Les données d’expression génique sont reconnues comme étant de grande dimension, etnécessitant l’emploi de méthodes statistiques adaptées. Mais dans le contexte des essaisvaccinaux, d’autres mesures, comme par exemple les mesures de cytométrie en flux, sontégalement de grande dimension. De plus, ces données sont souvent mesurées de manièrelongitudinale. Ce travail est bâti sur l’idée que l’utilisation d’un maximum d’informationdisponible, en modélisant les connaissances a priori ainsi qu’en intégrant l’ensembledes différentes données disponibles, améliore l’inférence et l’interprétabilité des résultatsd’analyses statistiques en grande dimension. Tout d’abord, nous présentons une méthoded’analyse par groupe de gènes pour des données d’expression génique longitudinales. Ensuite,nous décrivons deux analyses intégratives dans deux études vaccinales. La premièremet en évidence une sous-expression des voies biologiques d’inflammation chez les patientsayant un rebond viral moins élevé à la suite d’un vaccin thérapeutique contre le VIH. Ladeuxième étude identifie un groupe de gènes lié au métabolisme lipidique dont l’impactsur la réponse à un vaccin contre la grippe semble régulé par la testostérone, et donc liéau sexe. Enfin, nous introduisons un nouveau modèle de mélange de distributions skew t àprocessus de Dirichlet pour l’identification de populations cellulaires à partir de donnéesde cytométrie en flux disponible notamment dans les essais vaccinaux. En outre, nousproposons une stratégie d’approximation séquentielle de la partition a posteriori dans lecas de mesures répétées. Ainsi, la reconnaissance automatique des populations cellulairespourrait permettre à la fois une avancée pratique pour le quotidien des immunologistesainsi qu’une interprétation plus précise des résultats d’expression génique après la priseen compte de l’ensemble des populations cellulaires. / Gene expression data is recognized as high-dimensional data that needs specific statisticaltools for its analysis. But in the context of vaccine trials, other measures, such asflow-cytometry measurements are also high-dimensional. In addition, such measurementsare often repeated over time. This work is built on the idea that using the maximum ofavailable information, by modeling prior knowledge and integrating all data at hand, willimprove the inference and the interpretation of biological results from high-dimensionaldata. First, we present an original methodological development, Time-course Gene SetAnalysis (TcGSA), for the analysis of longitudinal gene expression data, taking into accountprior biological knowledge in the form of predefined gene sets. Second, we describetwo integrative analyses of two different vaccine studies. The first study reveals lowerexpression of inflammatory pathways consistently associated with lower viral rebound followinga HIV therapeutic vaccine. The second study highlights the role of a testosteronemediated group of genes linked to lipid metabolism in sex differences in immunologicalresponse to a flu vaccine. Finally, we introduce a new model-based clustering approach forthe automated treatment of cell populations from flow-cytometry data, namely a Dirichletprocess mixture of skew t-distributions, with a sequential posterior approximation strategyfor dealing with repeated measurements. Hence, the automatic recognition of thecell populations could allow a practical improvement of the daily work of immunologistsas well as a better interpretation of gene expression data after taking into account thefrequency of all cell populations.

Chez les patients atteints de la sclérose en plaques (SEP), les lymphocytes T autoréactifs utilisent des molécules d'adhérence (CAM) pour traverser la barrière hémo-encéphalique (BHE), pénétrer dans le système nerveux central (SNC) et médier la détérioration de la myéline. Les lymphocytes T régulateurs (Treg) constituent l’un des éléments clés de la tolérance immunitaire, protégeant contre les réactions auto-immunes. Cependant, l'entrée et la fonction des Treg dans le SNC restent largement inconnues. Notre laboratoire a démontré la contribution de plusieurs CAM, dont la molécule melanoma cell adhesion molecule (MCAM), dans la migration des lymphocytes pathogéniques à travers la BHE. L'objectif de cette étude est de déterminer si les Treg migrent dans le SNC en utilisant MCAM et s’ils exercent des fonctions anti-inflammatoires qui pourraient atténuer l'inflammation du SNC. L'expression de MCAM, des marqueurs fonctionnels de Treg (CTLA-4, CCR6, CCR5), ainsi que leur sécrétion de cytokines (IL-10, GrzmB, TGF-ß, IFN-γ, TNF α, GM-CSF, IL-17a), ont été étudiées sur des Treg du sang périphérique, du liquide céphalo-rachidien (LCR) et de la culture in vitro, provenant de patients atteints de SEP et d’individus sains (HC), par cytométrie de flux, en corroboration avec qPCR et ELISA. De plus, la présence de MCAM+ Treg dans le SNC a été évaluée par immunohistofluorescence (CD4, CD25, Foxp3, MCAM, noyaux) sur des souris atteintes d'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Nos données ont montré une augmentation de l'expression de MCAM sur les Treg de patients atteints de la forme cyclique de SEP (RRMS) par rapport aux HC. Nous avons observé une tendance vers une fréquence plus élevée de MCAM+ Treg dans le LCR par rapport au sang périphérique des patients atteints de SEP, ce qui suggère que MCAM pourrait jouer un rôle important dans la migration des Treg. Ces cellules MCAM+ Treg semblent avoir un phénotype plus fonctionnel et anti-inflammatoire que leurs contreparties MCAM-. De plus, nous avons trouvé des niveaux plus élevés de MCAM+ Treg dans les périodes de rémission de l'EAE, ce qui souligne leur implication durant cette phase de la maladie. Dans l'ensemble, nos données montrent que MCAM est une CAM essentielle pour la migration des Treg vers le SNC. / In multiple sclerosis (MS), autoreactive T cells upregulate cellular adhesion molecules (CAMs) to cross the blood brain barrier (BBB), enter the central nervous system (CNS) and mediate damage to myelin. Regulatory T cells (Treg) are one of the key components of immune tolerance, protecting against autoimmune reactions. However, Treg's entry and function in the CNS remains largely unknown. Our lab has demonstrated the contribution of several CAMs, including melanoma cell adhesion molecule (MCAM), in the migration of pathogenic lymphocytes across the BBB. The goal of this study is to determine whether Treg migrate into the inflamed CNS using MCAM and exert anti-inflammatory functions, possibly dampening CNS inflammation. The expression of MCAM and Treg functional markers and chemokine receptors (CTLA-4, CCR6, CCR5,), as well as cytokine secretion (IL-10, GrzmB, TGF-ß, IFN-γ, TNF α, GM-CSF, IL-17a), were studied on MS patients and healthy individuals (HC) Treg from the peripheral blood, cerebrospinal fluid (CSF), and in vitro culture, by flow cytometry, in corroboration with qPCR and ELISA. Moreover, the presence of MCAM+ Treg in the CNS was assessed by immunohistofluorescence (CD4, CD25, Foxp3, MCAM, nuclei) on experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) affected mice. Our data showed an increase in the expression of MCAM on Treg during relapse-remitting MS patients (RRMS) compared to HC. We observed a trend for a higher frequency of MCAM+ Treg cells in the CSF versus the peripheral blood of MS patients, suggesting that MCAM might play an important role in the migration of Treg. These MCAM+ Treg seem to have a more functional and anti-inflammatory phenotype than their MCAM- counterparts. Moreover, we found higher levels of MCAM+ Treg in periods of EAE remission, underlining their involvement during this disease phase. Overall, our data depicts MCAM as an essential CAM for Treg homing to the CNS.

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

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