Autoreactive T cells that bypass negative selection are not tolerant and respond to self-antigen stimulation during infection

Le répertoire cellulaire Τ a pour but d'être tolérant aux antigènes du soi afin d'éviter l'induction de maladies autoimmunes. C'est pourquoi les lymphocytes Τ autoréactifs sont éliminés dans le thymus lors de leur développement par le processus de sélection négative. La plupart des recherches étudient les lymphocytes Τ de haute avidité. Ces lymphocytes Τ de haute avidité sont très sensibles et réagissent fortement à un antigène du soi. En conséquence, ces cellules induisent le développement de maladies autoimmunes lorsqu'elles ciblent des organes exprimant l'antigène du soi. Plusieurs études ont montré que les lymphocytes Τ qui réagissent faiblement aux antigènes spécifiques à un tissu, nommé lymphocytes Τ de faible avidité, peuvent contourner les mécanismes de tolérance centrale et périphérique. J'ai utilisé des souris Rip-mOva qui expriment l'Ovalbumine comme antigène du soi spécifique à un tissu. Dans ces souris transgéniques Rip-mOva, les lymphocytes Τ de faible avidité survivent à la sélection négative. Une fois stimulés à la périphérie, ces lymphocytes Τ CD8+ de faible avidité ont la capacité d'infiltrer les organes qui expriment l'antigène du soi chez les souris Rip-mOva et peuvent induire une destruction tissulaire. L'objectif principal de mon projet de thèse était de comprendre les caractéristiques phénotypiques et fonctionnelles de ces lymphocytes Τ dans un état d'équilibre et dans un contexte infectieux. Pour étudier ces cellules dans un modèle murin bien défini, nous avons généré des souris exprimant un récepteur de cellule Τ transgénique appelé OT-3. Ces souris transgéniques OT-3 ont des lymphocytes Τ CD8+ de faible avidité spécifiques à l'épitope SIINFEKL de l'antigène Ovalbumine. Nous avons démontré qu'un grand nombre de lymphocytes Τ CD8+ OT-3 ne sont pas éliminés lors de la sélection négative dans le thymus après avoir rencontré l'antigène du soi. Par conséquent, les lymphocytes Τ OT-3 de faible avidité sont présents dans une fenêtre de sélection comprise entre la sélection positive et négative. Cette limite se définie comme le seuil d'affinité et est impliquée dans l'échappement de certains lymphocytes Τ OT- 3 autoréactifs. A la périphérie, ces cellules sont capables d'induire une autoimmunité après stimulation au cours d'une infection, ce qui nous permet de les définir comme étant non tolérante et non dans un état anergique à la périphérie. Nous avons également étudié le seuil d'activation des lymphocytes Τ OT-3 à faible avidité à la périphérie et avons constaté que des ligands peptidiques plus faibles que l'épitope natif SIINFEKL sont capables de les activer au cours d'une infection ainsi que de les différencier en lymphocytes Τ effecteurs et mémoires. Les données illustrent une déficience lors de la sélection négative dans le thymus de lymphocytes Τ CD8+ autoréactifs de faible avidité contre un antigène du soi spécifique à tissu et montrent que ces cellules sont entièrement compétentes lors d'une infection. - The diverse Τ cell repertoire needs to be tolerant to self-antigen to avoid the induction of autoimmunity. This is why autoreactive developing Τ cells are deleted in the thymus. The deletion of self-reactive Τ cells occurs through the process of negative selection. Most studies investigated high avidity Τ cells. These high avidity Τ cells are very sensitive and strongly react to a self-antigen. As a consequence, these cells induce the development of autoimmunity when they target organs which express the self-antigen. High avidity autoreactive CD8+ Τ cells are deleted in the thymus. However, several studies have shown Τ cells that weakly respond to tissue-restricted antigen, referred to as low avidity Τ cells, can bypass central and peripheral tolerance mechanisms. I used Rip-mOva mice that expressed Ovalbumin as a neo self-antigen in a tissue-restricted fashion. In these transgenic Rip-mOva mice low avidity CD8+ Τ cells survive negative selection. Upon stimulation in the periphery, these low avidity CD8+ Τ cells have the ability to infiltrate organs that express the self-antigen in the Rip-mOva mice and can also induce the destruction of the tissue. The major aim of my PhD project was to understand the phenotypic and functionality characteristics of these Τ cells in a steady-state condition and in a context of an infection. To study these cells in a well-defined mouse model, we generated OT-3 Τ cell receptor transgenic mice that express low avidity CD8+ Τ cells that are specific for the SIINFEKL epitope of the Ovalbumin antigen. We have been able to demonstrate that a large number of OT-3 CD8+ Τ cells survive negative selection in the thymus after encountering the self-antigen. Thus, low avidity OT-3 Τ cells are present in a window of selection comprised between positive and negative selection. This boundary defined as the affinity threshold is involved in the escape of some autoreactive low avidity OT-3 Τ cells. Once they circulate in the periphery, they are able to induce autoimmunity after stimulation during an infection, allowing us to allocate these cells as being non-tolerant and not in an anergic state in the periphery. We have also looked at the threshold of activation of low avidity OT-3 CD8+ Τ cells in the periphery and found that peptide ligands that are weaker than the native SIINFEKL epitope are able to activate OT-3 Τ cells during an infection and to differentiate them into effector and memory Τ cells. The data illustrate the impairment of negatively selecting low avidity autoreactive CD8+ Τ cells against a tissue-restricted antigen in the thymus and shows that these cells are fully competent upon an infection.

Proliferation is a prerequisite for bacterial superantigen-induced T cell apoptosis in vivo.

Staphylococcal enterotoxin B (SEB) is a bacterial superantigen that binds to major histocompatibility complex class II molecules and selectively interacts with T cells that bear certain T cell receptor (TCR) V beta domains. Administration of SEB in adult mice results in initial proliferation of V beta 8+ T cells followed by a state of unresponsiveness resulting from a combination of clonal deletion and clonal anergy in the SEB-reactive population. At this time, it is unclear what relationship exists between the T cells that have proliferated and those that have been deleted or have become anergic. Here we show that only a fraction of the potentially reactive V beta 8+ T cells proliferate in response to SEB in vivo, and that all the cells that have proliferated eventually undergo apoptosis. Virtually no apoptosis can be detected in the nonproliferating V beta 8+ T cells. These data demonstrate a causal relationship between proliferation and apoptosis in response to SEB in vivo, and they further indicate that T cells bearing the same TCR V beta segment can respond differently to the same superantigen. The implications of this differential responsiveness in terms of activation and tolerance are discussed.

Type I interferons protect T cells against NK cell attack mediated by the activating receptor NCR1.

Direct type I interferon (IFN) signaling on T cells is necessary for the proper expansion, differentiation, and survival of responding T cells following infection with viruses prominently inducing type I IFN. The reasons for the abortive response of T cells lacking the type I IFN receptor (Ifnar1(-/-)) remain unclear. We report here that Ifnar1(-/-) T cells were highly susceptible to natural killer (NK) cell-mediated killing in a perforin-dependent manner. Depletion of NK cells prior to lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection completely restored the early expansion of Ifnar1(-/-) T cells. Ifnar1(-/-) T cells had elevated expression of natural cytotoxicity triggering receptor 1 (NCR1) ligands upon infection, rendering them targets for NCR1 mediated NK cell attack. Thus, direct sensing of type I IFNs by T cells protects them from NK cell killing by regulating the expression of NCR1 ligands, thereby revealing a mechanism by which T cells can evade the potent cytotoxic activity of NK cells.

Transgenic expression of Ly49A on T cells impairs a specific antitumor response.

Inhibitory MHC receptors determine the reactivity and specificity of NK cells. These receptors can also regulate T cells by modulating TCR-induced effector functions such as cytotoxicity, cytokine production, and proliferation. Here we have assessed the capacity of mouse T cells expressing the inhibitory MHC class I receptor Ly49A to respond to a well-defined tumor Ag in vivo using Ly49A transgenic mice. We find that the presence of Ly49A on the vast majority of lymphocytes prevents the development of a significant Ag-specific CD8+ T cell response and, consequently, the rejection of the tumor. Despite minor alterations in the TCR repertoire of CD8+ T cells in the transgenic lines, precursors of functional tumor-specific CD8+ T cells exist but could not be activated most likely due to a lack of appropriate CD4+ T cell help. Surprisingly, all of these effects are observed in the absence of a known ligand for the Ly49A receptor as defined by its ability to regulate NK cell function. Indeed, we found that the above effects on T cells may be based on a weak interaction of Ly49A with Kb or Db class I molecules. Thus, our data demonstrate that enforced expression of a Ly49A receptor on conventional T cells prevents a specific immune response in vivo and suggest that the functions of T and NK cells are differentially sensitive to the presence of inhibitory MHC class I receptors.

Immunogenicity of the carcinoembryonic antigen derived peptide 694 in HLA-A2 healthy donors and colorectal carcinoma patients.

Carcinoembryonic antigen (CEACAM5) is commonly overexpressed in human colon cancer. Several antigenic peptides recognized by cytolytic CD8+ T-cells have been identified and used in colon cancer phase-I vaccination clinical trials. The HLA-A*0201-binding CEA(694-702) peptide was recently isolated from acid eluted MHC-I associated peptides from a human colon tumor cell line. However, the immunogenicity of this peptide in humans remains unknown. We found that the peptide CEA(694-702) binds weakly to HLA-A*0201 molecules and is ineffective at inducing specific CD8+ T-cell responses in healthy donors. Immunogenic-altered peptide ligands with increased affinity for HLA-A*0201 were identified. Importantly, the elicited cytolytic T lymphocyte (CTL) lines and clones cross-reacted with the wild-type CEA(694-702) peptide. Tumor cells expressing CEA were recognized in a peptide and HLA-A*0201 restricted fashion, but high-CEA expression levels appear to be required for CTL recognition. Finally, CEA-specific T-cell precursors could be readily expanded by in vitro stimulation of peripheral blood mononuclear cell (PBMC) from colon cancer patients with altered CEA peptide. However, the CEA-specific CD8+ T-cell clones derived from cancer patients revealed low-functional avidity and impaired tumor-cell recognition. Together, using T-cells to demonstrate the processing and presentation of the peptide CEA694-702, we were able to corroborate its presentation by tumor cells. However, the low avidity of the specific CTLs generated from cancer patients as well as the high-antigen expression levels required for CTL recognition pose serious concerns for the use of CEA694-702 in cancer immunotherapy.

Lentivector immunization induces tumor antigen-specific B and T cell responses in vivo.

Expression of the cancer/germ-line antigen NY-ESO-1 by tumors elicits spontaneous humoral and cellular immune responses in some cancer patients. Development of vaccines capable of stimulating such comprehensive immune responses is desirable. We have produced recombinant lentivectors directing the intracellular synthesis of NY-ESO-1 (rLV/ESO) and have analyzed the in vivo immune response elicited by this vector. Single injection of rLV/ESO into HLA-A2-transgenic mice elicited long-lasting B and T cell responses against NY-ESO-1. CD8+ T cells against the HLA-A2-restricted peptide NY-ESO-1(157-165) were readily detectable ex vivo and showed restricted TCR Vbeta usage. Moreover, rLV/ESO elicited a far greater anti-NY-ESO-1(157-165) CD8+ T cell response than peptide- or protein-based vaccines. Anti-NY-ESO-1 antibodies were rapidly induced after immunization and their detection preceded that of the antigen-specific CD8+ T cells. The rLV/ESO also induced CD4+ T cells. These cells played an essential role as their depletion completely abrogated B cell and CD8+ T cell responses against NY-ESO-1. The induced CD4+ T cells were primarily directed against a single NY-ESO-1 epitope spanning amino acids 81-100. Altogether, our study shows that rLV/ESO induces potent and comprehensive immune responses in vivo.

Lack of functionally active Melan-A(26-35)-specific T cells in the blood of HLA-A2+ vitiligo patients.

Vitiligo, a skin disorder characterized by the spontaneous destruction of melanocytes, is believed to be of autoimmune origin. We investigated the presence and functionality of CD8(+) T-cells specific for the melanocyte-associated antigens Melan-A, gp100, tyrosinase, and TRP-2 in the blood of HLA-A2(+) vitiligo patients. We enumerated antigen-specific CD8(+) T cells by major histocompatibility complex multimer staining directly ex vivo, as well as after 9 days of in vitro stimulation and assessed IFN-gamma secretion by enzyme-linked immunospot (Elispot) assay. Tyrosinase-, gp100-, or TRP-2-specific CD8(+) T cells could not be identified in the peripheral blood of individuals with vitiligo. Although Melan-A-specific T cells were detectable at levels comparable to Flu-MP-specific T cells by multimer staining, these lymphocytes did not express the skin-homing receptor cutaneous lymphocyte antigen, were phenotypically naïve (CD45RA(+)), and were unresponsive in the IFN-gamma Elispot assay, suggesting that they are unlikely to be involved in the etiopathogenesis of vitiligo.

Probing the interaction between feline immunodeficiency virus and CD134 by using the novel monoclonal antibody 7D6 and the CD134 (Ox40) ligand.

The feline immunodeficiency virus (FIV) targets activated CD4-positive helper T cells preferentially, inducing an AIDS-like immunodeficiency in its natural host species, the domestic cat. The primary receptor for FIV is CD134, a member of the tumor necrosis factor receptor superfamily, and all primary viral strains tested to date use CD134 for infection. We examined the expression of CD134 in the cat using a novel anti-feline CD134 monoclonal antibody (MAb), 7D6, and showed that as in rats and humans, CD134 expression is restricted tightly to CD4+, and not CD8+, T cells, consistent with the selective targeting of these cells by FIV. However, FIV is also macrophage tropic, and in chronic infection the viral tropism broadens to include B cells and CD8+ T cells. Using 7D6, we revealed CD134 expression on a B220-positive (B-cell) population and on cultured macrophages but not peripheral blood monocytes. Moreover, macrophage CD134 expression and FIV infection were enhanced by activation in response to bacterial lipopolysaccharide. Consistent with CD134 expression on human and murine T cells, feline CD134 was abundant on mitogen-stimulated CD4+ T cells, with weaker expression on CD8+ T cells, concordant with the expansion of FIV into CD8+ T cells with progression of the infection. The interaction between FIV and CD134 was probed using MAb 7D6 and soluble CD134 ligand (CD134L), revealing strain-specific differences in sensitivity to both 7D6 and CD134L. Infection with isolates such as PPR and B2542 was inhibited well by both 7D6 and CD134L, suggesting a lower affinity of interaction. In contrast, GL8, CPG, and NCSU were relatively refractory to inhibition by both 7D6 and CD134L and, accordingly, may have a higher-affinity interaction with CD134, permitting infection of cells where CD134 levels are limiting.

A novel approach to characterize clonality and differentiation of human melanoma-specific T cell responses: spontaneous priming and efficient boosting by vaccination.

Despite major progress in T lymphocyte analysis in melanoma patients, TCR repertoire selection and kinetics in response to tumor Ags remain largely unexplored. In this study, using a novel ex vivo molecular-based approach at the single-cell level, we identified a single, naturally primed T cell clone that dominated the human CD8(+) T cell response to the Melan-A/MART-1 Ag. The dominant clone expressed a high-avidity TCR to cognate tumor Ag, efficiently killed tumor cells, and prevailed in the differentiated effector-memory T lymphocyte compartment. TCR sequencing also revealed that this particular clone arose at least 1 year before vaccination, displayed long-term persistence, and efficient homing to metastases. Remarkably, during concomitant vaccination over 3.5 years, the frequency of the pre-existing clone progressively increased, reaching up to 2.5% of the circulating CD8 pool while its effector functions were enhanced. In parallel, the disease stabilized, but subsequently progressed with loss of Melan-A expression by melanoma cells. Collectively, combined ex vivo analysis of T cell differentiation and clonality revealed for the first time a strong expansion of a tumor Ag-specific human T cell clone, comparable to protective virus-specific T cells. The observed successful boosting by peptide vaccination support further development of immunotherapy by including strategies to overcome immune escape.

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

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

Séquelles radio-induites et tests prédictifs [Radiation-induced sequelae: toward an individual profile]

The impact of curative radiotherapy depends mainly on the total dose delivered homogenously in the targeted volume. Nevertheless, the dose delivery is limited by the tolerated dose of the surrounding healthy tissues. Two different side effects (acute and late) can occur during and after radiotherapy. Of particular interest are the radiation-induced sequelae due to their irreversibility and the potential impact on daily quality of life. In a population treated in one center with the same technique, it appears that individual radiosensitivity clearly exists. In the hypothesis that genetic is involved in this area of research, lymphocytes seem to be the tissue of choice due to easy accessibility. Recently, low percentage of CD4 and CD8 lymphocyte apoptosis were shown to be correlated with high grade of sequelae. In addition, recent data suggest that patients with severe radiation-induced late side effects possess four or more SNP in candidate genes (ATM, SOD2, TGFB1, XRCC1 et XRCC3) and low radiation-induced CD8 lymphocyte apoptosis in vitro.

Immunological mechanisms underlying infectious and chronic lung diseases

Le système respiratoire permet l'échange de gaz entre un organisme et son environnement. Pour fonctionner efficacement, il doit lutter contre les infections tout en maintenant une tolérance aux particules inoffensives. Les cytokines sont des petites protéines qui permettent la communication entre les différentes cellules et jouent un rôle important dans la régulation de l'homéostasie et de l'immunité des surfaces pulmonaires. Une production altérée des cytokines sous-tend beaucoup de maladies du système pulmonaire. Ainsi, la compréhension de la biologie fondamentale des cytokines pourrait contribuer à la mise au point de nouveaux traitements. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le rôle de deux cytokines, le TSLP (Thymic stromal lymphopoietin) et l'IL-17 (Interleukin 17) dans les réponses immunitaires bénéfiques et nuisibles en utilisant des modèles précliniques de souris des maladies pulmonaires. L'asthme est une maladie qui est caractérisée par la bronchoconstriction réversible, l'inflammation des voies respiratoires inférieures, l'hyperréactivité bronchique et le remodelage tissulaire. Le type d'inflammation affectant les voies respiratoires et la présence ou non d'allergie permettent d'établir les différents types d'asthme. La TSLP est une cytokine qui est principalement exprimée à des niveaux élevés dans les poumons de patients souffrant d'asthme allergique. En conséquence, la majeure partie de la recherche sur la TSLP a mis l'accent sur le rôle joué par celle- ci dans les réponses négatives conduisant au développement de l'asthme allergique. Dans cette thèse, nous montrons que la TSLP joue aussi un rôle bénéfique dans les réponses immunitaires pulmonaires. Nous avons découvert que la TSLP atténue la grippe en augmentant les réponses des lymphocytes T cytotoxiques contre le virus. Nous avons également étudié la fonction de la TSLP dans l'asthme non allergique. Contrairement à l'asthme allergique, nous avons constaté que la TSLP diminue les réponses inflammatoires dans l'asthme non allergique en réglant la production de l'IL-17, une cytokine qui favorise la maladie. Ainsi, nous démontrons les fonctions pleiotropes de la TSLP dans des contextes spécifiques de la maladie. Nos résultats ont des implications importantes pour le développement de thérapies ciblant la TSLP dans l'asthme. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes pathogéniques qui sous-tendent le développement de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie chronique le plus largement associée aux fumeurs. Elle est caractérisée par une limitation progressive et irréversible du débit d'air et la destruction de la structure des poumons. L'augmentation globale de l'incidence de la maladie encourage grandement la compréhension des mécanismes pathogéniques et l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous avons découvert que les micro-organismes trouvés dans les voies respiratoires aggravent la maladie en augmentant la production de l'IL-17. L'IL-17 est une cytokine inflammatoire qui est impliquée dans plusieurs maladies pulmonaires chroniques, dont la BPCO. Dans notre modèle animal de la maladie, nous avons neutralisé 1ÌL-17A en utilisant un anticorps spécifique et observé une reprise de la fonction pulmonaire. Dans cette étude, nous avons identifié 2 axes potentiels pour l'intervention thérapeutique contre la BPCO. Cibler les bactéries dans les voies respiratoires soit par l'utilisation d'antibiotiques ou l'utilisation de thérapies à base immunitaire qui antagonisent l'activité spécifiques de l'IL-17. Dans l'avenir, notre laboratoire va collaborer avec des cliniciens pour acquérir des échantillons humains et tester la pertinence de nos résultats dans la maladie humaine. -- L'interaction avec l'environnement extérieur est vitale pour le fonctionnement du système respiratoire. Par conséquent, ce dernier a adopté une multitude de réseaux effecteurs et régulateurs qui permettent de distinguer les particules inhalées comme «dangereuses» ou «inoffensives» et de réagir en conséquence. L'équilibre entre ces réseaux est essentielle pour lutter contre le «danger» déclenché par une infection ou des dommages, et finalement pour le retour à l'homéostasie. Le milieu de cytokine local contribue de manière significative à la mise au point de ces réponses. Ainsi, la caractérisation du rôle des cytokines dans l'état d'équilibre et la maladie a des implications claires pour les interventions thérapeutiques dans les maladies respiratoires aiguës et chroniques. Cette thèse a porté sur le rôle des cytokines, la lymphopoïétine stromale thymique (TSLP) et TIL-17A dans l'élaboration de réponses immunitaires pulmonaires. La TSLP est principalement produite par les cellules épithéliales et peut cibler une myriade de cellules immunitaires. Bien qu'elle ait été montrée être un puissant inducteur des réponses de type Th2, son rôle dans d'autres contextes inflammatoires est relativement inexploré. Dans le premier projet de cette thèse, nous avons découvert une nouvelle fonction de la TSLP dans l'immunité antivirale contre la grippe, une infection virale. Nous avons constaté que la TSLP a réglementé la réponse neutrophile au début de l'infection, en amplifiant l'immunité adaptative spécifique du virus. Mécaniquement, la TSLP a augmenté l'expression de l'IL-15 et du CD70 sur les cellules dendritiques recrutées dans les poumons suite à l'infection et a renforcé leur capacité de stimuler localement les lymphocytes T CD8+ spécifiques du virus. En outre, nous avons étudié la TSLP dans le cadre de divers phénotypes de l'asthme et également démontré l'impact pléiotropique qu'elle a sur les réponses immunitaires pulmonaires. En accord avec les rapports précédents, nous avons constaté que la TSLP a exacerbé l'inflammation atopique médiée par le Th2. En revanche la TSLP a réduit les réponses de l'IL-17A et l'inflammation neutrophile subséquente dans le modèle non atopique, ainsi que l'exacerbation du modèle atopique provoqué par une infection virale. Nos résultats démontrent une dichotomie dans le rôle de la TSLP dans la pathogenèse de l'asthme et soulignent la nécessité d'envisager plusieurs phénotypes d'asthme pour une évaluation approfondie de son potentiel thérapeutique dans cette maladie. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons caractérisé les mécanismes pathogènes qui sous-tendent la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie hétérogène définie par une diminution progressive de la fonction pulmonaire. Bien que des déclencheurs environnementaux puissent aggraver la maladie, chez les personnes sensibles une maladie établie peut progresser à travers un cercle inflammatoire auto-entretenu. Nous avons cherché à définir les mécanismes sous-jacents à l'aide d'un modèle murin d'inflammation chronique, qui reproduit les caractéristiques pathologiques de la maladie humaine. Puisqu'ont été associés à la BPCO sévère des changements dans le microbiome des voies respiratoires, nous avons supposé que les signaux dérivés de certains microbes pourraient favoriser des voies inflammatoires chroniques de progression de la maladie. Nous avons observé que, en l'absence d un microbiome, la maladie s'est améliorée tel que démontré par une réduction de l'inflammation des voies respiratoires et une amélioration de la fonction pulmonaire. Cela a été lié spécifiquement à une production réduite d'IL-17A, une cytokine qui a été impliquée dans la maladie humaine. De plus la cinétique de production de 1IL- 17A dépendant du microbiote est corrélé à la sévérité de la maladie. Sur la base de ces données, la neutralisation de l'IL-17A a également eu un effet bénéfique sur l'évolution de la maladie. Le rôle significatif de 1TL-17A dans l'aggravation de la maladie a été couplé à sa capacité à engager un dialogue entre les voies inflammatoires innées et adaptatives. Il a influencé le recrutement et le phénotype des neutrophiles et des macrophages, ce qui a eu un impact direct et indirect sur la formation et la fonction des tissus lymphoïdes tertiaires associée à des stades sévères de la maladie. -- The interaction with the external environment is vital for the functioning of the respiratory system. Consequently, it has adopted a multitude of effector and regulatory networks that enable it to distinguish inhaled particles as 'dangerous' or 'innocuous' and respond accordingly. The balance between these networks is crucial to counteract the 'danger' triggered by infection or damage, and ultimately return to homeostasis. The local cytokine milieu contributes significantly to the fine- tuning of these responses. Thus, characterizing the role of cytokines in steady state and disease has clear implications for therapeutic interventions in acute and chronic respiratory disorders. This thesis focused on the role of the cytokines, thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and IL-17A in shaping pulmonary immune responses. TSLP is primarily produced by barrier epithelial cells and can target a myriad of immune cells. Although it has been shown to be potent inducer of Th2 type responses, its role in other inflammatory settings is relatively unexplored. In the first project of this thesis, we discovered a novel function of TSLP in antiviral immunity to Influenza A infection. We found that while TSLP regulated the early neutrophilic response to infection, it amplified virus specific adaptive immunity. Mechanistically, TSLP enhanced the expression of IL-15 and CD70 on the lung recruited inflammatory dendritic cells and strengthened their ability to stimulate virus specific CD8+ T cell responses locally. In addition we investigated TSLP in the context of diverse asthma phenotypes and further demonstrated the pleiotropic impact it has on pulmonary immune responses. In concurrence with previous reports we found that TSLP exacerbated Th2 mediated atopic inflammation. In contrast TSLP curtailed IL-17A responses and subsequent neutrophilic inflammation in the non-atopic model as well as virus induced exacerbation of the atopic model. Our findings demonstrate a dichotomy in the role of TSLP in asthma pathogenesis and emphasize the need to consider multiple asthma phenotypes for a thorough evaluation of its therapeutic potential in this disease. In the next part of this thesis we characterized the pathogenic mechanisms underlying chronic obstructive pulmonary disease. COPD is a heterogeneous disease defined by a progressive decline in lung function. Although environmental triggers exacerbate the disease, in susceptible individuals the established disease can progress through a self-sustained inflammatory circle. We sought to delineate the underlying mechanisms by using a murine model of chronic inflammation, which reproduced key pathological features of the human disease. As changes in the airway microbiome have been linked to severe COPD, we speculated that microbial derived signals could facilitate the establishment of chronic inflammatory pathways that favour disease progression. We found that the absence of a microbiota ameliorated disease, exhibited by a reduction in airway inflammation and an improvement in lung function. This was linked specifically to an impaired production of IL-17A, a cytokine that has been implicated in human disease. Moreover the kinetics of microbiota-dependent IL-17A production correlated with the disease severity. Based on these data targeted neutralization of IL-17A also had a beneficiai effect on the disease outcome. The prominent role played by IL-I7A in driving the disease was coupled to its ability in engaging and mediating cross talk between pathogenic innate and adaptive immune pathways. It influenced the recruitment and phenotype of neutrophils and macrophages, as well as impacted upon the formation and function of tertiary lymphoid tissue associated with severe disease. Thus, temporal and spatial changes in cytokine production, their cellular targets and interaction with the local milieu determine the balance between immunity and pathology in the lung. Collectively our findings provide novel mechanistic insights in the complex role played by cytokines in orchestrating pulmonary immune responses and have clear implications for human disease.

Impact of orthologous melan-A peptide immunizations on the anti-self melan-A/HLA-A2 T cell cross-reactivity.

In HLA-A2 individuals, the CD8 T cell response against the differentiation Ag Melan-A is mainly directed toward the peptide Melan-A26-35. The murine Melan-A24-33 sequence encodes a peptide that is identical with the human Melan-A26-35 decamer, except for a Thr-to-Ile substitution at the penultimate position. Here, we show that the murine Melan-A24-33 is naturally processed and presented by HLA-A2 molecules. Based on these findings, we compared the CD8 T cell response to human and murine Melan-A peptide by immunizing HLA-A2 transgenic mice. Even though the magnitude of the CTL response elicited by the murine Melan-A peptide was lower than the one elicited by the human Melan-A peptide, both populations of CTL recognized the corresponding immunizing peptide with the same functional avidity. Interestingly, CTL specific for the murine Melan-A peptide were completely cross-reactive against the orthologous human peptide, whereas anti-human Melan-A CTL recognized the murine Melan-A peptide with lower avidity. Structurally, this discrepancy could be explained by the fact that Ile32 of murine Melan-A24-33 created a larger TCR contact area than Thr34 of human Melan-A26-35. These data indicate that, even if immunizations with orthologous peptides can induce strong specific T cell responses, the quality of this response against syngeneic targets might be suboptimal due to the structure of the peptide-TCR contact surface.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.