nous observons que le contenu en TRECs de la population CD4 est supérieur à celui de la population contrôle. Aucune différence n'est observée lors de la phase intermédiaire, alors que le contenu en TRECs est inférieur lors de la phase tardive, en comparaison avec le groupe contrôle. Pour les lymphocytes T CD8, le contenu en TRECs reste inférieur au groupe contrôle, à tous les stades de la maladie. Ainsi, au stade précoce, la production thymique chercherait à compenser la perte de lymphocytes T CD4 puis, avec l'évolution de la maladie, cette possibilité s'épuiserait. Les profils d'expression des gènes régulateurs du cycle cellulaire pour les cellules T CD4 et CD8 périphériques, obtenus par la méthode des biopuces d'ADNc (microarray), ont permis l'analyse de la capacité de prolifération périphérique des lymphocytes T. Trois populations cellulaires ont été comparées entre elles : lymphocytes provenant de sujets infectés par le VIH-1, lymphocytes provenant de sujets VIH-1-négatifs et lymphocytes activés in vitro provenant de sujets VIH-1-négatifs. Les résultats montrent, pour les cellules T CD8, un état d'activation et un profil d'expression des gènes régulateurs du cycle cellulaire comparables à ceux des cellules activées in vitro. Le profil d'expression génétique des cellules T CD4, par contre, montre une activation sub-optimale, conjointement à une forte expression de p53, ce qui pourrait amener à un bloc en phase G1 du cycle cellulaire ainsi qu'à une forte apoptose. En conclusion, cette perturbation de la progression du cycle cellulaire des lymphocytes T CD4 périphériques pourrait contribuer à l'échec de la restauration du nombre de lymphocytes T CD4 et ceci, malgré une production thymique conservée dans les stades précoces de la maladie, comme démontré par l'analyse du contenu en TRECs.

Role of CD8 in aberrant function of cytotoxic T lymphocytes.

Using H-2Kd-restricted photoprobe-specific cytotoxic T lymphocyte (CTL) clones, which permit assessment of T cell receptor (TCR)-ligand interactions by TCR photoaffinity labeling, we observed that the efficiency of antigen recognition by CTL was critically dependent on the half-life of TCR-ligand complexes. We show here that antigen recognition by CTL is essentially determined by the frequency of serial TCR engagement, except for very rapid dissociations, which resulted in aberrant TCR signaling and antagonism. Thus agonists that were efficiently recognized exhibited rapid TCR-ligand complex dissociation, and hence a high frequency of serial TCR engagement, whereas the opposite was true for weak agonists. Surprisingly, these differences were largely accounted for by the coreceptor CD8. While it was known that CD8 substantially decreases TCR-ligand complex dissociation, we observed in this study that this effect varied considerably among ligand variants, indicating that epitope modifications can alter the CD8 contribution to TCR-ligand binding, and hence the efficiency of antigen recognition by CTL.

Ly49D engagement on T lymphocytes induces TCR-independent activation and CD8 effector functions that control tumor growth.

Recent data showing expression of activating NK receptors (NKR) by conventional T lymphocytes raise the question of their role in the triggering of TCR-independent responses that could be damaging for the host. Transgenic mice expressing the activating receptor Ly49D/DAP12 offer the opportunity to better understand the relevance of ITAM signaling in the biology of T cells. In vitro experiments showed that Ly49D engagement on T lymphocytes by a cognate MHC class I ligand expressed by Chinese hamster ovary (CHO) cells or by specific Ab triggered cellular activation of both CD4 and CD8 populations with modulation of activation markers and cytokine production. The forced expression of the ITAM signaling chain DAP12 is mandatory for Ly49D-transgenic T cell activation. In addition, Ly49D stimulation induced T lymphocyte proliferation, which was much stronger for CD8 T cells. Phenotypic analysis of anti-Ly49D-stimulated CD8 T cells and their ability to produce high levels of IFN-gamma and to kill target cells indicate that Ly49D ligation generates effector cytotoxic CD8 T cells. Ly49D engagement by itself also triggered cytotoxic activity of activated CD8 T cells. Adoptive transfer experiments confirmed that Ly49D-transgenic CD8 T cells are able to control growth of CHO tumor cells or RMA cells transfected with Hm1-C4, the Ly49D ligand normally expressed by CHO. In conclusion, Ly49D engagement on T cells leads to T cell activation and to a full range of TCR-independent effector functions of CD8 T cells.

CD8 modulation of T-cell antigen receptor-ligand interactions on living cytotoxic T lymphocytes.

Thymocytes and class I major histocompatibility complex (MHC)-restricted cytotoxic T lymphocytes express predominantly heterodimeric alpha/beta CD8. By interacting with non-polymorphic regions of MHC class I molecules CD8 can mediate adhesion or by binding the same MHC molecules that interact with the T-cell antigen receptor (TCR) function as coreceptor in TCR-ligand binding and T-cell activation. Using TCR photoaffinity labelling with a soluble, monomeric photoreactive H-2Kd-peptide derivative complex, we report here that the avidity of TCR-ligand interactions on cloned cytotoxic T cells is very greatly strengthened by CD8. This is primarily explained by coordinate binding of ligand molecules by CD8 and TCR, because substitution of Asp 227 of Kd with Lys severely impaired the TCR-ligand binding on CD8+, but not CD8- cells. Kinetic studies on CD8+ and CD8- cells further showed that CD8 imposes distinct dynamics and a remarkable temperature dependence on TCR-ligand interactions. We propose that the ability of CD8 to act as coreceptor can be modulated by CD8-TCR interactions.

Enhanced cytotoxicity and decreased CD8 dependence of human cancer-specific cytotoxic T lymphocytes after vaccination with low peptide dose.

In mice, vaccination with high peptide doses generates higher frequencies of specific CD8+ T cells, but with lower avidity compared to vaccination with lower peptide doses. To investigate the impact of peptide dose on CD8+ T cell responses in humans, melanoma patients were vaccinated with 0.1 or 0.5 mg Melan-A/MART-1 peptide, mixed with CpG 7909 and Incomplete Freund's adjuvant. Neither the kinetics nor the amplitude of the Melan-A-specific CD8+ T cell responses differed between the two vaccination groups. Also, CD8+ T cell differentiation and cytokine production ex vivo were similar in the two groups. Interestingly, after low peptide dose vaccination, Melan-A-specific CD8+ T cells showed enhanced degranulation upon peptide stimulation, as assessed by CD107a upregulation and perforin release ex vivo. In accordance, CD8+ T cell clones derived from low peptide dose-vaccinated patients showed significantly increased degranulation and stronger cytotoxicity. In parallel, Melan-A-specific CD8+ T cells and clones from low peptide dose-vaccinated patients expressed lower CD8 levels, despite similar or even stronger binding to tetramers. Furthermore, CD8+ T cell clones from low peptide dose-vaccinated patients bound CD8 binding-deficient tetramers more efficiently, suggesting that they may express higher affinity TCRs. We conclude that low peptide dose vaccination generated CD8+ T cell responses with stronger cytotoxicity and lower CD8 dependence.

Constitutive activation of Wnt signaling favors generation of memory CD8 T cells.

T cell factor-1 (TCF-1) and lymphoid enhancer-binding factor 1, the effector transcription factors of the canonical Wnt pathway, are known to be critical for normal thymocyte development. However, it is largely unknown if it has a role in regulating mature T cell activation and T cell-mediated immune responses. In this study, we demonstrate that, like IL-7Ralpha and CD62L, TCF-1 and lymphoid enhancer-binding factor 1 exhibit dynamic expression changes during T cell responses, being highly expressed in naive T cells, downregulated in effector T cells, and upregulated again in memory T cells. Enforced expression of a p45 TCF-1 isoform limited the expansion of Ag-specific CD8 T cells in response to Listeria monocytogenes infection. However, when the p45 transgene was coupled with ectopic expression of stabilized beta-catenin, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated, with enhanced ability to produce IL-2. Moreover, these memory CD8 T cells expanded to a larger number of secondary effectors and cleared bacteria faster when the immunized mice were rechallenged with virulent L. monocytogenes. Furthermore, in response to vaccinia virus or lymphocytic choriomeningitis virus infection, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated in the presence of p45 and stabilized beta-catenin transgenes. Although activated Wnt signaling also resulted in larger numbers of Ag-specific memory CD4 T cells, their functional attributes and expansion after the secondary infection were not improved. Thus, constitutive activation of the canonical Wnt pathway favors memory CD8 T cell formation during initial immunization, resulting in enhanced immunity upon second encounter with the same pathogen.