L'encéphalomyélite myalgique (EM) aussi connue sous le nom de syndrome de fatigue chronique est une maladie multi-systémique caractérisée par une fatigue extrême et un malaise post-effort, associés à d’autres symptômes débilitants comme l’intolérance orthostatique et des troubles du sommeil. L’EM se caractérise également par des altérations au niveau du système immunitaire et des perturbations du métabolisme énergétique affectant également le métabolisme des lipides. Dans ce contexte, nous avons exploré la contribution possible de la sphingomyéline phosphodiesterase acide 3b (SMPDL3B), produite par le gène SMPDL3B, dans la pathogénèse de l’EM. Celle-ci est une protéine multifonctionnelle ancrée par un groupement glycophosphatidylinositol (GPI) au niveau de la membrane des cellules. Cette enzyme a suscité notre intérêt compte tenu de son rôle dans la régulation de l'immunité innée et dans la conversion métabolique des sphingolipides en céramides. En effet, des études métabolomiques antérieures ont rapporté une réduction drastique des taux plasmatiques de céramides de 50% chez les hommes et de 86% chez les femmes souffrant d'EM. Nous proposons que l’élévation des niveaux circulants en SMPDL3B contribue à la sévérité de plusieurs symptômes chez les personnes atteintes d’EM (PAEM) via différents mécanismes. Les niveaux plasmatiques en SMPDL3B ont été mesurés par ELISA au niveau d’une cohorte prospective québécoise composée de PAEM (n=147) et de témoins sédentaires appariés pour le sexe et l’âge (n=62) n’ayant aucun antécédent familial d’EM. Nous avons également testé, par la même approche, des échantillons de plasma d’une cohorte norvégienne composée de PAEM (n=141). L’analyse de ces deux cohortes indépendantes a permis de mettre en évidence une corrélation positive entre les taux circulants en SMPDL3B et la sévérité des symptômes des PAEM. Nous avons également observé des niveaux plasmatiques plus élevés chez les PAEM atteints d’intolérance orthostatique lorsque comparés aux PAEM ne présentant pas ce symptôme. Finalement, nous avons confirmé à l’aide de la spectrométrie cellulaire diélectrique que la forme soluble de la protéine SMPDL3B peut se lier avec une haute affinité au récepteur de chimiokines CCR3 présent chez les cellules Jurkat et mis en évidence que l’occupation de ce récepteur par la chimiokine CCL11 ou un antagoniste pharmacologique pouvait augmenter la liaison de la forme soluble de la protéine SMPDL3B vers un autre récepteur membranaire qui demeure pour l’instant inconnu. Ce projet de maîtrise a permis une meilleure compréhension de la pathophysiologie de l’EM et de la contribution de la protéine SMPDL3B (forme ancrée et soluble) dans sa pathogénèse. / Myalgic encephalomyelitis (ME) also known as chronic fatigue syndrome is a multi-systemic disease characterized by extreme fatigue, post-exercise malaise, orthostatic intolerance, and sleep disturbances. ME is also characterized by alterations in the immune system and disturbances in energy metabolism that also affect lipid metabolism. In this context, we explored the possible contribution of sphingomyelin acid phosphodiesterase 3b, produced by the SMPDL3B gene, in the pathogenesis of ME. This is a multifunctional protein anchored by a glycophosphatidylinositol (GPI) group at the cell membrane. This enzyme has intrigued our interest given its role in the regulation of innate immunity and in the metabolic conversion of sphingolipids into ceramides. Indeed, previous metabolomics studies have reported a drastic reduction in plasma ceramide levels by 50% in men and 86% in women with ME. We propose that elevation of circulating levels of SMPDL3B increases the severity of several symptoms in persons with ME (PwME) via different mechanisms. Plasma levels of SMPDL3B were measured by ELISA in a Quebec cohort composed of PwME (n=147) and sedentary controls matched for sex and age (n=62) with no family history of ME. We also tested, by the same method, plasma samples from a Norwegian cohort composed of PwME (n=141). The analysis of these two independent cohorts revealed a positive correlation between SMPDL3B and the severity of PwME symptoms. We also observed higher plasma levels in PwMEs with orthostatic instability when compared to PwMEs without this symptom. Finally, we confirmed using dielectric cell spectrometry that the soluble form of the SMPDL3B protein can bind with high affinity to the CCR3 chemokine receptor present in Jurkat cells and demonstrated that the occupation of this receptor by the chemokine CCL11 or a pharmacological antagonist could increase the binding to another membrane receptor which remains unknown for the moment. This master's project allowed a better understanding of the pathophysiology of ME and the contribution of the SMPDL3B protein in its pathogenesis.

Les phosphates de calcium sont des biomatériaux couramment utilisés dans de nombreuses spécialités médicales. L'amélioration de ces biomatériaux vise à augmenter leur ostéointégration et leur bioactivité. Le strontium possédant d'intéressantes capacités de modification de la physiologie osseuse, l'incorporation de ce dernier au sein de phosphates de calcium par substitution ionique pourrait permettre un déplacement de la balance osseuse vers la formation osseuse.Notre travail a permis de démontrer la capacité des particules de phosphates de calcium substitués en strontium à augmenter la prolifération des ostéoblastes en culture et à modifier l'expression et la synthèse des principales protéines impliquées dans la physiologie osseuse (Collagène de type I, Serpine H1, métalloprotéinases matricielles 1 et 2, inhibiteurs tissulaires des MMPs). Par ailleurs, la poudre de phosphates de calcium ne contenant pas de strontium a entrainé une sécrétion accrue de chimiokines pro-inflammatoires (MCP-1 et GRO-?) qui n'a pas été observée pour la poudre substituée. Enfin, des études in-vivo réalisées dans un modèle de défaut osseux murin a permis de démontrer une plus grande résorbabilité de la poudre contenant du strontium et sa plus grande capacité à stimuler la réparation osseuse. / Calcium phosphate are widely used in medicine. Their upgrade tend to enhance their biocompatibility and their bioactivity. Strontium has interesting capability to modify the bone physiologie. Its incorporation in calcium phosphates could lead to modify the bone balance toward osteogenesis.The present work reveal the capacities of such biomaterials to enhance the replication of osteoblasts ant to modify the expression and the synthesis of proteins implicated in the bone balance (type I collagen, serpinH1, Matrix metalloproteinases 1 and 2, tissular inhibitors of MMPs). Moreover, non substituted calcium phosphate powders enhance the expression and synthesis of inflammatory cytokines (MCP-1 and Gro-a). This fact was not observed with the non substituted powder. In-vivo studies on a mouse model permit us to demonstrate the higher resorbability and the higher bone healing capability of the substituted powder.

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Les chimiokines et leurs récepteurs respectifs jouent un rôle important dans l’immunité innée et adaptative. Les récepteurs de chimiokines identifient des cellules T CD4+ avec potentiel de migration dans des tissus spécifiques et à fonctionnalité distincte du point de vue de la spécificité antigénique et de la production de cytokines. L’identité de la population des cellules T CD4+ susceptibles versus résistantes à l’infection par le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) reste mal définie. Le recrutement dans les muqueuses intestinales d’un excès de cellules T effectrices (CD8+) comparé aux cellules cibles (CD4+) représente un bon pronostic de l’infection par le virus de l’immunodéficience simienne (VIS), tandis que la déplétion des cellules Th17 dans les tissus lymphoïdes associés au tractus gastro-intestinal (GALT) est un marqueur de la progression de l’infection à VIH. L’effet régulateur des chimiokines sur l’activation de la réplication virale dans différentes sous-populations cellulaires T CD4+ reste peu étudié. Ce projet de maîtrise est divisé en 3 parties: (1) l’identification des récepteurs de chimiokines CCR4, CXCR3 et CCR6 comme marqueurs de surfaces des sous populations T CD4+ avec susceptibilité distincte à l’infection par le VIH; (2) la caractérisation phénotypique et fonctionnelle des cellules T CD4+ et T CD8+ spécifiques au VIH de sujets à progression lente vers le stade sida (LTNP); et (3) les effets des chimiokines ligands de CCR4, CXCR3 et CCR6 sur l’activation cellulaire et la réplication virale in vitro. Nos résultats démontrent que les cellules T CD4+ CCR4+CCR6+ (profile cytokinique Th17) et CXCR3+CCR6+ (profile cytokinique Th1/Th17) sont hautement permissives à l’infection par le VIH. Nous proposons également de nouveaux corrélats de protection immunitaire contre le VIH chez les sujets LTNP: (i) le potentiel de co-localisation dans les muqueuses intestinales des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH via l’intégrine β7, (ii) le ratio élevé entre les cellules T effectrices (CD8+) versus les cellules cibles (CD4+) spécifiques au VIH, (iii) le profil cytokinique Th17 et (iv) la capacité des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH à produire des ligands de CCR5 bloquant l’entrée virale. Finalement, nos résultats sur l’effet co-stimulateur des chimiokines sur les cellules T et leurs effets opposés sur la réplication virale démontrent l’implication du réseau des chimiokines dans la régulation de la pathogenèse de l’infection à VIH. / The chemokines and their counter receptors play an important role in regulating innate and adaptive immunity. The chemokine receptors serve as markers for distinct CD4+ T cell subsets with specific tissue homing potential, antigenic specificity, and polarization profile. There is limited knowledge on the identity of primary CD4+ T cell subsets selectively targeted by human immunodeficiency virus (HIV) infection. The recruitment in the intestinal mucosa of excess effector (CD8+ T) versus target (CD4+ T) cells predicts a good outcome for the simian immunodeficiency virus (SIV) infection, while the depletion of Th17 cells in the gut-associated lymphoid tissues (GALT) represents a marker for HIV disease progression. The regulatory role of chemokines on cellular activation and on HIV replication in different CD4+ T cell subsets remains poorly investigated. This M.Sc. project is dived in 3 parts: (1) the identification of chemokine receptors CCR4, CXCR3 and CCR6 as surface markers of CD4+ T cell subsets, with susceptibility to HIV replication (2); the phenotypic and functional characterization of HIV-specific CD4+ and CD8+ T cells in HIV-infected long-term-non progressor (LTNP) individuals and (3) the effect of chemokine ligands of CCR4, CXCR3 and CCR6 on cellular activation and viral replication in vitro. Our results reveal that CD4+ CCR4+CCR6+ T (Th17 cytokine profile) and CD4+ CXCR3+CCR6+ (Th1/Th17 cytokine profile) T cells are highly permissive to HIV replication. Also, our results suggest new correlates of immune protection against HIV in LTNP subjects: (i) the co-localization potential of HIV-specific CD4+ and CD8+ T cells in the intestinal mucosa via the integrin β7, (ii) the high ratio between effector (CD8+) versus target (CD4+) T cells, (iii) the Th17 cytokine profile and (iv) the ability of HIV-specific CD4+ and CD8+ T cells to produce CCR5 ligands blocking viral entry. Finally, our results on the co-stimulatory effect of chemokines on T cell activation and their opposite impact on HIV replication in CD4+ T cells demonstrate the role played by the chemokine network during HIV pathogenesis.

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible. / Streptococcus suis serotype 2 is an important swine pathogen responsible for diverse infections, meningitis being its most striking feature. In addition, it is an emerging agent of zoonosis, which has gained worldwide attention due to important outbreaks in Asia. Understanding the pathogenesis of S. suis infections still represents a challenge. Up to present, the pro-inflammatory response due to S. suis has only been studied in vitro, and there is still a great need of appropriate experimental models for both septic shock and meningitis. In the present study, we successfully developed an in vivo model of S. suis infection in adult mice infected by the intraperitoneal route. This model served to investigate the pro-inflammatory events that take place at both the systemic and Central Nervous System (CNS) levels associated with this important pathogen. In addition, this model was useful to determine if susceptibility to S. suis infection may be influenced by the genetic background of the host. The mouse model of S. suis infection was standardized in CD1 mice. Results showed sustained bacteremia during the 3 days post-infection (p.i.), accompanied by a quick and substantial release of different pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) and chemokines (KC, MCP-1 and RANTES) that lead to septic shock and 20% mortality in mice. Once the hallmark of the septic phase of S. suis infection was established in CD1 mice, research continued with the objective to confirm the role of inflammation in mortality and to determine if the genetic background of the host may influence the inflammatory response toward this pathogen and the further outcome of the disease. For this, the mouse model of S. suis infection was used with two genetically different inbred mouse strains, this is, C57BL/6 (B6) and A/J mice, which are considered as the prototype of Th1-type and Th2-type mice, respectively. Results demonstrated a striking susceptibility to S. suis infection in A/J mice in comparison to B6 mice, with 100% mortality in the former mice strain at 20 h p.i., and 16 % mortality at 36 h p.i. for the latter. Very interestingly, and similarly to CD1 mice, bacteremia did not seem to be responsible for the death of mice, as both mice strains presented similar amounts of bacteria in blood and organs. Thus, it was postulated that the higher mortality in S. suis-infected A/J mice was due to uncontrolled septic shock. In fact, A/J mice presented very high levels of TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN-ɣ, that significantly exceeded those found in B6 mice. Remarkably, chemokine levels were similar between strains, suggesting their limited participation in the development of septic shock by S. suis. A greater survival of B6 mice was partially related to a better regulation of the pro-inflammatory cytokine cascade, as they showed a higher production of the anti-inflammatory cytokine IL-10 than A/J mice. The potential beneficial role of the IL-10 in mice infected with S. suis was confirmed using two approaches: the first, by blockage of the cell receptor of IL-10 (IL-10R) with an anti-mouse IL-10R monoclonal antibody (Mab) in B6 mice and the second by administrating recombinant mouse (rm)IL-10 (rmIL-10) to A/J mice. B6 mice that received the IL-10R MAb treatment before challenge with S. suis developed a clinical acute disease similar to that observed with A/J mice, with a striking and rapid increase in mortality and higher levels of TNF-α in comparison to those of infected mice that did not receive the treatment. Controversially, treatment with rmIL-10 significantly delayed the onset of septic shock in A/J mice infected with S. suis. These results show that survival from S. suis septic shock requires a tight regulation of pro- and anti-inflammatory mechanisms, and that the latter should be activated at the same time or soon after the onset of the pro-inflammatory response. This part of the study may represent a first step in the identification of host genes associated with resistance against S. suis. One of the most important achievements of the mouse model of infection described in this project is the development of distinct clinical signs of neurological disease in CD1 mice from 4 days p.i. Indeed, in CD1 mice that survived sepsis due to S. suis infection, clinical signs of neurological disease and vestibular syndrome, which are quite similar to those observed in clinical cases of S. suis meningitis in both pigs and humans, were observed. Studies of the brains of infected CD1 mice using in situ hybridization combined with immunocytochemistry, demonstrated that the CNS inflammatory response began with a significant increase in the transcription of Toll-like receptor (TLR)2 and CD14 initially in the brain microvasculature and choroid plexuses, suggesting that S. suis may use these structures as portals of entry to the brain. There also was activation of NF-κB (as indicated by transcriptional activation of IκBα as a reporter system) and TNF-α, IL-1β and MCP-1, mainly in cells identified as microglia and to a lesser extent in astrocytes. These signals reached different brain structures, mainly the brain cortex, corpus callosum, hippocampus, choroid plexuses, thalamus, hypothalamus and meninges. All of these pro-inflammatory events were associated with extensive areas of inflammation and necrosis, severe demyelination and presence of antigens of S. suis inside microglia. In vitro studies were conducted in order to better understand the interactions of S. suis and microglia. For this, mouse microglia were infected with a virulent wild type (WT) strain of S. suis. Two isogenic mutants deficient in capsule (CPS) or hemolysin production (suilysin, SLY) respectively, were also included for comparative purposes. The CPS was important for S. suis resistance to phagocytosis, and it also modulated the inflammatory response by hiding pro-inflammatory components from the bacterial cell wall. On the other hand, the absence of SLY, a potential cytotoxic factor, did not have a major impact on S. suis interactions with microglia. Studies with microglia helped to confirm previous findings in vivo in mice, as the WT S. suis strain induced the up-regulation of TLR2 and the production of several pro-inflammatory mediators, including TNF-α and MCP-1. As observed in mice, S. suis induced NF-kB translocation, which was more rapid for cells stimulated with the CPS-deficient mutant, suggesting that bacterial cell wall components are potent inducers of NF-kB. Moreover, WT S. suis promoted phosphotyrosine, PKC and different mitogen-activated protein kinase (MAPK) events. However, microglia infected with the CPS-deficient mutant showed overall stronger and more sustained phosphorylation profiles. Finally, the CPS also modulated S. suis-induced inducible nitrogen oxide synthase (iNOS) expression and further nitric oxide production in microglia, which could be related to neurotoxicity and vasodilatation in vivo. We are confident that our results may help to more fully understand the mechanisms underlying S. suis induction of inflammation, leading to the design of more efficient anti-inflammatory strategies for sepsis and meningitis. Finally, we believe this experimental model of infection in mice could also be useful for studying the pathogenesis of infections of the CNS, due to other bacteria.

L’interaction d’un ligand avec un récepteur à sept domaines transmembranaires (7TMR) couplé aux protéines G, mène à l’adoption de différentes conformations par le récepteur. Ces diverses conformations pourraient expliquer l’activation différentielle des voies de signalisation. Or, le lien entre la conformation et l’activité du récepteur n’est pas tout à fait claire. Selon les modèles classiques pharmacologiques, comme le modèle du complexe ternaire, il n’existe qu’un nombre limité de conformations qu’un récepteur peut adopter. Afin d’établir un lien entre la structure et la fonction des récepteurs, nous avons choisi dans un premier temps, le récepteur de chimiokine CXCR4 comme récepteur modèle. Ce dernier, est une cible thérapeutique prometteuse, impliqué dans l’entrée du VIH-1 dans les cellules cibles et dans la dissémination de métastases cancéreuses. Grâce au transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) nous pouvons détecter les changements conformationnels des homodimères constitutifs de CXCR4 dans les cellules vivantes. En conséquence, nous avons mesuré les conformations de mutants de CXCR4 dont les mutations affecteraient sa fonction. Nous montrons que la capacité des mutants à activer la protéine Galphai est altérée suite au traitement avec l’agoniste SDF-1. Notamment, ces mutations altèrent la conformation du récepteur à l’état basal ainsi que la réponse conformationnelle induite suite au traitement avec l’agoniste SDF-1, l’agoniste partiel AMD3100 ou l’agoniste inverse TC14012. Ainsi, différentes conformations de CXCR4 peuvent donner lieu à une activation similaire de la protéine G, ce qui implique une flexibilité des récepteurs actifs qui ne peut pas être expliquée par le modèle du complexe ternaire (Berchiche et al. 2007). Également, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CCR2, exprimé à la surface des cellules immunitaires. Il joue un rôle important dans l’inflammation et dans des pathologies inflammatoires telles que l’asthme. CCR2 forme des homodimères constitutifs et possède différents ligands naturels dont la redondance fonctionnelle a été suggérée. Nous avons étudié le lien entre les conformations et les activations d’effecteurs (fonctions) de CCR2. Notre hypothèse est que les différents ligands naturels induisent différentes conformations du récepteur menant à différentes fonctions. Nous montrons que les réponses de CCR2 aux différents ligands ne sont pas redondantes au niveau pharmacologique et que les chimiokines CCL8, CCL7 et CCL13 (MCP-2 à MCP-4) sont des agonistes partiels de CCR2, du moins dans les systèmes que nous avons étudiés. Ainsi, l’absence de redondance fonctionnelle parmi les chimiokines liant le même récepteur, ne résulterait pas de mécanismes complexes de régulation in vivo, mais ferait partie de leurs propriétés pharmacologiques intrinsèques (Berchiche et al. 2011). Enfin, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CXCR7. Récemment identifié, CXCR7 est le deuxième récepteur cible de la chimiokine SDF-1. Cette chimiokine a été considérée comme étant capable d’interagir uniquement avec le récepteur CXCR4. Notamment, CXCR4 et CXCR7 possèdent un patron d’expression semblable dans les tissus. Nous avons évalué l’effet de l’AMD3100, ligand synthétique de CXCR4, sur la conformation et la signalisation de CXCR7. Nos résultats montrent qu’AMD3100, tout comme SDF-1, lie CXCR7 et augmente la liaison de SDF-1 à CXCR7. Grâce au BRET, nous montrons aussi qu’AMD3100 seul est un agoniste de CXCR7 et qu’il est un modulateur allostérique positif de la liaison de SDF-1 à CXCR7. Aussi, nous montrons pour la première fois le recrutement de la beta-arrestine 2 à CXCR7 en réponse à un agoniste. L’AMD3100 est un ligand de CXCR4 et de CXCR7 avec des effets opposés, ce qui appelle à la prudence lors de l’utilisation de cette molécule pour l’étude des voies de signalisation impliquant SDF-1 (Kalatskaya et al. 2009). En conclusion, nos travaux amènent des évidences qu’il existe plusieurs conformations actives des récepteurs et appuient les modèles de structure-activité des récepteurs qui prennent en considération leur flexibilité conformationnelle. / Ligand binding to 7TMRs is thought to induce conformational changes within the receptor that translate into activation of downstream effectors. The link between receptor conformation and activity is still poorly understood, as current models of receptor activation fail to take an increasing amount of experimental data into account. Classical pharmacological models such as the ternary complex model are based on the concept that receptors can only adopt a limited number of conformations. To clarify structure-function relationships in 7TMRs, first we studied chemokine receptor CXCR4. This receptor is an important drug target, involved in HIV-1 entry and cancer metastasis. Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) allows us to directly probe conformational changes within pre-formed CXCR4 homodimers in live cells. Using BRET, we measured the conformation of CXCR4 mutants and we also monitored their function by measuring their ability to induce Galphai activation. The analyzed mutants had substitutions in locations which are pivotal molecular switches for receptor conformation and activation. We show that agonist induced Gi activation is altered for most mutants. These mutations also alter CXCR4’s conformation at basal conditions (in absence of ligand) and in the presence of the agonist, SDF-1, the partial agonist, AMD3100 and the inverse agonist, TC14012. Moreover, different conformations of active receptors were detected in the presence of SDF-1, suggesting that different receptor conformations are able to trigger Galphai activity. These data provide biophysical evidence for different active receptor conformations, that cannot be explained by classical models of receptor function (Berchiche et al. 2007). Furthermore, the second part of our work focused on chemokine receptor CCR2. Mainly expressed on immune cells, CCR2 is involved in many inflammatory and vascular diseases. This receptor binds seven natural ligands that have been referred to as redundant. We set out to explore whether the different chemokine ligands of CCR2 receptor induce different conformational changes leading to different functional consequences. Our results show that the different natural ligands of CCR2 are not pharmacologically redundant. Moreover, chemokines CCL8, CCL7 and CCL13 (MCP-2 to MCP-4) are partial agonists of CCR2, at least in the systems we used. Our results support the validity of models for receptor-ligand interactions in which different ligands stabilize different receptor conformations also for endogenous receptor ligands, demonstrating that these natural ligands are not pharmacologically and functionally redundant (Berchiche et al. 2011). As the third part of this work, we studied chemokine receptor CXCR7, the alternative receptor for SDF-1. Until recently, CXCR4 was the only receptor known to bind SDF-1. Moreover, the expression patterns are similar for receptors CXCR4 and CXCR7. Therefore, we investigated the conformational and functional consequences of the synthetic inhibitor of CXCR4, AMD3100, on CXCR7. We show that AMD3100 also binds the alternative SDF-1 receptor, CXCR7. SDF-1 or AMD3100 alone trigger beta-arrestin recruitment to CXCR7, which we identify as a previously unreported signalling pathway of CXCR7. In addition, AMD3100 has positive allosteric effects on SDF-1 binding to CXCR7, on SDF-1-induced conformational rearrangements in the receptor dimer as measured by BRET, and on SDF-1-induced beta-arrestin recruitment to CXCR7. The finding that AMD3100 not only binds CXCR4, but also to CXCR7, with opposite effects on the two receptors, call for caution in the use of this compound as a tool to dissect SDF-1 effects on the respective receptors in vitro and in vivo. Finally, these data provide biophysical evidence for different active receptor conformations, and support models of 7TMR structure-activity relationships that take conformational heterogeneity into account.

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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.

Die kontinuierliche Rezirkulation von Immunzellen durch periphere und sekundäre lymphatische Organe (SLOs) ist Bestandteil der Immunüberwachung und wichtig für die Aufrechterhaltung und Funktionsbereitschaft des Immunsystems. Der homöostatische Chemokinrezeptor CCR7 vermittelt dabei nicht nur die Rezirkulation von Lymphozyten durch SLOs, sondern scheint auch an der homöostatischen Rezirkulation von Lymphozyten durch nicht-lymphoide periphere Gewebe beteiligt zu sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mithilfe von CCR7-defizienten Mäusen die funktionale Bedeutung von CCR7 für die homöostatische Rezirkulation von Lymphozyten durch das Peritoneum untersucht und nachgewiesen, dass CCR7 der dominante Chemokinrezeptor ist, der unter physiologischen Bedingungen die Transitzeit von Lymphozyten durch das Peritoneum festlegt. Die gestörte Rezirkulation von Lymphozyten begünstigte außerdem die Entstehung von tertiären lymphoiden Organen (TLOs) in der Magenschleimhaut von CCR7-defizienten Mäusen. Untersuchungen zur zellulären und molekularen Grundlage dieser und weiterer pathomorphologischer Veränderungen in der Magenschleimhaut von CCR7-defizienten Mäusen verdeutlichten die Funktion von CCR7 für die Etablierung von zentraler und peripherer Toleranz gegenüber gastrischen Antigenen. Fehlt CCR7, dann entwickelten Mäuse eine spontane Autoimmungastritis, welche durch gastritogene CD4+ T-Zellen verursacht wurde, deren Aktivierung auch unabhängig von Lymphknoten und TLOs erfolgte. Die Entstehung von TLOs wird auch bei einer durch Helicobacter pylori ausgelösten chronischen Gastritis beobachtet. Die Expression des homöostatischen Chemokinrezeptors CXCR5 und seines Liganden CXCL13 ist mit der Entwicklung dieser TLOs korreliert worden. Unter Verwendung eines Mausmodells für H. pylori-induzierte chronische Gastritis konnte gezeigt werden, dass CXCR5 die Ausbildung von TLOs vermittelt und eine Rolle für die Induktion von H. pylori-spezifischen T-Zell- sowie humoralen Immunantworten spielt. / Homeostatic recirculation of immune cells through peripheral and secondary lympoid organs (SLOs) is required for immune surveillance and the maintenance and functionality of the immune system. The homeostatic chemokine receptor CCR7 controls not only lymphoid cell trafficking to and within SLOs, but also seems to be involved in the homeostatic recirculation of lymphocytes through non-lymphoid peripheral tissues. Within the scope of this work we investigated the functional relevance of CCR7 for the homeostatic recirculation of lymphocytes through the peritoneal cavity and could show, that CCR7 is the dominant chemokine receptor which defines the transit time of lymphocytes in the peritoneal cavity under physiological conditions. Impaired recirculation of lymphocytes also promoted the development of tertiary lymphoid organs (TLOs) in the gastric mucosa of CCR7-deficient mice. Analysis of the cellular and molecular mechanisms underlying these and other pathomorphological alterations in the gastric mucosa of CCR7-deficient mice provided further evidence regarding the function of CCR7 for the establishment of central and peripheral tolerance towards gastric antigens. Mice that lack CCR7 spontaneously developed autoimmune gastritis, which was caused by gastritogenic CD4+ T-cells. Such autoreactive T cell responses were also initiated in the absence of lymph nodes and TLOs in CCR7/LT-alpha double-deficient mice. Development of TLOs is also observed during chronic gastritis induced by Helicobacter pylori. The expression of the homeostatic chemokine receptor CXCR5 and its ligand CXCL13 has been correlated with the development of these TLOs. Using a mouse model for H. pylori-induced chronic gastritis, we could show that CXCR5 is responsible for the development of TLOs and also plays a role for the induction of H. pylori-specific T and B cell responses.

Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most common soft-tissue sarcoma of childhood, with two predominant histologic subtypes: embryonal and alveolar. These histologies display distinct clinical courses, and despite refinements in dose and duration of multimodality therapy, the 5-year overall survival of patients diagnosed with metastatic RMS remains <30%. Thus, there is an urgent need to define novel targets for therapeutic intervention. Interrogation of cancer cell signal transduction pathways that regulate the pathogenic behaviours of tumor cells has been successful in defining targets in numerous tumor types. These have ultimately yielded clinically-relevant drugs that have improved the disease-free and overall survival of patients diagnosed with cancer. Work contained in this thesis describes the interrogation of several potential targets for inhibition in RMS. Interruption of RMS cell proliferation, survival and apoptosis is examined through disruption of the protein kinase integrin-linked kinase (ILK) and the nuclear receptor estrogen-receptor β. ILK, in particular, is demonstrated to have dual competing functions through the regulation of c-jun amino-terminal kinase (JNK) signaling: an oncogene in alveolar, and a tumor suppressor in embryonal RMS. These findings are recapitulated in other tumor cell lines, indicating that expression levels of JNK1 correlate with ILK function in a broad spectrum of tumor types. Furthermore, interruption of rhabdomyosarcoma cell migration as a surrogate marker of metastasis is examined through disruption of the stromal-cell derived factor 1α/chemokine (CXC)receptor 4 signaling network, as well as through cooperative interactions between ILK and the mammalian target of rapamycin. Finally, we demonstrate that the insulin-like growth factor pathway is a potential target for therapeutic inhibition, which also distinguishes tumors of embryonal and alveolar histology. These studies provide a rationale for the development of novel agents, as well as the use of established drugs targeting these pathways in rhabdomyosarcoma.