Gut microbiota metabolism of dietary fiber influences allergic airway disease and hematopoiesis.

Metabolites from intestinal microbiota are key determinants of host-microbe mutualism and, consequently, the health or disease of the intestinal tract. However, whether such host-microbe crosstalk influences inflammation in peripheral tissues, such as the lung, is poorly understood. We found that dietary fermentable fiber content changed the composition of the gut and lung microbiota, in particular by altering the ratio of Firmicutes to Bacteroidetes. The gut microbiota metabolized the fiber, consequently increasing the concentration of circulating short-chain fatty acids (SCFAs). Mice fed a high-fiber diet had increased circulating levels of SCFAs and were protected against allergic inflammation in the lung, whereas a low-fiber diet decreased levels of SCFAs and increased allergic airway disease. Treatment of mice with the SCFA propionate led to alterations in bone marrow hematopoiesis that were characterized by enhanced generation of macrophage and dendritic cell (DC) precursors and subsequent seeding of the lungs by DCs with high phagocytic capacity but an impaired ability to promote T helper type 2 (TH2) cell effector function. The effects of propionate on allergic inflammation were dependent on G protein-coupled receptor 41 (GPR41, also called free fatty acid receptor 3 or FFAR3), but not GPR43 (also called free fatty acid receptor 2 or FFAR2). Our results show that dietary fermentable fiber and SCFAs can shape the immunological environment in the lung and influence the severity of allergic inflammation.

In vitro susceptibility to pentavalent antimony in Leishmania infantum strains is not modified during in vitro or in vivo passages but is modified after host treatment with meglumine antimoniate

Background: Leishmaniasis is a common parasitic disease in Southern Europe, caused by Leishmania infantum. The failures of current treatment with pentavalent antimonials are partially attributable to the emergence of antimony-resistant Leishmania strains. This study analyses the in vitro susceptibility to pentavalent antimony of intracellular amastigotes from a range of L. infantum strains, derived from the same infected animal, during in vitro and in vivo passages and after host treatment with meglumine antimoniate. Results: SbV-IC50 values for strains from two distinct isolates from the same host and one stock after two years of culture in NNN medium and posterior passage to hamster were similar (5.0 ± 0.2; 4.9 ± 0.2 and 4.4 ± 0.1 mgSbV/L, respectively). In contrast, a significant difference (P < 0.01, t test) was observed between the mean SbV-IC50 values in the stocks obtained before and after treatment of hosts with meglumine antimoniate (4.7 ± 0.4 mgSbV/L vs. 7.7 ± 1.5 mgSbV/L). Drug-resistance after drug pressure in experimentally infected dogs increased over repeated drug administration (6.4 ± 0.5 mgSbV/L after first treatment vs. 8.6 ± 1.4 mgSbV/L after the second) (P < 0.01, t test). Conclusions: These results confirm previous observations on strains from Leishmania/HIV co-infected patients and indicate the effect of the increasing use of antimony derivatives for treatment of canine leishmaniasis in endemic areas on the emergence of Leishmania antimony-resistant strains.

Mycobactéries non tuberculeuses maladie pulmonaire: quoi de neuf [Non tuberculous mycobacteria pulmonary disease: what's new?].

The incidence of NTM (non tuberculous mycobacteria) pulmonary disease is increasing. The diagnosis must be established in the presence of clinical, radiological and microbiological findings. Groups at risk to contract pulmonary disease due to NTM are patients with underlying structural lung disease. Treatment of NTM is long and requires multiple drugs combinations. Relapses and re-infection are not rare. Our understanding in many matters of NTM pulmonary disease is incomplete. Further research is necessary in order to understand the host's defense mechanisms against NTM, and the factors that influence the evolution to lung disease.

Comparative Genomics Suggests that the Fungal Pathogen Pneumocystis Is an Obligate Parasite Scavenging Amino Acids from Its Host's Lungs.

Pneumocystis jirovecii is a fungus causing severe pneumonia in immuno-compromised patients. Progress in understanding its pathogenicity and epidemiology has been hampered by the lack of a long-term in vitro culture method. Obligate parasitism of this pathogen has been suggested on the basis of various features but remains controversial. We analysed the 7.0 Mb draft genome sequence of the closely related species Pneumocystis carinii infecting rats, which is a well established experimental model of the disease. We predicted 8'085 (redundant) peptides and 14.9% of them were mapped onto the KEGG biochemical pathways. The proteome of the closely related yeast Schizosaccharomyces pombe was used as a control for the annotation procedure (4'974 genes, 14.1% mapped). About two thirds of the mapped peptides of each organism (65.7% and 73.2%, respectively) corresponded to crucial enzymes for the basal metabolism and standard cellular processes. However, the proportion of P. carinii genes relative to those of S. pombe was significantly smaller for the "amino acid metabolism" category of pathways than for all other categories taken together (40 versus 114 against 278 versus 427, P<0.002). Importantly, we identified in P. carinii only 2 enzymes specifically dedicated to the synthesis of the 20 standard amino acids. By contrast all the 54 enzymes dedicated to this synthesis reported in the KEGG atlas for S. pombe were detected upon reannotation of S. pombe proteome (2 versus 54 against 278 versus 427, P<0.0001). This finding strongly suggests that species of the genus Pneumocystis are scavenging amino acids from their host's lung environment. Consequently, they would have no form able to live independently from another organism, and these parasites would be obligate in addition to being opportunistic. These findings have implications for the management of patients susceptible to P. jirovecii infection given that the only source of infection would be other humans.

One-year acyclovir prophylaxis for preventing varicella-zoster virus disease after hematopoietic cell transplantation: no evidence of rebound varicella-zoster virus disease after drug discontinuation.

No consensus exists on whether acyclovir prophylaxis should be given for varicella-zoster virus (VZV) prophylaxis after hematopoietic cell transplantation because of the concern of "rebound" VZV disease after discontinuation of prophylaxis. To determine whether rebound VZV disease is an important clinical problem and whether prolonging prophylaxis beyond 1 year is beneficial, we examined 3 sequential cohorts receiving acyclovir from day of transplantation until engraftment for prevention of herpes simplex virus reactivation (n = 932); acyclovir or valacyclovir 1 year (n = 1117); or acyclovir/valacyclovir for at least 1 year or longer if patients remained on immunosuppressive drugs (n = 586). In multivariable statistical models, prophylaxis given for 1 year significantly reduced VZV disease (P < .001) without evidence of rebound VZV disease. Continuation of prophylaxis beyond 1 year in allogeneic recipients who remained on immunosuppressive drugs led to a further reduction in VZV disease (P = .01) but VZV disease developed in 6.1% during the second year while receiving this strategy. In conclusion, acyclovir/valacyclovir prophylaxis given for 1 year led to a persistent benefit after drug discontinuation and no evidence of a rebound effect. To effectively prevent VZV disease in long-term hematopoietic cell transplantation survivors, additional approaches such as vaccination will probably be required.

Experimentally increased group diversity improves disease resistance in an ant species.

A leading hypothesis linking parasites to social evolution is that more genetically diverse social groups better resist parasites. Moreover, group diversity can encompass factors other than genetic variation that may also influence disease resistance. Here, we tested whether group diversity improved disease resistance in an ant species with natural variation in colony queen number. We formed experimental groups of workers and challenged them with the fungal parasite Metarhizium anisopliae. Workers originating from monogynous colonies (headed by a single queen and with low genetic diversity) had higher survival than workers originating from polygynous ones, both in uninfected groups and in groups challenged with M. anisopliae. However, an experimental increase of group diversity by mixing workers originating from monogynous colonies strongly increased the survival of workers challenged with M. anisopliae, whereas it tended to decrease their survival in absence of infection. This experiment suggests that group diversity, be it genetic or environmental, improves the mean resistance of group members to the fungal infection, probably through the sharing of physiological or behavioural defences.

DNA vaccine encoding nucleocapsid and surface proteins of wild type canine distemper virus protects its natural host against distemper.

Canine distemper virus (CDV), a member of the genus Morbillivirus induces a highly infectious, frequently lethal disease in dogs and other carnivores. Current vaccines against canine distemper consisting of attenuated viruses have been in use for many years and have greatly reduced the incidence of distemper in the dog population. However, certain strains may not guarantee adequate protection and others can induce post vaccinal encephalitis. We tested a DNA vaccine for its ability to protect dogs, the natural host of CDV, against distemper. We constructed plasmids containing the nucleocapsid, the fusion, and the attachment protein genes of a virulent canine distemper virus strain. Mice inoculated with these plasmids developed humoral and cellular immune responses against CDV antigens. Dogs immunized with the expression plasmids developed virus-neutralizing antibodies. Significantly, vaccinated dogs were protected against challenge with virulent CDV, whereas unvaccinated animals succumbed to distemper.

No detectable indirect effects of late-onset Cytomegalovirus disease after valganciclovir (VGC) prophylaxis in kidney transplant recipients

Background: Cytomegalovirus (CMV) disease remains an important cause of morbidity after kidney transplantation and has been associated with acute rejection, graft loss and other indirect effects. A 3-month course of VGC prophylaxis reduces the incidence of CMV disease. However, little is known about the indirect effects of lateonset CMV disease after VGC prophylaxis. Objective: To evaluate the impact and indirect consequences of late-onset CMV disease after VGC prophylaxis in kidney transplant recipients. Methods: Retrospective analysis of 61 consecutive adult kidney transplant recipient with positive CMV serology (donor or recipient) who received VGC prophylaxis for 3 months and completed a follow-up of at least 2 years post-transplantation. Patients who developed CMV disease within 1 year after transplantation were compared to CMV disease-free patients for renal function (plasma creatinine values) at 1, 6, 12 and 24 months and for the incidence of graft loss, acute rejection, diabetes, cancer and opportunistic infections. Results: 8/61 (13%) patients developed CMV disease at a median of 131 days after transplantation (range: 98-220). The CMV incidence in D+/R- high risk patients was 6/18 (33%), while it was 2/43 (5%) in intermediate-risk patients (p < 0.01). All 8 patients were treated by oral valganciclovir (median 39 days; range: 19-119) with a complete resolution of CMV disease. As shown in the figure, there was no difference in creatinine values between the two groups at any time during follow-up. There was no graft loss, and the incidence of acute rejection, cancer and opportunistic infections did not differ between the two groups. The incidence of post-transplant diabetes was higher (38% vs 15%) in patients with CMV disease, but this difference was not significant (p = 0.4). Conclusions: An incidence of 13% of late-onset CMV disease was observed despite 3 months VGC prophylaxis. However, no indirect consequences were found. Moreover, therapy of CMV disease by oral VGC was effective and safe. Larger trials are needed to study whether late-onset CMV disease is associated with indirect consequences, as described with early-onset CMV.

Host Genes Important to HIV Replication and Evolution.

Recent years have seen a significant increase in understanding of the host genetic and genomic determinants of susceptibility to HIV-1 infection and disease progression, driven in large part by candidate gene studies, genome-wide association studies, genome-wide transcriptome analyses, and large-scale in vitro genome screens. These studies have identified common variants in some host loci that clearly influence disease progression, characterized the scale and dynamics of gene and protein expression changes in response to infection, and provided the first comprehensive catalogs of genes and pathways involved in viral replication. Experimental models of AIDS and studies in natural hosts of primate lentiviruses have complemented and in some cases extended these findings. As the relevant technology continues to progress, the expectation is that such studies will increase in depth (e.g., to include host whole exome and whole genome sequencing) and in breadth (in particular, by integrating multiple data types).

On stand by: host genetics of HIV control.

The impact of host genetic variation on determining the differential outcomes after HIV infection has been studied by two approaches: targeting of candidate genes and genome-wide association studies (GWASs). The overlap in genetic variants that has been identified by these two means has essentially been restricted to variants near to the human leukocyte antigen (HLA) class I genes, although variation in the CCR5 locus, which was first shown to have an effect on HIV outcomes using the candidate gene approach, does reach significance genome-wide when very large samples sizes (i.e. thousands) are used in GWAS. Overall, many of the variants identified by the candidate gene approach are likely to be spurious, as no additional variants apart from a novel variant near the HLA-C gene have been consistently identified by GWAS. Variants with low frequency and/or low impact on HIV outcomes are likely to exist in the genome and there could be many of them, but these are not identifiable, given current GWAS sample sizes. Several loci centrally involved in the immune response, including the immunoglobulin genes, T-cell receptor loci, or leukocyte receptor complex, are either poorly covered on the GWAS chips or difficult to interpret due to their repetitive nature and/or the presence of insertion/deletion polymorphisms in the region. These loci warrant further interrogation, but genetic characterization of these regions across a range of individuals will first be required. Finally, synergistic interactions between loci may affect outcome after infection, as suggested by associations of specific, functionally relevant HLA and killer cell immunoglobulin-like receptor variants with HIV disease outcomes, and these require further consideration as well.

Host genetics and HIV-1: the final phase?

This is a crucial transition time for human genetics in general, and for HIV host genetics in particular. After years of equivocal results from candidate gene analyses, several genome-wide association studies have been published that looked at plasma viral load or disease progression. Results from other studies that used various large-scale approaches (siRNA screens, transcriptome or proteome analysis, comparative genomics) have also shed new light on retroviral pathogenesis. However, most of the inter-individual variability in response to HIV-1 infection remains to be explained: genome resequencing and systems biology approaches are now required to progress toward a better understanding of the complex interactions between HIV-1 and its human host.

The NLRP3 inflammasome is differentially activated by pneumolysin variants and contributes to host defense in pneumococcal pneumonia.

Streptococcus pneumoniae is a leading cause of pneumonia, meningitis, and sepsis. Pneumococci can be divided into >90 serotypes that show differences in the pathogenicity and invasiveness. We tested the hypotheses that the innate immune inflammasome pathway is involved in fighting pneumococcal pneumonia and that some invasive pneumococcal types are not recognized by this pathway. We show that human and murine mononuclear cells responded to S. pneumoniae expressing hemolytic pneumolysin by producing IL-1β. This IL-1β production depended on the NOD-like receptor family, pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome. Some serotype 1, serotype 8, and serotype 7F bacteria, which have previously been associated with increased invasiveness and with production of toxins with reduced hemolytic activity, or bacterial mutants lacking pneumolysin did not stimulate notable IL-1β production. We further found that NLRP3 was beneficial for mice during pneumonia caused by pneumococci expressing hemolytic pneumolysin and was involved in cytokine production and maintenance of the pulmonary microvascular barrier. Overall, the inflammasome pathway is protective in pneumonia caused by pneumococci expressing hemolytic toxin but is not activated by clinically important pneumococcal sequence types causing invasive disease. The study indicates that a virulence factor polymorphism may substantially affect the recognition of bacteria by the innate immune system.

Computational analysis of the genetic and environmental contributions to disease-related human phenotypes: From predicting adverse lipid response of HIV patients receiving antiretroviral therapy to genome-wide association studies of cardiovascular and lipid related disorders

Genetic variants influence the risk to develop certain diseases or give rise to differences in drug response. Recent progresses in cost-effective, high-throughput genome-wide techniques, such as microarrays measuring Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), have facilitated genotyping of large clinical and population cohorts. Combining the massive genotypic data with measurements of phenotypic traits allows for the determination of genetic differences that explain, at least in part, the phenotypic variations within a population. So far, models combining the most significant variants can only explain a small fraction of the variance, indicating the limitations of current models. In particular, researchers have only begun to address the possibility of interactions between genotypes and the environment. Elucidating the contributions of such interactions is a difficult task because of the large number of genetic as well as possible environmental factors.In this thesis, I worked on several projects within this context. My first and main project was the identification of possible SNP-environment interactions, where the phenotypes were serum lipid levels of patients from the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) treated with antiretroviral therapy. Here the genotypes consisted of a limited set of SNPs in candidate genes relevant for lipid transport and metabolism. The environmental variables were the specific combinations of drugs given to each patient over the treatment period. My work explored bioinformatic and statistical approaches to relate patients' lipid responses to these SNPs, drugs and, importantly, their interactions. The goal of this project was to improve our understanding and to explore the possibility of predicting dyslipidemia, a well-known adverse drug reaction of antiretroviral therapy. Specifically, I quantified how much of the variance in lipid profiles could be explained by the host genetic variants, the administered drugs and SNP-drug interactions and assessed the predictive power of these features on lipid responses. Using cross-validation stratified by patients, we could not validate our hypothesis that models that select a subset of SNP-drug interactions in a principled way have better predictive power than the control models using "random" subsets. Nevertheless, all models tested containing SNP and/or drug terms, exhibited significant predictive power (as compared to a random predictor) and explained a sizable proportion of variance, in the patient stratified cross-validation context. Importantly, the model containing stepwise selected SNP terms showed higher capacity to predict triglyceride levels than a model containing randomly selected SNPs. Dyslipidemia is a complex trait for which many factors remain to be discovered, thus missing from the data, and possibly explaining the limitations of our analysis. In particular, the interactions of drugs with SNPs selected from the set of candidate genes likely have small effect sizes which we were unable to detect in a sample of the present size (<800 patients).In the second part of my thesis, I performed genome-wide association studies within the Cohorte Lausannoise (CoLaus). I have been involved in several international projects to identify SNPs that are associated with various traits, such as serum calcium, body mass index, two-hour glucose levels, as well as metabolic syndrome and its components. These phenotypes are all related to major human health issues, such as cardiovascular disease. I applied statistical methods to detect new variants associated with these phenotypes, contributing to the identification of new genetic loci that may lead to new insights into the genetic basis of these traits. This kind of research will lead to a better understanding of the mechanisms underlying these pathologies, a better evaluation of disease risk, the identification of new therapeutic leads and may ultimately lead to the realization of "personalized" medicine.

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.

Early life host-microbe interactions : implications for the development of asthma

Plus de 300 millions de personnes dans le monde souffrent de l'asthme. L'asthme est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires caractérisée par des symptômes variables et récurrents, une obstruction bronchique réversible et des bronchospasmes. Les symptômes communs incluent une respiration sifflante, de la toux, une oppression thoracique et de la dyspnée. Normalement, la maladie commence à se manifester pendant l'enfance. Pourtant, facteurs génétiques héréditaires et événements environnementaux survenant au cours de la petite enfance sont responsables de sa manifestation, indiquant que le développement de la maladie est lié à des événements qui se produisent bien avant son déclenchement. L'infection respiratoire virale aiguë constitue un de ces facteurs environnementaux jouant un rôle prépondérant. Un des virus les plus communs est le virus respiratoire syncytial (VRS), qui infecte presque tous les enfants avant l'âge de 2 ans. Ce virus, s'il infecte des tout-petits, peut en effet provoquer une bronchiolite aiguë, un phénomène qui a été épidémiologiquement lié à l'apparition d'asthme plus tard dans la vie. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons étudié, chez la souris, comment une infection avec le VRS influe sur l'asthme allergique. Nous avons constaté que seule l'infection des souris à l'état de nouveau-né prédispose à un asthme allergique plus sévère chez l'adulte. En effet, si des souris adultes étaient infectées, elles étaient protégées contre l'apparition des symptômes asthmatiques. Cela nous a mené à investiguer les mécanismes immunitaires spécifiques durant cette courte période du début de la vie. Deux événements se produisent en parallèle au cours de la petite enfance: (1) Le système immunitaire, qui est encore immature immédiatement après la naissance, commence à se développer pour être en mesure de jouer son rôle protecteur contre les agents infectieux. (2) Le corps, y compris les poumons, est colonisé par des bactéries commensales, qui vivent en symbiose avec leur hôte humain. Chez l'adulte, ces bactéries sont connues pour influencer notre système immunitaire, l'éduquant à générer des réponses immunitaires adéquates et efficaces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons voulu déterminer si ces bactéries symbiotiques étaient impliquées dans l'éducation du système immunitaire du nouveau-né et quelles conséquences cela pourrait avoir sur les réponses immunitaires engendrées par ce dernier. Pour étudier l'effet de ces bactéries symbiotiques, nous avons utilisé des souris stériles, en d'autres termes des souris qui n'hébergent pas ces bactéries symbiotiques. En comparant ces souris stériles à des souris qui abritent une flore microbienne normale, nous avons constaté que les bactéries symbiotiques sont vitales pour la bonne éducation du système immunitaire du nouveau-né. Nous avons démontré que le contact direct des cellules immunitaires avec la flore microbienne dans les poumons modifie le phénotype de ces cellules immunitaires, ce qui change probablement leur réaction au cours de réponses immunitaires. Nous avons donc vérifié si l'éducation immunitaire induite par cette microflore est importante pour prévenir les maladies pulmonaires telles que l'asthme allergique, affections qui sont causées par une réaction excessive du système immunitaire envers des agents inoffensifs. En effet, nous avons observé que le processus de maturation du système immunitaire néonatal, lequel a été déclenché et façonné par la flore microbienne, est important pour éviter une réaction asthmatique exagérée chez la souris adulte. Ce phénomène est dû aux lymphocytes T régulateurs. Ces cellules, dont la présence est induite dans les poumons, ont des capacités immunosuppressives et atténuent donc les réponses immunitaires pour prévenir une inflammation excessive. En conclusion, nous avons montré dans cette thèse que la colonisation par des bactéries symbiotiques tôt dans la vie est un événement décisif pour la maturation du système immunitaire et pour prévenir le développement de l'asthme. Dans l'avenir, il serait intéressant de découvrir quelles bactéries sont présentes dans les poumons du nouveau-né et lesquelles sont directement impliquées dans ce processus de maturation immunitaire. Une prochaine étape serait alors de favoriser la présence de ces bactéries au début de la vie au moyen d'un traitement avec des agents pré- ou probiotiques, ce qui pourrait éventuellement contribuer à une prévention précoce du développement de l'asthme. -- L'asthme est une maladie chronique inflammatoire des voies respiratoires affectant près de 300 millions d'individus dans le monde. Bien que les traits caractéristiques du phénotype asthmatique s'établissent généralement pendant l'enfance, la prédisposition au développement de la maladie est intimement liée à des événements survenant durant la petite enfance, comme le sont par exemple les infections virales respiratoires aiguës. Les mécanismes par lesquels ces événements provoquent un dysfonctionnement immunitaire et, par conséquent, conduisent au développement de l'asthme n'ont pas encore été entièrement décelés. La dysbiose du microbiote des voies respiratoires a été récemment associes au phénotype asthmatique, touisTcis, la cuûoboiatioî! d un lien cause à effet entre la dysbiose microbienne et l'apparition des symptômes asthmatiques reste à être démontrée. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle que joue la colonisation microbienne des voies respiratoires au cours de la petite enfance dans la maturation du système immunitaire ainsi que dans la protection contre l'inflammation pulmonaire de type allergique. Nous avons de surcroît développé un modèle expérimental pour comprendre comment les infections virales respiratoires interfèrent avec ce processus. Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué l'effet d'infections causées par le virus respiratoire syncytial (VRS) sur le développement de l'asthme. En accord avec des études épidémiologiques, nous avons constaté qu'une infection au VRS lors de la période néonatale exacerbait les réponses pulmonaires allergiques ultérieures. Par contraste, une infection à l'âge adulte avait un effet protecteur. Nous avons ainsi démontré que l'influence d'une infection à VRS sur l'issue et la sévérité de l'asthme respiratoire était strictement dépendante de l'âge. Ces résultats nous ont conduit à émettre l'hypothèse que des différences dans le phénotype homéostatique des cellules immunitaires pourraient être responsables de ces disparités liées à l'âge. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons suivi et caractérisé le processus de maturation des cellules immunitaires dans les poumons du nouveau-né en condition d'homéostasie. Nous avons découvert que leur phénotype change de façon dynamique pendant le développement néonatal et que la colonisation par des microbes était déterminante pour la maturation des cellules immunitaires dans les poumons. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons démontré comment le microbiote pulmonaire éduque le développement immunitaire durant la période néonatale l'orientant de manière à induire une tolérance face aux aéroallergènes. Nous avons découvert que la colonisation microbienne des voies respiratoires provoque une expression transitoire de PD-L1 sur les cellules dendritiques (CD) pulmonaires du type CD11b+ dans les deux premières semaines de la vie. Cet événement engendre par la suite la génération de lymphocytes T régulateurs (TREG) dans les poumons, lesquels sont responsables de la protection contre une réponse inflammatoire allergique exagérée chez la souris adulte. Par conséquent, nous proposons un rôle pivot de la maturation immunitaire induite par le microbiote pulmonaire dans l'établissement de la tolérance aux aéroallergènes. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouveaux indices révélant comment des événements se produisant lors de la petite enfance peuvent façonner les réponses du système immunitaire dirigées contre les allergènes et soulignent le rôle central joué par le microbiote pulmonaire dans l'édification d'une réponse immunitaire équilibrée. En résumé, notre travail met en évidence le microbiote pulmonaire comme étant une cible potentielle pour la prévention de certaines maladies respiratoires. -- Asthma is a chronic inflammatory disorder of the respiratory tract and affects approximately 300 million individuals world-wide. Although the asthmatic phenotype commonly establishes during childhood, predisposition towards disease development has been linked to events in early infancy, such as severe respiratory viral infections. However, the mechanisms by which these events cause immune dysfunction and, therefore, lead to the development of asthma have yet to be fully deciphered. Dysbiosis of the airway microbiota has recently been associated with the asthmatic phenotype; however, conclusive evidence for a causal link between microbial dysbiosis in the ail ways and asthma development is still missing. In this thesis we investigated the role of early-life microbial airway colonization in immune maturation and the protection against allergic airway inflammation and established an experimental model to address how respiratory viral infections interfere in this process. In the first part of this thesis we evaluated the effect of Respiratory syncytial virus (RSV) infections on the development of asthma. In concurrence with epidemiological studies, we found that neonatal infection exacerbated subsequent allergic airway inflammation. In contrast, adult infection was protective in the same context. Thus, we could demonstrate that the influence of RSV infection on subsequent allergic airway responses was strictly age-dependent. These findings led us to the hypothesis that differences in the homeostatic phenotype of immune cells could be responsible for the age-related disparities seen within the context of RSV. Therefore, in a second part of this thesis, we followed the process of homeostatic immune cell maturation in the neonatal lung. Immune cell phenotypes changed dynamically during neonatal development. We discovered that the colonization with microbes was central to the maturation of immune cells in the lung. In the last part of this thesis, we demonstrated how microbiota-driven immune development during the neonatal period induces tolerance against aeroallergens. We discovered that microbial colonization led to a transient programmed death-ligand (PD-L) 1 expression on CD11b+ pulmonary dendritic cells (DCs) during the first two weeks of life. This in turn induced regulatory T (TREG) cells in the lung, which were responsible for the protection against exaggerated allergic airway inflammation in adult mice. Thus, we propose a key role for microbiota-driven immune maturation in the establishment of tolerance towards aeroallergens. In conclusion, the results presented in this thesis provide new insights into how early-life events shape pulmonary immune responses towards allergens and suggest the airway microbiota as a key player in establishing a balanced immune response. Overall, our work highlights the airway microbiota as potential target for disease prevention.