The role of T cell subsets and cytokines in the regulation of intracellular bacterial infection

Cellular immune responses are a critical part of the host's defense against intracellular bacterial infections. Immunity to Brucella abortus crucially depends on antigen-specific T cell-mediated activation of macrophages, which are the major effectors of cell-mediated killing of this organism. T lymphocytes that proliferate in response to B. abortus were characterized for phenotype and cytokine activity. Human, murine, and bovine T lymphocytes exhibited a type 1 cytokine profile, suggesting an analogous immune response in these different hosts. In vivo protection afforded by a particular cell type is dependent on the antigen presented and the mechanism of antigen presentation. Studies using MHC class I and class II knockout mice infected with B. abortus have demonstrated that protective immunity to brucellosis is especially dependent on CD8+ T cells. To target MHC class I presentation we transfected ex vivo a murine macrophage cell line with B. abortus genes and adoptively transferred them to BALB/c mice. These transgenic macrophage clones induced partial protection in mice against experimental brucellosis. Knowing the cells required for protection, vaccines can be designed to activate the protective T cell subset. Lastly, as a new strategy for priming a specific class I-restricted T cell response in vivo, we used genetic immunization by particle bombardment-mediated gene transfer

DNA encoding individual mycobacterial antigens protects mice against tuberculosis

Over the last few years, some of our experiments in which mycobacterial antigens were presented to the immune system as if they were viral antigens have had a significant impact on our understanding of protective immunity against tuberculosis. They have also markedly enhanced the prospects for new vaccines. We now know that individual mycobacterial protein antigens can confer protection equal to that from live BCG vaccine in mice. A critical determinant of the outcome of immunization appears to be the degree to which antigen-specific cytotoxic T cells are generated by the immune response. Our most recent studies indicate that DNA vaccination is an effective way to establish long-lasting cytotoxic T cell memory and protection against tuberculosis.

Induction of interleukin-10 by HIV antigens in peripheral mononuclear cells of health care workers after occupational exposure to HIV-1-positive blood

Evaluation of HIV-induced IL-2 production by peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and HIV-specific T helper and cytotoxic T lymphocyte (CTL) responses in health care workers (HCW) occupationally exposed to HIV reveals a high rate of response to HIV among non-seroconverters. IL-10 is also known to interfere with HIV infection in vitro. To evaluate the induction of IL-10 by HIV antigens in HCW occupationally exposed to HIV, 18 HCW with percutaneous injury were enrolled in this study, 9 of them exposed to HIV-contaminated blood, and 9 exposed to HIV-negative blood. PBMC were incubated on plates coated with HIV-1 antigens, and IL-10 was measured in supernatants by ELISA. Five of nine HCW exposed to HIV-contaminated blood presented HIV-induced IL-10. Two of nine HCW exposed to HIV-negative source patients also had detectable levels of HIV-induced IL-10, one of them in the sample obtained on the day of accidental exposure. There was a relationship between the type of device involved in injury and IL-10 production. Individuals exposed to hollow needles or scalpels presented HIV-induced IL-10, whereas those exposed to solid needles and to digital puncture did not, suggesting a relationship between infectious load and IL-10. Although occupational exposure to HIV leads to a low rate of seroconversion, these individuals can develop an antigen-specific immune response characterized in our study by induction of IL-10 in PBMC in vitro.

Immunity and immunosuppression in experimental visceral leishmaniasis

Leishmaniasis is a disease caused by protozoa of the genus Leishmania, and visceral leishmaniasis is a form in which the inner organs are affected. Since knowledge about immunity in experimental visceral leishmaniasis is poor, we present here a review on immunity and immunosuppression in experimental visceral leishmaniasis in mouse and hamster models. We show the complexity of the mechanisms involved and differences when compared with the cutaneous form of leishmaniasis. Resistance in visceral leishmaniasis involves both CD4+ and CD8+ T cells, and interleukin (IL)-2, interferon (IFN)- gamma, and IL-12, the latter in a mechanism independent of IFN- gamma and linked to transforming growth factor (TGF)-ß production. Susceptibility involves IL-10 but not IL-4, and B cells. In immune animals, upon re-infection, the elements involved in resistance are different, i.e., CD8+ T cells and IL-2. Since one of the immunopathological consequences of active visceral leishmaniasis in humans is suppression of T-cell responses, many studies have been conducted using experimental models. Immunosuppression is mainly Leishmania antigen specific, and T cells, Th2 cells and adherent antigen-presenting cells have been shown to be involved. Interactions of the co-stimulatory molecule family B7-CTLA-4 leading to increased level of TGF-ß as well as apoptosis of CD4+ T cells and inhibition of macrophage apoptosis by Leishmania infection are other components participating in immunosuppression. A better understanding of this complex immune response and the mechanisms of immunosuppression in experimental visceral leishmaniasis will contribute to the study of human disease and to vaccine development.

Immune strategies using single-component LipL32 and multi-component recombinant LipL32-41-OmpL1 vaccines against leptospira

Genes encoding lipoproteins LipL32, LipL41 and the outer-membrane protein OmpL1 of leptospira were recombined and cloned into a pVAX1 plasmid. BALB/c mice were immunized with LipL32 and recombined LipL32-41-OmpL1 using DNA-DNA, DNA-protein and protein-protein strategies, respectively. Prime immunization was on day 1, boost immunizations were on day 11 and day 21. Sera were collected from each mouse on day 35 for antibody, cytokine detection and microscopic agglutination test while spleen cells were collected for splenocyte proliferation assay. All experimental groups (N = 10 mice per group) showed statistically significant increases in antigen-specific antibodies, in cytokines IL-4 and IL-10, as well as in the microscopic agglutination test and splenocyte proliferation compared with the pVAX1 control group. The groups receiving the recombined LipL32-41-OmpL1 vaccine induced anti-LipL41 and anti-OmpL1 antibodies and yielded better splenocyte proliferation values than the groups receiving LipL32. DNA prime and protein boost immune strategies stimulated more antibodies than a DNA-DNA immune strategy and yielded greater cytokine and splenocyte proliferation than a protein-protein immune strategy. It is clear from these results that recombination of protective antigen genes lipL32, lipL41, and ompL1 and a DNA-protein immune strategy resulted in better immune responses against leptospira than single-component, LipL32, or single DNA or protein immunization.

A conjugate of an anti-midkine single-chain variable fragment to doxorubicin inhibits tumor growth

Doxorubicin (DOX) was conjugated to a single-chain variable fragment (scFv) against human midkine (MK), and the conjugate (scFv-DOX) was used to target the chemotherapeutic agent to a mouse solid tumor model in which the tumor cells expressed high levels of human MK. The His-tagged recombinant scFv was expressed in bacteria, purified by metal affinity chromatography, and then conjugated to DOX using oxidative dextran (Dex) as a linker. The molecular formula of this immunoconjugate was scFv(Dex)1.3(DOX)20. In vitro apoptosis assays showed that the scFv-DOX conjugate was more cytotoxic against MK-transfected human adenocarcinoma cells (BGC823-MK) than untransfected cells (55.3 ± 2.4 vs 22.4 ± 3.8%) for three independent experiments. Nude mice bearing BGC823-MK solid tumors received scFv-DOX or equivalent doses of scFv + DOX for 2 weeks and tumor growth was more effectively inhibited by the scFv-DOX conjugate than by scFv + DOX (51.83% inhibition vs 40.81%). Histological analysis of the tumor tissues revealed that the highest levels of DOX accumulated in tumors from mice treated with scFv-DOX and this resulted in more extensive tumor cell death than in animals treated with the equivalent dose of scFv + DOX. These results show that the scFv-DOX conjugate effectively inhibited tumor growth in vivo and suggest that antigen-specific scFv may be competent drug-carriers.

Roles of novel biomarkers in progression of cutaneous squamous cell carcinoma

Roles of novel biomarkers was studied in progression of cutaneous squamous cell carcinoma (cSCC) as the most common metastatic skin cancer. The incidence of cSCC is increasing worldwide due to lifestyle changes such as recreational exposure to sunlight and the aging of the population. Because of an emerging need for molecular markers for the progression of cSCC, we set our goal to characterize three distinct novel markers overexpressed in cSCC cells. Our results identified overexpression of serpin peptidase inhibitor clade A member 1 (SerpinA1), EphB2 and absent in melanoma 2 (AIM2) in cSCC cell lines compared with normal human epidermal keratinocytes (NHEKs). Immunohistochemical analysis of SerpinA1, EphB2 and AIM2 revealed abundant tumor cell-specific expression of cytoplasmic SerpinA1 and AIM2 and cytoplasmic and membranous EphB2 in cSCC tumors in vivo. The staining intensity of SerpinA1, EphB2 and AIM2 was significantly stronger in cSCC as compared with carcinoma in situ (cSCCIS) and actinic keratosis (AK). Tumor cell-associated SerpinA1 and EphB2 was noted in chemically induced mouse skin SCC, and the staining intensity was stronger in mouse cSCCs than in untreated skin. AIM2 staining intensity was significantly more abundant in cSCC of organ transplant recipients (OTR) than in sporadic cSCC in vivo. EphB2 knockdown resulted in inhibition of migration in cSCC cells. In addition, knockdown of EphB2 and AIM2 was found to inhibit the proliferation and invasion of cSCC cells and to delay the growth and vascularization of cSCC xenografts in vivo. Altogether, these findings identify SerpinA1 as a novel biomarker for cSCC. In addition, characterization of the roles of EphB2 and AIM2 in the progression of cSCC was implicated them as possible therapeutic targets for the treatment of cSCC particularly in unresectable and metastatic tumors.

Three rounds (1R/2R/3R) of genome duplications and the evolution of the glycolytic pathway in vertebrates

Affiliation: Henner Brinkmann : Département de biochimie, Faculté de médecine, Université de Montreal

Standardization of cytokine flow cytometry assays

Affiliation: Faculté de médecine, Université de Montréal & CANVAC

Caractérisation et étude d'un élément régulateur du gène codant pour le récepteur à la vasopressine de type 2

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, France

Rôle de CD47 dans l’induction de la tolérance in vivo

La tolérance orale permet la modulation de la réponse immunitaire à l’égard des antigènes exogènes présents dans la lumière intestinale. Essentiels à l’établissement d’une relation symbiotique entre le système immunitaire et la flore intestinale, l’induction et le maintien de la tolérance orale reposent sur différents mécanismes immunologiques. Parmi eux, l’induction de cellules T régulatrices par les cellules dendritiques et de mécanismes apoptotiques. Or, la glycoprotéine membranaire CD47 est impliquée, en périphérie, dans ces mécanismes. Cependant, le rôle de CD47 dans la tolérance orale n’est pas connu. À l’aide d’un modèle murin déficient en CD47, nous avons démontré principalement, que l’absence de CD47 est associée à une diminution de 50 % de la proportion de cellules dendrites myéloïdes CD11b+CD103- retrouvées dans les ganglions mésentériques. Suite au transfert adoptif de cellules T antigènes spécifiques dans nos différents modèles expérimentaux, on a, aussi, observé une diminution de 45 % de leur niveau d’activation dans les ganglions mésentériques. Malgré les effets observés, le CD47 n’est pas impliqué dans l’induction d’une réaction de tolérance orale secondaire à l’administration intragastrique de fortes doses d’ovalbumine. Cependant, nous avons démontré que CD47 est impliquée au niveau de la migration des cellules dendritiques de la peau et de certaines sous-populations retrouvées dans les ganglions mésentériques.

Régulation de l’identité des membres postérieurs par le facteur de transcription à boîte T Tbx4

Bien que partageant une homologie structurelle évidente, les membres antérieurs (MA) sont toujours différents des membres postérieurs (MP). Ceci suggère l’existence d’un programme générique de formation d’un membre, un bauplan, qui doit être modulé de façon spécifique pour engendrer cette différence antéro-postérieure de l’identité. Nous avons donc voulu identifier les mécanismes déployés durant l’évolution pour permettre la mise en place de l’identité des membres. Le laboratoire avait précédemment caractérisé, chez les souris où le gène Pitx1 est inactivé, une transformation partielle des MP en MA couplée à une perte de croissance. Nous avons donc cherché à comprendre les mécanismes en aval de Pitx1 dans la détermination de l’identité postérieure. Notre démarche nous a permis d’identifier les gènes affectés par la perte de Pitx1 dans les MP, où nous avons confirmé une dérégulation de l’expression de Tbx4. Tbx4 et Tbx5 sont des candidats évidents pour déterminer l’identité, leur expression étant restreinte aux MP et MA, respectivement, mais leur implication dans ce processus était sujette à controverse. Nous avons donc évalué l’apport de Tbx4 en aval de Pitx1 dans les processus d’identité en restaurant son expression dans les MP des souris Pitx1-/-. Ce faisant, nous avons pu montrer que Tbx4 est capable de pallier la perte de Pitx1 dans le MP, en rétablissant à la fois les caractères d’identité postérieure et la croissance. En parallèle, nous avons montré que Tbx5 était capable de rétablir la croissance mais non l’identité des MP Pitx1-/-, démontrant ainsi de façon définitive une propriété propre à Tbx4 dans la détermination de l’identité des membres postérieure. La caractérisation de l’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 nous a permis de mettre en évidence un domaine activateur conservé mais aussi un domaine spécifique à Tbx4, répresseur de la transcription. Par ailleurs, une mutation faux-sens de TBX4 dans les patients atteints du syndrome coxo-podo-patellaire, TBX4Q531R, inactive le domaine répresseur, empêchant la compensation de l’identité mais non de la croissance des MP dépourvus de Pitx1, démontrant l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. La caractérisation de l’activité répressive de Tbx4, qui se manifeste seulement dans les membres postérieurs démontre l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. Nous avons aussi été en mesure d’identifier un corépresseur qui est suffisant pour supporter cette activité de Tbx4. Enfin, nous avons pu aussi démontrer l’activité transcriptionnelle d’un représentant du gène ancestral, présent chez Amphioxus, qui se comporte strictement comme un activateur et semble dépourvu du domaine répresseur. En somme, nous avons précisé le rôle de Tbx4 et Tbx5, ainsi que leur mécanisme, dans la détermination de l’identité des membres. Globalement, nos travaux permettent d’élaborer une théorie où une divergence d’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 est responsable de l’identité des membres et même entrevoir que cette divergence d’activité soit à la base de son apparition durant l’évolution.

Étude fonctionnelle et génétique d'une population de lymphocytes T CD4-CD8- impliquée dans la résistance au diabète auto-immun chez la souris

Le diabète auto-immun résulte de la destruction des cellules bêta pancréatiques sécrétrices d’insuline par les lymphocytes T du système immunitaire. Il s’ensuit une déficience hormonale qui peut être comblée par des injections quotidiennes d’insuline d’origine exogène, toutefois il demeure à ce jour impossible de guérir les patients atteints de la maladie. De façon générale, un système immunitaire sain reconnaît une multitude d’antigènes différents et assure ainsi notre défense à l’égard de différents pathogènes ou encore de cellules tumorales. Il arrive cependant que, pour des raisons génétiques et/ou environnementales, les lymphocytes T puissent s’activer de façon aberrante suite à la reconnaissance d’antigènes provenant du soi. C’est ce bris de tolérance qui mène au développement de pathologies auto-immunes telles que le diabète auto-immun. Afin de limiter l’auto-immunité, des mécanismes de sélection stricts permettent d’éliminer la majorité des lymphocytes T présentant une forte affinité envers des antigènes du soi lors de leur développement dans le thymus. Certains de ces lymphocytes réussissent toutefois à échapper à l’apoptose et migrent en périphérie afin d’y circuler en quête d’un antigène spécifiquement reconnu. Il est alors primordial que des mécanismes périphériques assurent le maintien de la tolérance immunitaire en faisant obstacle à l’activation et à la prolifération des lymphocytes T auto-réactifs. L’une des avenues afin d’inhiber le développement de réponses immunitaires aberrantes est la génération de lymphocytes T régulateurs. Ces cellules, d’origine thymique ou périphérique, peuvent arborer différents phénotypes et agissent via de multiples mécanismes afin d’inactiver et/ou éliminer les cellules impliquées dans l’apparition de pathologies auto-immunes. L’utilisation de modèles murins transgéniques a permis la mise en évidence d’une population peu caractérisée de lymphocytes T au potentiel régulateur. En effet, la proportion de ces cellules T n’exprimant pas les corécepteurs CD4 et CD8 (double négatives, DN) a été inversement corrélée à la prédisposition à l’auto-immunité chez ces ii souris. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la fonction immuno-régulatrice des lymphocytes T DN, tout en investiguant les facteurs génétiques responsables du maintien de cette population cellulaire. Nous avons observé que les lymphocytes T DN exercent une activité cytotoxique à l’égard des lymphocytes B de façon spécifique à l’antigène, via la libération de granules cytolytiques contenant du granzyme B et de la perforine. Par ailleurs, nous avons établi qu’un unique transfert adoptif de ces cellules est suffisant afin d’inhiber le développement du diabète auto-immun chez des hôtes transgéniques prédisposés à la maladie. Le recours à des souris déficientes pour l’expression du gène CD47 a permis de constater que la voie de signalisation CD47-Sirp est essentielle dans le maintien de la proportion des lymphocytes T DN. De plus, le locus murin de prédisposition au diabète auto-immun Idd13, qui contient le gène Sirp, a été identifié pour son rôle dans la régulation de la proportion de ces cellules. Finalement, une analyse génétique a révélé que d’autres intervalles génétiques sont impliqués dans le contrôle de la population des lymphocytes T DN. Parmi ceux-ci, un locus situé en région proximale du chromosome 12 a été validé grâce à la création de souris congéniques. Grâce aux résultats présentés dans cette thèse, notre compréhension de la biologie ainsi que de la régulation des lymphocytes T DN est approfondie. Ces connaissances constituent un pas important vers la création de thérapies cellulaires novatrices permettant de prévenir et de guérir diverses pathologies auto-immunes.

Étude de l’implication de la protéine F du virus de l’hépatite C dans le développement de pathologie hépatique chez deux lignées de poissons zébrés transgéniques

La protéine core du virus de l’hépatite C (VHC) serait responsable des principaux effets pathogènes du VHC, dont le développement de fibrose, stéatose, cirrhose et carcinome hépatocellulaire. Un cadre de lecture alternatif existe dans le gène de core, permettant la synthèse d’une autre protéine appelée ARFP (pour alternatate reading frame protein) ou protéine F (pour frameshift), dont le rôle reste encore mal compris. La présence de la protéine F lors de l’étude des fonctions biologiques de core ne pouvant être exclue, il est possible que certains rôles attribués à core reflètent en réalité l’activité de la protéine F. Afin de déterminer les fonctions biologiques de la protéine F dans les hépatocytes et son influence dans la pathogenèse associée au VHC, nous avons généré des lignées transgéniques de poissons zébrés (Danio rerio) dans lesquelles l’expression de deux versions de la protéine F (AF11opti et AUG26opti) a été ciblée au foie par l’utilisation du promoteur de la liver fatty acid binding protein (L-FABP). Le phénotype des poissons transgéniques de génération F2 a été analysé au niveau morphologique, histologique et microscopique afin de rechercher des signes de pathologie hépatique. Nos résultats ont démontré l’implication de la protéine F dans le développement de stéatose hépatique chez les deux lignées transgéniques, mais aucun signe de fibrose ou d’oncogenèse n’a été détecté. L’identification des mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’accumulation lipidique induite par la protéine F pourrait permettre de mieux comprendre son rôle dans la pathogenèse du VHC, et mener au développement de nouvelles stratégies antivirales.

Function of the immunoregulatory CD4-CD8- T cells in the context of autoimmune diabetes

La tolérance immunitaire dépend de la distinction entre le soi et le non soi par le système immunitaire. Un bris dans la tolérance immunitaire mène à l'auto-immunité, qui peut provoquer la destruction des organes, des glandes, des articulations ou du système nerveux central. Le diabète auto-immun, également connu sous le nom diabète juvénile et diabète de type 1, résulte d'une attaque auto-immune sur les cellules β pancréatiques sécrétrices d’insuline, localisées au niveau des îlots de Langerhans du pancréas. Bien que le diabète auto-immun soit traitable par une combinaison d’injections quotidiennes d’insuline d’origine exogène, de régime et d'exercices, beaucoup de complications chroniques peuvent se manifester chez les patients, y compris, mais non limitées à, la cécité, les maladies cardiovasculaires, l’insuffisance rénale et l'amputation. En raison des nombreuses complications liées au diabète auto-immun à long terme, la recherche continue afin de mieux comprendre tous les facteurs impliqués dans la progression de la maladie dans le but de développer de nouvelles thérapies qui empêcheront, renverseront et/ou traiteront cette maladie. Un rôle primordial dans la génération et l'entretien de la tolérance immunitaire a été attribué au nombre et à la fonction des sous-populations de cellules régulatrices. Une de ces populations est constituée de cellules T CD4-CD8- (double négatives, DN), qui ont été étudiées chez la souris et l'humain pour leur contribution à la tolérance périphérique, à la prévention des maladies et pour leur potentiel associé à la thérapie cellulaire. En effet, les cellules de T DN sont d'intérêt thérapeutique parce qu'elles montrent un potentiel immunorégulateur antigène-spécifique dans divers cadres expérimentaux, y compris la prévention du diabète auto-immun. D’ailleurs, en utilisant un système transgénique, nous avons démontré que les souris prédisposées au diabète auto-immun présentent peu de cellules T DN, et que ce phénotype contribue à la susceptibilité au diabète auto-immun. En outre, un transfert des cellules T DN est suffisant pour empêcher la progression vers le diabète chez les souris prédisposées au diabète auto-immun. Ces résultats suggèrent que les cellules T DN puissent présenter un intérêt thérapeutique pour les patients diabétiques. Cependant, nous devons d'abord valider ces résultats en utilisant un modèle non-transgénique, qui est plus physiologiquement comparable à l'humain. L'objectif principal de cette thèse est de définir la fonction immunorégulatrice des cellules T DN, ainsi que le potentiel thérapeutique de celles-ci dans la prévention du diabète auto-immun chez un modèle non-transgénique. Dans cette thèse, on démontre que les souris résistantes au diabète auto-immun présentent une proportion et nombre absolu plus élevés de cellules T DN non-transgéniques, lorsque comparées aux souris susceptibles. Cela confirme une association entre le faible nombre de cellules T DN et la susceptibilité à la maladie. On observe que les cellules T DN éliminent les cellules B activées in vitro par une voie dépendante de la voie perforine et granzyme, où la fonction des cellules T DN est équivalente entre les souris résistantes et prédisposées au diabète auto-immun. Ces résultats confirment que l'association au diabète auto-immun est due à une insuffisance en terme du nombre de cellules T DN, plutôt qu’à une déficience fonctionnelle. On démontre que les cellules T DN non-transgéniques éliminent des cellules B chargées avec des antigènes d'îlots, mais pas des cellules B chargées avec un antigène non reconnu, in vitro. Par ailleurs, on établit que le transfert des cellules T DN activées peut empêcher le développement du diabète auto-immun dans un modèle de souris non-transgénique. De plus, nous observons que les cellules T DN migrent aux îlots pancréatiques, et subissent une activation et une prolifération préférentielles au niveau des ganglions pancréatiques. D'ailleurs, le transfert des cellules T DN entraîne une diminution d'auto-anticorps spécifiques de l'insuline et de cellules B de centres germinatifs directement dans les îlots, ce qui corrèle avec les résultats décrits ci-dessus. Les résultats présentés dans cette thèse permettent de démontrer la fonction des cellules T DN in vitro et in vivo, ainsi que leur potentiel lié à la thérapie cellulaire pour le diabète auto-immun.