Ein zentrales Merkmal der humoralen Antwort ist die im Laufe der Zeit ansteigende Affinität der Antikörper gegenüber dem Antigen, ein Phänomen, das man generell als Affinitätsreifung bezeichnet. Die Affinitätsreifung von Antikörpern ist an die transiente Ausbildung von Keimzentren gebunden, die man nach Immunisierung mit einem T-Zell-abhängigen Antigen in sekundär lymphatischen Geweben wie der Milz beobachtet. Innerhalb der Keimzentren durchlaufen B-Zellen einen mikro-evolutionären Prozess, in dessen Verlauf es zu einer Diversifizierung der von den B-Zellen kodierten B-Zell-Rezeptoren durch somatische Hypermutation und anschließender Selektion derjenigen B-Zellen mit den besten Bindungseigenschaften gegenüber dem Antigen kommt. In den letzten Jahren waren große Fortschritte hinsichtlich der Aufklärung der molekularen Mechanismen die zur Diversifizierung der B-Zell-Rezeptoren beitragen zu verzeichnen, wohingegen die Dynamik, der Mechanismus und die treibenden Kräfte der Selektion bisher weitgehend unverstanden sind. In Kürze zusammengefasst trägt die vorliegende Arbeit durch folgende Erkenntnisse zum Verständnis der Evolution von B-Zellen in Keimzentren bei: (1) nicht-synchronisiertes Wachstumsverhalten von Keimzentren, (2) mehrstufige Selektionsstrategie (Verknüpfung von lokaler und globaler Selektion durch Rezirkulation von ausgewanderten Keimzentrums-B-Zellen), (3) zentrale Rolle von Makrophagen für die Homöostase von Keimzentren und die Verhinderung von Autoimmunität, (4) bisher angenommene molekulare Signaturen sind unzulänglich, um positiv und negativ selektierte B-Zellen zu unterscheiden und (5) das Überleben bzw. positive Selektion von Keimzentrums-B-Zellen ist von der Abwesenheit überschüssiger, nachteiliger Mutationen in den CDRs abhängig. / Central to the humoral immune response is the commonly observed improvement of antibody affinity over time, a phenomenon referred to as affinity maturation. Affinity maturation takes place in so-called germinal centers (GC) that are transiently formed in secondary lymphoid tissues (e.g. spleen) following immunization with T cell-dependent antigens. Within GC, B lymphocytes are subjected to a micro-evolutionary process that includes multiple rounds of diversification of their B cell receptors (BCRs) by somatic hypermutation (SHM) and subsequent selection of those B cells showing improved binding characteristics towards the antigen. However, despite recent advances in defining the mechanisms contributing to diversification of B lymphocytes within GC, the dynamics, mechanisms and forces of their selection are poorly understood. The current thesis provides new insights into the evolution of B cells within GC by proposing: (1) non-synchronized GC formation and growth, (2) a multilevel selection strategy (intercalation of local and global selection by recirculation of GC emigrant B cells), (3)a central role for macrophages in retaining germinal center B cell homeostasis and preventing autoimmunity, (4) the failure of commonly supposed molecular signatures to demarcate positively and negatively selected B cells and (5) the survival fate of GC B cells is particularly driven by absence of excess mutations within CDRs that have an adverse effect with respect to antigen binding.

Antibodies passively administered together with their specific antigen can enhance or suppress the specific antibody response. This phenomenon is known as antibody feedback regulation. Whether this modulation causes up- or downregulation of the antibody response depends both on the antibody isotype and the antigen used. IgG antibodies passively administered together with particulate antigens, e.g. erythrocytes, can completely prevent the induction of an antibody response to the antigen. The suppressive capacity of IgG has been routinely used in the clinic since the 1960’s in RhD-prophylaxis to prevent hemolytic disease of the fetus and newborn. Although studied for decades, the underlying mechanism of IgG-suppression has remained elusive. The main focus of this thesis has been to elucidate the mechanism behind IgG-suppression of antibody responses in vivo in mouse models using intravenous immunization with specific IgG together with native or haptenated sheep red blood cells, SRBC. We show that IgG-suppression of IgM and long-term serum IgG-responses operates independently of activating FcγRI, III, IV, or the inhibitory FcγRIIB, thus confirming and extending previous findings. Moreover, we demonstrate for the first time that C1q, C3 and CR1/2 are dispensable for IgG-suppression of antibody responses. These findings strongly argue against the involvement of Fc-dependent mechanisms as the explanation for IgG-suppression. Interestingly, GC formation occurs in IgG-suppressed mice although the antibody response to surface SRBC epitopes are completely suppressed. The data suggests that these GCs develop in response to intracellular SRBC epitopes as well as to the passively administered suppressive IgG. Moreover, we demonstrate that passively administered IgG suppresses several parameters of an antibody/B cell response including antigen specific GC and non-GC B cells, extra-follicular antibody secreting cells, long-lived plasma cells and induction of immunological memory. Before the onset of the present study, two mechanisms appeared compatible with the majority of experimental findings: IgG-mediated antigen clearance and epitope masking. Herein we show that the contribution of IgG-mediated antigen clearance is negligible and that suppression of IgG-responses is strictly epitope specific. This provides compelling evidence that a very important mechanism underlying IgG-suppression is epitope masking.

Notre équipe a précédemment démontré que l'Interleukine (IL)-24 une cytokine de la famille de l'IL-10 a un effet cytostatique voire cytotoxique sur des cellules B normales ou leucémiques mises préalablement en cycle mais non sur des cellules quiescentes. L'IL-24 inhibe également la différenciation plasmocytaire des cellules B humaines du centre germinatif dans un modèle de différentiation in vitro. Nous avons utilisé ce modèle pour analyser pour la première fois le transcriptome de cellules B stimulées ou non par IL-24 au bout de 6 et 36 h. Plusieurs transcrits impliqués dans le métabolisme et la réplication de l'ADN sont inhibés précocement à l'exception d'IGF-1 qui est stimulé. L'IGF1 ayant été décrit comme une molécule de survie des cellules B ou pré-B, nous avons analysé son effet biologique et démontré qu'il a au contraire un rôle proapoptotique à doses physiologiques. En revanche, l'IL-24 induit l'expression plus tardive des gènes de la voie mitochondriale de la mort cellulaire programmée (MCP). Cet effet est également retrouvé dans des LLC « IgVH mutées » ou non mais avec une cinétique distincte des cellules B normales. Au total, dans des cellules activées au préalable, l'IL-24 induit séquentiellement un blocage précoce du cycle cellulaire suivi d'une apoptose. D'autres gènes potentiellement importants dans la synapse immune ainsi que dans la régulation de l'immunité innée sont décrits et suggèrent que l'IL-24 a un rôle immunologique particulier au-delà de son effet cytostatique et potentiellement anti-tumoral / We have previously shown that Interleukin(IL)-24 a class-II cytokine of the IL-10 family has cytostatic and cytotoxic properties on normal and malignant human B-cells previously engaged into the cell cycle, but not on quiescent B-cells. IL-24 also inhibits the differentiation of germinal center B-cells in plasma cells in an in vitro model; the later was used to compare for the first time the transcriptome of B-cells cultured or not with IL-24 for 6 and 36h. Several "early" transcripts involved in DNA metabolism and replication were inhibited whereas that of Igf1 a molecule described as a B-cell growth factor was induced. We show herein that IgF1 has instead a proapoptotic role on B-cells at physiological concentrations. In contrast, several genes of the intrinsic apoptotic pathway were stimulated after 36h. This expression pattern was also found in CLL cells whether they were "IgVH mutated" or "unmutated", albeit with distinct kinetics from normal B-cells. In addition several genes belonging to the immune synapse and innate immunity were regulated by IL-24. These results disclose additional, possibly immunoregulatory properties, for IL-24 than its already described cytostatic and potentially anti-tumoral effects

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Le lupus érythémateux disséminé est une maladie auto-immune systémique très invalidante dont les atteintes sont multiples, les plus fréquentes étant cutanées, articulaires et rénales. Dans ce type de maladie, le système immunitaire, hyperactif, ne se limite pas à lutter contre des agents extérieurs mais s'attaque à ses propres cellules, entre autres par le biais d'auto-anticorps. Ces anticorps délétères sont produits par des plasmocytes, cellules issus de la différenciation des lymphocytes B. Ce processus se déroule principalement au sein des centres germinatifs (GC) dans les organes lymphoïdes secondaires, et fait intervenir de nombreux acteurs moléculaires et cellulaires. Mon projet de thèse a porté sur l'étude de la contribution du GC et de ses constituants, tels que les cellules auxiliaires folliculaires (Tfh) et l'IL-21, au cours du lupus. Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence une altération à la fois quantitative et qualitative des cellules Tfh chez des patients lupiques et dans un modèle murin, altération entre autres responsable de taux anormalement élevés d'IL-21. Nous avons également observé une sensibilité accrue des cellules B de souris lupiques à cette cytokine, dont la cause est une surexpression de molécules clés telles que STAT3, et dont la conséquence est un surcroit de différenciation plasmocytaire. Tous les éléments sont donc présents pour favoriser l'interaction "Tfh-B" et la réaction du GC, et amplifier la réponse autoimmune. Enfin, la découverte de l'existence de GC ectopiques fonctionnels dans les reins de souris lupiques permet d'envisager l'existence de réponses locales au sein même des organes cibles. Les données obtenues, fondamentales, sont prometteuses et laissent entrevoir de nouvelles perspectives de biothérapies, plus ciblées, pour le traitement de la maladie lupique. / Systemic lupus erythematosus is a disabling chronic autoimmune disease characterized by B cell hyperactivity leading to the production of autoantibodies, some of which exerting pathogenic effects. Autoantibodies are produced by plasma cells, which originate from the differentiation of B cells through a process that mainly takes place in germinal centers (GC) in secondary lymphoïd organs and involves many molecular and cellular parameters. The aim of my PhD project was to analyze the individual contribution of GC components, such as follicular helper T cells (Tfh) and IL-21, to lupus development. During this work, we have shown both a quantitative and qualitative impairment of Tfh cells in lupus patients and in a mouse model, leading, among other things, to high IL-21 levels. We also observed that B cells from lupus mice display a specific intrinsic sensitivity to this cytokine, due to over-expression of key molecules such as STAT3, which results in increased plasma cell differentiation. Thus, all elements are gathered that favor "Tfh-B" cell interactions and the GC reaction, and therefore the autoimmune response. Finally, the discovery of functional ectopic GC in the kidneys of lupus mice allows envisaging that local responses occur within the target organs and likely participate to kidney injury. The fundamental data we obtained are promising and anticipate new and better targeted biotherapies for lupus treatment.

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Le système immunitaire adaptatif est capable de produire une réponse spécifique contre presque tous le pathogènes qui agressent notre organisme. Ceci est dû aux anticorps qui sont des protéines secrétées par les cellules B. Les molécules qui provoquent cette réaction sont appelées antigènes : pendant une réponse immunitaire, les cellules B sont soumises à un processus d’apprentissage afin d’améliorer leur capacité à reconnaitre un antigène donne. Ce processus est appelé maturation d’affinité des anticorps. Nous établissons un cadre mathématique très flexible dans lequel nous définissons et étudions des modelés évolutionnaires simplifies inspirés par la maturation d’affinité des anticorps. Nous identifions les éléments constitutifs fondamentaux de ce mécanisme d’évolution extrêmement rapide et efficace : mutation, division et sélection. En commençant par une analyse rigoureuse du mécanisme de mutation dans le Chapitre 2, nous procédons à l’enrichissement progressif du modelé en ajoutant et analysant le processus de division dans le Chapitre 3 ,puis des pressions sélectives dépendantes de l’affinité dans le Chapitre 4. Notre objectif n’est pas de construire un modèle mathématique très détaillé et exhaustif de la maturation d’affinité des anticorps, mais plutôt d’enquêter sur les interactions entre mutation, division et sélection dans un contexte théorique simplifie. On cherche à comprendre comment les différents paramètres biologiques influencent la fonctionnalité du système, ainsi qu’à estimer les temps caractéristiques de l’exploration de l’espace d’états des traits des cellules B. Au-delà des motivations biologiques de la modélisation de la maturation d’affinité des anticorps, l’analyse de ce processus d’apprentissage nous a amenée à concevoir un modèle mathématique qui peut également s’appliquer à d’autres systèmes d’évolution, mais aussi à l’étude de la propagation de rumeurs ou de virus. Notre travail théorique s’accompagne de nombreuses simulations numériques qui viennent soit l’illustrer soit montrer que certains résultats demeurent extensibles a des situations plus compliquées. / The adaptive immune system is able to produce a specific response against almost any pathogen that could penetrate our organism and inflict diseases. This task is assured by the production of antigen-specific antibodies secreted by B-cells. The agents which causes this reaction are called antigens: during an immune response B-cells are submitted to a learning process in order to improve their ability to recognize the immunizing antigen. This process is called antibody affinity maturation. We set a highly flexible mathematical environment in which we define and study simplified mathematical evolutionary models inspired by antibody affinity maturation. We identify the fundamental building blocks of this extremely efficient and rapid evolutionary mechanism: mutation, division and selection. Starting by a rigorous analysis of the mutational mechanism in Chapter 2, we proceed by successively enriching the model by adding and analyzing the division process in Chapter 3 and affinity-dependent selection pressures in Chapter 4. Our aim is not to build a very detailed and comprehensive mathematical model of antibody affinity maturation, but rather to investigate interactions between mutation, division and selection in a simplified theoretical context. We want to understand how the different biological parameters affect the system’s functionality, as well as estimate the typical time-scales of the exploration of the state-space of B-cell traits. Beyond the biological motivations of antibody affinity maturation modeling, the analysis of this learning process leads us to build a mathematical model which could be relevant to model other evolutionary systems, but also gossip or virus propagation. Our method is based on the complementarity between probabilistic tools and numerical simulations.

Le lymphome angioimmunoblastique à cellules T (AITL) est un lymphome périphérique à cellules T agressif dont les symptômes sont la lymphadénopathie et l'hypergammaglobulinémie. Actuellement, les patients atteints du AITL ont des options de thérapeutiques limitées et des résultats cliniques défavorables, avec un taux de survie sur 5 ans d'environ 30%. Les cellules tumorales du AITL proviennent de cellules T CD4+ appelées cellules T auxiliaires folliculaires (Tfh). Les cellules Tfh sont essentielles dans le centre germinatif (GC), où elles facilitent l'expansion et la différentiation des cellules B en plasmocytes. Cette fonction d'aide est soutenue par de nombreuses protéines dérivées des cellules Tfh et des programmes de transcription qui pourraient aussi fonctionner dans les cellules tumorales du AITL. Par conséquent, la perturbation des principaux mécanismes de signalisation soutenant l'identité des cellules Tfh et leurs interactions avec les cellules B pourrait inhiber la croissance du AITL. Des études ont démontré que les cellules hyperactives de type Tfh provoquent une accumulation de cellules immunitaires telles que les cellules B, les plasmocytes et les macrophages dans les tumeurs. Cependant, le microenvironnement du AITL n'a pas été bien étudié et il n'a pas été vérifié si certaines cellules immunitaires pourraient être utilisées pour arrêter la croissance de la tumeur. Bien que l’on trouve des cellules Tfh circulantes dans l’AITL humain, le taux de propagation peut varier d’un patient à l’autre. Ainsi, une possibilité est la présence de mécanismes de surveillance immunitaire s'opposant à la progression de la tumeur. En accord avec cette hypothèse, un signal positif pour la phagocytose nommé SLAMF7 (contrebalancé par la voie inhibitrice CD47-SIRPα) est exprimé dans un sous-ensemble de patients atteints du AITL. Toutefois, la corrélation entre les différents niveaux d'expression du SLAMF7 et l'amélioration des résultats pour les patients n'a pas été étudiée. En utilisant des souris Roquinsan/+, qui développent spontanément l’AITL, nous avons étudié le rôle des mécanismes de signalisation immunitaire dans les cellules tumorales de type Tfh et du microenvironnement tumoral. Nous avons cherché à inhiber les protéines et les voies de signalisation typiques des cellules Tfh dans les tumeurs afin d'évaluer la valeur thérapeutique potentielle. Nous avons aussi étudié le rôle de la phagocytose dépendante des macrophages dans le contexte SLAMF7 et comment la modulation de la signalisation de CD47-SIRPα peut améliorer l'efficacité de la phagocytose des cellules tumorales. Notre hypothèse centrale est qu'en supprimant les programmes fondamentaux des cellules Tfh ou en favorisant l'élimination phagocytaire des cellules tumorales de type Tfh, nous pouvons favoriser la régression de la tumeur. Nous avons démontré que les tumeurs AITL nécessitent des protéines d’identité des cellules Tfh essentielles telles que le facteur de transcription Bcl6 et la protéine adaptatrice SAP, ainsi que la communication entre les cellules T et B (T-B). Même en l'absence de GC classiques, les cellules tumorales de type Tfh ont apporté un soutien aux cellules B. Cela est démontré par des titres élevés d'IgG et l'accumulation de cellules précurseurs des plasmocytes dans les tumeurs. Nous avons trouvé des preuves de l'opposition entre la surveillance immunitaire et l'évasion au sein des tumeurs de type AITL, car les cellules Tfh augmentent l’expression de la molécule inhibitrice CD47 tandis que les macrophages stimulent le niveau de SLAMF7. Les cellules de type AITL ont été phagocytées plus efficacement in vitro quand la signalisation du CD47 était bloquée. En résumé, nous démontrons que les voies de signalisation importantes pour l'identité des cellules Tfh et la communication entre les cellules T et B sont essentielles pour la progression de l’AITL et suggèrent qu’une surveillance immunitaire continue par les macrophages peut influencer l’évolution de la maladie. Des études futures pourraient explorer la possibilité de combiner des inhibiteurs de l'activité des cellules Tfh ou T-B avec des médicaments qui stimulent l'activité phagocytaire antitumorale pour améliorer l'efficacité thérapeutique du traitement. / Angioimmunoblastic T cell lymphoma (AITL) is an aggressive peripheral T cell lymphoma manifesting with symptoms such as generalized lymphadenopathy and hypergammaglobulinemia. Currently, AITL patients have limited treatment options and poor clinical outcomes with a 5-year survival rate around 30%. AITL tumor cells derive from a subset of CD4+ T cell, the T follicular helper (Tfh) cell. Tfh cells are essential in germinal centers (GC), where they facilitate B cell expansion and differentiation into plasma cells. This helper function is supported by numerous Tfh cell-derived proteins and transcriptional programs which may still be operational in AITL tumor cells. Therefore, disrupting key signaling mechanisms sustaining Tfh cell identity and their ability to interact with B cells could inhibit AITL tumor growth. Studies have demonstrated that these hyperactive Tfh-like cells lead to the accumulation of immune cell subsets such as B cells, plasma cells, and macrophages within tumor lymph nodes. Nevertheless, the AITL tumor microenvironment itself has not been well-studied and whether some immune cells could be harnessed to impede tumor growth has not been tested. In human AITL, although circulating Tfh cells have been reported, the rate of tumor spreading can vary between patients. As such, one possibility is the presence of immune surveillance mechanisms opposing tumor progression. In line with this idea, SLAMF7, a positive signal for macrophage-mediated phagocytosis (counterbalanced by the inhibitory CD47-SIRPα pathway), is expressed in a subset of AITL patients. Despite this, whether differing levels of SLAMF7 expression correlates with improved patient outcomes has not been investigated. Using Roquinsan/+ mice, a spontaneous AITL-like mouse model, we addressed the role of immune signaling mechanisms within Tfh-like tumor cells and the surrounding tumor microenvironment that would promote tumor regression. First, we aimed to inhibit signature Tfh cell proteins and downstream signaling pathways in developed AITL-like tumors to evaluate potential therapeutic value. Second, we investigated the role of macrophage-mediated phagocytosis in the context of SLAMF7 and how modulating CD47-SIRPα signaling may enhance the efficiency of AITL tumor cell engulfment. Our central hypothesis is that by removing fundamental Tfh cell supporting programs from tumor cells or by promoting the phagocytic removal of Tfh-like tumor cells we can favour tumor regression and impair future growth. Through this work, we demonstrated that AITL-like tumors continuously require critical Tfh cell identity proteins such as transcription factor Bcl6 and adaptor protein SAP, as well as T cell-B cell (T-B) crosstalk. Importantly, despite the absence of conventional GCs, Tfh-like tumor cells provided functional support to B cells as evidenced by elevated IgG titers and accumulation of plasma cell precursors in tumors. We also found evidence of opposition between immune surveillance and evasion within AITL-like tumors as Tfh-like cells upregulated inhibitory CD47 levels while macrophages increased expression of prophagocytic SLAMF7. Moreover, AITL-like tumor cells were more efficiently phagocytosed in vitro when CD47 signaling was blocked. Taken together, we demonstrate that pathways important for Tfh cell identity and T-B communication are critical for AITL-like disease progression and suggest that ongoing macrophage-mediated immune surveillance may influence disease outcomes. Future studies may explore combining inhibitors of Tfh cell activity or T-B crosstalk along with drugs which boost antitumor phagocytic activity to further improve the therapeutic efficacy of treatment.

Diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) is the most common non-Hodgkin’s lymphoma. Patients who fail conventional therapy (~50%) have a poor prognosis and few treatment options. It is essential to understand the underlying biological processes, the progression of the disease, and utilize this information to develop new therapeutics. DLBCL patients with high C-MYC expression have a poor prognosis and new therapeutics for these patients are needed. This thesis describes work testing the hypothesis that JQ1, which can indirectly inhibit C-MYC in some tumors, can be used as an effective treatment for DLBCL. Some tumors have an unknown mechanism causing high C-MYC expression, leading me to investigate the underlying mechanisms. YY1 is a transcriptional regulator of c- Myc and has been implicated in DLBCL and as a potential regulator of the germinal center (GC) reaction. DLBCL arises from GC cells or post-GC cells. I tested the hypothesis that YY1 regulates the GC reaction. SMURF2 is an E3-ubiquitin ligase for YY1 and a tumor suppressor for DLBCL. I was interested in examining the mechanism underlying the suppression of DLBCL by SMURF2 leading to the hypothesis that SMURF2 regulates the GC. This thesis shows JQ1 leads to cell death and cellular senescence in human DLBCL cells. I conclude that BRD4 inhibition by JQ1 or derivatives could provide a new therapeutic avenue for DLBCL patients. I also show loss of YY1 perturbs the GC by decreasing the dark zone and increasing apoptosis. Finally I show modulation of SMURF2 does not affect the GC, suggesting SMURF2 utilizes a different mechanism to act as a tumor suppressor and may not modulate YY1 in the context of the GC.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Germinal Centers (GCs) are transient lymphoid structures that arise in lymphoid organs in response to T cell-dependent antigen. Within the GC, follicular T helper (TFH) cells promote GC B cell differentiation and in turn the proper antibody production to protect us from invading pathogens. We wished to study the regulation of this process by transcription factors STAT3 and Bcl6. STAT3 is important for both TFH cell differentiation and IL-4 production by Th2 cells. IL-4 is a major functional cytokine produced by TFH cells. To dissect the role of STAT3 in IL-4 production by TFH cells, we generated T cell-specific conditional STAT3 knockout mice (STAT3KO). Compared to WT mice, TFH cell differentiation in STAT3KO mice was partially impaired, both in spleen following sheep red blood cells (SRBC) immunization and in Peyer's patches (PPs). In STAT3KO mice, the numbers of splenic GC B cells were markedly decreased, whereas PP GC B cells developed at normal numbers and IgG1 class switching was greatly increased. Unexpectedly, we found that STAT3 intrinsically suppressed the expression of IL-4 and Bcl6 in TFH cells. Mechanistically, in vitro repression of IL-4 expression in CD4 T cells by Bcl6 required STAT3 function. Apart from TFH cells, the GC reaction is also controlled by regulatory follicular T helper (TFR) cells, a subset of Treg cells. To study the mechanism of how TFR cells regulate the GC reaction, we generated mice specifically lacking TFR cells by specifically deleting Bcl6 in Treg cells. Following immunization, these "Bcl6FC" mice developed normal TFH and GC B cell populations. However, Bcl6FC mice produced altered antigen-specific antibody responses, with reduced titers of IgG and increased IgA. Bcl6FC mice also developed IgG antibodies with significantly decreased avidity to antigen in an HIV-1 gp120 "prime-boost" vaccine model. Additionally, TFH cells from Bcl6FC mice produced higher levels of Interferon-γ, IL-10 and IL-21. Loss of TFR cells therefore leads to highly abnormal TFH and GC B cell responses. Overall, our studies have uncovered unexpected regulatory roles of STAT3 in TFH cell function as well as the novel regulatory roles of TFR cells on cytokine production by TFH cells and on antibody production.