Immunology taught by lung dendritic cells.

Dendritic cells (DCs) are leukocytes specialised in the uptake, processing, and presentation of antigen and fundamental in regulating both innate and adaptive immune functions. They are mainly localised at the interface between body surfaces and the environment, continuously scrutinising incoming antigen for the potential threat it may represent to the organism. In the respiratory tract, DCs constitute a tightly enmeshed network, with the most prominent populations localised in the epithelium of the conducting airways and lung parenchyma. Their unique localisation enables them to continuously assess inhaled antigen, either inducing tolerance to inoffensive substances, or initiating immunity against a potentially harmful pathogen. This immunological homeostasis requires stringent control mechanisms to protect the vital and fragile gaseous exchange barrier from unrestrained and damaging inflammation, or an exaggerated immune response to an innocuous allergen, such as in allergic asthma. During DC activation, there is upregulation of co-stimulatory molecules and maturation markers, enabling DC to activate naïve T cells. This activation is accompanied by chemokine and cytokine release that not only serves to amplify innate immune response, but also determines the type of effector T cell population generated. An increasing body of recent literature provides evidence that different DC subpopulations, such as myeloid DC (mDC) and plasmacytoid DC (pDC) in the lungs occupy a key position at the crossroads between tolerance and immunity. This review aims to provide the clinician and researcher with a summary of the latest insights into DC-mediated pulmonary immune regulation and its relevance for developing novel therapeutic strategies for various disease conditions such as infection, asthma, COPD, and fibrotic lung disease.

Molecular insights into T cell activation : study of the TRAF, Bcl10 and Carma 1 proteins

Abstract : Activation of naïve T lymphocytes is essential for the onset of an adaptive immune response against a pathogenic threat. T lymphocytes are activated through the engagement of their highly specific cell surface antigen-receptor (TCR), together with co-stimulatory receptors, by activated antigen-presenting cells that display antigenic peptide fragments from the pathogen that they have detected. Dissection of the mechanisms that modulate TCR- and co-stimulation- induced signals is therefore crucial for the understanding of the molelcular basis of adaptive immune responses. Following antigen-receptor triggering, the Carma1, Bcl10 and Malt1 (CBM) proteins assemble into an oligomeric complex, which is essential for activation of the NF-κB and JNK signaling pathways in lymphocytes. In this work, by using human epithelial and lymphocytic cell lines, we identified the TNF-receptor-associated factor (TRAF) proteins TRAF3 and TRAF7 as new binding partners of Bcl10 and Carma1, respectively. We could show that TRAF3 is required for the proper transcriptional upregulation of IL-2 in activated T cells, and that endogenous TRAF3 is recruited to Bcl10 following TCR engagement. Although the mechanisms used by TRAF3 to modulate the transcriptional activation of the IL-2 promoter are not elucidated, the stimulus-dependent association ofTRAF3 with its direct binding partner Bcl10 suggests that TRAF3 is regulating Bcl10 function in TCR-activated lymphocytes. We also demonstrated that TRAF7 acts as a negative regulator of Carma1-induced NFκB-and AP1-dependent transcription by overexpression in 293T cells. These data suggest that TRAF7 could contribute to the negative regulation of TCR-dependent Carma1 functions. Finally, we showed that Carma1 is processed upon antigen-receptor triggering in B and T cell lines, as well as in primary human CTLs, and that this processing is dependent on the proteolytic activity of Malt1. Collectively, this work contributes to describe new proteins and regulatory mechanisms that modulate CBM-dependent functions in activated lymphocytes. Furthermore, it uncovers new tracks that could lead to a better molecular understanding of the complex interplay between the activatory and inhibitory regulators associated with the CBM complex. Résumé : L'activation des lymphocytes T naifs est une étape essentielle à la mise en place d'une réponse immunitaire adaptative pour combattre une infection. Après la détection d'un pathogène, les cellules présentatrices d'antigènes exposent à leur surface des fragments peptidiques provenant du pathogène, qui activent le récepteur à antigène (TCR) spécifique des lymphocytes T, ainsi que des molécules co-stimulatrices qui contribuent à l'activation complète des lymphocytes T. La caractérisation des mécanismes qui modulent les cascades de signaux émanant du TCR et des récepteurs de co-stimulation est essentielle à la compréhension du fonctionnement moléculaire de la réponse immunitaire adaptative. La ligation du TCR induit la formation d'un complexe oligomérique comprenant les protéines Carma1, Bcl10 et Malt1, qui est essentiel à l'activation des voies de signalisation cellulaires NF-κB et JNK induisant l'activation complète des lymphorctes T. Dans cette étude, à l'aide de lignées de cellules humaines épithéliales et lymphocytaires, nous avons identifié que deux protéines de la famille des TRAF (Tumor Necrosis Factor Receptor-Associated Factor), TRAF3 et TRAF7, s'associent à Bc110 et à Carma1, respectivement. Les TRAFs sont d'importants régulateurs des voies de signalisation dans les cellules du système immunitaire inné et adaptatif. Nous avons démontré que TRAF3 était important pour permettre la transcription de l'interleukine-2 (IL-2) dans les lymphocytes T activés, et que TRAF3 s'associait à Bc110 à la suite de la stimulation du TCR Les mécanismes que TRAF3 utilise pour moduler l'activation du promoteur de l'IL-2 ne sont pas connus, mais l'association de TRAF3 à Bc110 suite à la stimulation du TCR suggère que TRAF3 régule la fonction de Bc110. Nous avons également identifié TRAF7 comme un nouveau régulateur négatif des voies NF-κB et JNK induites par surexpression de la protéine Carma1. Nos données suggèrent que TRAF7 pourrait également contribuer à la régulation négative de la fonction de Carma1 dans les lymphocytes activés. Enfin, nous avons découvert que Carma1 était clivé suite à la stimulation du TCR, et que ce clivage dépendait de l'activité protéolytique de Malt1. Cette étude contribue ainsi à la description de nouvelles protéines et de nouveaux mécanismes qui modulent l'activité du complexe CBM dans les lymphocytes activés, et ouvre la voie à la caractérisation moléculaire de ces nouveaux mécanismes importants pour la régulation de la réponse immunitaire adaptative.

Tolerogenic dendritic cells and their role in induction of immune tolerance

Les cellules dendritiques sont des cellules du système immunitaire qui permettent d'instruire les lymphocytes T, autres cellules de ce système, pour mettre en place une réponse immunitaire adaptée afin de combattre et vaincre une infection. Ces cellules dendritiques vont reconnaître des motifs spécifiquement exprimés par des pathogènes par l'intermédiaire de récepteurs exprimés à leur surface. En détectant ces molécules, elles vont s'activer et subir diverses modifications pour pouvoir activer les lymphocytes T. Elles vont alors interagir avec les lymphocytes Τ et transférer les informations nécessaires pour que ces cellules s'activent à leur tour et produisent différentes protéines de façon à éliminer le pathogène. En fonction du type de pathogène, les informations transférées entre les cellules dendritiques et les lymphocytes seront différentes de manière à produire la réponse immunitaire la mieux adaptée pour supprimer l'élément infectieux. Dans le corps, les cellules dendritiques circulent continuellement afin de détecter les éléments étrangers. Quand elles reconnaissent une protéine étrangère, elles la phagocytent, c'est-à-dire qu'elles la mangent afin de pouvoir la présenter aux lymphocytes T. Mais quand elles phagocytent un élément étranger, elles peuvent également prendre des éléments du soi, comme par exemple quand elles phagocytent une cellule infectée par un virus. Les cellules dendritiques doivent alors être capables de différentier les molécules du soi et du non-soi de façon à ne pas induire une réponse en présentant un antigène du soi aux lymphocytes T. D'autant plus que lors de leur développement, les lymphocytes Τ qui sont capables de reconnaître le soi sont éliminés mais ce système n'est pas parfait et donc certains lymphocytes Τ auto-reactifs peuvent se trouver dans le corps. Il existe ainsi d'autres mécanismes en périphérie du site de développement pour inhiber ces lymphocytes Τ auto-reactifs. Ce sont les mécanismes de tolérance. Quand les lymphocytes Τ induisent une réponse aux antigènes du soi, cela résulte à des maladies auto-immunes. Dans mon projet de recherche, nous avons travaillé avec des lignées de cellules dendritiques, c'est-à-dire des cellules dendritiques semblables à celles que l'on peut trouver in vivo mais qui sont immortalisées, elles peuvent donc être cultiver et manipuler in vitro. Nous avons génétiquement modifiées ces lignées cellulaires pour qu'elles expriment des molécules immunosuppressives afin d'étudier comment induire une tolérance immunitaire, c'est-à-dire si l'expression de ces molécules permet d'éviter de générer une réponse immunitaire. Pour cela, nous avons utilisé des modèles murins de tumeurs et de maladies auto-immunes. Nous avons démontré que ces lignées de cellules dendritiques peuvent être un grand outil de recherche pour étudier les bénéfices de différentes molécules immuno-modulatrices afin d'induire une tolérance immunitaire à différents antigènes. - Les cellules dendritiques sont responsables de l'induction des réponses immunitaires adaptatives. Suite à une infection microbienne, les cellules dendritiques s'activent, elles induisent l'expression de molécules de costimulation à leur surface, sécrètent des cytokines et induisent la différentiation des cellules Τ effectrices et mémoires. De plus, les cellules dendritiques ont un rôle important dans l'induction et la maintenance de la tolérance immunitaire au niveau du thymus et en périphérie, en induisant l'anergie, la délétion ou la conversion des cellules Τ naïves en cellules régulatrices. Dans notre groupe, une nouvelle lignée de cellules dendritiques appelée MuTu a été crée par la culture de cellules dendritiques tumorales isolées à partir d'une rate d'une souris transgénique, dans laquelle l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP sont sous le contrôle du promoteur CD1 le, et sont ainsi spécifiquement exprimés dans les cellules dendritiques. Ces nouvelles lignées appartiennent au sous-type des cellules dendritiques conventionnelles exprimant CD8a. Elles ont conservé leur capacité d'augmenter l'expression des marqueurs de costimulation à leur surface ainsi que le production de cytokines en réponse à des ligands des récepteurs Toll, ainsi que leur capacité à présenter des antigènes associés aux molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe I ou II pour activer la prolifération et la différentiation des lymphocytes T. En utilisant un système de transduction de lentivirus de seconde génération, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques ont été génétiquement modifiées pour sur-exprimer des molécules immunosuppressives (IL-10, TGFP latent, TGFp actif, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC et CTLA4). Ces lignées permettent d'étudier de manière reproductible le rôle de ces molécules potentiellement tolérogènes sur les réponses immunitaires in vitro et in vivo. Ces lignées potentiellement tolérogènes ont été testées, tout d'abord, in vitro, pour leur capacité à inhiber l'activation des cellules dendritiques, à bloquer la prolifération des cellules Τ ou à modifier leur polarisation. Nos résultats démontrent qu'en réponse à une stimulation, la sur-expression des molécules costimulatrices et la sécrétion de molécules pro- inflammatoires est réduite quand les cellules dendritiques sur-expriment l'IL-10. La sur¬expression de TGFp sous sa forme active induit le développement de cellules régulatrices CD4+ CD25+ Foxp3+ et bloque la réponse CD8 cytotoxique tandis que la sur-expression de CTLA4 à la surface des cellules dendritiques inhibe une réponse Thl et induit des lymphocytes Τ anergiques. Ces lignées ont également été utilisées pour étudier l'induction de tolérance in vivo. Tout d'abord, nous avons étudié l'induction de tolérance dans un modèle de développement de tumeurs. En effet, quand les lignées tumorales sont transférées dans les lignées de souris C57BL/6, elles sont reconnues comme du non-soi du à l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP et sont éliminées. Ce mécanisme d'élimination a été étudié en utilisant une lignée de cellules dendritiques modifiée pour exprimer la luciférase et qui a permis de suivre le développement des tumeurs par de l'imagerie in vivo dans des animaux vivants. Ces lignées de cellules dendritiques MuTu sont éliminées dans la souris C57BL/6 par les lymphocytes CD8 et l'action cytotoxique de la perforine. Après plusieurs injections, les cellules dendritiques sur-exprimant CTLA4 ou l'actif TGFp peuvent casser cette réponse immunitaire inhérente aux antigènes de la lignée et induire le développement de la tumeur dans la souris C57BL/6. Le développement tumoral a pu être suivi en mesurant la bioluminescence émise par des cellules dendritiques modifiées pour exprimer à la fois l'actif TGFp et la luciférase. Ces tumeurs ont pu se développer grâce à la mise en place d'un microenvironnement suppressif pour échapper à l'immunité en recrutant des cellules myéloïde suppressives, des lymphocytes CD4 régulateurs et en induisant l'expression d'une molécule inhibitrice PD-1 à la surface des lymphocytes CD8 infiltrant la tumeur. Dans un deuxième temps, ces lignées tolérogènes ont également été testées dans un modèle murin de maladies auto-immunes, appelé l'encéphalomyélite auto-immune expérimental (EAE), qui est un modèle pour la sclérose en plaques. L'EAE a été induite dans la souris par le transfert de cellules de ganglions prélevées d'une souris donneuse préalablement immunisée avec une protéine du système nerveux central, la glycoprotéine myéline oligodendrocyte (MOG) émulsifiée dans de l'adjuvant complet de Freund. La vaccination des souris donneuses et receveuses avec les cellules sur-exprimant l'actif TGFP préalablement chargées avec la protéine MOG bloque l'induction de l'EAE. Nous sommes actuellement en train de définir les mécanismes qui permettent de protéger la souris du développement de la maladie auto-immune. Dans cette étude, nous avons ainsi démontré la possibilité d'induire la tolérance in vivo et in vitro à différents antigènes en utilisant nos nouvelles lignées de cellules dendritiques et en les modifiant pour exprimer des molécules immunosuppressives. En conséquence, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques représentent un outil pour explorer les bénéfices de différentes molécules ayant des propriétés immuno-modulatrices pour manipuler le système immunitaire vers un phénotype tolérogène. - Dendritic cells (DC) are widely recognized as potent inducers of the adaptive immune responses. Importantly, after microbial infections, DC become activated, induce co- stimulation, secrete cytokines and induce effector and memory Τ cells. DC furthermore play an important role in inducing and maintaining central and peripheral tolerance by inducing anergy, deletion or commitment of antigen-specific naïve Τ cells into regulatory Τ cells. In our group, stable MuTu DC lines were generated by culture of splenic DC tumors from transgenic mice expressing the SV40 large Τ oncogene and the GFP under DC-specific CDllc promoter. These transformed DC belong to the CD8a+ conventional DC subtype and have fully conserved their capacity to upregulate co-stimulatory markers and produce cytokines after activation with Toll Like Receptors-ligands, and to present Major Histocompatibility class-I or MHCII-restricted antigens to activate Τ cell expansion and differentiation. Using a second- generation lentiviral transduction system, these newly developed MuTu DC lines were genetically modified to overexpress immunosuppressive molecules (IL-10, latent TGFp, active TGFp, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC and CTLA4). This allows to reproducibly investigate the role of these potentially tolerogenic molecules on in vitro and in vivo immune responses. These potentially tolerogenic DC were tested in vitro for their ability to inhibit DC activation, to prevent Τ cell proliferation and to modify Τ cell polarization. Our results show that the upregulation of costimulatory molecules and the secretion of pro-inflammatory cytokines were reduced upon stimulation of DC overexpressing IL-10. The overexpression of active TGFP induced the development of CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and inhibited the cytotoxic CD8 Τ cell response as shown by using the OT-II Τ cell system whereas the surface expression of CTLA-4 on DC prevented the Thl response and prompted an anergic antigen-specific Τ cell response. These MuTu DC lines were also used in vivo in order to study the induction of tolerance. First we addressed the induction of tolerance in a model of tumorogenesis. The adoptively transferred tumor cell lines were cleared in C57BL/6 mice due to the foreign expression of SV40 LargeT and GFP. The mechanism of clearance of MuTu DC line into C57BL/6 mice was investigated by using luciferase-expressing DC line. These DC line allowed to follow, by in vivo imaging, the tumor development in living animals and determined that MuTu DC lines were eliminated in a perforin-mediated CD8 Τ cell dependent and CD4 Τ cell independent response. After multiple injections, DC overexpressing CTLA4 or active TGFp could break the immune response to these inherent antigens and induced DC tumorogenesis in wild type mice. The tumor outgrowth in C57BL/6 mice was nicely observed by double-transduced DC lines to express both luciferase and active TGFp. actTGFp-DC tumor was shown to recruit myeloid-derived suppressor cells, induce CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and induce the expression of the inhibitory receptor PD-1 on tumor- infiltrating CD8+ Τ cells in order to escape tumor immunity. Tolerogenic DC lines were also tested for the induction of tolerance in a murine model of autoimmune disease, the experimental autoimmune encephalitis (EAE) model for human multiple sclerosis. EAE was induced in C57BL/6 mice by the adoptive transfer of lymph node cells isolated from donor mice previously immunized by a protein specific to the central nervous system, the myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) emulsified in the complete freund adjuvant. The vaccination of donor and recipient mice with MOG-pulsed actTGFP-DC line prevented EAE induction. We are still investigating how the active TGFP protect mice from EAE development. We generated tolerogenic DC lines inducing tolerance in vitro and in vivo. Thereby these MuTu DC lines represent a great tool to explore the benefits of various immuno-modulatory molecules to manipulate the immune system toward a tolerogenic phenotype.

Large T Antigen-Specific Cytotoxic T Cells Protect Against Dendritic Cell Tumors through Perforin-Mediated Mechanisms Independent of CD4 T Cell Help.

Our newly generated murine tumor dendritic cell (MuTuDC) lines, generated from tumors developing in transgenic mice expressing the simian virus 40 large T antigen (SV40LgT) and GFP under the DC specific promoter CD11c, reproduce the phenotypic and functional properties of splenic wild type CD8α(+) conventional DCs. They have an immature phenotype with low co-stimulation molecule expression (CD40, CD70, CD80, and CD86) that is upregulated after activation with toll-like receptor ligands. We observed that after transfer into syngeneic C57BL/6 mice, MuTuDC lines were quickly rejected. Tumors grew efficiently in large T transgene-tolerant mice. To investigate the immune response toward the large T antigen that leads to rejection of the MuTuDC lines, they were genetically engineered by lentiviral transduction to express luciferase and tested for the induction of DC tumors after adoptive transfer in various gene deficient recipient mice. Here, we document that the MuTuDC line was rejected in C57BL/6 mice by a CD4 T cell help-independent, perforin-mediated CD8 T cell response to the SV40LgT without pre-activation or co-injection of adjuvants. Using depleting anti-CD8β antibodies, we were able to induce efficient tumor growth in C57BL/6 mice. These results are important for researchers who want to use the MuTuDC lines for in vivo studies.

Quantitative proteomics in the characterization of T helper lymphocyte differentiation

The term proteome is used to define the complete set of proteins expressed in cells or tissues of an organism at a certain timepoint. Respectively, proteomics is used to describe the methods, which are used to study such proteomes. These methods include chromatographic and electrophoretic techniques for protein or peptide fractionation, mass spectrometry for their identification, and use of computational methods to assist the complicated data analysis. A primary aim in this Ph.D. thesis was to set-up, optimize, and develop proteomics methods for analysing proteins extracted from T-helper (Th) lymphocytes. First, high-throughput LC-MS/MS and ICAT labeling methods were set-up and optimized for analysing the microsomal fraction proteins extracted from Th lymphocytes. Later, iTRAQ method was optimized to study cytokine regulated protein expression in the nuclei of Th lymphocytes. High-throughput LC-MS/MS analyses, like ICAT and iTRAQ, produce large quantities of data and robust software and data analysis pipelines are needed. Therefore, different software programs used for analysing such data were evaluated. Moreover, a pre-filtering algorithm was developed to classify good-quality and bad-quality spectra prior to the database searches. Th-lymphocytes can differentiate into Th1 or Th2 cells based on surrounding antigens, co-stimulatory molecules, and cytokines. Both subsets have individual cytokine secretion profiles and specific functions. Th1 cells participate in the cellular immunity against intracellular pathogens, while Th2 cells have important role in the humoral immunity against extracellular parasites. An abnormal response of Th1 and Th2 cells and imbalance between the subsets are charasteristic of several diseases. Th1 specific reactions and cytokines have been detected in autoimmune diseases, while Th2 specific response and cytokine profile is common in allergy and asthma. In this Ph. D. thesis mass spectrometry-based proteomics was used to study the effects of Th1 and Th2 promoting cytokines IL-12 and IL-4 on the proteome of Th lymphocytes. Characterization of microsomal fraction proteome extracted from IL-12 treated lymphobasts and IL-4 stimulated cord blood CD4+ cells resulted in finding of cytokine regulated proteins. Galectin-1 and CD7 were down-regulated in IL-12 treated cells, while IL-4 stimulation decreased the expression of STAT1, MXA, GIMAP1, and GIMAP4. Interestingly, the transcription of both GIMAP genes was up-regulated in Th1 polarized cells and down-regulated in Th2 promoting conditions.

Effect of aging and oral tolerance on dendritic cell function

Oral tolerance can be induced in some mouse strains by gavage or spontaneous ingestion of dietary antigens. In the present study, we determined the influence of aging and oral tolerance on the secretion of co-stimulatory molecules by dendritic cells (DC), and on the ability of DC to induce proliferation and cytokine secretion by naive T cells from BALB/c and OVA transgenic (DO11.10) mice. We observed that oral tolerance could be induced in BALB/c mice (N = 5 in each group) of all ages (8, 20, 40, 60, and 80 weeks old), although a decline in specific antibody levels was observed in the sera of both tolerized and immunized mice with advancing age (40 to 80 weeks old). DC obtained from young, adult and middle-aged (8, 20, and 40 weeks old) tolerized mice were less efficient (65, 17 and 20%, respectively) than DC from immunized mice (P < 0.05) in inducing antigen-specific proliferation of naive T cells from both BALB/c and DO11.10 young mice, or in stimulating IFN-g, IL-4 and IL-10 production. However, TGF-β levels were significantly elevated in co-cultures carried out with DC from tolerant mice (P < 0.05). DC from both immunized and tolerized old and very old (60 and 80 weeks old) mice were equally ineffective in inducing T cell proliferation and cytokine production (P < 0.05). A marked reduction in CD86+ marker expression was observed in DC isolated from both old and tolerized mice (75 and 50%, respectively). The results indicate that the aging process does not interfere with the establishment of oral tolerance in BALB/c mice, but reduces DC functions, probably due to the decline of the expression of the CD86 surface marker.

Antigen-presenting cells transfected with Hsp65 messenger RNA fail to treat experimental tuberculosis

In the last several years, the use of dendritic cells has been studied as a therapeutic strategy against tumors. Dendritic cells can be pulsed with peptides or full-length protein, or they can be transfected with DNA or RNA. However, comparative studies suggest that transfecting dendritic cells with messenger RNA (mRNA) is superior to other antigen-loading techniques in generating immunocompetent dendritic cells. In the present study, we evaluated a new therapeutic strategy to fight tuberculosis using dendritic cells and macrophages transfected with Hsp65 mRNA. First, we demonstrated that antigen-presenting cells transfected with Hsp65 mRNA exhibit a higher level of expression of co-stimulatory molecules, suggesting that Hsp65 mRNA has immunostimulatory properties. We also demonstrated that spleen cells obtained from animals immunized with mock and Hsp65 mRNA-transfected dendritic cells were able to generate a mixed Th1/Th2 response with production not only of IFN-γ but also of IL-5 and IL-10. In contrast, cells recovered from mice immunized with Hsp65 mRNA-transfected macrophages were able to produce only IL-5. When mice were infected with Mycobacterium tuberculosis and treated with antigen-presenting cells transfected with Hsp65 mRNA (therapeutic immunization), we did not detect any decrease in the lung bacterial load or any preservation of the lung parenchyma, indicating the inability of transfected cells to confer curative effects against tuberculosis. In spite of the lack of therapeutic efficacy, this study reports for the first time the use of antigen-presenting cells transfected with mRNA in experimental tuberculosis.

CTLA4 enhances the osteogenic differentiation of allogeneic human mesenchymal stem cells in a model of immune activation

Allogeneic mesenchymal stem cells (allo-MSCs) have recently garnered increasing interest for their broad clinical therapy applications. Despite this, many studies have shown that allo-MSCs are associated with a high rate of graft rejection unless immunosuppressive therapy is administered to control allo-immune responses. Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA4) is a co-inhibitory molecule expressed on T cells that mediates the inhibition of T-cell function. Here, we investigated the osteogenic differentiation potency of allo-MSCs in an activated immune system that mimics the in vivo allo-MSC grafting microenvironment and explored the immunomodulatory role of the helper T cell receptorCTLA4 in this process. We found that MSC osteogenic differentiation was inhibited in the presence of the activated immune response and that overexpression of CTLA4 in allo-MSCs suppressed the immune response and promoted osteogenic differentiation. Our results support the application of CTLA4-overexpressing allo-MSCs in bone tissue engineering.

Players of Th-cell differentiation and immune dysregulation – focus on GIMAP family genes

The balance of T helper (Th) cell differentiation is the fundamental process that ensures that the immune system functions correctly and effectively. The differentiation is a fine tuned event, the outcome of which is driven by activation of the T-cell in response to recognition of the specific antigen presented. The co-stimulatory signals from the surrounding cytokine milieu help to determine the outcome. An impairment in the differentiation processes may lead to an imbalance in immune responses and lead to immune-mediated pathologies. An over-representation of Th1 type cytokine producing cells leads to tissue-specific inflammation and autoimmunity, and excessive Th2 response is causative for atopy, asthma and allergy. The major factors of Th-cell differentiation and in the related disease mechanisms have been extensively studied, but the fine tuning of these processes by the other factors cannot be discarded. In the work presented in this thesis, the association of T-cell receptor costimulatory molecules CTLA4 and ICOS with autoimmune diabetes were studied. The underlying aspect of the study was to explore the polymorphism in these genes with the different disease rates observed in two geographically close populations. The main focus of this thesis was set on a GTPase of the immunity associated protein (GIMAP) family of small GTPases. GIMAP genes and proteins are differentially regulated during human Th-cell differentiation and have been linked to immune-mediated disorders. GIMAP4 is believed to contribute to the immunological balance via its role in T-cell survival. To elucidate the function of GIMAP4 and GIMAP5 and their role in human immunity, a study combining genetic association in different immunological diseases and complementing functional analyses was conducted. The study revealed interesting connections with the high susceptibility risk genes. In addition, the role of GIMAP4 during Th1-cell differentiation was investigated. A novel function of GIMAP4 in relation to cytokine secretion was discovered. Further assessment of GIMAP4 and GIMAP5 effect for the transcriptomic profile of differentiating Th1-cells revealed new insights for GIMAP4 and GIMAP5 function.

L’influence du réseau de chimiokines sur les lymphocytes T dans le contexte de l’infection à virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1)

Les chimiokines et leurs récepteurs respectifs jouent un rôle important dans l’immunité innée et adaptative. Les récepteurs de chimiokines identifient des cellules T CD4+ avec potentiel de migration dans des tissus spécifiques et à fonctionnalité distincte du point de vue de la spécificité antigénique et de la production de cytokines. L’identité de la population des cellules T CD4+ susceptibles versus résistantes à l’infection par le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) reste mal définie. Le recrutement dans les muqueuses intestinales d’un excès de cellules T effectrices (CD8+) comparé aux cellules cibles (CD4+) représente un bon pronostic de l’infection par le virus de l’immunodéficience simienne (VIS), tandis que la déplétion des cellules Th17 dans les tissus lymphoïdes associés au tractus gastro-intestinal (GALT) est un marqueur de la progression de l’infection à VIH. L’effet régulateur des chimiokines sur l’activation de la réplication virale dans différentes sous-populations cellulaires T CD4+ reste peu étudié. Ce projet de maîtrise est divisé en 3 parties: (1) l’identification des récepteurs de chimiokines CCR4, CXCR3 et CCR6 comme marqueurs de surfaces des sous populations T CD4+ avec susceptibilité distincte à l’infection par le VIH; (2) la caractérisation phénotypique et fonctionnelle des cellules T CD4+ et T CD8+ spécifiques au VIH de sujets à progression lente vers le stade sida (LTNP); et (3) les effets des chimiokines ligands de CCR4, CXCR3 et CCR6 sur l’activation cellulaire et la réplication virale in vitro. Nos résultats démontrent que les cellules T CD4+ CCR4+CCR6+ (profile cytokinique Th17) et CXCR3+CCR6+ (profile cytokinique Th1/Th17) sont hautement permissives à l’infection par le VIH. Nous proposons également de nouveaux corrélats de protection immunitaire contre le VIH chez les sujets LTNP: (i) le potentiel de co-localisation dans les muqueuses intestinales des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH via l’intégrine β7, (ii) le ratio élevé entre les cellules T effectrices (CD8+) versus les cellules cibles (CD4+) spécifiques au VIH, (iii) le profil cytokinique Th17 et (iv) la capacité des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH à produire des ligands de CCR5 bloquant l’entrée virale. Finalement, nos résultats sur l’effet co-stimulateur des chimiokines sur les cellules T et leurs effets opposés sur la réplication virale démontrent l’implication du réseau des chimiokines dans la régulation de la pathogenèse de l’infection à VIH.

Rôle essentiel des cellules dendritiques dans l'immunité innée face a des streptocoques encapsulés

Streptococcus du Groupe B (GBS) et Streptococcus suis sont deux pathogènes encapsulés qui induisent des pathologies similaires dont la méningite et la septicémie chez les animaux et/ou les humains. Les sérotypes III et V du GBS et les sérotypes 2 et 14 du S. suis (utilisés dans cette étude) sont parmi les plus prévalents et/ou les plus virulents. La capsule polysaccharidique (CPS) définit le sérotype et est considérée comme un facteur de virulence essentiel pour les deux espèces bactériennes. Malgré que plusieurs études aient été réalisées au niveau des interactions entre ces streptocoques et les cellules de l’immunité innée, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire contre ces pathogènes par les cellules dendritiques (DCs) et leur interactions avec d’autres cellules, notamment les cellules ‘natural killer’ (NK). Dans cette étude, différentes approches (in vitro, ex vivo et in vivo) chez la souris ont été développées pour caractériser les interactions entre les DCs, les cellules NK et GBS ou S. suis. L’utilisation de mutants non encapsulés a permis d’évaluer l’importance de la CPS dans ces interactions. Les résultats in vitro avec les DCs infectées par GBS ou S. suis ont démontré que ces deux pathogènes interagissent différemment avec ces cellules. GBS est grandement internalisé par les DCs, et ce, via de multiples mécanismes impliquant notamment les radeaux lipidiques et la clathrine. Le mécanisme d’endocytose utilisé aurait un effet sur la capacité du GBS à survivre intracellulairement. Quant au S. suis, ce dernier est très faiblement internalisé et, si le cas, rapidement éliminé à l’intérieur des DCs. GBS et S. suis activent les DCs via différents récepteurs et favorisent la production de cytokines et chimiokines ainsi que l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation. Cette activation permet la production d’interferon-gamma (IFN-y) par les cellules NK. Cependant, GBS semble plus efficient à activer les DCs, et par conséquent, les cellules NK que S. suis. La production d’IFN-y, en réponse à la stimulation bactérienne, est principalement assurée par un contact direct entre les DCs et les cellules NK et ne dépend qu’en partie de facteurs solubles. De plus, nos résultats in vivo ont démontré que ces deux streptocoques induisent rapidement la libération d'IFN-y par les cellules NK lors de la phase aiguë de l'infection. Ceci suggère que les interactions entre les DCs et les cellules NK pourraient jouer un rôle dans le développement d’une réponse immune T auxiliaire de type 1 (T ‘helper’ 1 en anglais; Th1). Cependant, la capacité de S. suis à activer la réponse immunitaire in vivo est également plus faible que celle observée pour GBS. En effet, les CPSs de GBS et de S. suis jouent des rôles différents dans cette réponse. La CPS de S. suis empêche une activation optimale des DCs et des cellules NK alors que c’est l’opposé pour la CPS de GBS, indépendamment du sérotype évalué. En résumé, cette étude adresse pour la première fois la contribution des DCs et des cellules NK dans la réponse immunitaire innée lors d’une infection à GBS ou à S. suis et, par extension, dans le développement d’une réponse Th1. Nos résultats renforcent davantage le rôle central des DCs dans le contrôle efficace des infections causées par des bactéries encapsulées.

Rôle des cellules dendritiques dans la modulation de la réponse immunitaire de l'hôte contre Streptococcus suis

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et agent zoonotique responsable de méningites et de septicémies. À ce jour, les mécanismes impliqués dans la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis sont peu connus; et il en est de même pour les stratégies utilisées par S. suis afin de déjouer cette réponse. L’augmentation de l’incidence et de la sévérité des cas humains souligne le besoin d’une meilleure compréhension des interactions entre S. suis et le système immunitaire afin de générer une réponse immunitaire efficace contre ce pathogène. Les cellules dendritiques (DCs) sont de puissantes cellules présentatrices d’antigènes qui stimulent les lymphocytes T et B, assurant la liaison entre l’immunité innée et l’immunité adaptative. L’objectif principal de ce projet était d’évaluer le rôle joué par différents facteurs de virulence de S. suis sur la modulation de la fonction des DCs et de la réponse T-dépendante. Nous avons examiné l’effet des facteurs clés pour la virulence de S. suis, dont la capsule polysaccharidique (CPS), les modifications de la paroi cellulaire (D-alanylation de l’acide lipotéichoïque et N-déacétylation du peptidoglycane) et la toxine suilysine, sur l’activation et la maturation de DCs murines dérivées de la moelle osseuse (bmDCs). Suite à l’infection par S. suis, les bmDCs sont activées et subissent un processus de maturation caractérisé par l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation et la production de cytokines pro-inflammatoires. La CPS est le principal facteur interférant avec la production de cytokines, même si les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine peuvent également moduler la production de certaines cytokines. Enfin, la CPS, les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine interfèrent avec la déposition du complément à la surface des bactéries et, en conséquence, avec le « killing » dépendant du complément. Les résultats ont été confirmés à l’aide de bmDCs porcines. Nous avons aussi voulu identifier les récepteurs cellulaires impliqués dans la reconnaissance de S. suis par les DCs. Nous avons démontré que la production de cytokines et l’expression des molécules de co-stimulation par les DCs sont fortement dépendantes de la signalisation par MyD88, suggérant que les DCs reconnaissent S. suis et deviennent activées majoritairement via la signalisation par les récepteurs de type Toll (TLRs). En effet, on remarque une diminution de la production de plusieurs cytokines ainsi que de l’expression de certaines molécules de co-stimulation chez les DCs TLR2-/- ou TLR2-/- et TLR9-/- double négatives. Finalement, le récepteur NOD2 semblait jouer un rôle partiel dans l’activation des DCs suite à une infection par S. suis.Enfin, nous avons évalué les conséquences de la modulation des fonctions des DCs sur le développement de la réponse T-dépendante. Les splénocytes totaux produisent plusieurs cytokines en réponse à S. suis. Des analyses in vivo et ex vivo ont permis d’observer l’implication des cellules T CD4+ et le développement d’une réponse de type « T helper » 1 (TH1) bien que la quantité de cytokines TH1 produites lors de l’infection in vivo par S. suis demeure assez basse. La CPS de S. suis interfère avec la production de plusieurs cytokines par les cellules T in vitro. Expérimentalement, l’infection induite par S. suis résulte en de faibles niveaux de production d’anticorps anti-S. suis, mais aussi d’anticorps dirigés contre l’ovalbumine utilisée comme antigène rapporteur. Cette interférence est corrélée avec la sévérité des signes cliniques, suggérant que S. suis interfère avec le développement d’une réponse immunitaire adaptative appropriée qui serait requise pour contrôler la progression de l’infection. Les résultats de cette étude mèneront à une meilleure compréhension de la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis.

Carbon monoxide inhibits L-type Ca2+ channels via redox modulation of key cysteine residues by mitochondrial reactive oxygen species

Conditions of stress, such as myocardial infarction, stimulate up-regulation of heme oxygenase (HO-1) to provide cardioprotection. Here, we show that CO, a product of heme catabolism by HO-1, directly inhibits native rat cardiomyocyte L-type Ca2+ currents and the recombinant alpha1C subunit of the human cardiac L-type Ca2+ channel. CO (applied via a recognized CO donor molecule or as the dissolved gas) caused reversible, voltage-independent channel inhibition, which was dependent on the presence of a spliced insert in the cytoplasmic C-terminal region of the channel. Sequential molecular dissection and point mutagenesis identified three key cysteine residues within the proximal 31 amino acids of the splice insert required for CO sensitivity. CO-mediated inhibition was independent of nitric oxide and protein kinase G but was prevented by antioxidants and the reducing agent, dithiothreitol. Inhibition of NADPH oxidase and xanthine oxidase did not affect the inhibitory actions of CO. Instead, inhibitors of complex III (but not complex I) of the mitochondrial electron transport chain and a mitochondrially targeted antioxidant (Mito Q) fully prevented the effects of CO. Our data indicate that the cardioprotective effects of HO-1 activity may be attributable to an inhibitory action of CO on cardiac L-type Ca2+ channels. Inhibition arises from the ability of CO to promote generation of reactive oxygen species from complex III of mitochondria. This in turn leads to redox modulation of any or all of three critical cysteine residues in the channel's cytoplasmic C-terminal tail, resulting in channel inhibition.

Ageing impairs the T cell response to dendritic cells

Dendritic cells (DCs) are critical in priming adaptive T-cell responses, but the effects of ageing on interactions between DCs and T cells are unclear. This study investigated the influence of ageing on the maturation of and cytokine production by human blood-enriched DCs, and the impact on T cell responses in an allogeneic mixed leucocyte reaction (MLR). DCs from old subjects (65-75y) produced significantly less TNF-α and IFN-γ than young subjects (20-30y) in response to lipopolysaccharide (LPS), but expression of maturation markers and co-stimulatory molecules was preserved. In the MLR, DCs from older subjects induced significantly restricted proliferation of young T cells, activation of CD8+ T cells and expression of IL-12 and IFN-γ in T cells compared with young DCs. T cells from older subjects responded more weakly to DC stimulation compared with young T cells, regardless of whether the DCs were derived from young or older subjects. In conclusion, the capacity of DCs to induce T cell activation is significantly impaired by ageing.

Heme oxygenase-1 regulates cell proliferation via carbon monoxide-mediated inhibition of T-type Ca2+ channels

Induction of the antioxidant enzyme heme oxygenase-1 (HO-1) affords cellular protection and suppresses proliferation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) associated with a variety of pathological cardiovascular conditions including myocardial infarction and vascular injury. However, the underlying mechanisms are not fully understood. Over-expression of Cav3.2 T-type Ca2+ channels in HEK293 cells raised basal [Ca2+]i and increased proliferation as compared with non-transfected cells. Proliferation and [Ca2+]i levels were reduced to levels seen in non-transfected cells either by induction of HO-1 or exposure of cells to the HO-1 product, carbon monoxide (CO) (applied as the CO releasing molecule, CORM-3). In the aortic VSMC line A7r5, proliferation was also inhibited by induction of HO-1 or by exposure of cells to CO, and patch-clamp recordings indicated that CO inhibited T-type (as well as L-type) Ca2+ currents in these cells. Finally, in human saphenous vein smooth muscle cells, proliferation was reduced by T-type channel inhibition or by HO-1 induction or CO exposure. The effects of T-type channel blockade and HO-1 induction were non-additive. Collectively, these data indicate that HO-1 regulates proliferation via CO-mediated inhibition of T-type Ca2+ channels. This signalling pathway provides a novel means by which proliferation of VSMCs (and other cells) may be regulated therapeutically.