La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune du système nerveux central (SNC) caractérisée par de l’infiltration leucocytaire et de la démyélinisation axonale. Les cellules présentatrices d’antigènes (APC) jouent un rôle primordial dans ce processus en activant dans la périphérie les lymphocytes T réactifs contre la myéline. Les lymphocytes activés peuvent traverser la barrière hémo-encéphalique (BHE) et infiltrer le SNC. Les lymphocytes sont ensuite réactivés dans l’espace périvasculaire par les APC, suite à quoi ils contribuent à la démyélinisation et aux dommages axonaux. Nétrine-1 (N1) est une protéine de guidance axonale possédant d’importantes propriétés anti-inflammatoires. L’importance de N1 dans le maintien de la BHE et l’inhibition de l’infiltration leucocytaire dans le SNC a été bien démontrée, mais son implication dans la présentation antigénique et la régulation de l’activation lymphocytaire n’a jamais été étudiée. Le présent ouvrage propose l’hypothèse que N1 est produite par les APC afin de réguler la neuro-inflammation. Il cherche à caractériser l’expression de N1 par les APC, déterminer l’influence de N1 sur l’activation lymphocytaire et explorer le rôle de la production de N1 par les APC dans la neuro-inflammation. Les expériences menées à terme dans le cadre de ce projet démontrent que N1 est exprimée par les cellules dendritiques matures et les macrophages de type M1. De plus, N1 a pour effet de stimuler la prolifération des lymphocytes TH1, TH17 et CD8+. N1 inhibe également la production de cytokines par les lymphocytes TH17 et diminue l’expression de perforine par les lymphocytes T CD8+. N1 n’a toutefois pas d’influence sur l’expression des molécules d’adhérence par les lymphocytes T. Enfin, les cellules dendritiques, macrophages et cellules microgliales n’expriment pas N1 dans le SNC des souris dans le cadre de l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale, un modèle animal de SEP. En somme, les résultats ici présentés suggèrent que N1 est produite par les APC afin d’influencer le fonctionnement des lymphocytes T. / Multiple Sclerosis (MS) is an autoimmune disorder of the central nervous system (CNS) characterized by leukocytic infiltration and axonal demyelination. Antigen presenting cells (APCs) play a crucial role in this process by activating myelin-reactive lymphocytes in the periphery. Activated lymphocytes subsequently cross the blood-brain barrier (BBB) and infiltrate the CNS. These lymphocytes are reactivated in the perivascular space by APCs, following which they contribute to demyelination and axonal damage. Netrin-1 (N1) is an axonal guidance protein with considerable anti-inflammatory properties. The relevance of N1 in maintaining BBB function has been thoroughly established, but its involvement in antigen presentation and T cell activation has yet to be studied. This project investigates the hypothesis that N1 is produced by APCs to regulate neuroinflammation and aims to characterize N1 production by APCs, delineate the impact of N1 on T cell activation and clarify the role of APC-derived N1 in neuroinflammation. The results presented in this thesis demonstrate that N1 is produced by mature dendritic cells and M1 macrophages. Furthermore, N1 is shown to increase T cell proliferation, decrease TH17 cell cytokine production and decrease CD8+ T cell perforin expression. N1 does not alter T cell expression of adhesion molecules. Finally, N1 is not expressed by the CNS dendritic cells, macrophages or microglial cells of mice undergoing experimental autoimmune encephalomyelitis, an animal model for MS. In summary, these results suggest that N1 is produced by APCs to modulate T cell function.

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire du système nerveux central (SNC). Le système immunitaire joue un rôle clé en SEP, cependant la contribution de molécules spécifiques reste à élucider. Nous avons identifié NKG2D, un récepteur immunitaire, comme joueur clef dans les interactions entre les cellules neurales et les lymphocytes dans la SEP. L’expression de ULBP4, un ligand de NKG2D, est élevée dans le cerveau des patients SEP, et présente sous forme soluble dans le liquide céphalorachidien (LCR). NKG2D joue un rôle délétère dans l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale passive (EAE), un modèle de la SEP. MULT1, un ligand NKG2D, est élevé dans le SNC et le LCR au pic de la maladie EAE. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que la voie NKG2D module l’interaction entre les cellules neurales et les lymphocytes T. A l’aide d’imagerie en temps réel, nous avons montré que le blocage de NKG2D diminue les interactions stables entre les lymphocytes T CD8+ et les astrocytes humains in vitro. L’ajout d’ULBP4 soluble diminue les interactions stables entre ces lymphocytes et les astrocytes et ce avec une plus grande importance chez les patients SEP. Finalement, dans l’EAE, augmenter l’expression de MULT1 par injection intrathécale d’un vecteur viral augmente la sévérité des déficits moteurs. Cela corrèle avec une augmentation de la production d’IFNγ par les lymphocytes T infiltrants le SNC. Somme toute, NKG2D et ses ligands participent aux interactions entre les lymphocytes T et les cellules neurales en contexte de SEP et sont des cibles thérapeutiques potentielles à investiguer. / Multiple sclerosis is an inflammatory disease of the central nervous system (CNS). Although the key role of the immune system in MS is well established, the contribution of immune molecules remains incompletely unresolved. We identified NKG2D, an activating immune (co)receptor, as a key factor shaping the interactions between CNS and lymphocytes in MS. We have shown that expression of ULBP4, an NKG2D ligand, is elevated in brain from MS patients and increased in cerebrospinal fluid (CSF) as a soluble form. We have demonstrated that NKG2D contributes to disease progression in passive experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). We showed that one NKG2D ligand called MULT1 is upregulated in the CNS and in the CSF of EAE mice at disease peak. Thus, we hypothesized that the NKG2D pathway impacts the interactions between CNS cells and infiltrating T lymphocytes. Using our live-imaging co-culture model, we show that blocking NKG2D reduces stable interactions between CD8+ T lymphocytes and human astrocytes in vitro. Moreover, we observed that soluble ULBP4 decreases CD8 T cell-astrocyte stable interactions and modifies their behaviour with a stronger effect in MS patients. Finally, we saw in active EAE that increasing the expression of MULT1 in the CNS with an intrathecal injection of a viral vector increases motor deficits in mice. This correlates with a higher production of IFNγ by T lymphocytes. Thus, NKG2D and its ligands play important role in the interactions of CNS cells and T lymphocytes in the context of MS and are potential therapeutic targets to further investigate.

Mémoire en cotutelle avec le Dr. Daniel Kaufmann et le Dr. Nicolas Chomont / Dans les dernières années, il a été montré que les provirus intacts et défectueux du virus de l’immunodéficience humaine (VIH) codent pour des protéines virales qui contribuent à l’activation chronique des lymphocytes T spécifiques au VIH, et ce même sous traitement antirétroviral (ART). Nous avons développé deux méthodes pour étudier, d’un côté, l’intégrité et la clonalité de séquences provirales (virologie), et de l’autre, les réponses T spécifiques au VIH (immunologie). Tout d’abord, nous avons développé une bibliothèque R nommée « IntegrityAlgorithm », automatisant une séquence d’analyse utilisée précédemment pour déduire l’intégrité et la clonalité de séquences quasi-pleine longueur (NFL) de provirus. Chaque séquence provirale est analysée pour la présence, dans cet ordre, d’inversions, d’hypermutations, de grandes délétions internes, de codons stops, de défauts dans la région Ψ et de défauts dans les cadres de lectures ouverts (ORFs). Les provirus dépourvus de ces défauts sont identifiés comme « intacts ». Nous montrons que la hiérarchisation des défauts sous-estime certains défauts, comme les codons stops et les défauts dans le Ψ. L’algorithme produit des résultats en accord avec les données publiées et présente plusieurs avantages par rapport à d’autres algorithmes de prédiction. Nous avons aussi multiplexé l’essai de marqueurs induits par l’activation (AIM), couramment utilisé pour la détection de cellules T spécifiques à un antigène, en mesurant simultanément la co-expression de quatre AIMs (CD69, 4-1BB, OX40 et CD40L) plutôt que deux. En utilisant une stratégie de gating booléen ET/OU, l’approche augmente la fréquence de détection des cellules T CD4+ spécifiques à un antigène en comparaison aux paires d’AIMs standards. La détection des cellules T CD8+ était plutôt dominée par la paire d’AIMs CD69+4-1BB+. Le multiplexage réduit les biais dans la qualification et la quantification des cellules T spécifiques à un antigène, tel qu’il a été montré avec des analyses de phénotypage et des comparaisons intra- et inter-cohorte. Nous avons ensuite modifié la stratégie de gating booléen ET/OU pour une stratégie de gating en « L », nous permettant de trier des cellules vivantes T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH et au cytomégalovirus (CMV). En considérant l’étroite relation qu’entretiennent les provirus du VIH et le système immunitaire, améliorer nos méthodes pour la caractérisation à la fois des provirus, mais aussi des réponses T spécifiques au VIH, demeure essentielle pour une meilleure compréhension de la persistance des réservoirs et pour élaborer des stratégies de vaccination et d’éradication du virus. / In the past years, intact and defective human immunodeficiency virus (HIV) proviruses have been shown to code for viral proteins that contribute to sustaining chronic HIV-specific T cell responses, even under antiretroviral therapy (ART). We have developed two methods to study, on one side, the intactness and clonality of proviral sequences (virology), and on the other, the HIV-specific T cell responses (immunology). We developed an R package named “IntegrityAlgorithm” that automates a previous analysis pipeline used to infer intactness and clonality of near full-length proviral sequences (NFL). Each proviral sequence undergoes analysis to identify, in this order, the presence of inversions, hypermutations, large internal deletions, stop codons, Ψ defects, and defects in the open reading frames (ORFs). Proviruses exhibiting none of these defects are inferred as “intact.” We show that the hierarchization of defects underestimate some defects, such as stop codons or Ψ defects. The algorithm produces consistent results with the data published and presents several advantages over other prediction algorithms. We also multiplexed the activation-induced marker (AIM) assay, commonly used to detect antigen (Ag)-specific T cells, by simultaneously measuring the co-expression of four AIMs (CD69, 4-1BB, OX40, and CD40L) instead of two. When combined in an AND/OR Boolean gating strategy, the approach increases the frequency of Ag-specific CD4+ T cells detected in comparison to single AIM pairs. CD8+ T cell detection is rather dominated by the AIM pair CD69+4-1BB+. Multiplexing reduces biases in the qualification and quantification of Ag-specific T cells, as shown with phenotyping analyses and intra- and inter-cohort comparisons. We then modified the Boolean AND/OR gating strategy to an “L gating” strategy for the purpose of sorting live Ag-specific CD4+ and CD8+ T cells. Considering the interdependent relationship between HIV proviruses and the immune system, improving our methods to characterize both the intactness of proviruses and the HIV-specific T cell responses will remain essential for a better understanding of the reservoirs persistence and to elaborate vaccine and viral eradication strategies.

CD8+ T Zellen unterstützen die Beseitigung von Pathogenen und sind somit entscheidend bei der Bekämpfung von Infektionen. Neben der Antigendosis und dem inflammatorischen Zytokinemilieu hat auch die Stimulation durch den TZR einen entscheidenden Einfluss auf die CD8+ T Zellantwort. Das transkriptionelle Programm, die finale Größe und Dauer der klonalen Expansion und der Start der Kontraktionsphase werden durch die TZR-Signalstärke bestimmt. Schwache TZR-Stimulation führt zu einer verminderten Expansion und vermittelt eine frühzeitige Kontraktionsphase, die eine Entwicklung von Gedächtniszellen auf den Kosten der Effektorzellen favorisiert. IRF4 wird nach TZR-Ligand-Interaktion in CD8+ T-Zellen hoch reguliert. Seine Expressionskinetik ist stark von der TZR-Signalstärke der Aktivierung abhängig, übersetzt diese und sorgt für die Umsetzung in ein entsprechendes transkriptionelles und differentielles Programm. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die IRF4-Defizienz in CD8+ T-Zellen zu einem verfrühten Abbruch der Expansion und zu einem vorzeitigen Beginn der Kontraktion führt, die durch den FAS-vermittelten Tod-induzierenden Signalweg initiiert wird. Außerdem präsentieren IRF4-defiziente CD8+ T-Zellen vermehrt Phosphatidylserine an ihrer Oberfläche und Komplementdeposition, beides begünstigt die Erkennung und Aufnahme durch Phagozyten. Diese Ergebnisse weisen zudem stark darauf hin, dass durch die fehlende Expression von IRF4 in CD8+ T Zellen, ein schwaches TZR-Signal übermittelt wird, unabhängig von der tatsächlichen Stärke und Dauer des aktivierenden Signals, dass zu einer Verkürzung der Expansionsphase führt und eine verfrühte Kontraktionsphase der Effektorzellen auslöst. Diese Arbeit erweitert schon bekanntes Wissen um IRF4 als Schlüsselregulator für die Differenzierung und Funktionalität der ag-spezifischen CD8+ T-Zellen, da es den Beginn der Kontraktionsphase diktiert mittels Aktivierung von verschiedenen Apoptose- und Phagocytose Signalwegen. / CD8+ T cells promote pathogen clearance and play a crucial role in controlling infections. Besides antigen dose and inflammatory cytokine milieu, the TCR stimulation contributes to the programming of the CD8+ T cell response. A distinct developmental program, the final magnitude and duration of clonal expansion, as well as the timing of the onset of T cell contraction, are determined by the TCR signaling strength. Weak TCR stimulation results in a diminished magnitude of expansion and accelerates the onset of contraction, as it favors the development of memory cells at the expense of effector cells. IRF4 is a transcription factor, that is upregulated in CD8+ T cells following TCR stimulation. Furthermore, its expression kinetic is highly dependent on the TCR signaling strength, which initiated activation. Therefore, it translates the strength of the activating signal and transmits it into a proper transcriptional and developmental program. This study provides unique evidence that the absence of IRF4 expression in CD8+ T cells leads to a hasted termination of clonal expansion and a premature contraction, initiated by the FAS-mediated cell death pathway. Moreover, IRF4-deficient CD8+ T cells exposed phosphatidylserine on their cell surface and showed complement deposition, both facilitating their recognition and uptake by phagocytes. The findings of this study additionally strongly indicate that IRF4 deficiency mimics weak TCR engagement and in turn transmits every TCR signal, independent of its actually affinity and duration, into a developmental program, that give rise to an early memory formation and results in a premature onset of effector CD8+ T cell contraction. This data extend previous knowledge of IRF4 being essential for the differentiation and functionality of ag-specific effector CD8+ T cells, as it furthermore dictates the onset of CD8+ T cell contraction via the activation of several death and phagocytosis inducing pathways.

Das Proteasomsystem ist die Hauptquelle von Peptiden für die MHC Klasse I Antigen-Präsentation. In Vertebraten kann dieses durch die Expression verschiedener Subtypen des 20S Proteasoms moduliert werden. Die häufigsten Subtypen sind konstitutive Proteasomen (c20S) mit den katalytischen Untereinheiten beta1, beta2 und beta5 und Immunoproteasomen (i20S) mit den Immunountereinheiten beta1i, beta2i und beta5i. Die Expression von i20S optimiert in der Regel die MHC Klasse I Antigen-Präsentation, indem die Bildung von Peptiden mit hoher Affinität zu MHC I Molekülen verstärkt wird. Die Bildung von i20S wird momentan durch ein Modell der kooperativen Assemblierung erklärt, das auf der präferentiellen Interaktion zwischen den Immunountereinheiten beruht. In dieser Arbeit wurde die Assemblierung von 20S Proteasomen in beta5i defizienten Mäusen nach Infektion mit Listeria monocytogenes analysiert. In diesem Modell konnte keine präferentielle Interaktion zwischen den Untereinheiten festgestellt werden. Stattdessen zeigen die Ergebnisse, daß die Integration von konstitutiven oder Immunountereinheiten durch direkte Kompetition reguliert wird. Des Weiteren wurde während der Infektion eine beta5i-abhängige Zunahme der zellulären Proteasommenge festgestellt und somit ein neuer Mechanismus zur Regulation des zellulären Proteasomgehaltes entdeckt. Funktionell führt die beta5i-Defizienz zu einer verringerten MHC I Expression auf antigenpräsentierenden Zellen und zu einer verminderten Prozessierung des bakteriellen Antigens LLO296-304. Bei der Analyse der LLO296-304 spezifischen CD8 T Zell Antwort konnte jedoch kein Unterschied zwischen Wildtyp- und beta5i defizienten Mäusen festgestellt werden .Die Kontrolle der Infektion in den beta5i defizienten Mäusen ist jedoch in der Leber verzögert. Dies deutet darauf hin, dass die Erkennung und Elimination infizierter Zellen durch cytotoxische CD8 T Zellen auf Grund der geringeren MHC Klasse I Präsentation bakterieller Antigene behindert wird. / The proteasome-system is the main source of peptides for MHC class I antigen presentation. In vertebrates this system can be modulated by the expression of different subtypes of the 20S proteasome. The most common subtypes are constitutive proteasomes (c20S) with the catalytic subunits beta1, beta2 and beta5 and immunoproteasomes (i20S) with the immunosubunits beta1i, beta2i and beta5i. Expression of i20S generally optimizes MHC class I antigen presentation by increasing the generation of peptides with high affinity to MHC class I molecules. Currently, the formation of i20S is explained by a model of cooperative proteasome assembly, which is based on preferential interactions among the immunosubunits. Here, the assembly of 20S proteasomes was analysed in beta5i deficient mice during an ongoing infection with Listeria monocytogenes. In this model, no preferential interactions among constitutive subunits or immunosubunits could be determined. Instead, the results show that the integration of constitutive subunits or immunosubunits is regulated by direct competition. Further, a beta5i-dependent increase in cellular proteasome quantity was observed following infection. This reveals a novel mechanism for the regulation of cellular proteasome quantity, which is based on the differential expression of beta5i. Functionally, the deficiency in beta5i results in a reduced MHC class I cell surface expression on professional antigen presenting cells and a drastically diminished processing of the bacterial antigen LLO296-304. However, the analyses of LLO296-304 specific CD8 T cells did not reveal differences in the frequencies of these T cells between wild-type and beta5i deficient mice. Still, the control of infection in the liver of beta5i deficient mice was delayed. This phenotype suggests that the recognition and elimination of infected target cells by cytotoxic CD8 T cells is constrained due to the lowered MHC class I presentation of bacterial antigens.