Phenotypic heterogeneity of antigen-specific CD4 cells under different conditions of antigen persistence and antigen load

RESUME Nous n'avons pas de connaissance précise des facteurs à l'origine de l'hétérogénéité phénotypique des cellules T CD4 mémoires. Une troisième population phénotypique des cellules T CD4 mémoires, caractérisée par les marqueurs CD45RA+CCR7- a été identifiée dans cette étude. Cette population présente un état de différentiation avancée, comme en témoigne son histoire de réplication, ainsi que sa capacité de prolifération homéostatique. Les réponses des cellules T CD4 mémoires à différentes conditions de persistance et charge antigénique ont trois patterns phénotypiques différents, caractérisés par les marqueurs CD45RA et CCR7. La réponse CD4 mono -phénotypique CD45RA-CCR7+ ou CD45RA- CCR7- est associée à des conditions d'élimination de l'antigène (telle la réponse CD4 tétanos spécifique) ou à des conditions de persistance antigénique et de virémie élevée (telle la réponse HIV chronique ou la primo-infection CMV) respectivement. D'autre part, les réponses T CD4 multi -phénotypiques CD45RA-CCR7+ sont associées à des conditions d'exposition antigénique prolongée et de faible virémie (telles les infections CMV, EBV et HSV ou les infections HIV chez les long term non progressons). La réponse mono -phénotypique CD45RA- CCR7+ est propre aux cellules T CD4 secrétant de IL2, définies également comme centrales mémoires, la réponse CD45RA- CCR7- aux cellules T CD4 secrétant de l'IFNγ et finalement la réponse mufti-phénotypique aux cellules T CD4 secrétant à la fois de l'IL2 et de l' IFNγ. En conclusion, ces résultats témoignent d'une régulation de l'hétérogénéité phénotypique par l'exposition et la charge antigénique. ABSTRACT The factors responsible for the phenotypic heterogeneity of memory CD4 T cells are unclear. In the present study, we have identified a third population of memory CD4 T cells characterized as CD45RA+CCRT that, based on its replication history and the homeostatic proliferative capacity, was at an advanced stage of differentiation. Three different phenotypic patterns of memory CD4 T cell responses were delineated under different conditions of antigen (Ag) persistence and load using CD45RA and CCR7 as markers of memory T cells. Mono-phenotypic CD45RA'CCR7+ or CD45RA'CCR7' CD4 T cell responses were associated with conditions of Ag clearance (tetanus toxoid-specific CD4 T cell response) or Ag persistence and high load (chronic HIV-1 and primary CMV infections), respectively. Multi-phenotypic CD45RA CCR7+, CD45RA'CCRT and CD45RA+CCRT CD4 T cell responses were associated with protracted Ag exposure and low load (chronic CMV, EBV and HSV infections and HIV-1 infection in long-term nonprogressors). The mono-phenotypic CD45RA'CCR7+ response was typical of central memory (TCM) IL-2-secreting CD4 T cells, the mono-phenotypic CD45RA CCRT response of effector memory (TEM) IFN-γ -secreting CD4 T cells and the multi-phenotypic response of both IL-2- and IFN-γ -secreting cells. The present results indicate that the heterogeneity of different Ag-specific CD4 T cell responses is regulated by Ag exposure and Ag load.

TCR-MHC class II interaction is required for peripheral expansion of CD4 cells in a T cell-deficient host.

It is well established that T cell-deficient nude and SCID mice can be reconstituted by i.v. injection of small numbers of purified peripheral CD4+ T cells; however, the requirements for expansion of the transferred T cells in such systems are not clear. We show here that blood and lymphoid organs of MHC class II-deficient mice (which selectively lack mature CD4+ T cells) cannot be reconstituted by transfer of purified splenic CD4+ T cells, whereas TCRalpha-deficient mice (which lack both CD4+ and CD8+ mature T cells) are readily reconstituted. The failure of CD4+ T cell reconstitution in MHC class II-deficient mice was not due to the presence of CD8+ T cells, since similar results were obtained in TCRalpha-MHC class II double-deficient mice. Consistent with most previous studies CD4+ T cells in reconstituted TCRalpha-deficient mice had a diverse TCR Vbeta repertoire and were predominantly of an activated/memory (CD44high) phenotype. Collectively our data demonstrate that the expansion of peripheral CD4+ T cells in a T cell-deficient host is dependent upon interactions of the TCR with MHC class II.

LACK-reactive CD4+ T cells require autocrine IL-2 to mediate susceptibility to Leishmania major.

Mice from most inbred strains are resistant to infection with Leishmania major whereas mice from BALB strains are highly susceptible. Resistance and susceptibility result from the development of Th1 or Th2 cells, respectively. In this report, we document an IL-2 mRNA burst, preceding the reported early IL-4 response, in draining lymph nodes of susceptible mice infected with L. major. Neutralization of IL-2 during the first days of infection redirected Th1 cell maturation and resistance to L. major, through interference with the rapid IL-4 transcription in Leishmania homolog of mammalian RACK1 (LACK)-reactive CD4(+) cells. A burst of IL-2 transcripts also occurred in infected C57BL/6 mice that do not mount an early IL-4 response. However, although the LACK protein induced IL-2 transcripts in susceptible mice, it failed to trigger this response in resistant C57BL/6 mice. Reconstitution experiments using C.B.-17 SCID mice and LACK-reactive CD4(+) T cells from IL-2(-/-) BALB/c mice showed that triggering of the early IL-4 response required autocrine IL-2. Thus, in C57BL/6 mice, the inability of LACK-reactive CD4(+) T cells to express early IL-4 mRNA transcription, important for disease progression, appears due to an incapacity of these cells to produce IL-2.

IL-4 rapidly produced by V beta 4 V alpha 8 CD4+ T cells instructs Th2 development and susceptibility to Leishmania major in BALB/c mice.

BALB/c mice develop aberrant T helper 2 (Th2) responses and suffer progressive disease after infection with Leishmania major. These outcomes depend on the production of interleukin-4 (IL-4) early after infection. Here we demonstrate that the burst of IL-4 mRNA, peaking in draining lymph nodes of BALB/c mice 16 hr after infection, occurs within CD4+ T cells that express V beta 4 V alpha 8 T cell receptors. In contrast to control and V beta 6-deficient BALB/c mice, V beta 4-deficient BALB/c mice were resistant to infection, demonstrating the role of these cells in Th2 development. The early IL-4 response was absent in these mice, and T helper 1 responses occurred following infection. Recombinant LACK antigen from L. major induced comparable IL-4 production in V beta 4 V alpha 8 CD4+ cells. Thus, the IL-4 required for Th2 development and susceptibility to L. major is produced by a restricted population of V beta 4 V alpha 8 CD4+ T cells after cognate interaction with a single antigen from this complex organism.

c-Cbl expression levels regulate the functional responses of human central and effector memory CD4 T cells.

The biochemical mechanisms controlling the diverse functional outcomes of human central memory (CM) and effector memory (EM) T-cell responses triggered through the T-cell receptor (TCR) remain poorly understood. We implemented reverse phase protein arrays to profile TCR signaling components in human CD8 and CD4 memory T-cell subsets isolated ex vivo. As compared with CD4 CM cells, EM cells express statistically significant increased amounts of SLP-76 and reduced levels of c-Cbl, Syk, Fyn, and LAT. Moreover, in EM cells reduced expression of negative regulator c-Cbl correlates with expression of c-Cbl kinases (Syk and Fyn), PI3K, and LAT. Importantly, consistent with reduced expression of c-Cbl, EM cells display a lower functional threshold than CM cells. Increasing c-Cbl content of EM cells to the same level as that of CM cells using cytosolic transduction, we impaired their proliferation and cytokine production. This regulatory mechanism depends primarily on c-Cbl E3 ubiquitin ligase activity as evidenced by the weaker impact of enzymatically deficient c-Cbl C381A mutant on EM cell functions. Our study reports c-Cbl as a critical regulator of the functional responses of memory T cell subsets and identifies for the first time in humans a mechanism controlling the functional heterogeneity of memory CD4 cells.

Reduction of Helicobacter infection in IL-10-/- mice is dependent on CD4+ T cells but not on mast cells.

BACKGROUND: In contrast to wild type, interleukin-10-deficient (IL-10(-/-)) mice are able to clear Helicobacter infection. In this study, we investigated the immune response of IL-10(-/-) mice leading to the reduction of Helicobacter infection. MATERIALS AND METHODS: We characterized the immune responses of Helicobacter felis-infected IL-10(-/-) mice by studying the systemic antibody and cellular responses toward Helicobacter. We investigated the role of CD4(+) T cells in the Helicobacter clearance by injecting H. felis-infected IL-10(-/-) mice with anti-CD4 depleting antibodies. To examine the role of mast cells in Helicobacter clearance, we constructed and infected mast cells and IL-10 double-deficient mice. RESULTS: Reduction of Helicobacter infection in IL-10(-/-) mice is associated with strong humoral (fivefold higher serum antiurease antibody titers were measured in IL-10(-/-) in comparison to wild-type mice, p < .008) and cellular (urease-stimulated splenic CD4(+) T cells isolated from infected IL-10(-/-) mice produce 150-fold more interferon-gamma in comparison to wild-type counterparts, p < .008) immune responses directed toward Helicobacter. Depletion of CD4(+) cells from Helicobacter-infected IL-10(-/-) mice lead to the loss of bacterial clearance (rapid urease tests are threefold higher in CD4(+) depleted IL-10(-/-) in comparison to nondepleted IL-10(-/-) mice, p < .02). Mast cell IL-10(-/-) double-deficient mice clear H. felis infection, indicating that mast cells are unnecessary for the bacterial eradication in IL-10(-/-) mice. CONCLUSION: Taken together, these results suggest that CD4(+) cells are required for Helicobacter clearance in IL-10(-/-) mice. This reduction of Helicobacter infection is, however, not dependent on the mast cell population.

In susceptible mice, Leishmania major induce very rapid interleukin-4 production by CD4+ T cells which are NK1.1-.

Susceptibility of BALB/c mice to infection with Leishmania major is associated with a T helper type 2 (Th2) response. Since interleukin-4 (IL-4) is critically required early for Th2 cell development, the kinetics of IL-4 mRNA expression was compared in susceptible and resistant mice during the first days of infection. In contrast to resistant mice, susceptible mice exhibited a peak of IL-4 mRNA in their spleens 90 min after i.v. injection of parasites and in lymph nodes 16 h after s.c. injection. IL-12 and interferon-gamma (IFN-gamma) down-regulated this early peak of IL-4 mRNA; the effect of IL-12 was IFN-gamma dependent. Treatment of resistant C57BL/6 mice with anti-IFN-gamma allowed the expression of this early IL-4 response to L. major. The increased IL-4 mRNA expression occurred in V beta 8, 7, 2- CD4+ cells in BALB/c mice and NK1.1- CD4+ cells in anti-IFN-gamma treated C57BL/6 mice. These results show that the NK1.1+ CD4+ cells, responsible for the rapid burst of IL-4 production after i.v. injection of anti-CD3, do not contribute to the early IL-4 response to L. major.

The early IL-4 response to Leishmania major responsible for progressive disease in BALB/c mice is subject to the control of autocrine IL-2 production and regulatory CD4+C25+ T cells

Résumé : La majorité des souches de souris de laboratoire sont résistantes à l'infection par le parasite Leishmania major (L. major). A l'opposé, les souris de la souche BALB développent une maladie évolutive. La résistance et la sensibilité sont corrélées avec l'apparition de lymphocytes T CD4+ spécifiques du parasite, Th1 (de l'anglais T helper) ou Th2 respectivement. La réponse aberrante Th2 chez les souris de la souche BALB/c dépend, au moins en partie, de façon critique de la production rapide d'IL-4 suite à l'infection. Ce pic précoce d'IL-4 est produit par une population de lymphocytes T CD4+ restreinte aux molécules du MHC de classe II, exprimant les chaînes du récepteur des cellules T Vß4-Va8. Ces lymphocytes sont spécifiques d'un épitope de l'homologue Leishmania de la molécule RACK1 des mammifères, appelée LACK. Il a été clairement démontré que l'IL-4 rapidement produite par ces cellules T CD4+ Vß4-Va8 induit la maturation Th2 responsable de la sensibilité vis-à-vis de L. major. Des expériences ont été entreprises pour étudier la régulation de cette réponse précoce d'IL-4. Dans ce travail, nous avons documenté, dans les cellules provenant des ganglions de souris sensibles infectées par L. major, une augmentation de la transcription de l'ARNm de l'IL-2 qui précède la réponse précoce d'IL-4. La neutralisation de l'IL-2 durant les premiers jours d'infection induit la maturation des cellules Thl et la résistance vis-à-vis de L. major. Ces effets de l'anticorps anti-IL-2 neutralisant sont liés à sa capacité d'interférer avec la transcription rapide d'IL-4 des cellules CD4+ réactives à l'antigène LACK. Une augmentation similaire d'IL-2 survient chez les souris résistantes C57BL/6 qui sont incapables de générer la réponse précoce d'IL-4. Cependant, la protéiné LACK induit une transcription précoce d'IL-2 uniquement chez les souris sensibles. Des expériences de reconstitution utilisant des souris C.B.-17 SCID et des cellules T CD4+ réactives à LACK provenant de souris BALB/c IL-2-~démontrent un mode d'action autocrine de l'IL-2 sur la régulation de la réponse précoce d'IL4. Par conséquent, chez les souris C57BL/6, l'absence du pic précoce d'ARNm de l'IL-4 important pour la progression de la maladie paraît liée à l'incapacité des cellules T CD4+ réactives à LACK de produire de l'IL-2. Un rôle dans le contrôle de la production précoce d'IL-4 par les cellules T régulatrices CD4+CD25+ a été investigué en déplétant in vivo cette population de cellules. La déplétion induit une élévation du pic précoce de l'ARNm de l'IL-4 dans les ganglions drainant de souris BALB/c, ainsi qu'une exacerbation du cours de la maladie avec des taux augmentés d'IL-4 dans les ganglions. La réponse rapide d'IL-2 vis-à-vis de L. major est aussi significativement augmentée chez les souris BALB/c déplétées en cellules CD4+CD25+. De plus, nous avons démontré que le transfert de 10puissance(7) cellules provenant de la rate de souris BALB/c déplétées en cellules T régulatrices CD4+CD25+ rend les souris SCID sensibles à l'infection et permet la différentiation Th2. Au contraire, les souris SCID reconstituées avec 10' cellules de la rate de souris BALB/c contrôle sont résistantes à infection par L. major et développent une réponse Thl. Chez les souris SCID reconstituées avec des cellules de rate déplétées en cellules exprimant le marqueur CD25, le traitement avec un anticorps neutralisant l'IL-4 au moment de l'infection par L. major prévient le développement de la réponse Th2 et rend ces souris résistantes à l'infection. Ces résultats démontrent que les cellules T régulatrices CD4+CD25+ jouent un rôle dans la régulation du pic précoce d'IL-4 responsable du développement cellulaire Th2 dans ce modèle d'infection. Summary Mice from most strains are resistant to infection with Leishmania major (L. major). In contrast, BALB mice develop progressive disease. Resistance and susceptibility result from parasite-specific CD4+ Thl or Th2 cells, respectively. The aberrant Th2 response in BALB/c mice depends, at least in part, upon the production of IL-4 early after infection. The CD4+ T cells responsible for this early IL-4 response to L. major express a restricted TCR repertoire (Vß4-Va8) and respond to an I-Ad-restricted epitope of the Leishmania homologue of mammalian RACK1, designated LACK. The role of these cells and the IL-4 they produce for subsequent Th2 cell development and disease progression in BALB/c mice was demonstrated. Experiments have been undertaken to study the regulation of the rapid IL-4 production to L. major. In this report, we document an IL-2 mRNA burst, preceding the reported early IL-4 response, in draining lymph nodes of susceptible mice infected with L. major. Neutralization of IL-2 during the first days of infection redirected Thl cell maturation and resistance to L. major, through interference with the rapid IL-4 transcription in LACKreactive CD4+ cells. A burst of IL-2 transcripts also occurred in infected C57BL/6 mice that do not mount an early IL-4 response. However, although the LACK protein induced IL-2 transcripts in susceptible mice, it failed to trigger this response in resistant C57BL/6 mice. Reconstitution experiments using C.B.-17 SCID mice and LACK-reactive CD4+ T cells from IL-2-/- BALB/c mice showed that triggering of the early IL-4 response required autocrine IL2. Thus, in C57BL/6 mice, the inability of LACK-reactive CD4+ T cells to express early IL-4 mRNA transcription, important for disease progression, appears due to an incapacity of these cells to produce IL-2. A role for CD4+CD25+ regulatory T cells in the control of this early IL-4 production was investigated by depleting in vivo this regulatory T cell population. Depletion induced an increase in the early burst of IL-4 mRNA in the draining lymph nodes of BALB/c mice, and exacerbated the course of disease with higher levels of IL-4 mRNA and protein in their lymph nodes. The rapid IL-2 response to L. major is also significantly enhanced in BALB/c mice depleted of CD4+CD25+ cells. We further showed that transfer of 10~ BALB/c spleen cells that were depleted of CD4+CD25+ regulatory T cells rendered SCID mice susceptible to infection and allowed Th2 differentiation while SCID mice reconstituted with 10 control BALB/c spleen cells were resistant to infection with L. major and developed a Thl response. Treatment with a mAb against IL-4 upon infection with L. major in SCID mice reconstituted with CD25-depleted spleen cells prevented the development of Th2 polarization and rendered them resistant to infection. These results demonstrate that CD4+CD25+ regulatory T cells play a role in regulating the early IL-4 mRNA and the subsequent development of a Th2 response in this model of infection.

Expansion of gamma delta+ T cells in BALB/c mice infected with Leishmania major is dependent upon Th2-type CD4+ T cells.

T cells belong to either the alpha beta+ or gamma delta+ lineage as defined by their antigen receptor. Although both T-cell subsets have been shown to be involved in the immune response to the parasite Leishmania major, very little is known about possible interactions between these two populations. In this study, using a mouse model of infection with L. major, we showed that expansion of a subset of gamma delta+ T cells in vivo is dependent upon the presence of alpha beta+ CD4+ T cells. Moreover, this effect appears to be mediated via the secretion of lymphokines by CD4+ cells with a T-helper 2 (Th2) functional phenotype. Results showing that activation of Th2-type cells in mice treated with anti-immunoglobulin D antibodies or infected with Nippostrongylus brasiliensis also results in gamma delta+ T-cell expansion suggest that this effect of the Th2-type CD4+ cells is a general phenomenon not restricted to infection with L. major.

Th2 lymphoproliferative disorder of LatY136F mutant mice unfolds independently of TCR-MHC engagement and is insensitive to the action of Foxp3+ regulatory T cells.

Mutant mice where tyrosine 136 of linker for activation of T cells (LAT) was replaced with a phenylalanine (Lat(Y136F) mice) develop a fast-onset lymphoproliferative disorder involving polyclonal CD4 T cells that produce massive amounts of Th2 cytokines and trigger severe inflammation and autoantibodies. We analyzed whether the Lat(Y136F) pathology constitutes a bona fide autoimmune disorder dependent on TCR specificity. Using adoptive transfer experiments, we demonstrated that the expansion and uncontrolled Th2-effector function of Lat(Y136F) CD4 cells are not triggered by an MHC class II-driven, autoreactive process. Using Foxp3EGFP reporter mice, we further showed that nonfunctional Foxp3(+) regulatory T cells are present in Lat(Y136F) mice and that pathogenic Lat(Y136F) CD4 T cells were capable of escaping the control of infused wild-type Foxp3(+) regulatory T cells. These results argue against a scenario where the Lat(Y136F) pathology is primarily due to a lack of functional Foxp3(+) regulatory T cells and suggest that a defect intrinsic to Lat(Y136F) CD4 T cells leads to a state of TCR-independent hyperactivity. This abnormal status confers Lat(Y136F) CD4 T cells with the ability to trigger the production of Abs and of autoantibodies in a TCR-independent, quasi-mitogenic fashion. Therefore, despite the presence of autoantibodies causative of severe systemic disease, the pathological conditions observed in Lat(Y136F) mice unfold in an Ag-independent manner and thus do not qualify as a genuine autoimmune disorder.

Mice from a genetically resistant background lacking the interferon gamma receptor are susceptible to infection with Leishmania major but mount a polarized T helper cell 1-type CD4+ T cell response.

Mice with homologous disruption of the gene coding for the ligand-binding chain of the interferon (IFN) gamma receptor and derived from a strain genetically resistant to infection with Leishmania major have been used to study further the role of this cytokine in the differentiation of functional CD4+ T cell subsets in vivo and resistance to infection. Wild-type 129/Sv/Ev mice are resistant to infection with this parasite, developing only small lesions, which resolve spontaneously within 6 wk. In contrast, mice lacking the IFN-gamma receptor develop large, progressing lesions. After infection, lymph nodes (LN) and spleens from both wild-type and knockout mice showed an expansion of CD4+ cells producing IFN-gamma as revealed by measuring IFN-gamma in supernatants of specifically stimulated CD4+ T cells, by enumerating IFN-gamma-producing T cells, and by Northern blot analysis of IFN-gamma transcripts. No biologically active interleukin (IL) 4 was detected in supernatants of in vitro-stimulated LN or spleen cells from infected wild-type or deficient mice. Reverse transcription polymerase chain reaction analysis with primers specific for IL-4 showed similar IL-4 message levels in LN from both types of mice. The IL-4 message levels observed were comparable to those found in similarly infected C57BL/6 mice and significantly lower than the levels found in BALB/c mice. Anti-IFN-gamma treatment of both types of mice failed to alter the pattern of cytokines produced after infection. These data show that even in the absence of IFN-gamma receptors, T helper cell (Th) 1-type responses still develop in genetically resistant mice with no evidence for the expansion of Th2 cells.

Profiling of signal transduction in human memory T cells

Résumé pour un large public: La vaccination a eu un impact énorme sur la santé mondiale. Mais, quel est le principe d'un vaccin? Il est basé sur la 'mémoire immunologique', qui est une particularité exclusive des systèmes immunitaires des organismes évolués. Suite à une infection par un pathogène, des cellules spécialisées de notre système immunitaire (les lymphocytes) le reconnaissent et initient une réaction immunitaire qui a pour but son élimination. Pendant cette réaction se développent aussi des cellules, appelées cellules lymphocytaires mémoire, qui persistent pour longue durée et qui ont la capacité de stimuler une réaction immunitaire très efficace immédiatement après une seconde exposition à ce même pathogène. Ce sont ces cellules mémoires (lymphocytes B et T) qui sont à la base de la 'mémoire immunologique' et qui sont stimulées lors de la vaccination. Chez l'homme, deux populations distinctes des lymphocytes T mémoires ont été identifiées: les cellules centrales (CM) et effectrices (EM) mémoires. Ces populations sont fonctionnellement hétérogènes et exercent des rôles distincts et essentiels dans l'immunité protectrice. Typiquement, les cellules effectrices mémoires sont capables de tuer immédiatement le pathogène tandis que les cellules centrales mémoires sont responsables d'initier une réponse immunitaire complète. Pourtant, les mécanismes biochimiques qui contrôlent les fonctions de ces cellules ont été jusqu'à présent peu étudiés à cause de la faible fréquence de ces cellules et de la quantité limitée de tissus humains disponibles pour les analyses. La compréhension de ces mécanismes est cruciale pour la réalisation de vaccins efficaces et pour le développement de nouveaux médicaments capables de moduler la réponse immunitaire lymphocytaire. Dans cette thèse, nous avons d'abord développé et amélioré une technologie appelée 'protéine array en phase inverse' qui possède un niveau de sensibilité beaucoup plus élevé par rapport aux technologies classiquement utilisées dans l'étude des protéines. Grâce à cette technique, nous avons pu comparer la composition protéique du système de transmission des signaux d'activation des cellules CM et EM humaines. L'analyse de 8 à 13 sujets sains a montré que ces populations des cellules mémoires possèdent un système de signalisation protéique différent. En effet, les cellules EM possèdent, par rapport aux cellules CM, des niveaux réduits d'une protéine régulatrice (appelée c-Cbl) que nous avons démontré comme étant responsable des fonctions spécifiques de ces cellules. En effet, en augmentant artificiellement l'expression de cette protéine régulatrice dans les cellules EM jusqu'au niveau de celui des cellules CM, nous avons induit dans les cellules EM des capacités fonctionnelles caractéristiques des cellules CM. En conclusion, notre étude a identifié, pour la première fois chez l'homme, un mécanisme biochimique qui contrôle les fonctions des populations des cellules mémoires. Résumé en Français: Les cellules mémoires persistent inertes dans l'organisme et produisent des réactions immunitaires rapides et robustes contre les pathogènes précédemment rencontrés. Deux populations distinctes des cellules mémoires ont été identifiées chez l'homme: les cellules centrales (CM) et effectrices (EM) mémoires. Ces populations sont fonctionnellement hétérogènes et exercent des rôles distincts et critiques dans l'immunité protectrice. Les mécanismes biochimiques qui contrôlent leurs fonctions ont été jusqu'à présent peu étudiés, bien que leur compréhension soit cruciale pour le développement des vaccins et des nouveaux traitements/médicaments. Les limites majeures à ces études sont la faible fréquence de ces populations et la quantité limitée de tissus humains disponibles. Dans cette thèse nous avons d'abord développé et amélioré la technologie de 'protéine array en phase inverse' afin d'analyser les molécules de signalisation des cellules mémoires CD4 et CD8 humaines isolées ex vivo. L'excellente sensibilité, la reproductibilité et la linéarité de la détection, ont permis de quantifier des variations d'expression protéiques supérieures à 20% dans un lysat équivalent à 20 cellules. Ensuite, grâce à l'analyse de 8 à 13 sujets sains, nous avons prouvé que les cellules mémoires CD8 ont une composition homogène de leur système de signalisation tandis que les cellules CD4 EM expriment significativement de plus grandes quantités de SLP-76 et des niveaux réduits de c-Cbl, Syk, Fyn et LAT par rapport aux cellules CM. En outre, l'expression réduite du régulateur négatif c-Cbl est corrélée avec l'expression des SLP-76, PI3K et LAT uniquement dans les cellules EM. L'évaluation des propriétés fonctionnelles des cellules mémoires a permis de démontrer que l'expression réduite du c-Cbl dans les cellules EM est associé à une diminution de leur seuil d'activation. En effet, grâce a la technique de transduction cytosolique, nous avons augmenté la quantité de c-Cbl des cellules EM à un niveau comparable à celui des cellules CM et constaté une réduction de la capacité des cellules EM à proliférer et sécréter des cytokines. Ce mécanisme de régulation dépend principalement de l'activité d'ubiquitine ligase de c-Cbl comme démontré par l'impact réduit du mutant enzymatiquement déficient de c-Cbl sur les fonctions de cellules EM. En conclusion, cette thèse identifie c-Cbl comme un régulateur critique des réponses fonctionnelles des populations de cellules T mémoires et fournit, pour la première fois chez l'homme, un mécanisme contrôlant l'hétérogénéité fonctionnelle des ces cellules. De plus, elle valide l'utilisation combinée des 'RPP arrays' et de la transduction cytosolique comme outil puissant d'analyse quantitative et fonctionnel des protéines de signalisation. Summary : Memory cells persist in a quiescent state in the body and mediate rapid and vigorous immune responses toward pathogens previously encountered. Two subsets of memory cells, namely central (CM) and effector (EM) memory cells, have been identified in humans. These subsets display high functional heterogeneity and assert critical and distinct roles in the control of protective immunity. The biochemical mechanisms controlling their functional properties remain so far poorly investigated, although their clarification is crucial for design of effective T-cell vaccine and drug development. Major limitations to these studies lie in the low frequency of memory T cell subsets and the limited amount of human specimen available. In this thesis we first implemented the innovative reverse phase protein array approach to profile 15 signalling components in human CD8 and CD4 memory T cells isolated ex vivo. The high degree of sensitivity, reproducibility and linearity achieved, allowed an excellent quantification of variations in protein expression higher than 20% in as few as 20-cell equivalent per spot. Based on the analysis of 8 to 13 healthy subjects, we showed that CD8 memory cells have a homogeneous composition of their signaling machinery while CD4 EM cells express statistically significant increased amounts of SLP-76 and reduced levels of c- Cbl, Syk, Fyn and LAT as compared to CM cells. Moreover, in EM but not CM cells, reduced expression of negative regulator c-Cbl correlated with the expression of SLP-76, PI3K and LAT. Subsequently, we demonstrated that the higher functional properties and the lower functional threshold of EM cells is associated with reduced expression of c-Cbl. Indeed, by increasing c-Cbl content of EM cells to the same level of CM cells using cytosolic transduction, we impaired their proliferation and cytokine production. This regulatory mechanism was primarily dependent on c-Cbl E3 ubiquitin ligase activity as evidenced by the weaker impact of enzymatically deficient c-Cbl C381A mutant on EM cell functions. Together, these results identify c-Cbl as a critical regulator of the functional responses of memory T cell subsets and provides, for the first time in humans, a mechanism controlling the functional heterogeneity of memory CD4 cells. Moreover it validates the combined use of RPP arrays and cytosolic transduction approaches as a powerful tool to quantitatively analyze signalling proteins and functionally assess their roles.

Response to antiretroviral treatment in HIV-1-infected individuals with allelic variants of the multidrug resistance transporter 1: a pharmacogenetics study.

BACKGROUND:HIV-1-infected patients vary considerably by their response to antiretroviral treatment, drug concentrations in plasma, toxic events, and rate of immune recovery. This variability could have a genetic basis. We did a pharmacogenetics study to analyse the association between response to antiretroviral treatment and allelic variants of several genes. METHODS:In 123 patients, we did PCR analyses of the gene for the multidrug-resistance transporter (MDR1), which codes for P-glycoprotein, of genes coding for isoenzymes of cytochrome P450, CYP3A4, CYP3A5, CYP2D6, and CYP2C19, and of the gene for the chemokine receptor CCR5. We measured concentrations in plasma of the antiretroviral agents efavirenz and nelfinavir by high-performance liquid-chromatography, and measured levels of P-glycoprotein expression, CD4-cell count, and HIV-1 viraemia. FINDINGS: Median drug concentrations in patients with the MDR1 3435 TT, CT, and CC genotypes were at the 30th, 50th, and 75th percentiles, respectively (p=0.0001). In patients with CYP2D6 extensive-metaboliser or poor-metaboliser alleles, median drug concentrations were at percentiles 45 and 62.5, respectively (p=0.04). Patients with the MDR1 TT genotype 6 months after starting treatment had a greater rise in CD4-cell count (257 cells/microL) than patients with the CT (165 cells/microL) and CC (121 cells/microL) genotype (p=0.0048), and the best recovery of naïve CD4-cells. INTERPRETATION:The polymorphism MDR1 3435 C/T predicts immune recovery after initiation of antiretroviral treatment. This finding suggests that P-glycoprotein has an important role in admittance of antiretroviral drugs to restricted compartments in vivo.

The role of Toll-like Receptor (TLR) 9 in the development of a T-helper (Th)1/Th2 response in the murine model of infection with " Leishmania major "

1.1 SUMMARY The role of the non-specific innate immune system is as important as the elaboration of the adaptive immune system in the initiation of an immune response to pathogens. The role of the Toll-like receptors (TLRs) in the innate immune response to virus and bacterial pathogens is widely recognised, however, little is known about the role of TLRs in host defence against eukaryotic pathogens. Immunologic investigations on the marine model of infection with Leishmania major (L. major) have correlated the outcome of the disease with expansion of different subsets of CD4+ cells, designated Th1 and Th2. The resistance of C57BL/6, CBA and C3H/He mice is linked with an IL-12 driven Th1 response. In BALB/c mice the susceptibility correlates with an IL-4 driven Th2 response. The initial event promoting the development of a Th1 or Th2 response still remains elusive. Recently, the contribution of the TLR signalling pathway in the innate and acquired immune response to infection with the intracellular protozoan parasite L. major has been demonstrated. Thus, the purpose of this study is to determine whether TLRs may play a role in influencing the outcome of the infection by directing the development of a Th1 or a Th2 response during infection with L, major parasites, in resistant C57BL/6 and susceptible BALB/c mice, respectively. We demonstrated that MyD88, the major TLR adaptor molecule is necessary for C57BL/6 to develop a resistant Th1 response following L. major infection. Our data show the essential role of MyD88 in the establishment of a protective Th1 response. We subsequently aimed to determine which TLRs may be involved in the protective response. Since TLR2 and TLR4 have shown to have a potential role for Leishmania recognition, we analysed the course of infection in TLR2 and TLR4 deficient mice on a C57BL/6 resistant background following L. major infection. Our results clearly demonstrate that TLR2 or TLR4 aze dispensable to control the outcome of the disease as the TLR2 and TLR4 knockout mice developed a protective Th1 response. With the aim of determining a potential TLR candidate important in the initiation of the Thl response, we assessed the mRNA expression of different TLRs (TLR1 to TLR9) using quantitative real-time RT-PCR at different time points during the first week of infection. The results clearly showed an upregulation of TLR7 and TLR9 mRNA expression during the early phase of infection in resistant C57BL/6 mice but not in susceptible BALB/c mice. To provide in vivo evidence for the role for, these TLRs in the outcome of cutaneous leishmaniasis, studies using TLR7 and TLR9 deficient mice on a resistant C57BL/6 background were performed. The TLR7 deficient mice developed a resistance phenotype that was comparable with C57BL/6 wild type mice. Thus, the presence of TLR7 is not indispensable for the development of a Th1 response and resistance to infection. On the contrary, TLR9 deficient mice on the C57BL/6 resistant background showed high variability in the outcome of the disease. Although some mice behave as resistant C57BL/6 mice, half of them developed high lesion following infection and showed a decrease in IFN-γ production and an increase in IL-4 as compared to wild type mice. These results suggest that TLR9 may be involved in the control of infection. To test the hypothesis that regulatory T cells (Treg) are playing a role in the high variability in the disease outcome in TLR9 deficient mice, depletion of CD4+CD25+ T cells with a specific antibody three days before infection with L. major were performed Interestingly, these treated mice developed large lesions, low IL-4 and decreased IFN-γ producion when compared to untreated mice. A better understanding of the mechanism by which Treg cells influence the outcome of the disease in TLR9 deficient mice following L. major infection is currently under investigation. Altogether, this study demonstrates the importance of TLR9 in the induction of a protective T'h1 response, a process that is involved in the resolution of the lesion induced by L. major infection. 1.2 RÉSUMÉ Le rôle de la réponse immunitaire innée a longtemps été négligé quant à l'impact qu'elle pourrait avoir dans l'initiation d'une réponse immune adaptative efficace dirigée contre un pathogène. Si l'importance des récepteurs Toll-like (TLR) du système inné dans la reconnaissance des virus et bactéries a été démontrée, son rôle dans la défense contre les pathogènes eucaryotes reste encore très élusif. Récemment, il a été montré que les voies de signalisation provenant de l'activation des TLRs pouvaient initier la réponse immunitaire innée et adaptative après une infection avec le parasite protozoaire Leishmania major (L. major). Dans un modèle marin d'infection avec L. major alors que la plupart des souches de souris telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1) induite par IL-12, peu de souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse Th2 induite par IL-4. La différentiation Th1/Th2 est un événement qui prend place de manière définitive lors de la première semaine après infection. Les événements précoces promouvant le développement d'une réponse Th1 ou Th2 n'étant pas connus, l'objectif de ce travail a été de démontrer un rôle des TLRs dans l'initiation d'une réponse immune innée et adaptative suite à l'infection par L. major. Nous avons démontré que MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, est nécessaire pour que les souris résistantes C57BL/6 développent une réponse Th1 protectrice. L'importance du rôle de TLR2 et TLR4 dans la reconnaissance du parasite Leishmania ayant été démontrée, nous avons privilégié l'analyse de la réponse immunitaire suite à une infection in vivo de souris déficiente en TLR2 ou TLR4 sur un fond génétique résistant. Les résultats obtenus montrent que la présence de ces récepteurs n'est pas indispensable pour le contrôle de l'infection et la polarisation d'une réponse Th1 caractéristique de la résistance à L. major. Cependant d'autres TLRs peuvent aussi activer la voie de signalisation MyD88 dépendante. L'expression de l'ARNm des différents TLRs dans les ganglions drainant de souris sensibles et résistantes pendant la première semaine d'infection a été déterminée par PCR quantitative en temps réel. Les résultats obtenus montrent que l'ARNm de TLR7 et TLR9 était régulé positivement suite à l'infection par L. major chez les souris résistantes C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était détectable chez les souris sensibles BALB/c. Le rôle des récepteurs TLR7 et TLR9 a donc été évalué par l'infection par L. major des souris déficientes en TLR7 et TLR9 sur fond génétique C57BL/6. Nos résultats ont clairement démontré que les souris déficientes en TLR7 montrent une réponse immunitaire identique à celle des souris résistantes C57BL/6, signifiant que TLR7 n'est pas indispensable au développement d'une Th1 ainsi qu'au contrôle de la parasitémie. Paz contre, les souris déficientes en TLR9 sur un fond génétique résistant ont montré une grande variabilité dans la réponse à l'infection. En effet, la moitié des souris deviennent sensibles à l'infection, ceci étant associé à une diminution dans la production d'IFN-γ et à une augmentation de la production d'IL-4. Ces résultats suggèrent que TLR9 est impliqué dans le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Cependant les résultats avec les souris déficientes en TLR9 montrant une grande hétérogénéité et une balance Th1/Th2 instable, nous avons émis l'hypothèse que les cellules T régulatrices pouvaient être impliquées dans ce phénomène. Nous avons effectivement constaté qu'après déplétion des cellules CD4+CD25+, les souris déficientes en TLR9 développent des lésions aussi grandes que les souris BALB/c après infection par L. major. Cependant le nombre de parasites reste le même que chez les souris C57BL/6. De plus la production d'IL-4 ainsi que celle d'IFN-γ reste extrêment bas. Les mécanismes régulateurs impliqués dans ce processus sont en cours d'analyse. Ce travail met en évidence l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. 1.3 RESUME POUR UN LARGE PUBLIC La leishmaniose est une maladie parasitaire répandue dans le monde entier et touchant plus de 88 pays. L'incidence mondiale de la leishmaniose cutanée et de 1 à 1,5 million de nouveaux cas par année. Plus de 12 millions de personnes sont affectées par la maladie et 350 millions de personnes sont une population à risque. Un modèle marin d'infection avec Leishmania major (L. major) a été établi qui reproduit plusieurs tableaux cliniques observés dans le cas de la leishmaniose cutanée chez l'homme. L'analyse de la réponse immunitaire dans les souris infectées par L. major a permis de distinguer deux groupes : les souris de la plupart des souches telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1), alors que quelques souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse de type Th2. La réponse immune adaptative dans le modèle d'infection avec L. major à été largement étudiée. Cependant, les événements précoces déterminants pour le développement d'une réponse Th1 ou Th2 restent encore très flous. Récemment, plusieurs publications ont montré que les récepteurs Toll-like (TLR) peuvent contribuer à l'initiation de la réponse immunitaire lors d'une infection avec le parasite intracellulaire L. major. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le rôle de MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, dans la réponse immune suite à une infection avec L. major. En l'absence de MyD88, les souris normalement résistantes à l'infection avec L. major deviennent sensibles et développent des lésions importantes. Ces souris ne sont plus capables de développer une réponse Thl, normalement caractéristique de leur phénotype résistant. Nous avons ensuite tenté de comprendre quels TLRs, plus précisément, pouvait être impliqué dans ce processus. Malgré quelques évidences démontrant que TLR2 et TLR4 pouvaient avoir un rôle important dans l'initiation d'une réponse immunitaire adaptative à Leishmania, nous avons montré que, in vivo après infection avec L. major, la déficience d'un de ces récepteurs n'était pas suffisante à faire basculer la réponse immunitaire. Les souris C57BL/6 déficient en TLR2 ou TLR4 peuvent parfaitement contrôler l'évolution de la maladie. De plus, ces souris, malgré l'absence de TLR2 ou TLR4, sont capables de monter une parfaite réponse Thl. Etant donné que TLR2 et TLR4 n'étaient pas essentiels pour la résistance à la maladie, nous avons analysé les TLRs, parmi les 12 décrits qui pouvaient être indispensables au développement d'une réponse de type Th1 associée à la résistance à l'infection par Leishmania. Nos expériences ont montré que l'expression de l'ARN messager (ARNm) de TLR7 et TLR9 était modulée suite à l'infection par L. major chez la souris résistante C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était visible chez les souris sensible BALB/c. Pensant que ces TLRs pourraient jouer un rôle dans la réponse immunitaire au parasite, nous avons étudié l'évolution de l'infection dans les souris déficientes en TLR7 et TLR9. Nos résultats ont clairement démontré que TLR7 n'était pas indispensable à la résistance au parasite alors que l'absence de TLR9 avait des conséquences radicales sur le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Ce travail révèle ainsi l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. Il est a noté que nos résultats sont en accord avec le fait que les motifs CpG, qui sont des immunostimulateurs interagissant avec le TLR9, ont une activité adjuvante importante dans la préparation de vaccins contre la leishmaniose. Une meilleure compréhension des mécanismes immunologiques impliquant le TLR9 dans la reconnaissance du parasite est alors indispensable pour le développement de vaccins thérapeutiques efficaces.

Modulation of the airway allergic response : characterization of the cellular and molecular mechanisms

ABSTRACT Allergic asthma is a major complication of atopy. Its severity correlates with the presence of activated T lymphocytes and eosinophils in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF). Mechanisms that protect against asthma are poorly understood. Based on oral models of mucosal tolerance induction, models using the nasal route showed that uptake of important amounts of antigen can induce tolerance and reverse the allergic phenotype. 1L-10 producing regulatory T cells were proposed as key players in tolerance induction, but other players, e.g. dendritic cells (DC), B cells and epithelial cells may have to be taken into consideration. The objective of the present study is to characterize the effects of a therapeutic intranasal treatment (INT) in a murine model of asthma and to determine, in this model, the cellular and molecular mechanisms leading to protection against asthma. First, we established an asthma model by sensitizing the BALB/c mouse to ovalbumin (OVA) by two intraperitoneal injections of alum-adsorbed OVA and three inhalations of aerosolized OVA. Then OVA was applied to the nasal mucosa of OVA- sensitized mice. Mice were later re-exposed to OVA aerosols to assess the protection induced by OVA INT. OVA sensitization induced strong eosinophil recruitment, OVA-specific T cell proliferation and IgE production. Three intranasal treatments at 24-hour intervals with 1.5 mg OVA drastically reduced inflammatory cell recruitment into the BALF and inhibited OVA-specific IgE production upon allergen re-exposure. T cell proliferation in ex vivo bronchial lymph node (BLN) cells was inhibited, as well as TH2 cytokine production. Protection against OVA-induced bronchial inflammation was effective for an extended period of time and treated mice resisted a second re-exposure. Transfer of CD4+ cells from BLN and lungs of OVA-treated mice protected asthmatic recipient mice from subsequent aerosol challenge indicating an involvement of CD4+ T regulatory cells in this protection. RESUME L'asthme allergique est une manifestation clinique majeure de l'atopie. La sévérité de l'asthme est liée à la présence de lymphocytes T activés ainsi que d'éosinophiles dans le lavage broncho-alvéolaire (LBA). Les mécanismes permettant de se prémunir contre l'asthme sont mal connus. Basés sur des modèles muqueux d'induction de tolérance par la voie orale, des modèles utilisant la voie nasale ont montré que d'importantes quantités d'antigène peuvent induire une tolérance et ainsi reverser le phénotype allergique. Des cellules régulatrices produisant de l'IL-10 pourraient jouer un rôle clé dans l'induction de la tolérance mais d'autres acteurs tels que les cellules dendritiques, les cellules B et les cellules épithéliales doivent aussi être prises en compte. L'objectif de la présente étude est de caractériser les effets d'un traitement intranasal thérapeutique dans un modèle murin d'asthme et de déterminer dans ce modèle les mécanismes cellulaires et moléculaires conférant une protection contre l'asthme. En premier lieu, un modèle d'asthme allergique a été établi en sensibilisant des souris BALB/c à l'ovalbumine (OVA) par deux injections intraperitonéales d'OVA adsorbé sur de l'alum et trois séances d'OVA en aérosol. Dans un second temps, de l'OVA a été administrée sur la muqueuse nasale des souris sensibilisées à l'OVA. Les souris furent ensuite challengées par des aérosols d'OVA afin d'évaluer la protection conférée par le traitement intranasal à l'OVA. La sensibilisation à l'OVA a induit un fort recrutement d'éosinophiles, une réponse proliférative des cellules T à l'OVA ainsi qu'une production d'lgE spécifiques. Trois traitements intranasaux à 24 heures d'intervalle avec 1.5 mg d'OVA ont permis de réduire drastiquement le recrutement des cellules inflammatoires dans le LBA ainsi que d'inhiber la production d'lgE spécifiques à l'OVA produits lors d'une ré-exposition à l'OVA. La prolifération en réponse à l'OVA de cellules extraites ex vivo de ganglions bronchiques a, elle aussi, été inhibée de même que la production de cytokines TH2. La protection contre l'inflammation provoquée par l'aérosol est efficace pour une longue période et les souris traitées résistent à une seconde ré- exposition. Le transfert de cellules CD4+ issues de ganglions bronchiques et de poumons de souris traitées à l'OVA protège les souris asthmatiques receveuses contre les effets inflammatoires d'un aérosol, indiquant que des cellules T CD4+ régulatrices pourraient être impliquées dans cette protection. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC L'asthme est une affection des voies respiratoires qui se caractérise par une contraction de la musculature des voies aériennes, une production de mucus et d'anticorps de l'allergie (IgE). On parle d'asthme allergique lorsque les facteurs déclenchant l'asthme sont des allergènes inhalés tels que acariens, pollens ou poils d'animaux. Le système immunitaire des patients asthmatiques a un défaut de programmation qui le rend réactif à des substances qui sont normalement inoffensives. Le traitement actuel de l'asthme repose sur le soulagement des symptômes grâce à des produits à base de stéroïdes. Les techniques permettant de reprogrammer le système immunitaire (immunothérapie) ne sont pas efficaces pour tous les antigènes et prennent beaucoup de temps. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes sous-tendant une telle reprogrammation afin d'en améliorer le rendement et l'efficacité. Dans ce but, des modèles d'immunothérapie ont été mis au point chez la souris. Ils permettent une plus grande liberté d'investigation. Dans cette étude, un modèle d'asthme allergique dans la souris a été établi par une sensibilisation à un antigène particulier : l'ovalbumine (OVA). Ce modèle présente les caractéristiques principales de l'asthme humain : recrutement de cellules inflammatoires dans les poumons, augmentation de la production d'anticorps et de la résistance des bronches aux flux respiratoires. Cette souris asthmatique a ensuite été traitée par application nasale d'OVA. Comparées aux souris non traitées, les souris traitées à l'OVA ont moins de cellules inflammatoires dans leurs poumons et produisent moins d'anticorps IgE. D'autres marqueurs inflammatoires sont aussi fortement diminués. Des cellules de poumons ou de ganglions bronchiques prélevées sur des souris traitées injectées dans des souris asthmatiques améliorent les symptômes de l'asthme. Ces cellules pourraient donc avoir un rôle régulateur dans l'asthme. Les caractériser et les étudier afin d'être capable de les générer est crucial pour les futures thérapies de l'asthme.