Lack of original antigenic sin in recall CD8(+) T cell responses.

In the real world, mice and men are not immunologically naive, having been exposed to numerous antigenic challenges. Prior infections sometimes negatively impact the response to a subsequent infection. This can occur in serial infections with pathogens sharing cross-reactive Ags. At the T cell level it has been proposed that preformed memory T cells, which cross-react with low avidity to epitopes presented in subsequent infections, dampen the response of high-avidity T cells. We investigated this with a series of related MHC class-I restricted Ags expressed by bacterial and viral pathogens. In all cases, we find that high-avidity CD8(+) T cell precursors, either naive or memory, massively expand in secondary cross-reactive infections to dominate the response over low-avidity memory T cells. This holds true even when >10% of the CD8(+) T cell compartment consists of memory T cells that cross-react weakly with the rechallenge ligand. Occasionally, memory cells generated by low-avidity stimulation in a primary infection recognize a cross-reactive epitope with high avidity and contribute positively to the response to a second infection. Taken together, our data show that the phenomenon of original antigenic sin does not occur in all heterologous infections.

PD-1 and Tim-3 regulate the expansion of tumor antigen-specific CD8⁺ T cells induced by melanoma vaccines.

Although melanoma vaccines stimulate tumor antigen-specific CD8(+) T cells, objective clinical responses are rarely observed. To investigate this discrepancy, we evaluated the character of vaccine-induced CD8(+) T cells with regard to the inhibitory T-cell coreceptors PD-1 and Tim-3 in patients with metastatic melanoma who were administered tumor vaccines. The vaccines included incomplete Freund's adjuvant, CpG oligodeoxynucleotide (CpG), and the HLA-A2-restricted analog peptide NY-ESO-1 157-165V, either by itself or in combination with the pan-DR epitope NY-ESO-1 119-143. Both vaccines stimulated rapid tumor antigen-specific CD8(+) T-cell responses detected ex vivo, however, tumor antigen-specific CD8(+) T cells produced more IFN-γ and exhibited higher lytic function upon immunization with MHC class I and class II epitopes. Notably, the vast majority of vaccine-induced CD8(+) T cells upregulated PD-1 and a minority also upregulated Tim-3. Levels of PD-1 and Tim-3 expression by vaccine-induced CD8(+) T cells at the time of vaccine administration correlated inversely with their expansion in vivo. Dual blockade of PD-1 and Tim-3 enhanced the expansion and cytokine production of vaccine-induced CD8(+) T cells in vitro. Collectively, our findings support the use of PD-1 and Tim-3 blockades with cancer vaccines to stimulate potent antitumor T-cell responses and increase the likelihood of clinical responses in patients with advanced melanoma.

Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

T and B lymphocytes exert distinct effects on the homeostasis of NK cells.

There is growing evidence that lymphocytes impact the development and/or function of other lymphocyte populations. Based on such observations we have tested whether the NK cell compartment was phenotypically and functionally altered in the absence of B and/or T cells. Here we show that T cell deficiency significantly accelerates BM NK cell production and the subsequent seeding of splenic and liver NK cell compartments. In contrast, B cell deficiency reduces splenic NK cell survival. In the absence of T and B cells, the size of the NK cell compartments is determined by the combination of these positive and negative effects. Even though NK cell homeostasis is significantly altered, NK cells from T and/or B cell-deficient mice show a normal capacity to kill a susceptible target cell line and to produce IFN. Nevertheless, we noted that the usage of MHC class I-specific Ly49 family receptors was significantly altered in the absence of T and/or B cells. In general, B cell deficiency expanded Ly49 receptor usage, while T cell deficiency exerted both positive and negative effects. These findings show that B and T cells significantly and differentially influence the homeostasis and the phenotype of NK cells.

Clonal acquisition of the Ly49A NK cell receptor is dependent on the trans-acting factor TCF-1.

Families of clonally expressed major histocompatibility complex (MHC) class I-specific receptors provide specificity to and regulate the function of natural killer (NK) cells. One of these receptors, mouse Ly49A, is expressed by 20% of NK cells and inhibits the killing of H-2D(d) but not D(b)-expressing target cells. Here, we show that the trans-acting factor TCF-1 binds to two sites in the Ly49A promoter and regulates its activity. Moreover, we find that TCF-1 determines the size of the Ly49A NK cell subset in vivo in a dosage-dependent manner. We propose that clonal Ly49A acquisition during NK cell development is regulated by TCF-1.

Use of phycoerythrin and allophycocyanin for fluorescence resonance energy transfer analyzed by flow cytometry: advantages and limitations.

BACKGROUND: This study validates the use of phycoerythrin (PE) and allophycocyanin (APC) for fluorescence energy transfer (FRET) analyzed by flow cytometry. METHODS: FRET was detected when a pair of antibody conjugates directed against two noncompetitive epitopes on the same CD8alpha chain was used. FRET was also detected between antibody conjugate pairs specific for the two chains of the heterodimeric alpha (4)beta(1) integrin. Similarly, the association of T-cell receptor (TCR) with a soluble antigen ligand was detected by FRET when anti-TCR antibody and MHC class I/peptide complexes (<<tetramers>>) were used. RESULTS: FRET efficiency was always less than 10%, probably because of steric effects associated with the size and structure of PE and APC. Some suggestions are given to take into account this and other effects (e.g., donor and acceptor concentrations) for a better interpretation of FRET results obtained with this pair of fluorochromes. CONCLUSIONS: We conclude that FRET assays can be carried out easily with commercially available antibodies and flow cytometers to study arrays of multimolecular complexes.

Initiation and limitation of Ly-49A NK cell receptor acquisition by T cell factor-1.

The establishment of clonally variable expression of MHC class I-specific receptors by NK cells is not well understood. The Ly-49A receptor is used by approximately 20% of NK cells, whereby most cells express either the maternal or paternal allele and few express simultaneously both alleles. We have previously shown that NK cells expressing Ly-49A were reduced or almost absent in mice harboring a single or no functional allele of the transcription factor T cell factor-1 (TCF-1), respectively. In this study, we show that enforced expression of TCF-1 in transgenic mice yields an expanded Ly-49A subset. Even though the frequencies of Ly-49A(+) NK cells varied as a function of the TCF-1 dosage, the relative abundance of mono- and biallelic Ly-49A cells was maintained. Mono- and biallelic Ly-49A NK cells were also observed in mice expressing exclusively a transgenic TCF-1, i.e., expressing a fixed amount of TCF-1 in all NK cells. These findings suggest that Ly-49A acquisition is a stochastic event due to limiting TCF-1 availability, rather than the consequence of clonally variable expression of the endogenous TCF-1 locus. Efficient Ly-49A acquisition depended on the expression of a TCF-1 isoform, which included a domain known to associate with the TCF-1 coactivator beta-catenin. Indeed, the proximal Ly-49A promoter was beta-catenin responsive in reporter gene assays. We thus propose that Ly-49A receptor expression is induced from a single allele in occasional NK cells due to a limitation in the amount of a transcription factor complex requiring TCF-1.

Interactions between Siglec-7/9 receptors and ligands influence NK cell-dependent tumor immunosurveillance.

Alteration of the surface glycosylation pattern on malignant cells potentially affects tumor immunity by directly influencing interactions with glycan-binding proteins (lectins) on the surface of immunomodulatory cells. The sialic acid-binding Ig-like lectins Siglec-7 and -9 are MHC class I-independent inhibitory receptors on human NK cells that recognize sialic acid-containing carbohydrates. Here, we found that the presence of Siglec-9 defined a subset of cytotoxic NK cells with a mature phenotype and enhanced chemotactic potential. Interestingly, this Siglec-9+ NK cell population was reduced in the peripheral blood of cancer patients. Broad analysis of primary tumor samples revealed that ligands of Siglec-7 and -9 were expressed on human cancer cells of different histological types. Expression of Siglec-7 and -9 ligands was associated with susceptibility of NK cell-sensitive tumor cells and, unexpectedly, of presumably NK cell-resistant tumor cells to NK cell-mediated cytotoxicity. Together, these observations have direct implications for NK cell-based therapies and highlight the requirement to consider both MHC class I haplotype and tumor-specific glycosylation.

Stable masking by H-2Dd cis ligand limits Ly49A relocalization to the site of NK cell/target cell contact.

Ly49A is an inhibitory receptor, which counteracts natural killer (NK) cell activation on the engagement with H-2D(d) (D(d)) MHC class I molecules (MHC-I) on target cells. In addition to binding D(d) on apposed membranes, Ly49A interacts with D(d) ligand expressed in the plane of the NK cells' membrane. Indeed, multivalent, soluble MHC-I ligand binds inefficiently to Ly49A unless the NK cells' D(d) complexes are destroyed. However, it is not known whether masked Ly49A remains constitutively associated with cis D(d) also during target cell interaction. Alternatively, it is possible that Ly49A has to be unmasked to significantly interact with its ligand on target cells. These two scenarios suggest distinct roles of Ly49A/D(d) cis interaction for NK cell function. Here, we show that Ly49A contributes to target cell adhesion and efficiently accumulates at synapses with D(d)-expressing target cells when NK cells themselves lack D(d). When NK cells express D(d), Ly49A no longer contributes to adhesion, and ligand-driven recruitment to the cellular contact site is strongly reduced. The destruction of D(d) complexes on NK cells, which unmasks Ly49A, is necessary and sufficient to restore Ly49A adhesive function and recruitment to the synapse. Thus, cis D(d) continuously sequesters a considerable fraction of Ly49A receptors, preventing efficient Ly49A recruitment to the synapse with D(d)+ target cells. The reduced number of Ly49A receptors that can functionally interact with D(d) on target cells explains the modest inhibitory capacity of Ly49A in D(d) NK cells. This property renders Ly49A NK cells more sensitive to react to diseased host cells.

Cutting edge: stimulation with the cognate self-antigen induces expression of the Ly49A receptor on self-reactive T cells which modulates their responsiveness.

NK cell self-tolerance is maintained by inhibitory receptors specific for MHC class I molecules. Inhibitory NK receptors are also expressed on memory CD8 T cells but their biological relevance on T cells is unclear. In this study, we describe the expression of the Ly49A receptor on a subset of autoreactive T cells which persist in mice double-transgenic for the lymphocytic choriomeningitis virus-derived peptide gp33 and a TCRalphabeta specific for the gp33. No Ly49A-expressing cells are found in TCRalphabeta single-transgenic mice, indicating that the presence of the autoantigen is required for Ly49A induction. Direct evidence for an Ag-specific initiation of Ly49A expression has been obtained in vitro after stimulation of autoreactive TCRalphabeta T cells with the cognate self-Ag. This expression of Ly49A substantially reduces Ag-specific activation of autoreactive T cells. These findings thus suggest that autoantigen-specific induction of inhibitory NK cell receptors on T cells may contribute to peripheral self-tolerance.

Nonclassical NK cell education.

Diseased host cells are eliminated more effectively when natural killer cells grow up in the presence of classical major histocompatibility complex (MHC) class I molecules. The nonclassical MHC class I molecule H2-M3 can exert an analogous effect.

Redundant functions of TCF-1 and LEF-1 during T and NK cell development, but unique role of TCF-1 for Ly49 NK cell receptor acquisition.

Members of the TCF/LEF (T cell factor / lymphoid enhancer factor) family of DNA-binding factors play important roles during embryogenesis, the establishment and/or maintenance of self-renewing tissues such as the immune system and for malignant transformation. Specifically, it has been shown that TCF-1 is required for T cell development. A role for LEF-1 became apparent when mice harbored two hypomorphic TCF-1 alleles and consequently expressed low levels of TCF-1. Here we show that NK cell development is similarly regulated by redundant functions of TCF-1 and LEF-1, whereby TCF-1 contributes significantly more to NK cell development than LEF-1. Despite this role for NK cell development, LEF-1 is not required for the establishment of a repertoire of MHC class I-specific Ly49 receptors on NK cells. The proper formation of this repertoire depends to a large extent on TCF-1. These findings suggest common and distinct functions of TCF-1 and LEF-1 during lymphocyte development.

Thymus-independent generation of NK1+ T cells in vitro from fetal liver precursors.

NK1.1+TCR alpha beta+ (NK1+) T cells are an unusual subset of mouse TCR alpha beta+ cells found primarily in adult thymus and liver. In contrast to conventional TCR alpha beta+ cells, NK1+ T cells have a TCR repertoire that is highly skewed to V alpha14 and to Vbeta8, -7, and -2. The developmental origin and ligand specificity of NK1+ T cells are controversial. We show here that NK1+ T cells with a typically biased V alpha and V beta repertoire develop in cytokine-supplemented suspension cultures of fetal liver established from either normal or athymic mice. Furthermore, NK1+ T cell development in fetal liver cultures is abrogated in beta2m-deficient mice (which lack MHC class I and other related molecules) and can be partially inhibited by the presence of anti-CD1 mAbs. Moreover, mixing experiments indicate that recombination-deficient SCID fetal liver cells can reconstitute NK1+ T cell development in beta2m-deficient fetal liver cultures. Collectively, our data demonstrate that NK1+ T cells can develop extrathymically from fetal liver precursors and that a beta2m-associated ligand (putatively CD1) present on nonlymphoid cells is essential for their positive selection and/or expansion.

Definition of key variables for the induction of optimal NY-ESO-1-specific T cells in HLA transgene mice.

An attractive treatment of cancer consists in inducing tumor-eradicating CD8(+) CTL specific for tumor-associated Ags, such as NY-ESO-1 (ESO), a strongly immunogenic cancer germ line gene-encoded tumor-associated Ag, widely expressed on diverse tumors. To establish optimal priming of ESO-specific CTL and to define critical vaccine variables and mechanisms, we used HLA-A2/DR1 H-2(-/-) transgenic mice and sequential immunization with immunodominant DR1- and A2-restricted ESO peptides. Immunization of mice first with the DR1-restricted ESO(123-137) peptide and subsequently with mature dendritic cells (DCs) presenting this and the A2-restriced ESO(157-165) epitope generated abundant, circulating, high-avidity primary and memory CD8(+) T cells that efficiently killed A2/ESO(157-165)(+) tumor cells. This prime boost regimen was superior to other vaccine regimes and required strong Th1 cell responses, copresentation of MHC class I and MHC class II peptides by the same DC, and resulted in upregulation of sphingosine 1-phosphate receptor 1, and thus egress of freshly primed CD8(+) T cells from the draining lymph nodes into circulation. This well-defined system allowed detailed mechanistic analysis, which revealed that 1) the Th1 cytokines IFN-gamma and IL-2 played key roles in CTL priming, namely by upregulating on naive CD8(+) T cells the chemokine receptor CCR5; 2) the inflammatory chemokines CCL4 (MIP-1beta) and CCL3 (MIP-1alpha) chemoattracted primed CD4(+) T cells to mature DCs and activated, naive CD8(+) T cells to DC-CD4 conjugates, respectively; and 3) blockade of these chemokines or their common receptor CCR5 ablated priming of CD8(+) T cells and upregulation of sphingosine 1-phosphate receptor 1. These findings provide new opportunities for improving T cell cancer vaccines.

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.