Enforcing dendritic cell vaccines by manipulating the MHC II antigen presentation pathway

Les vaccins à base de cellules dendritiques (DCs) constituent une avenue très populaire en immunothérapie du cancer. Alors que ces cellules peuvent présenter des peptides exogènes ajoutés au milieu, l’efficacité de chargement de ces peptides au le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe II est limitée. En effet, la majorité des molécules du CMH II à la surface des DCs sont très stable et l’échange de peptide spontané est minime. Confinée aux vésicules endosomales, HLA-DM (DM) retire les peptides des molécules du CMH II en plus de leur accorder une conformation réceptive au chargement de peptides. Il est possible, cependant, de muter le signal de rétention de DM de façon à ce que la protéine s’accumule en surface. Nous avons émis l’hypothèse que ce mutant de DM (DMY) sera aussi fonctionnel à la surface que dans la voie endosomale et qu’il favorisera le chargement de peptides exogènes aux DCs. Nous avons utilisé un vecteur adénoviral pour exprimer DMY dans des DCs et avons montrer que la molécule augmente le chargement de peptides. L’augmentation du chargement peptidique par DMY est autant qualitatif que quantitatif. DMY améliore la réponse T auxiliaire (Th) du coté Th1, ce qui favorise l’immunité anti-cancer. Du côté qualitatif, le chargement de peptides résulte en des complexes peptide-CMHII (pCMH) d’une conformation supérieure (conformère). Ce conformère (Type A) est le préféré pour la vaccination et DMY édite avec succès les complexes pCMH à la surface en éliminant ceux de type B, lesquels sont indésirables. La fonction de DM est régulée par HLA-DO (DO). Ce dernier inhibe l’habilité de DM à échanger le peptide CLIP (peptide dérivée de la chaîne invariante) en fonction du pH, donc dans les endosomes tardifs. Mes résultats indiquent que la surexpression de DO influence la présentation des superantigènes (SAgs) dépendants de la nature du peptide. Il est probable que DO améliore indirectement la liaison de ces SAgs au pCMH dû à l’accumulation de complexe CLIP-CMH, d’autant plus qu’il neutralise la polarisation Th2 normalement observée par CLIP. Ensemble, ces résultats indiquent que DMY est un outil intéressant pour renforcer le chargement de peptides exogènes sur les DCs et ainsi générer des vaccins efficaces. Un effet inattendu de DO sur la présentation de certains SAgs a aussi été observé. Davantage de recherche est nécessaire afin de résoudre comment DMY et DO influence la polarisation des lymphocytes T auxiliaires. Cela conduira à une meilleure compréhension de la présentation antigénique et de son étroite collaboration avec le système immunitaire.

Étude génétique et fonctionnelle des Interferon-producing Killer Dendritic Cells

L’idée qu’une cellule puisse effectuer la cytolyse de cellules transformées, comme une cellule Natural Killer (NK), tout en ayant la capacité de présenter des antigènes, comme une cellule dendritique (DC), peut sembler fantaisiste. Cependant, de telles cellules furent bel et bien identifiées chez la souris en 2006. Ces cellules, nommées Interferon-producing Killer Dendritic Cells (IKDC), furent l’objet d’une caractérisation extensive qui révéla leur énorme potentiel immunologique. La combinaison de fonctions associées à des cellules NK et à des DC a doté les IKDC d’un pouvoir antitumoral remarquable. D’ailleurs, il a été démontré que les IKDC sont plus efficaces que les cellules NK pour limiter la croissance tumorale. Ainsi, suite à leur découverte, les IKDC ont suscité beaucoup d’intérêt. Cependant, une controverse émergea sur la nature des IKDC. Plusieurs groupes indépendants tentèrent de reproduire les expériences attestant les fonctions de DC des IKDC, sans y parvenir. De plus, des études additionnelles révélèrent que les IKDC possèdent des similitudes très importantes avec les cellules NK. Ces observations ont mené la communauté scientifique à suggérer que les IKDC sont des cellules NK en état d’activation (aNK). Malgré cette controverse, les caractéristiques antitumorales des IKDC sont si uniques et considérables qu’il est primordial de poursuivre l’étude de ces cellules. Pour y arriver, il est essentiel de déterminer la nature des IKDC et de mettre fin à ce débat. Par la suite, il sera important d’identifier des façons de cibler spécifiquement les IKDC pour permettre leur usage dans le cadre de thérapies antitumorales. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de définir l’identité des IKDC, puis de déterminer les facteurs génétiques responsables de la régulation de ces cellules. Nous avons démontré que les IKDC ne sont pas des cellules aNK, contrairement à ce qui avait été suggéré. Nous avons constaté que les IKDC prolifèrent activement et possèdent un phénotype unique, des caractéristiques associées à des cellules NK très immatures. Afin de déterminer si les IKDC peuvent acquérir un phénotype mature, nous avons effectué des expériences de transfert adoptif. Suite à leur injection in vivo, les IKDC acquièrent un phénotype de cellules matures, mais étonnamment, elles se différencient aussi en cellules NK. Ainsi, nous avons révélé que les IKDC sont un intermédiaire dans la différenciation des cellules NK. En parallèle, nous avons démontré que la proportion d’IKDC varie grandement entre des souris de fond génétique différent, indiquant que des facteurs génétiques sont impliqués dans la régulation de ces cellules. Nous avons alors effectué une analyse génétique qui a révélé que les IKDC sont régulées par des facteurs génétiques compris dans une région distale du chromosome 7. Les résultats présentés dans cette thèse constituent une avancée importante pour la recherche sur les IKDC. Ils ont permis de définir la nature des IKDC et d’identifier un intervalle génétique impliqué dans la régulation de ces cellules. Ces découvertes sont des connaissances précieuses pour l’identification des IKDC chez l’Homme et la création de nouvelles thérapies dans la lutte contre le cancer.

Dynamic epigenetic changes in immune responses to infection in human dendritic cells

La méthylation de l'ADN est une marque épigénétique importante chez les mammifères. Malgré le fait que la méthylation de la cytosine en 5' (5mC) soit reconnue comme une modification épigénétique stable, il devient de plus en plus reconnu qu'elle soit un processus plus dynamique impliquant des voies de méthylation et de déméthylation actives. La dynamique de la méthylation de l'ADN est désormais bien caractérisée dans le développement et dans le fonctionnement cellulaire des mammifères. Très peu est cependant connu concernant les implications régulatrices dans les réponses immunitaires. Pour se faire, nous avons effectué des analyses du niveau de transcription des gènes ainsi que du profilage épigénétique de cellules dendritiques (DCs) humaines. Ceux-ci ont été faits avant et après infection par le pathogène Mycobacterium tuberculosis (MTB). Nos résultats fournissent le premier portrait génomique du remodelage épigénétique survenant dans les DCs en réponse à une infection bactérienne. Nous avons constaté que les changements dans la méthylation de l'ADN sont omniprésents, identifiant 3,926 régions différentiellement méthylées lors des infections par MTB (MTB-RDMs). Les MTB-RDMs montrent un chevauchement frappant avec les régions génomiques marquées par les histones associées avec des régions amplificatrices. De plus, nos analyses ont révélées que les MTB-RDMs sont activement liées par des facteurs de transcription associés à l'immunité avant même d'être infecté par MTB, suggérant ces domaines comme étant des éléments d'activation dans un état de dormance. Nos données suggèrent que les changements actifs dans la méthylation jouent un rôle essentiel pour contrôler la réponse cellulaire des DCs à l'infection bactérienne.

El programa piloto SPINES : 1977-1983.

Título anterior de la publicación: Boletín de la Comisión Española de la UNESCO

CD40 Triggering of Heterodimeric IL-12 p70 Production by Dendritic Cells In Vivo Requires a Microbial Priming Signal

CD40 ligation triggers IL-12 production by dendritic cells (DC) in vitro. Here, we demonstrate that CD40 cross-linking alone is not sufficient to induce IL-12 production by DC in vivo. Indeed, resting DC make neither the IL-12 p35 nor IL-12 p40 subunits and express only low levels of CD40. Nevertheless, after DC activation by microbial stimuli that primarily upregulate IL-12 p40 and augment CD40 expression, CD40 ligation induces a significant increase in IL-12 p35 and IL-12 p70 heterodimer production. Similarly, IL-12 p70 is produced during T cell activation in the presence but not in the absence of microbial stimuli. Thus, production of bioactive IL-12 by DC can be amplified by T cell–derived signals but must be initiated by innate signals.

Self-organisation in the assembly of gels from mixtures of different dendritic peptide building blocks

This paper investigates dendritic peptides capable of assembling into nanostructured gels, and explores the effect on self-assembly of mixing different molecular building blocks. Thermal measurements, small angle Xray scattering (SAXS) and circular dichroism (CD) spectroscopy are used to probe these materials on macroscopic, nanoscopic and molecular length scales. The results from these investigations demonstrate that in this case, systems with different "size" and "chirality" factors can self-organise, whilst systems with different "shape" factors cannot. The "size" and "chirality" factors are directly connected with the molecular information programmed into the dendritic peptides, whilst the shape factor depends on the group linking these peptides together-this is consistent with molecular recognition hydrogen bond pathways between the peptidic building blocks controlling the ability of these systems to self-recognise. These results demonstrate that mixtures of relatively complex peptides, with only subtle differences on the molecular scale, can self-organise into nanoscale structures, an important step in the spontaneous assembly of ordered systems from complex mixtures.

A direct comparison of one- and two-component dendritic self-assembled materials: elucidating molecular recognition pathways

This paper compares and contrasts, for the first time, one- and two-component gelation systems that are direct structural analogues and draws conclusions about the molecular recognition pathways that underpin fibrillar self-assembly. The new one-component systems comprise L-lysine-based dendritic headgroups covalently connected to an aliphatic diamine spacer chain via an amide bond, One-component gelators with different generations of headgroup (from first to third generation) and different length spacer chains are reported. The self-assembly of these dendrimers in toluene was elucidated using thermal measurements, circular dichroism (CD) and NMR spectroscopies, scanning electron microscopy (SEM), and small-angle X-ray scattering (SAXS). The observations are compared with previous results for the analogous two-component gelation system in which the dendritic headgroups are bound to the aliphatic spacer chain noncovalently via acid-amine interactions. The one-component system is inherently a more effective gelator, partly as a consequence of the additional covalent amide groups that provide a new hydrogen bonding molecular recognition pathway, whereas the two-component analogue relies solely on intermolecular hydrogen bond interactions between the chiral dendritic headgroups. Furthermore, because these amide groups are important in the assembly process for the one-component system, the chiral information preset in the dendritic headgroups is not always transcribed into the nanoscale assembly, whereas for the two-component system, fiber formation is always accompanied by chiral ordering because the molecular recognition pathway is completely dependent on hydrogen bond interactions between well-organized chiral dendritic headgroups.

Utilisation of dendritic architectures in molecular recognition and self-assembly processes

This mini-review outlines recent key developments in the use of dendritic architectures in self-assembly processes via utilisation of molecular recognition motifs.

Towards the automatic reconstruction of dendritic trees using particle filters

The 3D reconstruction of a Golgi-stained dendritic tree from a serial stack of images captured with a transmitted light bright-field microscope is investigated. Modifications to the bootstrap filter are discussed such that the tree structure may be estimated recursively as a series of connected segments. The tracking performance of the bootstrap particle filter is compared against Differential Evolution, an evolutionary global optimisation method, both in terms of robustness and accuracy. It is found that the particle filtering approach is significantly more robust and accurate for the data considered.

Generation, description and storage of dendritic morphology data

It is generally assumed that the variability of neuronal morphology has an important effect on both the connectivity and the activity of the nervous system, but this effect has not been thoroughly investigated. Neuroanatomical archives represent a crucial tool to explore structure–function relationships in the brain. We are developing computational tools to describe, generate, store and render large sets of three–dimensional neuronal structures in a format that is compact, quantitative, accurate and readily accessible to the neuroscientist. Single–cell neuroanatomy can be characterized quantitatively at several levels. In computer–aided neuronal tracing files, a dendritic tree is described as a series of cylinders, each represented by diameter, spatial coordinates and the connectivity to other cylinders in the tree. This ‘Cartesian’ description constitutes a completely accurate mapping of dendritic morphology but it bears little intuitive information for the neuroscientist. In contrast, a classical neuroanatomical analysis characterizes neuronal dendrites on the basis of the statistical distributions of morphological parameters, e.g. maximum branching order or bifurcation asymmetry. This description is intuitively more accessible, but it only yields information on the collective anatomy of a group of dendrites, i.e. it is not complete enough to provide a precise ‘blueprint’ of the original data. We are adopting a third, intermediate level of description, which consists of the algorithmic generation of neuronal structures within a certain morphological class based on a set of ‘fundamental’, measured parameters. This description is as intuitive as a classical neuroanatomical analysis (parameters have an intuitive interpretation), and as complete as a Cartesian file (the algorithms generate and display complete neurons). The advantages of the algorithmic description of neuronal structure are immense. If an algorithm can measure the values of a handful of parameters from an experimental database and generate virtual neurons whose anatomy is statistically indistinguishable from that of their real counterparts, a great deal of data compression and amplification can be achieved. Data compression results from the quantitative and complete description of thousands of neurons with a handful of statistical distributions of parameters. Data amplification is possible because, from a set of experimental neurons, many more virtual analogues can be generated. This approach could allow one, in principle, to create and store a neuroanatomical database containing data for an entire human brain in a personal computer. We are using two programs, L–NEURON and ARBORVITAE, to investigate systematically the potential of several different algorithms for the generation of virtual neurons. Using these programs, we have generated anatomically plausible virtual neurons for several morphological classes, including guinea pig cerebellar Purkinje cells and cat spinal cord motor neurons. These virtual neurons are stored in an online electronic archive of dendritic morphology. This process highlights the potential and the limitations of the ‘computational neuroanatomy’ strategy for neuroscience databases.

Effects of dendritic morphology on CA3 pyramidal cell electrophysiology: a simulation study

We investigated the effect of morphological differences on neuronal firing behavior within the hippocampal CA3 pyramidal cell family by using three-dimensional reconstructions of dendritic morphology in computational simulations of electrophysiology. In this paper, we report for the first time that differences in dendritic structure within the same morphological class can have a dramatic influence on the firing rate and firing mode (spiking versus bursting and type of bursting). Our method consisted of converting morphological measurements from three-dimensional neuroanatomical data of CA3 pyramidal cells into a computational simulator format. In the simulation, active channels were distributed evenly across the cells so that the electrophysiological differences observed in the neurons would only be due to morphological differences. We found that differences in the size of the dendritic tree of CA3 pyramidal cells had a significant qualitative and quantitative effect on the electrophysiological response. Cells with larger dendritic trees: (1) had a lower burst rate, but a higher spike rate within a burst, (2) had higher thresholds for transitions from quiescent to bursting and from bursting to regular spiking and (3) tended to burst with a plateau. Dendritic tree size alone did not account for all the differences in electrophysiological responses. Differences in apical branching, such as the distribution of branch points and terminations per branch order, appear to effect the duration of a burst. These results highlight the importance of considering the contribution of morphology in electrophysiological and simulation studies.

The role of myeloid receptors on murine plasmacytoid dendritic cells in induction of type I interferon

This study tested the hypothesis that a set of predominantly myeloid restricted receptors (F4/80, CD36, Dectin-1, CD200 receptor and mannan binding lectins) and the broadly expressed CD200 played a role in a key function of plasmacytoid DC (pDC), virally induced type I interferon (IFN) production. The Dectin-1 ligands zymosan, glucan phosphate and the anti-Dectin-1 monoclonal antibody (mAb) 2A11 had no effect on influenza virus induced IFNα/β production by murine splenic pDC. However, mannan, a broad blocking reagent against mannose specific receptors, inhibited IFNα/β production by pDC in response to inactivated influenza virus. Moreover, viral glycoproteins (influenza virus haemagglutinin and HIV-1 gp120) stimulated IFNα/β production by splenocytes in a mannan-inhibitable manner, implicating the function of a lectin in glycoprotein induced IFN production. Lastly, the effect of CD200 on IFN induction was investigated. CD200 knock-out macrophages produced more IFNα than wild-type macrophages in response to polyI:C, a MyD88-independent stimulus, consistent with CD200's known inhibitory effect on myeloid cells. In contrast, blocking CD200 with an anti-CD200 mAb resulted in reduced IFNα production by pDC-containing splenocytes in response to CpG and influenza virus (MyD88-dependent stimuli). This suggests there could be a differential effect of CD200 on MyD88 dependent and independent IFN induction pathways in pDC and macrophages. This study supports the hypothesis that a mannan-inhibitable lectin and CD200 are involved in virally induced type I IFN induction.

Effects of oxidised low density lipoprotein on dendritic cells: a possible immunoregulatory component of the atherogenic micro-environment?

Objective: The objective of this study was to explore the relationship between low density lipoprotein (LDL) and dendritic cell (DC) activation, based upon the hypothesis that reactive oxygen species (ROS)-mediated modification of proteins that may be present in local DC microenvironments could be important as mediators of this activation. Although LDL are known to be oxidised in vivo, and taken up by macrophages during atherogenesis; their effect on DC has not been explored previously. Methods: Human DCs were prepared from peripheral blood monocytes using GM-CSF and IL-4. Plasma LDLs were isolated by sequential gradient centrifugation, oxidised in CuSO4, and oxidation arrested to yield mild, moderate and highly oxidised LDL forms. DCs exposed to these LDLs were investigated using combined phenotypic, functional (autologous T cell activation), morphological and viability assays. Results: Highly-oxidised LDL increased DC HLA-DR, CD40 and CD86 expression, corroborated by increased DC-induced T cell proliferation. Both native and oxidised LDL induced prominent DC clustering. However, high concentrations of highly-oxidised LDL inhibited DC function, due to increased DC apoptosis. Conclusions: This study supports the hypothesis that oxidised LDL are capable of triggering the transition from sentinel to messenger DC. Furthermore, the DC clustering–activation–apoptosis sequence in the presence of different LDL forms is consistent with a regulatory DC role in immunopathogenesis of atheroma. A sequence of initial accumulation of DC, increasing LDL oxidation, and DC-induced T cell activation, may explain why local breach of tolerance can occur. Above a threshold level, however, supervening DC apoptosis limits this, contributing instead to the central plaque core.