Clinical proteomics : a focus on transformed human T and B lymphocytes

Résumé large public La protéomique clinique est une discipline qui vise l'étude des protéines dans un but diagnostique ou thérapeutique. Nous avons utilisé cette approche pour étudier les lymphocytes T «tueurs » ou cytotoxiques qui font partie des globules blancs du système sanguin et agissent dans la lutte contre les infections et les tumeurs. Ces cellules sont impliquées dans l'immunothérapie cellulaire qui se fonde sur la capacité naturelle des ces lymphocytes à repérer les cellules tumorales et à les détruire. L'introduction du gène de la télomérase dans les lymphocytes T résulte en une prolongation de leur longévité, ce qui en ferait des candidats intéressants pour l'immunothérapie cellulaire. Il subsiste cependant des doutes quant aux conséquences de l'utilisation de ces lymphocytes «immortalisés ». Pour répondre à cette question, nous avons comparé le profile protéique de lymphocytes T cytotoxiques «jeunes » et vieux » avec celui des lymphocytes «immortalisés ». Nous avons trouvé que ces derniers présentent une double face et partagent à la fois les caractéristiques de la jeunesse et de la vieillesse. Dans une seconde étude de protéomique clinique, nous nous sommes penchés sur les lymphocytes B «immortalisés » cette fois-ci non pas avec la télomérase, mais avec le virus d'Epstein-Barr. Ces derniers sont utilisés comme modèle dans l'étude de la leucodystrophie, une maladie génétique rare qui affecte le cerveau. Notre but est d'identifier des marqueurs biologiques potentiels qui pourraient aider le diagnostic et le traitement de cette maladie neurodégénérative. Nous avons pour ce faire comparé les profiles protéiques des lymphocytes B «immortalisés » provenant d'individus sains et malades. Malheureusement, notre analyse n'a pas révélé de différences notoires entre ces deux classes de lymphocytes. Ceci nous permet toutefois de conclure que la maladie n'affecte pas la synthèse des protéines de manière prépondérante dans ces cellules sanguines. En résumé, le travail présenté dans cette thèse montre à la fois le potentiel et les limites de l'analyse des protéines lymphocytaires, dans différentes situations biologiques. Résumé La protéomique clinique ouvre la porte vers de multiples horizons relatifs au traitement de diverses maladies. Ce domaine particulier alliant la protéomique à la médecine, implique l'intervention de la biologie moléculaire et cellulaire. Dans notre étude, nous nous sommes d'abord intéressés aux lymphocytes T CD8+ cytotoxiques dans le contexte de l'immunothérapie adoptive. Le fondement de cette thérapie repose sur la capacité naturelle de ces lymphocytes à reconnaître les cellules tumorales et à les détruire chez les patients atteints de cancer. L'introduction du gène de la transcriptase réverse de la télomérase (hTERT) dans les lymphocytes T humains permet de rallonger leur durée de vie, sans toutefois induire d'altérations liées à la transformation. Cependant, des incertitudes subsistent quant à la ressemblance physiologique et biochimique entre ces cellules surexprirnant la télomérase et les cellules normales. Afin de répondre à cette question, nous avons comparé l'expression des protéines de lymphocytes humains T CD8+ «jeunes » et «vieux »avec celle de lymphocytes transduits avec hTERT. Nous avons trouvé que les lymphocytes T surexprimant la télomérase ont un profile protéique intermédiaire, avec certaines expressions protéiques similaires aux jeunes cellules T et d'autres se rapprochant des cellules vieilles. Dans la seconde partie de notre étude, nous nous sommes intéressés aux lymphocytes B transformés avec le virus d'Epstein-Barr provenant de patients atteints d'une maladie génétique rare du cerveau, la leucodystrophie. Dans cette maladie, des mutations dans le facteur de transcription eIF2B, impliqué dans la synthèse protéique, ont été trouvées. Afin d'analyser les conséquences de ces mutations et de trouver des biomarqueurs spécifiques à cette maladie, nous avons effectué une analyse protéomique des lymphoblastes provenant de malades et d'individus sains. Nous avons trouvé que les mutations dans le complexe ubiquitaire eIF2B n'affectent pas de manière significative l'expression des protéines des lymphoblastes mutés. En conclusion, notre travail illustre le potentiel et les limitations des technologies protéomiques utilisées pour disséquer l'implication des protéines dans différentes situations biologiques. Summary Clinical proteomics opens the door to multiple applications related to the treatment of diseases. This particular field is at the crossroad of proteomics and medicine and involves tools from cellular and molecular biology. We focused first our investigations on cytotoxic T cells in the context of adoptive immunotherapy, which is an interesting and evolving field. The basis of this therapy relies on the natural capacity of cytotoxic CD8+ T lymphocytes in recognizing tumor cells and destroying them in cancer patients. As their number is reduced, the idea would be to use transformed T lymphocytes with extended life span. Overexpression of telomerase into human T lymphocytes results in the extension of their replicative life span, but it still remains unclear whether these cells are physiologically indistinguishable from normal ones. To address this question, we compared the proteome of young and aged CD8+ T lymphocytes with that of T cells transduced with hTERT and found that the latter cells displayed an intermediate protein pattern, sharing similar protein expression with young, but also with aged T cells. We were then interested in studying Epstein-Barr virus transformed B lymphocytes in the context of a rare human brain genetic disorder called leukodystrophy. In this disease, mutations in the ubiquitous factor eIF2B involved in protein synthesis and its regulation have been reported. In order to analyze the functional consequences of the mutations and to find out specific biomarkers of eIF2B-related disorders, proteomic and peptidomic studies were carried out on lymphoblasts from eIF2Bmutated patients versus healthy patients. Following two-dimensional gel electrophoresis and mass fingerprints, mutations in the eIF2B complex did not appear to significantly affect the proteome of the mutated lymphoblasts extracts. To conclude, our work emphasizes the potentials and the limitations of the proteomic technologies used to analyze the role of lymphocyte proteins in different biological situations.

CD8(+) T cells specific for tumor antigens can be rendered dysfunctional by the tumor microenvironment through upregulation of the inhibitory receptors BTLA and PD-1.

Cytotoxic T cells that are present in tumors and capable of recognizing tumor epitopes are nevertheless generally impotent in eliciting tumor rejection. Thus, identifying the immune escape mechanisms responsible for inducing tumor-specific CD8(+) T-cell dysfunction may reveal effective strategies for immune therapy. The inhibitory receptors PD-1 and Tim-3 are known to negatively regulate CD8(+) T-cell responses directed against the well-characterized tumor antigen NY-ESO-1. Here, we report that the upregulation of the inhibitory molecule BTLA also plays a critical role in restricting NY-ESO-1-specific CD8(+) T-cell expansion and function in melanoma. BTLA-expressing PD-1(+)Tim-3(-) CD8(+) T cells represented the largest subset of NY-ESO-1-specific CD8(+) T cells in patients with melanoma. These cells were partially dysfunctional, producing less IFN-γ than BTLA(-) T cells but more IFN-γ, TNF, and interleukin-2 than the highly dysfunctional subset expressing all three receptors. Expression of BTLA did not increase with higher T-cell dysfunction or upon cognate antigen stimulation, as it does with PD-1, suggesting that BTLA upregulation occurs independently of functional exhaustion driven by high antigen load. Added with PD-1 and Tim-3 blockades, BTLA blockade enhanced the expansion, proliferation, and cytokine production of NY-ESO-1-specific CD8(+) T cells. Collectively, our findings indicate that targeting BTLA along with the PD-1 and Tim-3 pathways is critical to reverse an important mechanism of immune escape in patients with advanced melanoma.

Single cell analysis reveals similar functional competence of dominant and non-dominant CD8 T-cell clonotypes

The properties of CD8 T-cells requiredfor protection from infectiousdisease and cancer are only partiallycharacterized, and only limited data isavailable regarding T-cell clonotypes.It has been proposed that dominantT-cell clonotypes may have higherprotective potential than their nondominantcounterparts. Our objectiveswere to assess memory andeffector functions, stage of differentiationand clonotype selection of tumor-reactive T lymphocytes followingpeptide vaccination in melanomapatients.We also characterized dominantversus non-dominant clonotypesto further understand the in vivo functionof these T-cells based on theirprevalence. Using a novel single-cellapproach for simultaneous ex vivomolecular and functional analysis, wereport the preferential selection andexpansion of several tumor-specificco-dominant clonotypes of intermediateto high frequencies, irrespectiveof whether native or analog peptidewas used for vaccination. Theseclonotypes made up 40 - 95% of thedifferentiated "effector-like" T-cells,but only 25% of the less-differentiated"effector-memory" cells. Bothsubsets also contained non-dominantT-cell clonotypes, but these were significantlymore frequent in the lessdifferentiatedcells. Thus, cell differentiationwas clonotype-dependent.Surprisingly however, the acquisitionof memory and effector T-cell propertieswas clonotype independent, as wefound similar functional profiles indominant and low/ non-dominantT-cell clonotypes. In contrast to analogpeptide vaccination, native peptidevaccination induced T-cell functionsthat were more comprehensive,with more pronounced effector functionscombined with memory cellproperties. In summary, this study revealsthat T-cell functions are determinedprimarily by the antigen andthe stage of T-cell differentiation, butare similar in dominant and non-dominantclonotypes participating in aCD8 T-cell response. The identifiedclonotypic basis of T-cell responsescontributes to the rational developmentof vaccines.

In vivo expression of natural killer cell inhibitory receptors by human melanoma-specific cytolytic T lymphocytes.

Natural killer (NK) receptor signaling can lead to reduced cytotoxicity by NK cells and cytolytic T lymphocytes (CTLs) in vitro. Whether T cells are inhibited in vivo remains unknown, since peptide antigen-specific CD8(+) T cells have so far not been found to express NK receptors in vivo. Here we demonstrate that melanoma patients may bear tumor-specific CTLs expressing NK receptors. The lysis of melanoma cells by patient-derived CTLs was inhibited by the NK receptor CD94/NKG2A. Thus, tumor-specific CTL activity may be decreased through NK receptor triggering in vivo.

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.

Rapid Perturbation in Viremia Levels Drives Increases in Functional Avidity of HIV-specific CD8 T Cells.

The factors determining the functional avidity and its relationship with the broad heterogeneity of antiviral T cell responses remain partially understood. We investigated HIV-specific CD8 T cell responses in 85 patients with primary HIV infection (PHI) or chronic (progressive and non-progressive) infection. The functional avidity of HIV-specific CD8 T cells was not different between patients with progressive and non-progressive chronic infection. However, it was significantly lower in PHI patients at the time of diagnosis of acute infection and after control of virus replication following one year of successful antiretroviral therapy. High-avidity HIV-specific CD8 T cells expressed lower levels of CD27 and CD28 and were enriched in cells with an exhausted phenotype, i.e. co-expressing PD-1/2B4/CD160. Of note, a significant increase in the functional avidity of HIV-specific CD8 T cells occurred in early-treated PHI patients experiencing a virus rebound after spontaneous treatment interruption. This increase in functional avidity was associated with the accumulation of PD-1/2B4/CD160 positive cells, loss of polyfunctionality and increased TCR renewal. The increased TCR renewal may provide the mechanistic basis for the generation of high-avidity HIV-specific CD8 T cells. These results provide insights on the relationships between functional avidity, viremia, T-cell exhaustion and TCR renewal of antiviral CD8 T cell responses.

Intrathecal immune responses to EBV in early MS.

EBV has been consistently associated with MS, but its signature in the CNS has rarely been examined. In this study, we assessed EBV-specific humoral and cellular immune responses in the cerebrospinal fluid (CSF) of patients with early MS, other inflammatory neurological diseases (OIND) and non-inflammatory neurological diseases (NIND). The neurotropic herpesvirus CMV served as a control. Virus-specific humoral immune responses were assessed in 123 consecutive patients and the intrathecal recruitment of virus-specific antibodies was expressed as antibody indexes. Cellular immune responses tested in the blood of 55/123 patients were positive in 46/55. The CD8(+) CTL responses of these 46 patients were assessed in the blood and CSF using a CFSE-based CTL assay. We found that viral capsid antigen and EBV-encoded nuclear antigen-1, but not CMV IgG antibody indexes, were increased in early MS as compared with OIND and NIND patients. There was also intrathecal enrichment in EBV-, but not CMV-specific, CD8(+) CTL in early MS patients. By contrast, OIND and NIND patients did not recruit EBV- nor CMV-specific CD8(+) CTL in the CSF. Our data, showing a high EBV-, but not CMV-specific intrathecal immune response, strengthen the association between EBV and MS, in particular at the onset of the disease.

CD8+ T cell development: CD4 to the rescue.

How immature CD4+CD8+ thymocytes become committed to either the CD4 (helper) or CD8 (cytotoxic) lineage is controversial. Genetic ablation of a silencer element in the gene encoding CD4 provides new evidence that CD8 lineage commitment occurs via a stochastic, rather than instructive, mechanism.

IL-12-mediated STAT4 signaling and TCR signal strength cooperate in the induction of CD40L in human and mouse CD8(+) T cells.

CD40L is one of the key molecules bridging the activation of specific T cells and the maturation of professional and nonprofessional antigen-presenting cells including B cells. CD4(+) T cells have been regarded as the major T-cell subset that expresses CD40L upon cognate activation; however, we demonstrate here that a putative CD8(+) helper T-cell subset expressing CD40L is induced in human and murine CD8(+) T cells in vitro and in mice immunized with antigen-pulsed dendritic cells. IL-12 and STAT4-mediated signaling was the major instructive cytokine signal boosting the ability of CD8(+) T cells to express CD40L both in vitro and in vivo. Additionally, TCR signaling strength modulated CD40L expression in CD8(+) T cells after primary differentiation in vitro as well as in vivo. The induction of CD40L in CD8(+) T cells regulated by IL-12 and TCR signaling may enable CD8(+) T cells to respond autonomously of CD4(+) T cells. Thus, we propose that under proinflammatory conditions, a self-sustaining positive feedback loop could facilitate the efficient priming of T cells stimulated by high affinity peptide displaying APCs.

Distinct profiles of cytotoxic granules in memory CD8 T cells correlate with functions, differentiation stage, and antigen exposure

RAPPORT DE SYNTHÈSE : Les profils des granules cytotoxiques des cellules T CD8 mémoires sont corrélés à la fonction, à leur état de différentiation et à l'exposition à l'antigène. Les lymphocytes T-CD8 cytotoxiques exercent leur fonction antivirale et antitumorale surtout par la sécrétion des granules cytotoxiques. En général, ce sont l'activité de dégranulation et les granules cytotoxiques (contenant perforine et différentes granzymes) qui définissent les lymphocytes T-CD8 cytotoxiques. Dans cette étude, nous avons investigué l'expression de granzyme K par cytométrie en flux, en comparaison avec l'expression de granzyme A, granzyme B et de perforine. L'expression des granules cytotoxiques a été déterminée dans lymphocytes T-CD8 qui étaient spécifiques pour des différents virus, en particulier spécifique pour le virus d'influenza (flu), le virus Ebstein Barr (EBV), le virus de cytomégalie (CMV) et le virus de l'immunodéficience humaine (HIV). Nous avons observé une dichotomie entre l'expression du granzyme K et de la perforine dans les lymphocytes T-CD8 qui étaient spécifiques aux virus mentionnés. Les profils des lymphocytes T-CD8 spécifiques à flu étaient positifs soit pour granzyme A et granzyme K soit pour le granzyme K seul, mais dans l'ensemble négatifs pour perforine et granzyme B. Les cellules spécifiques à CMV étaient dans la plupart positives pour perforine, granzyme B et A, mais négatives pour le granzyme K. Les cellules spécifiques à EBV et HIV étaient dans la majorité positives pour granzyme A, B et K, et dans la moitié des cas négatives pour la perforine. Nous avons également analysé, selon les marqueurs de mémoire de CD45 et CD127, les profils de différentiation cellulaire: Les cellules avec les granules cytotoxiques contenant exclusivement le granzyme K, étaient associées à un état de différentiation précoce. Au contraire, les protéines cytolytiques perforine, granzyme A et B, correspondent à une différentiation avancée. En outre, les protéines perforine et granzyme B, mais pas les granzymes A et K, sont corrélées à une activité cytotoxique. Finalement, des changements dans l'exposition d'antigène in vitro et in vivo suivant une infection primaire d' HIV ou une vaccination modulent le profil de granules cytotoxiques. Ces résultats nous permettent d'étendre la compréhension de la relation entre les différents profils de granules cytotoxiques des lymphocytes T-CD8 et leur fonction, leur état de différentiation et l'exposition à l'antigène.

Optimal CD8 T cell responsiveness is controlled within a defined TCR affinity window

Protective immune responses relyon TCR-mediated recognition of antigenspresented by MHC molecules. Tcells directed against tumor antigensare thought to express TCRs of loweraffinity/avidity than pathogen-specificT lymphocytes. An attractivestrategy to improve anti-tumor T cellresponses is to adoptively transferCD8+ T cells engineered with TCRsof optimized affinity. However, themechanisms that control optimal Tcell activation and responsiveness remainpoorly defined. We aim at characterizingTCR-pMHC binding parametersand downstream signalingevents that regulate T cell functionalityby using an in silico designedpanel of tumor antigen-specific TCRsof incremental affinity for pMHC(Kd100 M- 15 nM).We found that optimalT cell responses (cytokine secretionand target cell killing) occurredwithin a well-defined window ofTCR-pMHC binding affinity (5 M-1 M), while drastic functional declinewas detected in T cells expressingvery low and very high TCRaffinities,which was not caused by any increasein apoptosis. Whole-genomemicroarray analysis revealed that Tcells with optimal TCR affinitieshighly up-regulated transcription ofgenes typical of T cell activation (i.e.IFN-, NF-B and TNFR), while reducedexpression was detected in Tcells of very low or very high TCR affinity.Strikingly, hierarchical clusteringshowed that the latter two variantsclustered together with the un-stimulatedcontrol Tcells.Yet, despite commonclustering, several genes seemedto be differentially expressed, suggestingthat the mechanisms involvedin this "unresponsiveness state" maydiffer between those two variants. Finally,calcium influx assays also demonstratedattenuated responses in Tcells of very high TCR affinity. Ourresults indicate that optimal T cellfunction is tightly controlled within adefinedTCRaffinity window throughvery proximal TCR-mediated mechanisms,possibly at the TCR-pMHCbinding interface. Uncovering themechanisms regulating optimal/maximalT cell function is essential to understandand promote therapeutic designlike adoptive T cell therapy.

Cellular immune responses against mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is known to have two main outcomes: latent infection (LTBI) where the pathogen is in a dormant form or active tuberculosis disease (TB), which is, most of the time, highly transmissible. Over one-third of the world's population asymptomatically harbours a latent form of Mtb with a 10% risk of disease reactivation. Efficient vaccine strategies remain unknown and the existing BCG vaccine is believed to protect against only some forms of TB (extra-pulmonary TB in children). Moreover, timely identification of TB remains complex with the actual diagnosis based on clinical observations associated to low efficient tests. Furthermore, current therapies are expensive, heavy and long for patients, and present lesser and lesser efficiency against new drug-resistant strains of Mtb. It is thus important to develop our knowledge on host -Mtb relationship to propose new vaccines, diagnosis tools and medications for the future. This thesis aims at improving our understanding of human immunology in the field of TB. All along this work, the same algorithm has been used and points towards the discovery of new correlates of protection through the comparison of T-cell immune responses in patients with LTBI or TB. We performed a comprehensive analysis of T-cell immune responses to Mtb using polychromatic flow cytometiy to study the functional profile of Μ/ό-specific CD4 Τ cells. We observed a polyfunctional profile in LTBI where CD4 Τ cells mainly co-produced IFN-γ, TNF-α and IL-2. In contrast, in TB, Mtó-specific CD4 Τ cells were mostly single TNF-a positive. Thus, analysis of the cytokine profiles was a strong immunological measure discriminating TB and LTBI. We next analyzed Thl7 cells. Mtò-specific Thl7 cells lacked immediate {i.e. ex vivo) IL-17A effector function in both LTBI and TB individuals. Moreover, they were also absent in bronchoalveolar lavages (BALs). Interestingly, we noticed that Mtb- specific Thl7 cells from LTBI but not from TB subjects acquired the ability to produce IL- 17A following Mtb-specific T-cell expansion. We finally performed a comprehensive characterization of Mfè-specific CD8 Τ cells that were detected in most (60%) TB patients and few (15%) LTBI subjects. We observed differences in the phenotype, the cytotoxicity and the proliferative capacities but not in the cytokine profile of Mtò-specific CD8 Τ cells between LTBI and TB. We concluded that the activity of Mtb infection (i.e. latent versus active) and the clinical presentation were associated to distinct profiles of Mtó-specific CD8 T-cell responses. To conclude, a multiparametric analysis including both CD4 and CD8 T-cell responses to Mtb lead to the development of a significantly improved diagnostic test discriminating between LTBI and TB. All together, these results provide new insights into the interaction between Mtb and the host immune response and expand upon our prior knowledge of tuberculosis. - L'infection par Mycobacterium tuberculosis peut résulter en une infection tuberculeuse latente et asymptomatique ou encore en une forme active et la plupart du temps contagieuse, la tuberculose. Un tiers de la population mondiale serait infectée de manière chronique avec 10 % de risques de développer la maladie durant la vie. Il n'existe actuellement aucun vaccin efficace, le BCG ne conférant qu'une protection partielle contre certaines formes extrapulmonaires de la maladie chez l'enfant. D'autre part, il n'existe pas de méthode diagnostique fiable et rapide, celle-ci se basant dans un premier temps sur l'analyse de la situation clinique des patients. Enfin, les thérapies actuelles sont couteuses et contraignantes pour les patients et tendent à ne plus être efficaces contre les souches émergentes de mycobactérie multi-résistantes. Aussi, il est important de bien comprendre la relation hôte-pathogène de manière à pouvoir proposer de nouveaux outils vaccinaux, diagnostiques et thérapeutiques. Ce manuscrit s'inscrit dans cette direction et vise à améliorer nos connaissances de la réponse immunitaire humaine dans le cadre de la tuberculose. Nous avons suivi un algorithme similaire tout au long des études proposées en comparant les réponses immunes des patients latents à celles des patients actifs, et ce, dans le but de mettre en évidence de potentiels corrélats de protection. Nous avons réalisé par cytométrie en flux une analyse du profil fonctionnel des cellules lymphocytaires CD4 dans la réponse au pathogène. Dans le cas de la tuberculose active, les cellules CD4 sécrètent majoritairement du TNF-α quand, au contraire, elles sécrètent à la fois du TNF-α, de l'IFN-γ et de l'IL-2 (poly-fonctionnalité) dans l'infection latente. Cette observation nous a permis de proposer un nouveau test diagnostique de la maladie active. Nous avons aussi étudié les cellules CD4 Thl7, impliquées dans la réponse immunitaire cellulaire contre les pathogènes extracellulaires et les champignons. Nous avons souligné une variation dans la production d'IL-17 entre infection latente et tuberculose active qui pourrait être impliquée dans la protection de l'individu contre le pathogène. D'autre part, ce manuscrit propose une caractérisation des cellules Τ CD8 dites cytotoxiques dans la tuberculose. Des divergences dans la fréquence des réponses observées, le phénotype mais aussi les capacités prolifératives et cytotoxiques ont pu être mises en évidence entre latence et tuberculose active. Ces observations soulignent le rôle important de ce groupe cellulaire dans l'évolution de la maladie et permettent de proposer une amélioration de l'outil diagnostic précédemment proposé et se basant à la fois sur le profil fonctionnel des cellules Τ CD4 ainsi que sur la présence potentielle d'une réponse CD8 spécifique au pathogène. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines répondant spécifiquement à Mtb nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de notre réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à l'heure actuelle à tuer chaque année des millions de personnes. - La tuberculose (TB) résulte d'une infection bactérienne par Mycobacterium tuberculosis (Mtb) et existe sous deux formes majeures: une forme latente, lorsque la bactérie est en phase de dormance ainsi qu'une forme active durant laquelle la bactérie se divise activement, entraînant les symptômes de la maladie. La personne infectée devient alors contagieuse dans la plupart des cas. Aujourd'hui des études épidémiologiques assument que plus d'un tiers de la population mondiale serait infectée par la forme latente de la bactérie et que 10% des cas réactiveront donnant lieu à diverses présentations de la maladie. Il n'existe actuellement aucun vaccin réellement efficace chez l'adulte. D'autre part, les traitements antibiotiques utilisés sont très lourds pour les patients et les cliniciens doivent faire face à l'émergence de nouvelles souches bactériennes multi-résistantes non affectées par les thérapies existantes. Les autorités sanitaires sont, d'autre part, confrontées à l'absence d'un outil diagnostique rapide, fiable et efficace. En effet, la méthode de référence reste la culture microbiologique du pathogène qui prend généralement plusieurs semaines, pendant lesquelles le patient pourra contaminer d'autres personnes. En résumé, la lutte contre la tuberculose doit passer par l'élaboration d'un vaccin efficace, de nouvelles thérapies, mais aussi par la mise en place de nouveaux tests diagnostics plus rapides afin d'éviter la dissémination de la maladie. Aussi, la relation hôte-bactérie qui n'est actuellement que peu comprise doit être investiguée. Ce travail de thèse a pour but d'étudier la réponse immunitaire chez l'homme infecté par Mtb et vise plus particulièrement l'étude d'une population clé de cellules immunitaires: les lymphocytes T. L'étude des cellules Τ CD4 nous a permis dans un premier temps de proposer un nouveau test diagnostic de la maladie active. Nous avons aussi analysé plus en détail une population spécifique des cellules Τ CD4 (les cellules Thl7), nous permettant d'associer leur fonction avec un possible état physiologique de protection contre le pathogène. En second lieu nous avons réalisé une caractérisation des cellules Τ CD8, à la fois chez les personnes avec des infections latentes et chez les personnes malades. Nous avons mis en évidence des différences fonctionnelles chez les deux groupes de patients, nous permettant ainsi une meilleure compréhension de l'immunité contre Mtb. Enfin, nous avons combiné les différents profils immunologiques obtenus pour développer un test diagnostic plus performant et sensible que celui proposé antérieurement. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de la réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à tuer chaque année des millions de personnes.

Human CD8 T-cell responses to Epstein-Barr virus and Cytomegalovirus in healthy donors and melanoma patients

Summary The mechanisms regulating the protective immune T-cell responses generated against the persistent Epstein-Barr virus (EBV) and Cytomegaloviru_s (CNIV) remain poorly understood. We analyzed the dynamics of cellular differentiation and T-cell receptor (TCR) clonotype selection of EBV- and CMV-specific T-cells in healthy adults and melanoma patients. While these responses could be subdivided into four T lymphocyte populations, théir proportions varied between EBV and CMV specific responses. Phenotypic and TCR clonotypic analyses supported a linear model of differentiation from the early-differentiated (EM/CD28pos) subset to the late-differentiatdc (EMRA/CD28neg) subset. In-depth clonal composition analyses revealed TCR repertoires, which were highly restricted for CMV- and relatively diverse for EBV-specific cells. Virtually all virus-specific clonotypes identified in the EMRA/CD28neg subset were also found within the pool of less differentiated "memory" cells. However, striking differences in the patterns of dominance were observed among these subsets, as some clonotypes were selected with differentiation, while others were not. Latedifferentiated CMV-specific clonotypes were mostly characterized by TCRs with lower dependency on CD8 co-receptor interaction. Yet all clonotypes displayed similar functional avidities, suggesting a compensatory role of CD8 in the clonotypes of lower TCR avidity. Importantly, clonotype selection and composition of each virus-specific subset upon differentiation was highly preserved over time, with the presence of the same dominant clonotypes at specific differentiation stages within a period of four years. This work was extended to the study of EBV-specific CD8 T-cell responses in melanoma patients undergoing transient lymphodepletion, followed by adoptive cell transfer (ACT) and immune reconstitution for thè treatment of their tumors. Following treatment regimen, we first observed an increase in the proportion of virus-specific T-cells in 3 out of 5 patients, accompanied by a more differentiated phenotype (EMRA/CD28neg), compared to specific cells of healthy individuals. Yet, similarly to healthy donors, clonotype selection and composition of virus-specific T-cells varied along the pathway of cellular differentiation, with some clonotypes being selected with differentiation, while others were not. Intriguingly, no novel clonotypes emerged following transient immuno-suppression and homeostatic proliferation, finding which was subsequently explained by the absence of EBV reactivation. The distribution of each clonotype within early- and late-differentiated T-cell subsets in 4 out 5 patients was highly stable over time, with those clonotypes initially found before the start of treatment that were again present at specific differentiation stages after transient lymphodepletion and ACT. These findings uncover novel features of the highly sophisticated control of steady state protective T-cell immune responses against persistent herpesviruses in healthy adults. Furthermore they reveal the striking stability of these responses in terms of clonotype selection and composition with T-cell differentiation even in situations where the immune system has been. challenged. Résumé : Les mécanismes qui régulent les réponses immunitaires de type protectrices, générées contre les virus chroniquement persistants tels que l'Epstein-Barr (EBV) ou le Cytomegalo (CMV) restent largement inconnus. Nous avons analysé la différenciation des lymphocytes T spécifiques pour ces virus, ainsi que la composition des clonotypes T (par leur récepteur T) chez les donneurs sains. Les réponses immunes peuvent être classifiées en quatre souspopulations majeures de lymphocytes T, cependant, leur proportion varie entre les réponses spécifiques contre EBV ou CMV. Ces analyses soutiennent le modèle linéaire de différenciation, à partir de la population non différenciée (EM/CD28pos) vers la population plus différenciée (ENIIZA/CD28neg). De plus, nos données sur la composition clonale de ces cellules T spécifiques ont révélé des répertoires TCR restreints, pour la réponse anti-CMV, et relativement diversifiés contre EBV. Tous les clonotypes spécifiques de ces virus identifiés dans la sous-population différenciée EMRA/CD28neg, ont également été retrouvés dans la population de cellules "mémoires". Toutefois, de fortes différences ont été observées dans les schémas de domination de ces sous-populations, en effet, certains clonotypes étaient sélectionnés avec la différenciation, alors que d'autres ne l'étaient pas. Nous avons également démontré que ces clonotypes différenciés et spécifiques pour le CMV sont caractérisés par des TCRs à faible dépendance en regard de la coopération du corécepteur CD8. Néanmoins, tous les clonotypes affichent une avidité fonctionnelle similaire, suggérant un rôle compensatoire du CD8, dans le cas des clonotypes avec une faible avidité du TCR En définitive, la composition et la sélection des clonotypes spécifiques pour chaque virus et pour chaque sous-population suit un schéma de différenciation hautement conservé au cours du temps, avec la présence de ces mêmes clonotypes au même stade de différenciation sur une période de quatre ans. Ce travail a été étendu à l'étude des réponses T CD8+ spécifiques pour le virus EBV chez les patients atteints de mélanome et recevant dans le cadre du traitement de leurs tumeurs une lymphodéplétion transitoire, suivie d'un transfert adoptif de cellules et d'une reconstitution immunitaire. Au cours de cette thérapie, nous avons en premier lieu observé pour 3 des 5 patients une augmentation de la proportion de cellules T spécifiques pour le virus, accompagné d'un phénotype plus différencié (EMRA/CD28neg), et ceci comparativement à des cellules spécifiques d'individus sains. Pourtant, comme nous l'avons observé chez les donneurs sains, la sélection et la composition des clonotypes T spécifiques varient tout au long de la différenciation cellulaire, avec certains clonotypes sélectionnés et d'autres qui ne le sont pas. Étonnamment, aucun nouveau clonotype n'a émergé après l'immuno-suppression transitoire et la prolifération homéostatique. Cette observation trouve son explication par une absence de réactivation du virus EBV chez ces patients, et ce malgré leur traitement. De plus, la distribution de chaque clonotype parmi ces sous-populations non-différenciées et différenciées reste stable au cours du traitement. Ainsi, les mêmes clonotypes initialement identifiés avant le début du traitement sont présents aux mêmes stades de différenciation après la lymphodéplétion et la prolifération homéostatique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation hautement «sophistiquée » des réponses immunitaires T contre les virus persistants EBV et CMV chez les donneurs sains. En particulier, ils révèlent la grande stabilité de ces réponses en termes de sélection et de composition des clonotypes avec la différenciation cellulaire, et ce dans les situations chroniques, ainsi que dans les situations dans lesquelles le système immunitaire a été profondément perturbé.

Role of lymph node fibroblasts in T cell priming

SummarySecondary lymphoid organs, such as lymph nodes or spleen, are the only places in our body where primary adaptive immune responses are efficiently elicited. These organs have distinct Β and Τ cell rich zones and Τ lymphocytes constantly migrate from the bloodstream into Τ zones to scan dendritic cells (DCs) for antigens they present. Specialized fibroblasts, the Τ zone reticular cells (HR.Cs), span the Τ zone in the form a three-dimensional network. lK.Cs guide incoming Τ cells in their migration, both chemically, by the secretion of the chemokines CCL19 and CCL21, and physically, by construction of a road system to which also DCs adhere. In this way TRCs are thought to facilitate encounters of Τ cells with antigen-bearing DCs and thereby accelerate the selection of rare antigen-specific Τ cells. The resulting Τ cell activation, proliferation and differentiation all take place within the TRC network. However, the influence of TRCs on Τ cell activation has so fer not been elucidated with the possible reasons being that TRCs represent a relative rare cell population and that mice devoid of TRCs have not been described.To circumvent these technical limitations, we established TRC clones and lines to have an abundant source to functionally characterize TRCs. Both the clones and lines show a fibroblastic phenotype, express a surface marker profile comparable to ex vivo TRCs and produce extracellular matrix molecules. However, expression of Ccl19, Ccl21 and ZL-7 is lost and could not be restored by cytokine stimulation. When these TRC clones or lines were cultured in a three-dimensional cell culture system, their morphology changed and resembled that of in vivo TRCs as they formed networks. By adding Τ cells and antigen-loaded DCs to these cultures we successfully reconstructed lymphoid Τ zones that allowed antigen-specific Τ cell activation.To characterize the role of TRCs in Τ cell priming, TRCs were co-cultured with antigen-specific Τ cells in the presence antigen-loaded DCs. Surprisingly, the presence of TRC lines and ex vivo TRCs inhibited rather than enhanced CD8+ Τ cell activation, proliferation and effector cell differentiation. TRCs shared this feature with fibroblasts from non-lymphoid tissues as well as mesenchymal stromal cells. TRCs were identified as a strong source of nitric oxide (NO) thereby directly dampening Τ cell expansion as well as reducing the Τ cell priming capacity of DCs. The expression of inducible NO synthase (iNOS) was up- regulated in a subset of TRCs by both DC-signals as well as interferon-γ produced by primed CD8+ Τ cells. Importantly, iNOS expression was induced during viral infection in vivo in both lymph node TRCs and DCs. Consistent with a role for NO as a negative regulator, the primary Τ cell response was exaggerated in iNOS-/- mice. Our findings highlight that in addition to their established positive roles in Τ cell responses TRCs and DCs cooperate in a negative feedback loop to attenuate Τ cell expansion during acute inflammation.RésuméLes organes lymphoïdes secondaires, comme les ganglions lymphoïdes ou la rate, sont les seuls sites dans notre corps où la réponse primaire des lymphocytes Β et Τ est initiée efficacement. Ces organes ont des zones différentes, riches en cellules Β ou T. Des lymphocytes Τ circulent constamment du sang vers les zones T, où ils échantillonent la surface des cellules dendritiques (DCs) pour identifier les antigènes qu'ils présentent. Des fibroblastes spécialisés - nommés Τ zone reticular cells (TRCs)' forment un réseau tridimensionnel dans la zone T. Les TRCs guident la migration des cellules Τ par deux moyens: chimiquement, par la sécrétion des chimiokines CCL19 et CCL21 et physiquement, par la construction d'un réseau routier en trois dimensions, auquel adhèrent aussi des DCs. Dans ce? cas, on pense que la présence des TRCs facilite les rencontres entre les cellules Τ et les DCs chargées de l'antigène et accélère la sélection des rares cellules Τ spécifiques. Ensuite, l'activation de cellules T, ainsi que la prolifération et la différenciation se produisent toutes à l'intérieur du réseau des TRCs. L'influence des TRCs sur l'activation des cellules T n'est que très peu caractérisée, en partie parce que les TRCs représentent une population rare et que les souris déficientes dans les TRCs n'ont pas encore été découvertes.Pour contourner ces limitations techniques, nous avons établi des clones et des lignées cellulaires de TRC pour obtenir une source indéfinie de ces cellules permettant leur caractérisation fonctionnelle. Les clones et lignées établis ont un phénotype de fibroblaste, ils expriment des molécules de surface similaires aux TRCs ex vivo et produisent de la matrice extracellulaire. Mais l'expression de Ccl19, Ccl21 et 11-7 est perdue et ne peut pas être rétablie par stimulation avec différentes cytokines. Les clones TRC ou les lignées cultivées en un système tridimensionnel de culture cellulaire, montrent une morphologie changée, qui ressemble à celle de TRC ex vivo inclus la construction de réseaux tridimensionnels.Pour caractériser le rôle des TRC dans l'activation des cellules T, nous avons cultivé des TRCs avec des cellules T spécifiques et des DCs chargées avec l'antigène. Etonnamment, la présence des TRC (lignées et ex vivo) inhibait plutôt qu'elle améliorait l'activation, la prolifération et la différenciation des lymphocytes T CDS+. Les TRCs partageaient cette fonction avec des fibr-oblastes des organes non lymphoïdes et des cellules souches du type mésenchymateux. Dans ces conditions, les TRCs sont une source importante d'oxyde nitrique (NO) et par ce fait limitent directement l'expansion des cellules T et réduisent aussi la capacité des DCs à activer les cellules T. L'expression de l'enzyme NO synthase inductible (ïNOS) est régulée à la hausse par des signaux dérivés des DCs et par l'interféron-γ produit par des cellules T de type CD8+ activées. Plus important, l'expression d'iNOS est induite pendant une infection virale in vivo, dans les TRCs et dans les DCs. Par conséquent, la réponse primaire de cellules T est exagérée dans des souris iNOS-/-. Nos résultats mettent en évidence qu'en plus de leur rôle positif bien établi dans la réponse immunitaire, les TRCs et les DCs coopèrent dans une boucle de rétroaction négative pour atténuer l'expansion des cellules T pendant l'inflammation aigiie pour protéger l'intégrité et la fonctionnalité des organes lymphoïdes secondaires.

The CD8 beta polypeptide is required for the recognition of an altered peptide ligand as an agonist.

T cell activation is triggered by the specific recognition of cognate peptides presented by MHC molecules. Altered peptide ligands are analogs of cognate peptides which have a high affinity for MHC molecules. Some of them induce complete T cell responses, i.e. they act as agonists, whereas others behave as partial agonists or even as antagonists. Here, we analyzed both early (intracellular Ca2+ mobilization), and late (interleukin-2 production) signal transduction events induced by a cognate peptide or a corresponding altered peptide ligand using T cell hybridomas expressing or not the CD8 alpha and beta chains. With a video imaging system, we showed that the intracellular Ca2+ response to an altered peptide ligand induces the appearance of a characteristic sustained intracellular Ca2+ concentration gradient which can be detected shortly after T cell interaction with antigen-presenting cells. We also provide evidence that the same altered peptide ligand can be seen either as an agonist or a partial agonist, depending on the presence of CD8beta in the CD8 co-receptor dimers expressed at the T cell surface.