Les cellules lymphoïdes innées (ILC) représentent une famille de cellules hématopoïétiques récemment identifiée, qui joue un rôle essentiel dans la réponse immunitaire précoce via la production rapide de cytokines. Trois groupes - ou types - d’ILC ont été définis selon l’expression de certaines molécules membranaires ou intracellulaires, ainsi que la production différentielle de cytokines. Les ILC du groupe 1 (ILC1) expriment le facteur de transcription(FT) T-BET et sécrètent des cytokines inflammatoires de la réponse immune de type 1, l’IFN-? et le TNF-?. Les ILC2 sécrètent des cytokines associées à la réponse immune de type 2,notamment l’IL-5 et l’IL-13, et ce de façon dépendante du FT GATA-3. Enfin, les ILC3 se caractérisent par la production de cytokines telles que l’IL-17 et l’IL-22, et expriment le FTROR?t. J’ai étudié en utilisant des techniques de biologie moléculaire et cellulaire, et à partir d’échantillons sanguins et tissulaire de donneurs sains ou de patients atteints de maladies inflammatoires chroniques, la fonction de ces trois groupes d’ILC chez l’homme. Ces travaux ont permis la construction d’un nouveau modèle de développement de ces cellules à partir de précurseurs. / Innate lymphoid cells (ILC) represent a novel family of hematopoietic effectors that serve essential roles in early immune response by rapid cytokines production. Three distinct groups of ILC subsets have been described. Group 1 ILC include cytotoxic natural killer (NK) cells and other type-1 cytokines (IFN-? and TNF-?) producing cells that regulated by T-BET. Group 2 ILC (ILC2) express GATA-3 and ROR?, secrete type-2 cytokines, IL-5 and IL-13. Group 3 ILC (ILC3) utilize ROR?t to drive production of the TH17-associated cytokines, IL-17 and/or IL-22. In this thesis, I have performed series of experiments to uncover the developmental pathway and function of human ILC that may allow us to harness ILC in diverse clinical settings. First, I analyzed the phenotypic and functional heterogeneity of human peripheral blood ILC2. I found human IL-13+ ILC2 can acquire the capacity to produce IFN-?, thereby generating ÔplasticÕ ILC2. ILC2 cultures demonstrated that IFN-?+ ILC2 clones could be derived and were stably associated with increased T-BET expression. The inductive mechanism for ILC2 plasticity was mapped to the IL-12/IL-12R signaling pathway and was confirmed through analysis of patients with Mendelian susceptibility to mycobacterial disease (MSMD) due to IL-12R?1 deficiencies that failed to generate plastic ILC2. This IL-13+IFN-?+ ILC2 are detected ex vivo in gut tissues from CrohnÕs patients. Second, I identified and isolated ILC precursors (ILCP) in peripheral blood of healthy donors. This circulating ILCP can give rise to four lineages of mature ILC including cytotoxic NK cells and helper ILC1, 2 and 3 in vitro and in vivo. Transcirptomic and epigenetic analysis showed ILCP have ILC-committed transcription factor profiles but have mature ILC signature locus at the epigenetics poised states. We further identified ILCP in various tissues including fetal liver, cord blood, postnatal lung and tonsil. Our result proposed a new model of ÒILC-poiesisÓ where circulating ILCP serve as cellular substrates to generate mature ILC subsets in tissues. Understanding the role of IL-12 on driving ILC2 to ILC1 plasticity may allow us to target plastic ILC2 in various diseases. The identification and isolation of ILCP from circulating blood allow further transfer into clinical setting for cellular therapy, especially for various diseases that ILC has been shown to be importance including infection, allergy, cancer and metabolic diseases.

Les modèles animaux ont largement contribué à notre compréhension de l’immunologie humaine et des mécanismes pathologiques associés au développement des maladies. Cependant, les modèles murins ne permettent pas de reproduire toute la complexité des pathologies humaines. Les souris à système immunitaire humain (HIS), par leur capacité à récapituler l’hématopoïèse humaine et à être infectées par des pathogènes humains, constituent une solution de choix pour combler ce fossé inter-espèce. Après greffe de cellules souches hématopoïétiques humaines, des souris hôtes sévèrement immunodéprimées permettent un haut niveau de développement du système hémato-lymphoïde humain tout au long de leur vie. Cependant, certains types cellulaires, comme les cellules lymphoïdes innées, ne parviennent pas à se différencier et à fonctionner normalement dans les modèles murins HIS actuels. Ici, nous décrivons le développement d’un modèle souris HIS original, nommé BRGSF, montrant une amélioration de la maturation, de la fonction et de l’homéostasie des cellules natural killer (NK) humaines et des autres ILCs. De plus, en récapitulant les différentes étapes du développement des ILCs humaines, ce modèle souris BRGSF nous a permis d’identifier pour la première fois un précurseur d’ILC (ILCP) présent à la fois dans notre modèle HIS ainsi que dans le sang périphérique et plusieurs organes lymphoïdes et non-lymphoïdes humains. Cette population circulante d’ILCPs pourrait constituer un substrat pour la production d’ILCs matures dans les tissus périphériques en réponse à des stress environnementaux, inflammatoires et/ou infectieux. Dans une seconde partie de ce travail de thèse, nous avons utilisé ces souris BRGS afin de tester l’efficacité de deux immunothérapies reposant sur les lymphocytes innés pour le traitement d’un carcinome colorectal exprimant EGFR et muté pour KRAS. La première approche a consisté en la co-administration des cellules NK dérivées de sang de cordon ombilical et d'anticorps monoclonal cetuximab afin de promouvoir le mécanisme de cytotoxicité cellulaire dépendante des anticorps (ADCC) contre la tumeur. La seconde stratégie a reposé sur l’injection de nanobodies VHH combinant l’inhibition de l’EGFR et l’activation spécifique du récepteur Vγ9Vδ2 des cellules T effectrices. Les résultats de cette étude soulignent l’importance des modèles murins HIS pour la compréhension du développement des lymphocytes innés humains et pour mieux les mettre à profit dans les thérapies anti-tumeurs / Animal models have extensively contributed to our understanding of human immunobiology and to uncover the underlying pathological mechanisms occurring in the development of the disease. However, mouse models do not always reproduce the genetic complexity inherent in human disease conditions. Human immune system (HIS) mouse models that are susceptible to human pathogens and can recapitulate human hematopoiesis provide one means to bridge the interspecies gap. Severely immunodeficient host mice support life-long, high level human hematolymphoid development after engraftment with human hematopoietic stem cells (HSC). However, the differentiation and function of some blood cell types, including innate lymphoid cells (ILCs), is poorly characterized in current HIS mice. Here we describe the development of a novel HIS mouse model, named BRGSF, which demonstrate enhanced maturation, function and homeostasis of human natural killer (NK) cells and other ILCs. Furthermore, the BRGSF-based HIS mouse model recapitulated the developmental stages of human ILCs. We could identify for the first time an ILC precursor (ILCP) population that is present both in HIS mice and in human peripheral blood as well as in several lymphoid and non-lymphoid human tissues. This circulating human ILCP population may provide a substrate to generate mature ILCs in tissues in response to environmental stressors, inflammation and infection. In a second part of the thesis we used BRGS immunodeficient mice to assess two innate lymphocyte-based immunotherapeutic approaches for treating EGFR-expressing KRAS-mutated colorectal carcinoma in vivo. The first model used a combination of umbilical cord blood (UCB)-derived NK cells and the monoclonal antibody cetuximab to promote antibody dependent cell cytotoxicity (ADCC) against the tumors. In a second model, we evaluated the therapeutic suitability of novel bispecific VHH constructs that combine inhibition of the EGFR with the target-specific activation of effector Vγ9Vδ2-T cells. These studies highlight the utility for HIS-based mouse models to understand human innate lymphocyte development and to harness these potent effectors for anti-tumor therapies.

Les cellules lymphoïdes innées (ILCs) sont des populations cellulaires d’identification récente, mais leur rôle in vivo chez l’homme reste mal connu. Dans une 1ère étude, nous avons pu montrer qu’un déficit sévère en NK au cours de déficits immunitaires communs variables est associé à un risque accru de manifestations non infectieuses et infectieuses bactériennes sévères, suggérant un rôle protecteur non redondant des cellules NK lorsque le système immunitaire adaptatif n’est pas fonctionnel. Dans une 2ème étude, nous avons montré que des patients atteints de déficits immunitaires combinés sévères ɣc et JAK3 déficients n’ont pas d’ILCs. Après allogreffe de moelle osseuse, le nombre d’ILCs circulantes reste indétectable, sans manifestation clinique notable associée. Ces résultats sont en faveur d’une redondance des fonctions des ILCs chez l’homme, lorsque les fonctions T et B sont conservées. Nous avons ensuite étudié les modifications phénotypiques et fonctionnelles des cellules NK au cours du purpura thrombopénique immunologique, et observé un défaut de production d’interféron-ɣ par les cellules NK circulantes et une augmentation de la cytotoxicité dépendante des anticorps des cellules NK spléniques. Une inhibition des fonctions des cellules NK par les immunoglobulines polyvalentes est également mise en évidence. Enfin, une étude des ILCs circulantes au cours de la maladie associée aux IgG4 ainsi qu’une revue de la littérature sur l’étude des ILCs au cours des pathologies inflammatoires sont rapportées. En conclusion, l’apparente redondance des ILCs chez l’homme ainsi que leur implication en pathologies inflammatoires en font de potentielles cibles thérapeutiques. / Innate lymphoid cells (ILCs) are recently identified components of the immune system, but their functions in vivo in humans are still elusive. In a first study, we show in patients with common variable immunodeficiency that non-infectious inflammatory complications and severe bacterial infections were more frequent in patients with severe NK cell lymphopenia, indicating potential non-redundant immune functions of NK cells when the adaptive immune response is not optimal. In a second study, we observe that in patients with ɣc and JAK3 severe combined immunodeficiencies, all ILC subsets are absent. After hematopoietic stem cell transplantation, ILCs remain indetectable with no susceptibility to disease, suggesting that ILCs might be redundant and dispensable in humans, if T and B cells functions are preserved. In the second part of this thesis, we study phenotypic and functional modifications of NK cell compartment in primary immune thrombocytopenia. Interferon gamma production by the peripheral blood NK cells of ITP patients is decreased. In contrast, splenic NK cells of ITP patients tend to be more efficient in antibody-dependent cell cytotoxicity. Intravenous polyvalent immunoglobulins lead to the inhibition of blood NK cell activation. Finally, we present the preliminary results of a study investigating the modifications of circulating ILCs in IgG4-related disease, and present an extensive litterature review concerning the role of ILCs in inflammatory diseases. In conclusion, the apparent redundancy of ILCs for protective immunity and their pathogenic role in inflammatory diseases make their targeting in humans for therapeutic purposes particularly promising.