Les cytokines jouent un rôle essentiel dans la réponse immunitaire ; elles modulent les propriétés et la survie de nombreuses cellules immunitaires. Les lymphocytes T (LT) sont régulés par un large spectre de cytokines. Néanmoins certaines sous-populations de LT restent peu définies à ce jour tout comme l’impact de cytokines sur ces cellules en conditions physiologiques et pathologiques. Une population de LT caractérisée par la double expression des corécepteurs CD4 et CD8 a été identifiée en périphérie chez des donneurs sains et sa fréquence est augmentée chez les patients atteints de certaines pathologies. Cependant, peu d’études ont déterminé le phénotype et les fonctions de ces cellules. Nous avons caractérisé le phénotype ex vivo des LT CD4+CD8+ issus de sujets sains et étudié la réponse de ces cellules à plusieurs cytokines importantes dans l’homéostasie et l’activation des lymphocytes. Notre étude révèle que les LT CD4+CD8+ forment une population hétérogène présentant de nombreuses caractéristiques des cellules mémoires. De plus, notre étude montre que ces cellules ont une capacité accrue de produire des cytokines et enzymes lytiques comparée aux LT CD4 et CD8. Finalement, nous avons observé qu’une plus grande proportion de LT CD4+CD8+ répond aux cytokines IL-2, IL-15 et IL-7 comparée aux LT CD4 et CD8 simples positifs. Plusieurs études ont révélé que certaines cytokines participent à la pathobiologie de maladies auto-immunes notamment la sclérose en plaques (SEP). La SEP est une maladie inflammatoire chronique du système nerveux central (SNC) caractérisée par une destruction de la gaine de myéline et une perte axonale à l’origine des symptômes cliniques. L’impact des médiateurs immunitaires dans la destruction et/ou la réparation reste néanmoins à éclaircir. Plusieurs études suggèrent que l’interleukine-27 (IL-27) joue un rôle central dans la SEP : l’IL-27 diminue la sévérité de la maladie dans un modèle murin de la SEP ; la réponse des patients à certaines thérapies corrèle avec des niveaux périphériques élevés d’IL-27. Notre étude avait pour but de déterminer comment l’IL-27 module les LT des patients atteints de SEP. Nous avons observé des niveaux d’IL-27 augmentés à la fois en périphérie et dans le SNC des patients SEP. Nous avons mis en évidence que les effets induits par l’IL-27 sont altérés dans les LT des patients SEP ; notamment l’induction de PD-L1 et la réponse à l’IL-12 sont plus faibles comparées aux LT de sujets sains. La voie de signalisation STAT3 est induite plus fortement en réponse à l’IL 27 dans les cellules de patients SEP en comparaison à celles de sujets sains. Finalement, nous avons démontré que la forme soluble du récepteur à l’IL-27 est présente en plus grande quantité dans le sérum des patients SEP et ces niveaux sont suffisants pour bloquer l’effet de l’IL-27 sur ses cellules cibles. En conclusion, nos résultats permettent de mieux comprendre comment certaines cytokines participent à la régulation des populations lymphocytaires. En condition pathologique, la modulation de ces cytokines pourrait s’avérer efficace dans un but thérapeutique afin de promouvoir et/ou inhiber certaines réponses immunitaires notamment dans la SEP. / Cytokines play an essential role in modulating the immune response. They act on cells from both innate and adaptive immunity by modulating their phenotype and influencing their survival. T cells are highly regulated by a broad spectrum of cytokines. Nevertheless, some subsets of T cells remain ill-defined and a better understanding of cytokine-mediated responses in physiological and pathological conditions requires further investigation. A T cell population characterized by the dual expression of CD4 and CD8 co-receptors has been identified in the periphery of healthy donors and its frequency is notably increased in several pathologies. However, very few studies have determined the phenotype and functions of these cells under physiological conditions. We performed an ex vivo phenotypic characterization of CD4+CD8+ T cells from healthy subjects and analyzed the response of these cells to several important cytokines implicated in homeostasis and activation of immune cells. Our study reveals that CD4+CD8+ T cells are heterogeneous and exhibit many characteristics of memory cells. In addition, our study shows that these cells have an enhanced ability to produce cytokines and lytic enzymes compared to CD4 and CD8 T cells. Finally, we found that a higher proportion of CD4+CD8+ T cells respond to IL-2, IL-15 and IL-7 cytokines compared to CD4 and CD8 counterparts. Numerous studies showed that lymphocyte populations and some cytokines are involved in the development of several autoimmune diseases, including multiple sclerosis (MS). MS is a chronic inflammatory disease of the central nervous system (CNS) characterized by the destruction of the myelin sheath, axonal loss and oligodendrocytic death leading to clinical symptoms. The immune mediators involved in the destruction and/or repair remain to be clarified. Several studies suggest that interleukin-27 (IL-27) plays a central role in MS: IL-27 dampens the severity of the disease in a MS mouse model and in MS patients the response to some therapies correlates with higher levels of peripheral IL-27. The purpose of our study was to determine how IL-27 modulates T cells in MS patients. We observed that IL-27 levels are increased in both periphery and CNS of MS patients. We found that IL-27-mediated effects are impaired in T cells from MS patients in particular PD-L1 induction and IL-12 response that are lower compared to T cells from healthy subjects. IL-27-triggered STAT3 signaling pathway is also enhanced in cells from MS patients compared to healthy subjects. Finally, our study showed that the soluble form of the receptor of IL-27 is present in greater levels in the serum of MS patients and the measured doses are sufficient to block the capacity of IL-27 to act on its target cells. To conclude, our results provide a better understanding of how certain cytokines participate in the regulation of lymphocyte populations. Under pathological conditions, modulation of these cytokines may be effective for therapeutic applications in order to promote and/or inhibit immune responses, particularly in MS.

Contexte : Notre incapacité à guérir le VIH/SIDA vient au moins en partie du fait que le VIH établit et maintient des réservoirs cellulaires à l'abri des effets de la thérapie antirétrovirale combinée (cART) et de l'immunité de l'hôte. Alors que les composantes des réservoirs sont bien connues chez les adultes, la composition et l'évolution de ces réservoirs chez les enfants infectés verticalement sont moins bien comprises. Notre objectif était d'examiner les effets de l’âge de l’enfant au moment de l’initiation de la cART et de l'obtention d'une suppression virale soutenue (SVS) sur la taille et la nature du réservoir du VIH chez les enfants et les adolescents. Méthodes : À l'aide de la méthode HIV-Flow, la taille et la distribution des sous-types cellulaires du réservoir viral compétent pour la traduction ont été évaluées dans les cellules T CD4+ purifiées obtenues d'enfants et d'adolescents infectés verticalement (n=34) qui participaient à l'étude EPIC4 et qui ont été groupés selon l'âge (0-5, 5-10, 10-18 ans) et l’atteinte de la SVS. Résultats : Les différences de taille de réservoir entre les participants masculins et féminins ou entre les groupes d'âge n'étaient pas statistiquement significatives (p=0.5003, p=0.9410). Les cellules T CD4+ naïves étaient les principales contributrices au réservoir de cellules productrices de p24 dans tous les groupes d'âge, comparé aux cellules à mémoire centrale (CM), à mémoire effectrice (EM) et terminalement différenciées (TD) (p=0.001, p<0.0001, p<0.0001). La forte représentation des cellules T CD4+ naïves dans le pool total de cellules T CD4+ (⁓68% à >80%) peut expliquer cette contribution. Les cellules CM avaient tendance à présenter des fréquences plus élevées de cellules p24+ chez les adolescents par rapport aux groupes d'âge plus jeunes. Une corrélation négative a été observée entre la fréquence des cellules p24+ et la proportion de vie sous SVS (r=-0.3215, p=0.0318) ainsi que la proportion de vie sous cART efficace (r=-0.3197, p=0.0327). Conclusion : Contrairement aux adultes infectés par le VIH, le réservoir cellulaire hébergeant le VIH compétent pour la traduction chez les enfants et les adolescents infectés verticalement est principalement composé de cellules T CD4+ naïves, avec un profil de distribution se rapprochant progressivement avec l’âge de celui des adultes. Ces résultats éclairent et renforcent les orientations fondées sur des données probantes pour la prise en charge clinique et le traitement de l'infection verticale par le VIH. / Background: Our inability to cure HIV/AIDS stems at least in part from the fact that HIV establishes and maintains cellular reservoirs where it shelters from the effects of combination antiretroviral therapy (cART) and host immunity. Whereas reservoir components are well known in adults, the composition and evolution of these reservoirs in vertically infected children are incompletely understood. Our objective was to examine the effects of the timing of cART initiation and achievement of sustained viral suppression (SVS) on the size and nature of the HIV reservoir in children and adolescents. Methods: Using the HIV-Flow method, size and cell subset distribution of the translation competent viral reservoir were assessed in purified CD4+ T cells from vertically infected children and adolescents (n=34) with and without SVS, who were enrolled in the EPIC4 study and stratified according to age (0-5, 5-10, 10-18 years) and achievement/duration of SVS. Results: Differences in reservoir size between male and female participants or across age groups were not statistically significant (p=0.5003, p=0.9410). Naïve CD4+ T cells were the main contributor to the pool of p24-producing cells in all age groups as compared to central memory (CM), effector memory (EM), and terminally differentiated (TD) (p=0.001, p<0.0001, p<0.0001). The large representation of naïve CD4+ T cells in the total CD4+ T cells pool (⁓68% to >80%) can explain this contribution. CM cells tended to carry higher frequencies of p24+ cells in adolescents compared to younger age groups. A negative correlation was observed between the frequency of p24-positive cells and the proportion of life under SVS (r=-0.3215, p=0.0318) as well as the proportion of life under effective cART (r=-0.3197, p=0.0327). Conclusion: Unlike HIV-infected adults, the cellular reservoir harboring translation competent HIV in vertically infected children and adolescents is mostly comprised of naïve CD4+ T cells, with a distribution profile progressively transitioning to that of adults. These results inform and reinforce evidence-based guidance for the management of vertical HIV infection.

La découverte du virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) en 1983 a été suivie d'avancées majeures dans la compréhension de la pathogenèse de la maladie et la caractérisation moléculaire du cycle de réplication virale. Ces connaissances ont permis la conception et l’implantation de thérapies antirétrovirales (TAR) capables de contrôler efficacement la réplication virale à des niveaux plasmatiques indétectables, réduisant ainsi fortement le risque de transmission et transformant l'épidémie mortelle en une maladie chronique gérable. Malgré ces progrès, l'infection par le VIH-1 demeure un problème de santé important au niveau international. Le principal obstacle à la guérison du VIH-1 comprend la persistance de réservoirs viraux dans les cellules immunitaires à longue durée de vie, nécessitant ainsi un traitement à vie chez les personnes vivant avec le VIH (PVVIH). Au cours de l'infection par le VIH, une déplétion progressive des lymphocytes T CD4+ est observée. Une fraction de ces cellules retrouvée majoritairement aux muqueuses sous l’appellation Th17 représente la première cible de l'infection par le VIH, ce qui mène à leur déplétion dans le tractus gastro-intestinal. Les cellules Th17 sont essentielles au maintien de l'homéostasie intestinale; par conséquent, l'infection par le VIH provoque des altérations majeures de l'immunité intestinale. Malgré des stratégies thérapeutiques efficaces capables de supprimer la réplication du VIH, les cellules Th17 ne sont pas reconstituées dans l'intestin, et ce, même lors d’une initiation précoce de la TAR. La perte des cellules Th17 dans l'intestin des PVVIH entraîne une translocation microbienne et une inflammation systémique et, de ce fait, peut contribuer à des comorbidités non liées au SIDA chez des individus virologiquement supprimés. Malgré leur appauvrissement, il a été démontré que des sous-ensembles spécifiques de cellules Th17 à longue durée de vie supportent un réservoir viral chez les PVVIH sous TAR. En effet, nous avons montré qu'une sous-population de cellules CCR6+ Th17 infiltrant le côlon est un réservoir de VIH enrichi chez les PVVIH sous TAR. Cette permissivité à l’infection et cette contribution à la persistance virale appuient l’hypothèse selon laquelle les cellules Th17 jouent un rôle fondamental dans l’immunopathologie du VIH. Afin de mieux comprendre l’interrelation entre ces cellules immunitaires et le VIH, dans la première partie de cette thèse, je me suis intéressé à déterminer l'effet de l'IL-17A, la cytokine clé de ce compartiment cellulaire, sur la capacité des cellules épithéliales intestinales à favoriser l'infection et la réactivation du réservoir viral. Nous avons observé que l'IL-17A agit en synergie avec le TNF pour favoriser la production de CCL20, une chimiokine dont le récepteur, CCR6, est fortement exprimé par les cellules Th17. Cette activité synergique promeut également la trans-infection par le VIH des cellules T CD4 + et l’expansion virale dans les cellules de PVVIH sous TAR. Par ailleurs, l'IL-17A médie une signature moléculaire pro-inflammatoire et provirale caractérisée par une diminution de l'expression des facteurs de restriction du VIH induits par l'interféron de type I. Ces résultats soutiennent que, malgré le rôle bénéfique de l'IL-17A sur l'homéostasie muqueuse, cette cytokine peut contribuer à la dissémination et à la persistance du VIH. Puisque le développement et la différenciation des cellules Th17 dépendent fondamentalement de l'expression du facteur de transcription RORC2, dans la deuxième partie de cette thèse, nous évaluons l’Implication de RORC2 comme facteur de dépendance de la réplication du VIH et de la réactivation virale. Nous avons constaté que RORC2 joue un rôle majeur lors de l'infection par le VIH et que son inhibition pharmacologique à l'aide de petites molécules qui se lient au domaine de liaison du ligand RORC2 réduit la réplication du VIH dans la lignée cellulaire Jukart et dans les cellules primaires T CD4 infectées in vitro. De plus, l’interférence génétique de l’expression de RORC2 prévient la réplication du VIH, tandis que sa surexpression a l’effet opposé. Dans les cellules de PVVIH traitées, il a été constaté que les lymphocytes T CD4 exprimant RORC2 étaient surreprésentés dans le réservoir viral par rapport aux lymphocytes T CD4 RORC2-. Tout comme dans les cellules infectées in vitro, l'inhibition pharmacologique de RORC2 dans les lymphocytes T CD4 de ces participants bloque l'excroissance du VIH. Ces résultats suggèrent que ce régulateur transcriptionnel central aux cellules Th17 représente une cible à ce compartiment cellulaire pour le traitement du VIH. Enfin, la déplétion des cellules Th17 au niveau de la muqueuse intestinale est un moteur crucial de la translocation microbienne et de l'activation immunitaire chronique. Cette activation immunitaire est d’ailleurs associé à la survenue de comorbidités non liées au SIDA. Ainsi, dans la troisième partie de la thèse, nous avons cherché à identifier une signature immunologique liée à l'athérosclérose subclinique chez les PVVIH sous TAR. Nous avons constaté que les PVVIH atteintes d'athérosclérose subclinique présentaient une augmentation des taux plasmatiques de fibrinogène, une réduction de la fréquence des Th17 et des rapports Th17/Treg, ainsi qu'une augmentation de la fréquence des monocytes non classiques à phénotype CCR9low HLADRhigh. En conclusion, les travaux de cette thèse ont permis d’approfondir les connaissances sur l'importance des cellules Th17 au cours de l'évolution de l'infection par le VIH, notamment dans l'établissement de comorbidités non liées au SIDA, telles que les maladies cardiovasculaires. Ces nouveaux résultats se montrent essentiels dans la considération des cellules Th17 comme une nouvelle cible potentielle d'interventions thérapeutiques pour la rémission et la guérison du VIH. / The discovery of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) in 1983 was followed by major advances in understanding disease pathogenesis and the elucidation of the viral replication cycle at the molecular level. This knowledge allowed the design and implementation of antiretroviral therapy (ART) that efficiently controls viral replication at undetectable plasma levels, thus robustly reducing the risk of transmission and transforming the deadly epidemic into a manageable chronic disease. Despite these advances, HIV-1 infection remains a significant health issue at the international level. The major barrier to HIV-1 cure is the persistence of viral reservoirs in long-lived immune cells, therefore requiring life-long treatment in people living with HIV (PLWH). During HIV infection, there is a progressive depletion of CD4+ T-cells. A subset of mucosal CD4+ T-cells denominated Th17 cells are the first targets of HIV infection and are depleted in the gastrointestinal tract. Th17 cells are critical for maintaining intestinal homeostasis; therefore, HIV infection causes major disruptions of intestinal immunity. Despite effective ART regimens able to suppress HIV replication, Th17 cells are not replenished in the intestine, not even when ART is initiated during the early phases of acute infection. The depletion of Th17 cells in the gut of PLWH leads to microbial translocation and systemic inflammation and, therefore, may contribute to non-AIDS co-morbidities in fully virological suppressed subjects. Despite their depletion, specific subsets of long-lived Th17 cells were demonstrated to carry viral reservoirs in ART-treated PLWH. Previous studies by our group and others have shown that CD4+ T-cells expressing the Th17 marker CCR6 are enriched in HIV reservoirs in the blood and the colon of ART-treated PLWH. This evidence supports the hypothesis that Th17 features play a pivotal role in HIV immunopathology and viral reservoir persistence during ART. Considering the importance of Th17 cells in HIV infection, in the first part of this thesis, I was interested in determining the effect of IL-17A, the Th17 hallmark cytokine, on intestinal epithelial cells (IEC) ability to promote HIV trans infection and viral reservoir reactivation in CD4+ T-cells. We observed that IL-17A acts in synergy with TNF to promote the production of CCL20, a Th17-attractant chemokine, and promote HIV trans-infection of CD4+ T cells and HIV outgrowth from cells of ART-treated PLWH. IL-17A-mediated a pro-inflammatory and pro-viral molecular signature. The pro-viral molecular signature was characterized by a decreased expression of type I interferon-induced HIV restriction factors. These results demonstrate that despite the beneficial role of IL-17A on mucosal homeostasis, it also contributes to HIV dissemination and viral reservoir reactivation. Since Th17 development and differentiation depend on the expression of the master transcriptional regulator RORC2, in the second part of this thesis, we evaluate RORC2 as a positive regulator of HIV replication and viral reactivation. We found that RORC2 is a critical host dependency factor during HIV infection. The pharmacological inhibition of RORC2 using small molecules that bind to the RORC2 ligand-binding domain (LBD) reduced HIV replication in Jurkat cells and primary CD4+T cells in vitro. Additionally, the genetic interference with RORC2 expression inhibited HIV replication, while RORC2 overexpression boosted it. In people living with HIV receiving ART, RORC2+ were enriched in HIV reservoirs compared to RORC2- CD4+ T-cells. The pharmacological inhibition of RORC2 blocked HIV outgrowth in CD4+ T-cells from ART-treated PLWH. These results suggest that the Th17 master transcriptional regulator RORC2 represents a novel putative Th17-specific target for HIV therapy. Finally, Th17 cell depletion at the intestinal mucosal level is a crucial driver of microbial translocation and chronic immune activation. The latest was associated with the occurrence of non-AIDS comorbidities. Thus, in the third part of the thesis, we sought to identify an immunological signature associated with subclinical atherosclerosis in PLWH receiving ART. We found that PLWH with subclinical atherosclerosis had increased plasma fibrinogen levels, reduced Th17 frequency and Th17/Treg ratios, and increased frequencies of CCR9lowHLADRhigh nonclassical monocytes. In conclusion, the work of this thesis extends the knowledge of the relevance of Th17 cells during the course of HIV infection, including the establishment of non-AIDS comorbidities such as cardiovascular disease. This knowledge is vital when considering Th17 cells as a novel potential target of therapeutic interventions for HIV remission and cure.

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[ES] El objetivo principal de este trabajo fue conocer las alteraciones inmunológicas asociadas a la inflamación periférica que desencadenan deterioro cognitivo en los pacientes cirróticos encefalopatía hepática mínima (EHM). Estos cambios pueden ser monitorizados como cascadas de señalización a lo largo de los tipos celulares del sistema inmune. Como estudio preliminar, se analizaron los cambios en la expresión génica (transcriptómica), los metabolitos de plasma (metabolómica) y un panel de citoquinas extracelulares en muestras de sangre de pacientes cirróticos con y sin EHM. Los resultados del análisis transcriptómico apoyaron la hipótesis de alternancias en las poblaciones celulares de linfocitos Th1/Th2 y Th17 como principales impulsores de la EHM. El análisis clúster de las moléculas del suero dio como resultado 6 grupos de compuestos químicamente similares. También se ha realizado un análisis de integración multiómica para detectar las relaciones entre los componentes intra y extracelulares que podrían contribuir a la inducción del deterioro cognitivo. Los resultados de este análisis integrativo sugirieron una relación entre las citocinas CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22 e IL-6 con la alteración de la quimiotaxis, así como un vínculo entre los fosfolípidos insaturados de cadena larga y el aumento del transporte de ácidos grasos y la producción de prostaglandinas. Estudios previos sugieren que un cambio en la inflamación periférica, orquestado principalmente por las células T CD4+, es un factor crítico que desencadena el deterioro cognitivo en EHM. La segunda parte de la tesis se centró en la comprensión de las rutas genéticas y los mecanismos por los que las alteraciones en los linfocitos CD4+ pueden contribuir a la inflamación periférica en EHM. Se analizaron los niveles de expresión de genes, factores de transcripción y miARNs en este subtipo de linfocitos mediante secuenciación de alto rendimiento (RNA-seq y miRNA-seq). El análisis individual de cada grupo de datos mostró diferencias de expresión de ARNm y miARN, así como las vías biológicas alteradas en los linfocitos CD4+ comparando pacientes cirróticos con y sin EHM. Encontramos alteraciones en 167 ARNm y 20 rutas biológicas en los pacientes con EHM, incluyendo los receptores tipo Toll, la señalización de la IL-17 y las vías del metabolismo de histidina y triptófano. Trece miRNAs y 7 factores de transcripción presentaron alteraciones en los pacientes con EHM. Utilizando bases de datos para determinar sus genes diana, encontramos una modulación por el aumento de miR-494-39, miR-656-3p y miR-130b-3p de la expresión de TNFAIP3 (proteína A20) y ZFP36 (proteína TTP) aumentaría los niveles de citoquinas proinflamatorias como IL-17 y TNF¿. Finalmente, estudiamos el repertorio de receptores de células T (TCR) de pacientes control, y de pacientes cirróticos con y sin EHM, a partir del conjunto de datos de RNA-seq procedentes de células T CD4+ aisladas previamente. Dado que los experimentos de RNA-seq contienen genes del TCR en una fracción de los datos, se puede analizar el repertorio sin necesidad de generar datos adicionales. Tras el alineamiento de las lecturas con la base de datos de los genes VDJ realizada por la herramienta MiXCR, recuperamos entre 498-1114 cadenas TCR beta distintas por paciente. Los resultados mostraron un bajo número de clones públicos (convergencia clonal), una alta diversidad (expansión clonal) y una elevada similitud en la arquitectura de la secuencia dentro de los repertorios, independientemente del estado inmunitario de los 3 grupos de pacientes. Además, detectamos una sobrerrepresentación significativa de los TCRs relacionados con la enfermedad celíaca y la enfermedad inflamatoria intestinal en los repertorios de los pacientes con EHM. / [CA] L'objectiu principal d'aquest treball va ser conèixer les alteracions immunològiques associades a la inflamació perifèrica que desencadenen deteriorament cognitiu en els pacients cirròtics amb encefalopatia hepàtica mínima (EHM). Aquests canvis poden ser monitoritzats com cascades de senyalització al llarg dels tipus cel·lulars del sistema immune. Com a estudi preliminar, es van analitzar els canvis en l'expressió gènica (transcriptòmica), els metabòlits de plasma (metabolòmica) i un conjunt de citocines extracel·lulars en mostres de sang de pacients cirròtics amb i sense EHM. Els resultats de l'anàlisi transcriptòmica van recolzar la hipòtesi d'alternances en les poblacions cel·lulars de limfòcits Th1/Th2 i Th17 com a principals impulsors de la EHM. L'anàlisi clúster de les molècules del sèrum va donar com a resultat 6 grups de compostos químicament similars. També s'ha realitzat una anàlisi d'integració multiòmica per detectar les relacions entre els components intra i extracel·lulars que podrien contribuir a la inducció del deteriorament cognitiu. Els resultats d'aquesta anàlisi d'integració van suggerir una relació entre les citocines CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22 i IL-6 amb l'alteració de la quimiotaxis, així com un vincle entre els fosfolípids insaturats de cadena llarga i l'augment del transport d'àcids grassos i la producció de prostaglandines. Estudis previs suggereixen que un canvi en la inflamació perifèrica, orquestrat principalment per les cèl·lules T CD4+, és un factor crític que desencadena el deteriorament cognitiu en EHM. La segona part de la tesi es va centrar en la comprensió de les rutes genètiques i els mecanismes pels quals les alteracions en els limfòcits CD4+ poden contribuir a la inflamació perifèrica en EHM. Es van analitzar els nivells d'expressió de gens, factors de transcripció i miARNs en aquest subtipus de limfòcits mitjançant seqüenciació d'alt rendiment (RNA-seq i miRNA-seq). L'anàlisi individual de cada grup de dades va mostrar les diferències d'expressió d'ARNm i miARN, així com les vies biològiques alterades en els limfòcits CD4+ comparant pacients cirròtics amb i sense EHM. Trobàrem alteracions en 167 ARNm i 20 rutes biològiques en els pacients amb EHM, incloent els receptors tipus Toll, la senyalització de la IL-17 i les vies del metabolisme de la histidina i el triptòfan. Tretze miRNAs i 7 factors de transcripció van presentar alteracions en els pacients amb EHM. Després utilitzàrem bases de dades per determinar els seus gens diana, els quals van resultar ser codificants per proteïnes clau implicades en el canvi immunològic que desencadena la EHM. Per exemple, la modulació per l'augment de miR-494-39, miR-656-3p i miR-130b-3p de l'expressió de TNFAIP3 (proteïna A20) i ZFP36 (proteïna TTP) augmentaria els nivells de citocines proinflamatòries com IL-17 i TNF¿. L'última part de la tesi comprèn un cas pràctic en el qual s'estudia el repertori de receptors de cèl·lules T (TCR) de pacients control, i de pacients cirròtics amb i sense EHM, a partir del conjunt de dades de RNA-seq procedents de cèl·lules T CD4+ aïllades prèviament. Atès que els experiments de RNA-seq contenen gens del TCR en una fracció de les dades, es crea una oportunitat per a l'anàlisi del repertori sense necessitat de generar dades addicionals, el qual redueix la quantitat i els costos de les mostres. Després de l'alineament de les lectures amb la base de dades dels gens VDJ realitzada per l'eina MiXCR, recuperàrem entre 498-1114 cadenes TCR beta diferents per pacient. Els resultats van mostrar un baix nombre de clons públics (convergència clonal), una alta diversitat (expansió clonal) i una elevada similitud en l'arquitectura de la seqüència dins dels repertoris, independentment de l'estat immunitari dels 3 grups de pacients. A més, detectàrem una sobrerepresentació significativa dels TCRs relacionats amb la malaltia celíaca i la malaltia inflamatòria intestinal en els repertoris dels pacients amb EHM. / [EN] The main objective of this work was to understand the immunological alterations associated with the peripheral inflammation that trigger minimal hepatic encephalopathy (MHE) in patients with cirrhosis. These changes can be monitored through the signaling cascades of different immune system cell types. In this work, in a preliminary study, changes in gene expression (transcriptomics), plasma metabolites (metabolomics), and a panel of extracellular cytokines were analyzed in blood samples from patients with cirrhosis with and without MHE. Transcriptomics analysis supported the hypothesis that alternations in the Th1/Th2 and Th17 lymphocyte cell populations are the major drivers of MHE. Cluster analysis of serum molecules highlighted 6 groups of chemically similar compounds. We also developed a multi-omic integration analysis pipeline to detect covariation between intra- and extracellular components that could contribute to the induction of cognitive impairment. Results of this integrative analysis suggested a relationship between cytokines CCL20, CX3CL1, CXCL13, IL-15, IL-22, and IL-6 and altered chemotaxis, as well as a link between long-chain unsaturated phospholipids and increased fatty acid transport and prostaglandin production. A shift in peripheral inflammation in patients with MHE, mainly orchestrated by CD4+ T cells, had been proposed in previous studies as a critical factor that triggers cognitive impairment. The second part of this thesis focused on understanding the pathways and mechanisms by which alterations in CD4+ lymphocytes may contribute to peripheral inflammation in MHE. Thus, the expression levels of genes, transcription factors, and miRNAs were analyzed in this lymphocyte subtype by high throughput sequencing (RNA-seq and miRNA-seq). Separate analysis of each dataset showed mRNA and miRNA expression differences and altered biological pathways in CD4+ lymphocytes when compared to patients with cirrhosis with and without MHE. We found alterations in 167 mRNAs and 20 pathways in patients with MHE, including toll-like receptors, IL-17 signaling, histidine, and tryptophan metabolism pathways. In addition, 13 miRNAs and 7 transcription factors presented alterations in patients with MHE. We used public databases to determine the target genes of these regulatory molecules and found that increased miR-494-39, miR-656-3p, and miR-130b-3p expression may modulate TNFAIP3 (A20) and ZFP36 (TTP) to increase levels of pro-inflammatory cytokines such as IL-17 and TNF¿. Finally, we present a case study of the T-cell receptor (TCR) repertoire profiles of control patients and patients with cirrhosis with and without MHE obtained from the bulk RNA-seq dataset previously generated from isolated CD4+ T cells. Given that RNA-seq experiments contain the TCR genes in a fraction of the data, the receptor repertoire analysis without the need to generate additional data is possible. After read alignment to the VDJ genes was performed with the MiXCR tool, we successfully recovered 498-1,114 distinct TCR beta chains per patient. Results showed fewer public clones (clonal convergence), higher diversity (clonal expansion), and elevated sequence architecture similarity within repertoires, independently of the immune status of the 3 groups of patients. Additionally, we detected significant overrepresentation of celiac disease and inflammatory bowel disease related TCRs in MHE patient repertoires. To the best of our knowledge, this is one of the few studies to have shown a step-by-step pipeline for the analysis of immune repertoires using whole transcriptome RNA-seq reads as source data. In conclusion, our work identified potentially relevant molecular mechanisms of the changes in the immune system associated with the onset of MHE in patients with cirrhosis. Future work with a large sample cohort will be required to validate these results in terms of biomarker determination and the development of new, more effective treatments for MHE. / Rubio Martínez-Abarca, MT. (2022). Multi-omic data integration study of immune system alterations in the development of minimal hepatic encephalopathy in patients with liver cirrhosis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185116

Immunologische Toleranz ist eine elementare Eigenschaft des Immunsystems, die primär durch die klonale Deletion autoreaktiver T-Zellen im Thymus gewährleistet wird. Neben diesem als zentrale Toleranz bezeichneten Mechanismus, verfügt ein Organismus gleichzeitig über periphere Toleranzmechanismen wie Ignoranz, Anergie und regulatorische T-Zellen. Trotz dieser Kontrollmechanismen können in bestimmten Situationen autoreaktive CD4+ und CD8+ T-Zellen aktiviert werden und meistens zu örtlich und zeitlich begrenzten Autoimmunreaktionen führen. Ursache hierfür kann die hormonelle Regulation oder das gewebespezifische Vorkommen eines Selbsttantigens sein. Am Beispiel von HSP60-kreuzreaktiven CD8+ T-Zellen konnte gezeigt werden, dass der Transfer dieser T-Zellen in Tiere zu einer Entzündung des Dünndarms aber nicht des Dickdarms führt, obwohl das Selbstantigen im letzteren wesentlich stärker exprimiert wird. Die Gewebespezifität der Autoimmunpathologie konnte durch die in den Organen unterschiedliche, proteasomale Antigenprozessierung, erklärt werden. Proteinbiochemische und immunologische Analysen ergaben, dass sich die 20S Proteasomen verschiedener Organe strukturell und funktionell deutlich unterscheiden und somit jedes Gewebe ein individuelles Repertoire von MHC-Klasse I restringierten Peptiden präsentiert. Damit wurde ein weiterer Mechanismus entdeckt, durch den Reaktivität von protektiven und pathologischen CD8+ T-Zellen kontrolliert wird. / Immunological tolerance which is primarily mediated by the clonal deletion of autoreactive T cells in the thymus is a key feature of the immune system. Besides this central tolerance, several mechanisms act also in the periphery including ignorance, anergy and regulatory T cells. Despite all these checkpoints, autoreactive CD4+ and CD8+ T cells may still be activated causing local and time restricted autoimmune-reactions. This may refer primarily to self-antigens which are hormonally regulated or tissue-specifically expressed. Adoptive transfer of crossreactive, hsp60-specific CD8+ T cells into mice induced an local inflammation of the small intestine but not the colon despite elevated expression of hsp60 in the latter organ. The pathology could be explained by the finding that the proteasomal antigen processing varies between different organs. Biochemical and immunological analyses revealed that 20S proteasomes of different organs vary in their structural and functional properties indicating that every tissue displays an individual and distinct repertoire of MHC class I peptides. This represents a new mechanism by which the activity of protective and pathological CD8+ T cell responses may be controlled.

Die Einwanderung von T-Zellen in ein Gewebe wird durch selektive Wechselwirkungen mit vaskulären Endothelzellen kontrolliert. In der vorliegenden Arbeit wurde der Frage nachgegangen, ob Interaktionen zwischen Lebersinusendothelzellen (LSEC) und CD4+ T-Zellen die gewebespezifische Migration von CD4+ T-Zellen beeinflussen und damit Relevanz für den Verlauf spezifischer Immunantworten haben. Die Präsentation von Antigenen durch zytokinaktivierte LSEC erhöhte die Adhäsion und Transmigration antigenspezifischer CD4+ T-Zellen. Die Daten deuten auf eine Rolle des Lebersinusendothels bei der entzündungsinduzierten, antigenabhängigen Rekrutierung von CD4+ T-Zellen in das Lebergewebe hin. Eine antigenabhängige Aktivierung naiver CD4+ T-Zellen durch LSEC sowie deren Bereitstellung von Retinolsäure induzierte die Expression von darmspezifischen Homingrezeptoren auf CD4+ T-Zellen. LSEC-aktivierte CD4+ T-Zellen migrierten in das Darmgewebe von C57BL/6-Mäusen. Die Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass LSEC einen darmspezifischen Homingphänotyp und damit die Migration von in der Leber aktivierten CD4+ T-Zellen in den Darm induzieren. Die Bereitstellung von Chemokinen durch LSEC mittels Transzytose und Immobilisierung verstärkte die Transmigration von CD4+ T-Zellen durch das Endothel. Die Gabe eines Inhibitors der endothelialen Chemokintranszytose während einer Concanavalin A-induzierten Autoimmunhepatitis supprimierte den Verlauf der Hepatitis und führte zu einer verminderten Migration von aktivierten CD4+ T-Zellen in das Lebergewebe. Diese Daten weisen dem Lebersinusendothel eine aktive Beteiligung in der chemokinabhängigen Rekrutierung von CD4+ T-Zellen in die Leber zu. In der vorliegenden Arbeit wurde die Modulation der gewebespezifischen Migration von CD4+ T-Zellen über Antigenpräsentation und Chemokinbereitstellung durch das Lebersinusendothel gezeigt und damit weitere spezifische Aspekte in der Funktion der Leber als immunologisches Organ beschrieben. / T-cell immigration into a tissue is controlled by selective interactions with vascular endothelial cells. The present study addressed the question if interactions between liver sinusoidal endothelial cells (LSEC) and CD4+ T cells influence the tissue-specific migration of CD4+ T cells and thus have relevance for the course of specific immune responses. Antigen presentation by cytokine-activated LSEC increased adhesion and transmigration of antigen-specific CD4+ T cells. These results indicate an involvement of LSEC in the inflammation-induced, antigen-specific migration of CD4+ T cells into the liver tissue. Antigen-specific activation of naive CD4+ T cells by LSEC and their supply of retinoic acid induced expression of gut-specific homing receptors on CD4+ T cells. LSEC-activated CD4+ T cells migrated into the intestine of C57BL/6 mice. The findings presented here imply that LSEC induce a gut-specific homing phenotype resulting in migration of liver-activated CD4+ T cells into the intestine. The active supply of chemokines by LSEC via transcytosis and immobilization enhanced transmigration of CD4+ T cells. Administration of an inhibitor of the endothelial chemokine transcytosis during Concanavalin A-induced autoimmune hepatitis suppressed hepatitis and resulted in reduced migration of activated CD4+ T cells into the liver tissue. The data show the impact of LSEC on the chemokine-dependent recruitment of CD4+ T cells into the liver. In the present study the modulation of the tissue-specific migration of CD4+ T cells by LSEC via antigen presentation and supply of chemokines was demonstrated. Thus, additional functional aspects concerning the immunologic functions of the liver were described.

Auch unter physiologischen Bedingungen finden sich T-Zellen und andere Leukozyten nicht nur in den Sinusoiden, sondern auch im Parenchym der Leber. Da die Leber u. a. verschiedene Aufgaben für das Immunsystem übernimmt (z. B. Deletion aktivierter T Zellen, Induktion peripherer Toleranz), könnte die Akkumulation der T-Zellen in der Leber - neben der immunologischen Überwachung der Leber - Voraussetzung für ihre Modulation sein. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Leber-sinusoidalen Endothelzellen (LSEC), der Barriere zwischen Blut und Leber-Parenchym, auf CD4+ T-Zellen untersucht. Zum einen zeigte sich, dass die LSEC sowohl die spontane Transmigration der T-Zellen, als auch ihre Chemotaxis zu CXCL9 und CXCL12 effizienter unterstützen als andere Endothelien. Eine endotheliale Aktivierung durch die Chemokine wurde als Mechanismus ausgeschlossen. Dagegen schien eine effiziente Präsentation der Chemokine auf der luminalen LSEC-Oberfläche nach Aufnahme von abluminal für die gesteigerte Transmigration der T Zellen verantwortlich zu sein. Die LSEC könnten somit in vivo an der Rekrutierung von T-Zellen in die Leber beteiligt sein, indem sie eine rasche Wanderung der T-Zellen aus dem Blut ins Parenchym und möglicherweise auch zurück in die Zirkulation zulassen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die LSEC fähig sind, naive CD4+ T-Zellen in vitro Antigen-spezifisch zu aktivieren. Im Vergleich zu professionellen APZ war hierfür eine höhere Antigen-Dosis notwendig, die Expansion schwächer und es waren kaum Effektorzytokin-Produzenten detektierbar. Diese konnten jedoch durch Restimulierung mit professionellen APZ induziert werden (reversibler Phänotyp), was auf einen unreifen Differenzierungsstatus der T-Zellen schließen ließ. Es bleibt zu prüfen, in welchem Maße die Aktivierung naiver CD4+ T-Zellen durch LSEC in vivo stattfindet und diese durch LSEC aktivierten CD4+ T-Zellen funktionelle Bedeutung, z. B. regulatorische Kapazität, für das Immunsystem besitzen. / The liver plays a major role for the metabolism, but it is also of general importance for the immune system, e.g. for the deletion of activated T cells or the induction of peripheral tolerance. Under physiological conditions T cells and other leukocytes can be found in the liver, in the sinusoids as well as in the parenchyma. This hepatic accumulation of T cells might be due to immunosurveillance, but it would also be a prerequisite for modulation of T cells by hepatic cells. The present study investigated two different aspects of the interaction of liver sinusoidal endothelial cells (LSEC), the barrier between the sinusoidal lumen and the hepatic parenchyma, and CD4+ T cells. In the first part of the study it could be demonstrated that LSEC support the spontaneous transmigration of CD4+ T cells as well as their chemotaxis to CXCL12 and CXCL9 more efficiently than other endothelial cells. Whereas a direct endothelial activation by chemokines could be excluded the efficient chemokine presentation at the luminal LSEC surface (after abluminal uptake) might be responsible for the enhanced T cell transmigration. The findings suggest that LSEC might be involved in the recruitment of T cells by supporting a rapid transendothelial migration. The second part of the study focused on the characteristics of LSEC in the context of antigen presentation. LSEC were able to prime and expand naïve CD4+ T cells in vitro but less effective than professional APC as proven by weaker expansion of cells, a requirement for higher antigen concentration and the lack of cytokine producing T cells. The “immature effector” phenotype of the CD4+ T cells primed on LSEC was reversible since it could be overcome by restimulation on professional APC. In conclusion these data suggest that antigen presentation by LSEC results in activation but incomplete differentiation of CD4+ T cells.

Das Ziel dieser Arbeit war, die funktionellen Charkteristika von humanen antigenerfahrenen CD4-T-Zellen in Relation zur Expression von IL-7Ra und CCR7 zu untersuchen. Im Rahmen dessen wurden zwei verschiedene experimentelle Ansätze wurden gewählt: Zur Analyse von Populationen, die während einer Primärantwort auftreten, wurden antigenerfahrene CD4-T-Zellen in vitro mit TSST-beladenen dendritischen Zellen stimuliert. Der zweite Ansatz bestand darin, zirkulierende antigenerfahrene CD4-T-Zellen entsprechend ihrer CCR7- und IL7R-Expression zu isolieren, um die heterogenen zirkulierenden T-Zellen zu untersuchen. Die Experimente zeigen, daß IL7RhiCCR7+ T-Zellen Charakteristika zentraler Gedächtniszellen besitzen. IL7RlowCCR7–identifiziert hingegen Zellen mit Effektor-T-Zellmerkmalen. Dementsprechend wiesen IL7RlowCCR7– T-Zellen ein stark verringertes Zellüberleben auf, waren stark beeinträchtigt in darin in Anwesenheit von homöostatischen Zytokinen zu proliferieren und exprimierten nur wenig IL-2. Im Gegenzug überlebten IL7RhiCCR7+ T-Zellen gut, reagierten auf homöostatische Zytokine, sekretierten IL-2 und expandierten nach antigenspezifischer Stimulation. Interessanterweise erkannten ex vivo isolierte IL7Rlow T-Zellen vornehmlich persistierende Antigene. Dies weist darauf hin, daß diese Zellen chronisch aktiviert sind. In vitro konnte demonstriert werden, daß die funktionelle Ausprägung der den zentralen Gedächtniszellen ähnlichen IL7RhiCCR7+ T-Zellen deutlich von der Stärke der Stimulation während der Generierung der IL7RhiCCR7+ T-Zellen abhängt. Dieser Umstand stützt die Hypothese, daß die Quantität der Signale während der primären Stimulation die Richtung der Zelldifferenzierung bestimmt und ein solcher Mechanismus zur Heterogenität der zentralen Gedächtnis-T-Zellen in vivo beiträgt. Zusammenfassend kann man feststellen, daß, sich die Marker CCR7 und IL7R in Kombination als ein wertvoll zur Identifizierung von CD4-Gedächtnis- und –Effektor-T-Zellen erweisen / The aim of this work was to elucidate the functional characteristics of human antigen-experienced CD4 T cells according to the expression of IL7RAlpha and CCR7. Two different approaches were used: in order to analyze the subsets occurring during a primary response, antigen-experienced CD4 cells were analyzed in vitro after priming with the superantigen TSST. The signal strength of TCR-stimulation during the priming was modulated in order to understand how the levels of stimulation might influence the generation of memory-like T cells. The second approach was to isolate circulating CD4 T cells expressing different combinations of CCR7 and IL7R in order to analyze the heterogeneous pool of antigen-experienced cells found under steady state conditions ex vivo. The results revealed that both in vitro and ex vivo the IL7RhiCCR7+ T cell subset corresponds to cells with TCM characteristics whereas IL7RlowCCR7– identifies cells with effector characteristics. Correspondingly, IL7RlowCCR7–CD4 T cells showed low survival rates, impaired proliferation in the presence of homeostatic cytokines and a low IL-2 production, IL7RhiCCR7+ CD4 T cells survived well, responded to homeostatic cytokines, secreted IL-2 and expanded upon antigenic stimulation. Notably, ex vivo isolated IL7Rlow T cells preferentially recognized under steady state conditions persistent antigens, suggesting that these cells are chronically activated. Finally, it was demonstrated that IL7RhiCCR7+ TCM-like cells generated in vitro acquired different functional properties depending on the strength of stimulation during the priming. This fact supports the concept that the amount of signal received during the priming influences the cell fate decision contributing to the heterogeneity of the TCM pool in vivo. In summary, despite some differences observed between in vitro and ex vivo CD4 T cell subsets, the combination of the markers CCR7 and IL7R is useful to distinguish memory- from effector-like CD4 T cells.

L’élimination des cellules sénescentes met en jeu le SASP et les cellules immunitaires de l’immunité innée et adaptative tels que les macrophages (Mφ). Dans le cadre de ce projet, nous rapportons que le SASP a un effet pléiotropique sur l’activité des cellules immunitaires incluant leur recrutement, leur activation et leur différenciation. Nos données montrent que les Mφ humains mis en culture avec le SASP de fibroblastes humains développement un profil inflammatoire spécifique au SASP caractérisé par une sécrétion pro-inflammatoire (M1) (ex : IL- 1β, GM-CSF) et des marqueurs de surface anti-inflammatoires (M2) (cellules CD23+CD206+). Le SASP est aussi capable d’augmenter les capacités d’invasion des Mφ, tel que montré via des essais d’invasion, mais n’a pas d’effet sur la différentiation des monocytes. Nos modèles de co- culture montrent que, quoique les cellules NK sont probablement responsables de l’élimination directe et spécifique des cellules sénescentes, leur activité peut être modulée par d’autres cellules immunitaires tels que les Mφ qui réduisent l’élimination faite par les cellules NK, suggérant un profil M2. Les lymphocytes T CD8+ sont aussi essentiels pour l’élimination des cellules sénescentes puisque leur retrait retarde le processus. De plus, nous démontrons que les cellules T CD4+ mises en culture pendant 48h dans le SASP sécrètent de hauts niveaux d’IL-4, indiquant une polarisation Th2. Somme toute, ces données montrent que le SASP peut moduler l’activité des Mφ tout comme celle d’autres cellules immunitaires impliquées dans l’élimination des cellules sénescentes et peut promouvoir, étonnamment, une réponse immunosuppressive pouvant être importante pendant la réparation tissulaire. / Senescent cell clearance brings into play the senescence-associated secretory phenotype (SASP) and immune cells from the innate and adaptive immunity including macrophages (Mφ). In this study, we report that the SASP has a pleiotropic effect on immune cell activity including recruitment, activation and differentiation. We show that human Mφ exposed to the SASP of human fibroblasts develop a SASP-specific inflammatory profile characterized by pro- inflammatory (M1) secretion (e.g. IL-1β, GM-CSF) and anti-inflammatory (M2) surface markers (CD23 and CD206). The SASP also increases Mφ invasion but has no effect on monocyte differentiation. Co-culture models show that while NK cells are likely the direct effectors of senescent cell specific killing, their activity is modulated by other immune cells including Mφ, which reduced NK-mediated killing, suggesting a M2 profile. Alternatively, CD8+ T lymphocytes are essential for senescent cell killing by NK cells. Finally, CD4+ T cells cultured for 48h in the SASP secrete high-levels of IL-4, indicating a Th2 polarization. Overall, our data reveal that the SASP can modulate Mφ and other immune cells involved in senescent cell clearance and surprisingly promote an immunosuppressive response that could be important in tissue repair.