Dysregulation of the chemokine receptor 4 (CXCR4) and its primary ligand CXCL12 (SDF-1, stromal cell-derived factor-1), has been implicated in the progression of melanoma and the mechanisms by which the CXCR4/CXCL12 axis has been shown to activate cell cycle progression is via stimulation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. Given this, we sought to ascertain the potential cooperativity of CXCR4 with established histopathologic prognosticators including the BRAF status in primary cutaneous melanoma. In this IRB approved study, archived tissue samples with diagnosis of primary cutaneous melanoma were retrieved from the Skin Pathology Laboratory at BUSM, Boston, MA and a total of 107 cases identified as meeting criteria for inclusion. Protein expression of CXCR4 and CXCL12 were assessed using commercially available rabbit polyclonal antibodies (Ab2074 and, ab9797 respectively, Abcam, Cambridge, MA, USA). CXCR4 gene expression (mRNA) was measured by semiquantitative RT-PCR with appropriate controls. For IHC, a semi-quantitative scoring (ranging from 0-3) was used and cases with a score of ≥2 (>10%) were considered positive. Molecular analysis for CXCR4 gene expression and BRAF exon 15 mutation status was performed using mRNA semi-quantitative RT-PCR and DNA Sanger sequencing respectively. Univariate analyses of CXCR4 mRNA expression revealed a statistically significant correlation between elevated CXCR4 expression (low ΔCt value) and presence of the BRAF mutation and absence of a host response (p=0.03 and p=0.0003 respectively). Univariate analyses revealed a significant correlation between elevated CXCR4 mRNA (low ΔCt value) and the following: presence of BRAF mutation and absence of a host response (p=0.03 and 0.0003 respectively). CXCR4 mRNA was significantly higher among both AJCC stage 1 and stage 3 compared to stage 2 (p=0.01). Compared with CXCR4 negative samples, univariate analyses of CXCR4 protein showed that the proportion of CXCR4 positives was significantly greater in melanomas with absence of mitoses (p<0.0001), ulceration (p=0.0008) and regression (p=0.02). Patients presenting at shallower stages (AJCC 1-2) exhibited a larger proportion of CXCR4 positives (76.9%, p<0.0001 and 69.0%, p=0.004), while those at deeper stages (AJCC 3-4) exhibited a larger proportion of negatives (75.0%, p=0.002 and 66.7%, p=0.10). In a multivariable analysis, lower odds of CXCR4 protein expression were associated with AJCC stage-3 (OR=0.16, p=0.01), stage-4 (OR=0.17, p=0.04), and mitoses (OR=0.21, p=0.01). Lack of correlation between CXCR4 mRNA and protein expression suggests that further study is required for a more precise understanding of mRNA-protein interaction for CXCR4 in order to identify factors contributing to the lack of concordance. CXCR4 protein appears to be associated with established prognosticators of good clinical outcome as its expression is less frequently observed in melanomas with mitoses, ulceration and depth >2 mm. The association between CXCR4 mRNA and a brisk host response suggests that it may serve as a biomarker for recruiting melanoma patients for immunotherapy. Higher CXCR4 mRNA in patients with a BRAF mutation suggests its utility as a putative therapeutic target.

The role of chemokines as chemotactic cytokines and their functions in the immune system and related pathologies are well defined. Recently, strong evidence supporting the hypothesis that chemokines can act as modulators of neuronal activity and influence neurotransmission has been reported. The chemokine CXCL12 is constitutively expressed in adult brain and expression of CXCL12 and its cognate receptor CXCR4 have been reported in regions of rat brain that construct dopamine (DA) and glutamate (GLU) pathways such as ventral tegmental area (VTA), substantia nigra (SN), and nucleus accumbens (NAc). In the central nervous system (CNS), activation of CXCR4 on dopaminergic neurons and astrocytes initiate cascade of events that leads to DA and GLU release and influence synaptic transmission. In vivo, intracerebroventricular (ICV) CXCL12 has been shown to potentiate cocaine-induced locomotor activity. Based on these evidences, the studies, as outlined in this dissertation, aimed to expand understanding of how CXCL12/CXCR4 interaction can affect cocaine-induced behavior and reinforcement, with special focus on mechanisms involving GLU. We first evaluated involvement of CXCR4 activation by CXCL12 on cocaine-induced locomotor activity using a selective CXCR4 antagonist AMD3100. Results demonstrated that AMD3100 (5, 10 mg/kg, IP) pretreatment dose-dependently attenuated cocaine-induced locomotor activity without affecting the baseline activity. Thereafter, effects of AMD3100 on cocaine’s reinforcing efficacy were tested using a biased conditioned place preference (CPP) paradigm. In all CPP experiments, saline pretreated controls established a significant preference for the cocaine-paired context following four pairings with cocaine (10 mg/kg, IP). Rats pretreated with 2.5 and 5 mg/kg AMD3100 prior to each pairing session showed significantly lower preference for the cocaine-paired side, whereas rats pretreated with 1 mg/kg AMD3100 showed similar preference for the cocaine-paired side as the saline controls when tested in the absence of the drug. Rats pretreated with AMD3100 (5 mg/kg, IP) just once prior to testing showed significantly lower preference for the cocaine-paired side. These results demonstrate that CXCR4 antagonism reduces development and expression of cocaine-induced CPP. Intravenous cocaine self-administration (SA) was performed to examine the effects of AMD3100 on the acquisition of cocaine-taking behavior and reinstatement to cocaine-seeking. Acquisition of cocaine SA was studied using three doses of cocaine (0.375, 0.5, 0.75 mg/kg/infusion) on a fixed-ratio 1 (FR-1) schedule of reinforcement. Two doses of AMD3100 (5, 10 mg/kg, IP) were tested. In all SA experiments, saline pretreated controls readily acquired cocaine self-administration. The lower and higher AMD3100 decreased the number of reinforcers earned during the two hour sessions compared to saline controls when tested against acquisition of 0.375 and 0.5 mg/kg/infusion cocaine. However, when tested against the 0.75 mg/kg/infusion cocaine, only 10 mg/kg of AMD3100 resulted in reduction in responding, but not the lower dose. When a dose response curve was plotted using all doses of cocaine and AMD3100 tested, the effects of AMD3100 were represented by a significant downward shift of the dose response curve. Effects of AMD3100 on cocaine-seeking were evaluated using the reinstatement model, in which rats that were extinguished from self-administration of 0.5 mg/kg/infusion cocaine underwent reinstatement testing with cue or cue + drug presentation. A compound cue (light and tone stimulus), that was used during the acquisition training, and submaximal dose of cocaine (5mg/kg, IP) were used. In both reinstatement conditions, rats pretreated with saline reinstated following the presentation of cue or cue + drug prime. Rats pretreated with AMD3100, 30 minutes prior to reinstatement session, showed significantly lower number of lever presses indicating drug-seeking was not as robust compared to the saline pretreated controls. Following the observations that cocaine-induced behaviors may be partially mediated by CXCL12/CXCR4 interaction, neurochemical changes were examined to elucidate the underlying mechanisms. CXCR4 immunoreactivity in prefrontal cortex (PFC) following withdrawal from 7 days of repeated cocaine (15 mg/kg, IP) was evaluated. Although positive CXCR4 immunoreactivity was observed in PFC, there were no significant differences in the intensity of CXCR4 expression compared to the saline treated controls at acute (2 hours, 2 and 10 days) or protracted (30 days) withdrawal time points. In contrast, CXCL12 protein levels in PFC and NAc were negatively influenced after protracted withdrawal from 7 days of repeated cocaine (15 mg/kg, IP) administration. Following assessment of regional expression of CXCR4, cellular expression was evaluated using triple labeling immunohistochemistry which revealed the positive CXCR4-immunoreactivity on cells staining positively for vesicular glutamate transporter 1 (vGlut1) and glial fibrillary acidic protein (GFAP) showing that the glutamatergic neurons and astrocytes in the PFC express CXCR4. To assess the effects of CXCL12 on GLU transmission, microdialysis of NAc was performed. Following unilateral injection of 50 ng CXCL12 into the lateral ventricle, increase in extracellular GLU was observed. In a follow up study, AMD3100 pretreatment (10 mg/kg, IP) attenuated cocaine-induced increase in extracellular GLU in the NAc. Since the glutamate transporter subtype-1 (GLT-1) is a major regulator of extracellular GLU and upregulation of GLT-1 expression and function has been shown to attenuate reinstatement to cocaine-seeking, its expression was evaluated using immunoblot analysis of the NAc and PFC of rats that self-administered cocaine. The results revealed that AMD3100 (10 mg/k, IP; daily injection 30 min prior to SA session) pretreatment upregulated GLT-1 levels in the NAc but not PFC. In summary, results of the present study show that CXCL12/CXCR4 interaction may modulate cocaine-induced behavioral effects including reinforcement and reinstatement to cocaine-seeking. Neurochemical assessments revealed the presence of CXCR4-expressing glutamatergic neurons in the PFC and AMD3100-induced up-regulation of GLT-1. Most importantly, we provided direct evidence of CXCL12/CXCR4 mediated GLU transmission in NAc. Together, these results expand our understanding of chemokine’s role as neuromodulators and identify CXCR4 as a novel target for development of new pharmacotherapies for the treatment of cocaine addiction. / Pharmacology

Le syndrome WHIM (SW) est un déficit immuno-hématologique rare causé principalement par des mutations autosomales dominantes du gène CXCR4 qui entrainent une troncation du domaine C-terminal (C-Ter) du récepteur. Les formes mutantes de CXCR4 associées au SW génèrent des altérations de la désensibilisation et de l’internalisation du récepteur en réponse à CXCL12, qui se traduisent par une hypersensibilité à l’action chimiotactique du ligand. CXCR4 est un récepteur de chimiokine exprimé sur les leucocytes dont le rôle dans l’hématopoïèse et le trafic leucocytaire à l’état basal suggère que la lympho-neutropénie des patients atteints du SW est due à des défauts de production et/ou de domiciliation périphérique des leucocytes causés par le gain de fonction de CXCR4. Néanmoins, la validation de cette hypothèse est difficile chez les patients. En générant une souche de souris (Cxcr4+/1013), porteuse d’une mutation rapportée chez une famille de patients par une stratégie de knock-in, nous avons mis en évidence le rôle du domaine C-Ter de Cxcr4 dans le développement, la domiciliation périphérique des lymphocytes et l’immunité adaptative à médiation humorale.Les principaux résultats issus de notre travail, obtenus en combinant des approches biochimiques, fonctionnelles, de reconstitution de l’hématopoïèse par compétition, de transferts adoptifs et d’injection d’anticorps anti-CD45 in vivo, sont : 1) La mutation Cxcr41013 tronquant le domaine C-Ter se comporte différemment en terme de signalisation, selon qu’elle soit présente à l’état hétérozygote ou homozygote, et perturbe respectivement les transitions double-négatif (DN) 2-DN3 et proB-preB de la lymphopoïèse dans le thymus et la moelle osseuse (MO). Au contraire, elle ne génère pas d’effets sur le développement des cellules NK et la myélopoïèse ; 2) La lymphopénie qui touche les lymphocytes B (LB) et T (LT) est un processus intrinsèque aux cellules porteuses de la mutation Cxcr41013 et suit un modèle allèle-dose-dépendant ; 3) Le défaut de désensibilisation de Cxcr41013 empêche le relargage des lymphocytes NK et B immatures de la MO et celui des LB et LT matures des ganglions lymphatiques dans le sang. A l’inverse, le gain de fonction exacerbe la migration des LB recirculants et LT matures et leur rétention dans le parenchyme médullaire ; et 4) malgré l’absence de follicules primaires dans les ganglions lymphatiques, les souris mutantes sont capables de mettre en place une réponse immunitaire humorale efficace et spécifique d’un antigène T-dépendant, comme en témoigne l’augmentation des LB du centre germinatif et des plasmocytes ayant effectué une commutation isotypique. En conclusion, nous démontrons que la signalisation fine médiée par Cxcr4 est nécessaire pour le développement, la compartimentalisation périphérique et la fonction des lymphocytes. / The WHIM Syndrome (WS) is a rare combined immuno-hematological disorder caused by inherited heterozygous autosomal dominant mutations in CXCR4, which result in most cases in the distal truncation of the receptor’s Carboxyl-terminal tail (C-Tail). Mutants of CXCR4 associated with WS display impaired desensitization and internalization of the receptor upon CXCL12 exposure, leading to enhanced migratory response. Because CXCR4 is expressed on leukocytes, we hypothesized that circulating pan-leukopenia could arise from altered CXCR4-mediated signalling that would skew tissue distribution and differentiation of leukocytes. This assumption was obviously difficult to address in patients. By generating a knock-in mouse strain (Cxcr4+/1013) that harbors a WS-linked gain-of-Cxcr4-function mutation, we establish that the C-tail domain in Cxcr4-mediated signalling is a pivotal regulator of lymphocyte development, peripheral trafficking and humoral immunity. The essential findings of our work, obtained by combining biochemical, bone marrow (BM)-mixed chimeras, in vivo labelling, adoptive co-transfers and functional approaches, are: 1) the C-tail truncating Cxcr41013 mutation caused differential signalling capacities depending on its heterozygous versus homozygous status and inhibited double-negative (DN) 2-to-DN3 and pro-B-to-pre-B developmental transitions during lymphopoiesis. In contrast, it had no effect on NK lymphopoiesis and granulopoiesis; 2) the resulting circulating B and T lymphopenia was due to hematopoietic cell-intrinsic defects and followed a mutated allele dose-dependent pattern; 3) impaired Cxcr41013 desensitization prevented the release of immature BM NK and B cells and mature lymph node (LN) B and T lymphocytes into the blood. Conversely, it forced homing and retention of mature recirculating B and T cells in the BM parenchyma; and 4) despite the absence of primary B-cell follicles in LNs, mutant mice produced efficient humoral responses upon immunization as illustrated by increased antigen-specific germinal center B cells and isotype-switched plasma cells. Collectively, our findings demonstrate that fine-tuning of Cxcr4 signal strength is required for optimal trafficking, egress and fitness of lymphocytes.

Les papillomavirus humains (HPV), dont on dénombre plus de 300 types différents, infectent spécifiquement les épithéliums. Ces infections sont communes et généralement asymptomatiques. Cependant, lorsqu’elles persistent, elles peuvent donner lieu à des lésions bénignes, telles que les verrues, ou cancéreuses, telles que le cancer du col de l’utérus. Les facteurs de l’hôte impliqués dans la persistance et la pathogénie des infections par les HPV restent largement méconnus. Les premières évidences du rôle de l’axe de signalisation CXCL12/CXCR4 dans la pathogénie virale proviennent d’observations faites dans le contexte d’un déficit immunitaire rare, le syndrome WHIM. En effet, ce syndrome est dû à des dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 − causées par des mutations de CXCR4 conduisant à un gain de fonction de l’axe CXCL12/CXCR4 − et est caractérisé par une susceptibilité sélective des patients à des infections sévères, persistantes et parfois malignes par les HPV. Au vu de cette susceptibilité, l’objectif de ma thèse a été d’approfondir cet éventuel lien causal entre les dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 et la pathogenèse associée aux infections par les HPV et de caractériser les mécanismes moléculaires en jeu.Afin de répondre à cette problématique, je me suis intéressée dans la première partie de mes travaux de thèse aux conséquences des dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 − à travers le gain de fonction de CXCR4 associé au syndrome WHIM − sur le cycle biologique d’HPV18 étudié dans des cultures organotypiques épithéliales tridimensionnelles. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence que les dysfonctions de CXCR4 limitaient la production virale au profit de la mise en place d’un processus de transformation cellulaire. Les mécanismes en jeu impliquent une augmentation de la prolifération cellulaire et un changement du profil d’expression des protéines virales en faveur des oncoprotéines et au détriment de celles impliquées dans la réplication virale.Dans la seconde partie de mes travaux, je me suis attachée à déterminer les effets du blocage de l’axe CXCL12/CXCR4 dans un modèle murin de néoplasie épithéliale induite par HPV16 (souris K14-HPV16). Le traitement de ces souris par l’AMD3100, un antagoniste sélectif de CXCR4, induit une tendance à la normalisation se manifestant par une diminution significative de l’hyperplasie induite par HPV16. Cet effet est associé à une réduction de l’hyperprolifération des kératinocytes et de l’infiltrat de cellules immunitaires dans le derme.En conclusion, ce travail de thèse identifie l’axe CXCL12/CXCR4 comme un facteur de l’hôte impliqué dans la carcinogenèse induite par les HPV, et révèle le bénéfice de stratégies thérapeutiques basées sur le blocage de cet axe. / Human papillomaviruses (HPVs), which encompass almost 300 different types identified so far, specifically infect epitheliums. Most of the time, HPVs are associated with asymptomatic infections suggesting an efficient control by the host immune system. However, when these infections persist, HPVs can cause cutaneous warts but also mucosal lesions that can progress to dysplasia and cancer (e.g. cervical cancers). The host factors involved in HPV persistence and derived-pathogenesis remain quite obscure. The first evidence for a role of the CXCL12/CXCR4 signaling axis in HPV pathogenesis came from observations made in the context of a rare immunodeficiency disorder, the WHIM syndrome. This syndrome is caused by dysfunctions of the axis formed by the chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 – caused by inherited heterozygous mutations in CXCR4 leading to a gain-of-function of the CXCL12/CXCR4 axis – and featured by a high susceptibility to severe, persistent and sometimes malignant HPV infections. In light of this susceptibility, the aim of my thesis was to characterise the molecular mechanisms involved and to find out whether it extend to a more general interplay between the CXCL12/CXCR4 axis and HPV biological cycle and pathogenesis.In the first part of my work, I investigated the consequences of CXCL12/CXCR4 dysfunctions – through the CXCR4 gain-of-function – on the HPV18 life cycle in three-dimensional organotypic epithelial cultures. We found that CXCR4 dysfunctions limited the viral replication at the benefit of cell transformation. The mechanisms included an increased in cell proliferation and a change in viral protein expression profile in favour of oncoproteins and at the expense of proteins involved in viral replication.In the second part of my work, I determined the impact of the CXCL12/CXCR4 blockade on a murin model of HPV16-induced neoplasia (K14-HPV16 mice). Treatment of these mice by AMD3100, a selective antagonist of CXCR4, results in a normalisation of HPV-induced lesions manifested by a significant decrease of skin hyperplasia. This effect is associated with a reduction in keratinocyte hyperproliferation and immune cell infiltration in dermis.To conclude, this thesis work identifies the CXCL12/CXCR4 axis as a new host factor involved in human papillomavirus-induced carcinogenesis, and reveals the benefit of therapeutic strategies based on the blockade of this axis.

Das humane CD90 (Thy-1), ein membrangebundenes Glykoprotein, wird auf der Oberfläche von aktivierten mikrovaskulären Endothelzellen (EC), Fibroblasten, Nervenzellen und einer Subpopulation von CD34+ hämatopoetischen Stammzellen exprimiert. CD90 fungiert als Adhäsionsmolekül auf aktivierten mikrovaskulären EC, indem es die Bindung von Leukozyten über die Interaktion mit dem Integrin alfambeta2 (Mac-1, CD11b/CD18) oder dem Adhäsions-GPCR CD97 an das Endothel vermittelt. Die Expression von CD90 auf mikrovaskulären EC wurde sowohl in-vitro als auch in-vivo nachgewiesen. Zur Expression von CD90 auf makrovaskulären EC gibt es nur wenige und sich zum Teil widersprechende in-vitro Daten. In-situ konnte die Expression von CD90 auf diesen Zellen bisher nicht gezeigt werden. Die Atherosklerose ist ein stufenweise verlaufendes chronisch-entzündliches Geschehen in den arteriellen Gefäßen. In der vorliegenden Arbeit wurde in atherosklerotisch-veränderten Gefäßen die Expression von CD90 auf humanen makrovaskulären EC in-situ demonstriert. Dabei wurden neben Operationspräparaten von Patienten mit einer Stenose der A. carotis interna, die entsprechend der American Heart Association Klassifikation die höchsten Atherosklerosestadien zeigen, auch Gefäßtransplantate von Organspendern, die meist nur eine geringe Ausprägung der Atherosklerose aufwiesen, untersucht. CD90 wurde in jedem Atherosklerosestadium auf EC nachgewiesen. Eine signifikante Zunahme der CD90 Expression in höheren Atherosklerosestadien konnte gezeigt werden. Die histologischen Merkmale der Plaque, wie Verkalkung, Blutung, Plaqueruptur oder Thrombusformation korrelieren nicht mit der CD90 Expression. Ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen symptomatischer und asymptomatischer A.carotis interna-Stenose konnte bezüglich der CD90 Expression auf makrovaskulären EC ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Weiterhin sollte mittels Stimulationsversuchen in-vitro geklärt werden, wie die CD90 Expression auf makrovaskulären EC im Rahmen der Atherosklerose auf den makrovaskulären EC reguliert wird. Denkbar ist, dass Zytokine, die eine Rolle im atherosklerotischen Prozess spielen, einen Einfluss auf die CD90 Expression ausüben. Deshalb wurde die Expression von CD90 auf makrovaskulären EC nach Stimulation mit proinflammatorischen Zytokinen untersucht. Die Expression von CD90 konnte in-vitro durch pro-inflammatorische Zytokine tendenziell erhöht werden. Die Stimulation mit CXCL12, einem bedeutsamen Trigger der Mobilisation der endothelialen Vorläuferzellen, der in atherosklerotischen, aber nicht in gesunden Gefäßen nachweisbar ist, bewirkte einen signifikanten Anstieg der CD90 Expression. Durch die Stimulation mit den lipid-beladenen Schaumzellen, die zahlreich in atherosklerotischen Läsionen vorhanden sind, konnte die CD90 Expression eher reduziert werden. Da Diabetes mellitus mit einem früheren Auftreten einer Atherosklerose assoziiert ist, wurden die makrovaskulären EC auch mit D-Glukose inkubiert. Dies führte ebenfalls zur tendenziellen Reduktion der CD90 Expression. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit die CD90-Expression auf den makrovaskulären EC in-situ eindeutig demonstriert werden. Im Rahmen der Atherosklerose nimmt CD90-Expression auf den makrovaskulären EC in den höheren Atherosklerosestadien zu. Eine tendenzielle Zunahme der CD90 Expression nach Stimulation mit proinflammatorischen Zytokinen, die an der Atheroskleroseentwicklung beteiligt sind, sowie eine signifikante Hochregulation der CD90 Expression nach Stimulation mit einem Trigger der EPC-Migration, dem CXCL12, konnte in dieser Arbeit gezeigt werden. Die Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle des CD90 auf makrovaskulären EC in dem atherosklerotischen Prozess hin. Die publizierten Daten zeigen, dass CD90 in die Leukozytenmigration durch das aktivierte mikrovaskuläre Endothel involviert ist. In der vorliegenden Arbeit konnte jedoch nicht eindeutig nachgewiesen werden, welche Funktion das CD90 auf makrovaskulären EC besitzt. Hierbei ergaben sich zusammenfassend zwei an sich unterschiedliche Hypothesen. Zum einen zeigt die tendenzielle Zunahme der CD90-Expression nach Stimulation mit proinflammatorischen Zytokinen, dass CD90 an der Migration der neutrophilen Granulozyten und somit z.B. durch die Freisetzung von MMP-9 an der Destruktion der Plaque beteiligt sein kann. Zum anderen könnte man behaupten, dass die signifikante Hochregulation der CD90-Expression nach Stimulation mit dem CXCL12 auf die Beteiligung des CD90 an der EPC-Migration hindeutet. Somit könnte CD90 durch die EPC-Migration sowie z.B. zusätzlich durch die eingewanderten neutrophilen Granulozyten, welche den Zelldebris phagozytieren, in die Neointimaformation involviert sein. Um eine sichere Aussage diesbezüglich treffen zu können sind weitere Untersuchungen notwendig.

L'objectif de cette thèse menée dans le cadre de l'essai clinique ANRS 154 Lenakap a été d'étudier l'impact clinique et immunologique d'un traitement par lénalidomide dans la maladie de Kaposi liée au VIH (MK-VIH) et d'identifier de nouveaux biomarqueurs de la pathologie, notamment à travers l'étude du trio de chimiokine et récepteurs CXCL12/CXCR4-CXCR7. A l'heure actuelle aucun traitement curatif de la MK-VIH n'est disponible. Le lénalidomide, un immunomodulateur pléïotrope, ciblant différentes anomalies rencontrées dans la MK constitue une perspective thérapeutique dans cette indication. L'interprétation de la réponse clinique des patients au traitement au cours de l'essai clinique ANRS 154 Lenakap est difficile, notamment en raison de discordances entre les scores d'évaluation utilisés. Cependant, nos résultats ont montré une bonne tolérance du lénalidomide chez les patients inclus, infectés par le VIH et traités par antirétroviraux. Aucune interaction médicamenteuse pharmacologiquement ou cliniquement significative n'a été détectée chez les patients, ouvrant de nouvelles perspectives pour la prise en charge de ces derniers, y compris dans d'autres indications, tels que le myélome multiple et les syndromes myélodysplasiques. Nous avons également mis en évidence l'impact du TNF-α, de l'IFN-γ et de l'IL-10 dans la progression de la MK-VIH.L'ensemble des mécanismes physiopathologiques de la MK n'est pas encore élucidé et nous ne disposons actuellement d'aucun biomarqueur, de suivi d'évolution, ou de réponse au traitement dans cette indication. Des données de la littérature suggèrent une implication du trio CXCL12/CXCR4-CXCR7 dans la physiopathologie de la MK-VIH. Nos analyses immunohistochimiques et par immunofluorescence, couplées à la mise au point d'une technique de quantification sur lames numérisées ont permis de mettre en évidence la présence augmentée des protéines CXCL12/CXCR4-CXCR7 dans les lésions de MK. Les corrélations positives retrouvées entre les protéines du trio et la présence du virus sous forme latente, la prolifération cellulaire et à la présence du facteur de croissance VEGF, suggèrent de possibles effets autocrines et paracrines du trio à l'origine d'une propagation tissulaire du virus et d'effets prolifératif et pro-angiogénique dans le MK. Cette étude suggère pour la première fois le rôle de biomarqueur tissulaire, témoin du processus physiopathologique de la MK, pour le trio CXCL12/CXCR4-CXCR7. En revanche, CXCL12 ne semble pas être un biomarqueur plasmatique à la fois de la physiopathologie ou de la progression de la MK. Enfin, cette étude confirme l'état pro-inflammatoire des patients infectés par le VIH et rapporte une immunomodulation particulière chez les patients MK-VIH avec des taux plasmatiques de TNF-alpha, IL-6, IFN-gamma et IL-10 augmentés, peut-être à l'origine du développement et de la progression de la maladie. / The objective of my PhD works, conducted as part of the clinical trial ANRS 154 Lenakap, was to evaluate the clinical and immunological impact of lenalidomide in patients with HIV-associated Kaposi's sarcoma (AIDS-KS) and to identify new biomarkers of disease, particularly through the study of the trio CXCL12/CXCR4-CXCR7 So far, no cure for the AIDS-KS is available. Lenalidomide, an oral immunomodulating agent targeting various anomalies observed in KS is a therapeutic perspective in this indication. Evaluation of clinical response to treatment in the ANRS 154 Lenakap clinical trial was difficult, especially because of discrepancies observed between assessments scores used to evaluate this parameter. However, lenalidomide was well tolerated in patients infected with HIV and treated with antiretroviral drugs. We detected no pharmacologically or clinically significant drug interactions between lénalidomide and antiretroviral drugs, opening new perspectives for the treatment of HIV-positive patients, including other indications such as multiple myeloma and myelodysplastic syndromes. We also highlighted the impact of TNF-alpha, IFN-gamma and IL-10 in the progression of AIDS-KS. All pathophysiological mechanisms of KS are not yet elucidated, and so far, no biomarker is available to monitor evolution, or response to treatment in this indication. Some data suggest an involvement of the trio CXCL12/CXCR4-CXCR7 in the pathophysiology of KS. Our immunohistochemical and immunofluorescence analysis, coupled to a technique for quantification of digitized slides, have allowed us to demonstrate the over-expression of CXCL12, CXCR4 and CXCR7 proteins in KS cutaneous lesions. Moreover, we reported for the first time the simultaneous in situ up-regulation of CXCL12, CXCR4 and CXCR7 in AIDS- and classic-KS. These deregulations correlated with lesion severity, latent viral load, proliferation and angiogenesis. This suggests a possible autocrine and paracrine effects of the trio leading to the virus propagation, the cells proliferation and the angiogenic process observed in KS. Our results further indicate that the trio could be used in KS rather as a histologic than a circulating biomarker. Finally, this study confirms the pro-inflammatory state of HIV-infected patients and highlights a specific immune modulation in AIDS-KS patients with increased TNF-α, IL-6, IFN-γ and IL-10 plasma levels. This microenvironment may participate in the disease progression.

Le couple CXCL12/CXCR4 joue un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs) et constitue un axe clé par lequel les niches et les CSPHs communiquent au sein de la moelle osseuse (MO). Des mutations hétérozygotes du gène CXCR4, qui tronquent le domaine C-terminal de la protéine et entraînent un défaut de désensibilisation homologue de CXCR4 et une hypersensibilité à CXCL12, ont été identifiées dans le Syndrome WHIM (SW), une immunodéficience rare caractérisée notamment par une lymphopénie. Les mécanismes sous-jacents de cette anomalie restaient inconnus. Grâce à un modèle murin porteur d’une mutation gain de fonction de Cxcr4 identifiée chez certains patients et phénocopiant la lymphopénie du SW, nous avons exploré la possibilité qu’un défaut de domiciliation, de différenciation ou d’expansion des CSPHs dans la MO soit à l’origine de la lymphopénie circulante. Nous avons mis en évidence que la désensibilisation de Cxcr4 régule la balance quiescence/cycle des CSHs à court terme ainsi que leur différenciation en progéniteurs multipotents et progéniteurs engagés vers le lignage lymphoïde. Nos travaux révèlent donc que la désensibilisation de Cxcr4 est requise à la différenciation lymphoïde des CSPHs et suggèrent que l’absence de ce processus soit à l’origine de la lymphopénie observée chez les souris mutantes et, par extrapolation, chez les patients. Ces altérations lymphoïdes impliquaient à la fois des défauts intrinsèques (CSPHs) et extrinsèques (stroma), ce qui nous a conduit à considérer l’impact de la mutation gain de fonction de Cxcr4 sur le stroma médullaire. Dans ce contexte, l’objectif principal de mon projet de thèse a consisté à investiguer à l’aide du modèle murin du SW le rôle de la désensibilisation de Cxcr4 dans le maintien des composantes mésenchymateuses au sein de la MO. Nos données ont permis de mettre en lumière que la désensibilisation de Cxcr4 est intrinsèquement requise à la régulation de l’équilibre quiescence/cycle des cellules souches mésenchymateuses (CSMs), ainsi qu’à la préservation de leur potentiel ostéogénique en contrôlant l'expression et la biodisponibilité de Cxcl12 de manière autocrine. Par conséquent, nos travaux suggèrent que les actions autocrines et paracrines de l’axe de signalisation Cxcl12/Cxcr4 au sein des CSMs régulent leur différenciation en ostéoblastes tout en contribuant au maintien des niches des CSPHs et au processus d’hématopoïèse. / The CXCL12/CXCR4 signaling axis plays an essential role in the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) homeostasis and constitutes a key pathway through which the niches and HSPCs communicate in the bone marrow (BM). Heterozygous gain-of-function mutations of CXCR4, which engender a truncated receptor and affect its homologous desensitization in response to CXCL12, have been reported in the WHIM Syndrome (WS); a rare immunodeficiency notably characterized by lymphopenia. The mechanisms underpinning this remain obscure. Using a mouse model harboring a naturally occurring WS-linked Cxcr4 gain-of-function mutation, we explored the possibility that the lymphopenia in WS arise from defects at the HSPC level in the BM. We showed that Cxcr4 desensitization is required for proper quiescence/cycling balance of short-term HSCs as well as their differentiation into multipotent progenitors and downstream lymphoid-biased progenitors. Thus, our results suggest that efficient Cxcr4 desensitization is critical for lymphoid differentiation of HSPCs, and its impairment is a key mechanism underpinning the lymphopenia observed in WS mice. The role of Cxcr4 desensitization in regulating such lympho-hematopoiesis process implicated both intrinsic and extrinsic properties, thus raising the question of the impact of a gain-of-Cxcr4-function mutation on BM stroma. Therefore, the main part of my PhD project was dedicated to evaluate using this relevant knock-in model the impact of Cxcr4 desensitization on maintenance of BM mesenchymal elements. We have found unexpectedly that such regulatory mechanism is intrinsically required for regulating quiescence/cycling balance of mesenchymal stem cells (MSCs) and preserving their osteogenic potential through the control of Cxcl12 expression and availability in an autocrine manner. Therefore, these findings support autocrine and paracrine actions of the Cxcl12/Cxcr4 signaling axis within MSCs to regulate osteoblast differentiation while contributing to HSPC niches and hematopoiesis.

Membres épithéliotropes de notre virome, les papillomavirus humains (HPV) causent majoritairement des infections asymptomatiques ou bénignes, contrôlées par les mécanismes de défense de l'hôte à l’échelle épithélial et immunitaire. Néanmoins, l’infection persistante par certains HPV à haut risque (hrHPV) cancérogène peut conduire au développement de cancers. Ainsi, les hrHPV à tropisme muqueux causent 98% des cancers cervicaux, et sont impliqués dans un nombre croissant de cancers ano-génitaux et oropharyngés. Les vaccins prophylactiques sont efficaces pour prévenir les lésions associées aux hrHPV à tropisme muqueux, mais à l'heure actuelle, il n'existe aucun traitement antiviral pour une infection établie. Dans cette thèse de doctorat, nous avons cherché à étudier les facteurs de l’hôte impliqués dans le cycle de vie d’HPV et sa carcinogenèse à deux niveaux : ceux du kératinocyte infecté et du système immunitaire. Des études chez certains patients immunodéficients (syndrome de WHIM, WS) présentant une susceptibilité sélective à la pathogénèse HPV ont identifié la chimiokine CXCL12 et CXCR4, son récepteur couplé aux protéines G (dont les mutations causent le WS) comme facteurs de contrôle du cycle de vie de ces virus. CXCL12/CXCR4 ainsi que ACKR3, le récepteur-leurre de CXCL12, peuvent moduler à la fois les réponses antivirales épithéliales et immunitaires. Nous avons d'abord étudié la contribution d'ACKR3 au cycle de vie d’HPV dans des cultures 3D de cellules épithéliales humaines (3D-EpC), seul modèle permettant la réplication d’HPV. Nos résultats indiquent que l'activité accrue d'ACKR3 présente un potentiel pro-oncogène puisqu'elle déplace le cycle de vie productif d’HPV vers l'oncogenèse et que le blocage d'ACKR3 pourrait être une approche thérapeutique attrayante pour favoriser la réplication d’HPV. Par la suite, nous avons étudié les conséquences fonctionnelles du cycle de vie productif d’HPV dans la communication intercellulaire, en mettant en place la technique FLIP dans les 3D-EpC. Enfin, nous avons étudié l'impact d’une mutation de CXCR4 associée au WS au niveau des cellules immunitaires cutanées dans le contexte de la carcinogenèse induite par HPV. Nous avons ainsi mis en évidence le rôle de CXCR4 dans la distribution, l’activation et la migration des cellules dendritiques dermales et des cellules de Langerhans ; leur possible dérégulation dans le contexte du WS pouvant contribuer à la sensibilité sélective des patients à la pathogenèse HPV. En conclusion, ce travail fournit des clés mécanistiques sur les interactions HPV-hôte aux niveaux épithélial et immunitaire. Il révèle le rôle central d'ACKR3 dans la réponse intrinsèque des kératinocytes envers HPV et approfondit nos connaissances sur le rôle de l’axe CXCL12/CXCR4 dans l'immunité cutanée à l’homéostasie et dans la carcinogenèse HPV. / Human papillomavirus (HPV) are part of our virome and infect cutaneous and mucosal sites. Most infections are asymptomatic or only cause benign lesions that are controlled by the host defence mechanisms, which take place both at the epithelial and the immune system levels. However, persistent infections with certain mucosal HPV types at high-risk for cancer development, cause virtually all cases of cervical cancers, a majority of anogenital cancers and an increasing proportion of oropharyngeal cancers. Prophylactic vaccines are efficient in preventing mucosal HPV types-associated lesions but currently, there is no antiviral treatment for an established HPV infection. In this doctoral thesis, we aimed at investigating host factors involved in HPV life cycle and carcinogenesis at two levels: the infected keratinocyte and the immune system. Studies in the context of certain immunodeficient patients (WHIM syndrome, WS) with selective susceptibility to HPV pathogenesis have identified the CXCL12 chemokine and its classical G protein-coupled receptor CXCR4 (whose mutations are causing the WS) as host susceptibility factors that act as gatekeepers of HPV life cycle. CXCL12/CXCR4 together with ACKR3, the second receptor of CXCL12 with an atypical decoy activity, can modulate both epithelial and immune cell anti-viral responses. Therefore, we first investigated the intrinsic contribution of ACKR3 to HPV life cycle in 3D human epithelial cell cultures (3D-EpC), the sole model allowing for HPV replication. Our results indicate that enhanced ACKR3 activity displays pro-oncogenic potential as it shifts HPV productive life cycle toward oncogenesis and that blocking ACKR3 could be an attractive therapeutic approach to favour HPV replication. In addition, we have studied the functional consequences of the productive HPV life cycle in cell-cell communication, being pioneers in setting up FLIP technique in 3D-EpC. Lastly, we investigated the impact of CXCR4 WS-mutation at the cutaneous immune cell level in the context of HPV-induced carcinogenesis. We have thus gained insights into the role of CXCR4 in dendritic cell and Langerhans cell distribution, phenotype and migration and how their deregulation in the context of the WS could account for the selective susceptibility of WS patients to HPV pathogenesis. In conclusion, this work provides new insights into HPV-host interactions at the epithelial and immune cell levels. We have unravelled the central role of ACKR3 in keratinocyte intrinsic response against HPV and deepen our knowledge on the role of CXCL12/CXCR4 in skin immunity in health and in HPV carcinogenesis.

Le récepteur à chimiokine CXCR4 est à ce jour l’un des récepteurs couplés aux protéines G les plus étudiés. Le CXCL12, sa chimiokine endogène induit l’activation de plusieurs voies de signalisation cruciales à plusieurs processus physiologiques. Par ailleurs, dans de nombreux processus pathologiques comme le cancer, le récepteur CXCR4 et/ou son ligand endogène sont surexprimés et facilite la dissémination et le maintien de conditions favorables à la prolifération cancéreuse. Afin d’étudier le récepteur CXCR4 et sa signalisation, notre approche vise à développer des ligands ciblant le CXCR4 en se basant sur CXCL12. Par des études de relation structure-activité et du design rationnel, nous avons conçu des chimères du CXCR4. Ces outils pharmacologiques nous permettent de mieux extraire les déterminants structuraux impliqués dans l’activation du CXCR4 mais aussi d’étudier les voies de signalisation associées à ces nouvelles entités chimiques. Nos données de relation structure-activité ont permis de mettre en évidence deux positions clés sur le N-terminal de nos chimères, la position 3 et la position 7 cruciales pour l’affinité et l’efficacité respectivement. Nous avons pu moduler l’efficacité ainsi que l’affinité de nos chimères en introduisant des acides aminés non naturels capables de potentialiser l’effet pharmacologique. Nous avons également corrélé nos résultats de SAR avec de la dynamique moléculaire réalisée à partir des deux structures cristallographiques du CXCR4. Nos données de dynamique moléculaire montrent des différences structurales importantes au niveau des domaines transmembranaires 3 et 7 en présence ou non de nos chimères. Par ailleurs, nous avons développé un nouveau déterminant avec des propriétés pharmacocinétiques améliorées comparativement au déterminant d’affinité des chimères de première génération. La caractérisation de ce déterminant a par ailleurs révélé son caractère agoniste inverse. Tous ces résultats apportent des éléments clés pour un meilleur design de molécules à visée thérapeutique ciblant le CXCR4.

Purpose¡G Many single nucleotide polymorphisms (SNPs) have been found to be associated with breast cancer but their SNP interactions are seldom addressed. In this study, we focused on the joint effect for SNP combinations of seven CXCL12-related genes involved in major cancer related pathways. Patients and Methods¡G SNP genotyping was determined by PCR-restriction fragment length polymorphism (RFLP) in this study (case = 220, control = 334). Different numbers of combinational SNPs with genotypes called the pseudo-haplotypes from different chromosomes were used to evaluate their joint effect on breast cancer risk. Results¡G Except for VEGF rs3025039-CT, none of these SNPs was found to individually contribute to breast cancer risk. However, for two combined SNPs, the proportion of subjects with breast cancer was significantly low in the pseudo-haplotype with CC-GG genotypes in rs2228014-1801157 (CXCR4-CXCL12) compared to those with non-CC-GG genotypes. Similarly, the pseudo-haplotype of rs12812942-rs2228014-rs3025039 (CD4-CXCR4-CXCL12) And rs12812942-rs3136685-rs2228014 -rs1801157(CD4-CCR7-CXCR4-CXCL12)with specific genotype pattern (AT-CC-CC and AT-AG-CC-GG) among three and four combinational SNPs were significantly low in breast cancer occurrence. More SNP combinations larger than five SNPs were also addressed and shown the similar effect. After controlling for age, comparing to their corresponding non-pseudo-haplotypes, the estimated odds ratios for breast cancer ranged between 0.20 and 0.71 for specific pseudo-haplotypes with two to seven SNPs. Conclusion¡G We have identified the potential combined CXCL12-related SNPs with genotypes that were protective against breast cancer and may have an impact on identification of a low risk population for the development of breast cancer.