京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医科学) / 乙第13588号 / 論医科博第11号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 濵﨑 洋子, 教授 河本 宏, 教授 金子 新 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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<p>Despite improvements in detection and treatment, cancer is the leading cause of death worldwide. Current treatment modalities have not been able to improve the mortality rates and significant toxicities limit efficacy. Therefore there is a need for development of novel therapeutics.</p> <p>Oncolytic viruses have the ability to efficiently replicate in and destroy tumours while leaving normal tissues unharmed. These treatment platforms have been gaining momentum in recent years due to pre-clinical and clinical successes. Oncolytic viruses are extremely safe with limited toxicity observed in phase I/II clinical trials, and objective responses have been observed in some patients treated with oncolytic viruses. However, there is still room to improve on these therapeutic platforms.</p> <p>Recently, the importance of the induction of anti-tumour immunity during oncolytic virotherapy has been realized and harnessing this immune response can be used to improve current oncolytic virus platforms. To this end we have conducted numerous studies assessing our ability to improve oncolytic VSV through the addition of transgenes to enhance the immunostimulatory properties of oncolytic VSV treatment. These studies showed that only the addition of a highly secreted form of human IL-15 was able to improve VSV therapy through enhanced anti-tumour immunity. However, expressing cell-autonomous transgenes from oncolytic VSV was unable to modify the therapeutic efficacy of VSV due to limited replication, both temporally and geographically within the tumour, and the indirect vascular shutdown induced by VSV infection of tumours. We believe that the drastic vascular shutdown observed following VSV therapy is an important component to the success of VSV and we have investigated which steps in this process are critical for induction of anti-tumour immunity.</p> <p>The research presented in this thesis further enforces the requirement for induction of anti-tumour immune responses in the success of OV therapy. Our findings also indicate that manipulating the tumour as a whole, rather than the virus, will lead to improved oncolytic therapeutics.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

<p>IL-15 is a cytokine that has effects on both innate and adaptive immune cells, including NK and CD8 T cells. The involvement of these cell types in tumor immunosurveillance and eradication has led to interest in IL-15 as an immunotherapy. Its role in spontaneous solid cancers has not been studied thoroughly. Here, we have shown for the first time that IL-15 overexpression in a spontaneous breast cancer model, MMTV-polyoma Middle T antigen (MT), leads to increased survival, tumor destruction, and decreased metastasis (IL-15 TG/MT). In contrast, lack of IL-15 led to decreased survival (IL-15 KO/MT) and increased metastasis. Protection in IL-15 TG/MT mice was dependent upon the presence of highly activated NK1.1+ cells, but not dependent upon CD8 T cells. The cytokine environment in IL-15 TG/MT tumors was capable of activating human NK cells to kill human triple negative breast cancer cells. In a model of metastasis, we found that overexpression of IL-15 protected from metastasis in a NK cell dependent manner. Lack of IL-15 promoted the polarization of CD4 T cells to a Th2 phenotype and they influenced polarization of macrophages to an M2 phenotype. M2 macrophages help establish tumors at the metastatic site. Here we found that M1 polarized macrophages could prevent engrafted breast tumor formation, whereas M2 macrophages promoted it. Overall, IL-15 is an extremely promising immunotherapy that has more anti-tumor effects on the immune system than were previously appreciated. Additionally, our data argues that it could generate immune responses against both primary breast cancer and metastasis.</p> / Doctor of Philosophy (Medical Science)

Abstract : Pro-inflammatory cytokines play a key role in pathogenesis of obesity and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). IL-15 is a pro-inflammatory cytokine, which signals through a receptor complex composed of the IL-15 receptor (IL-15R) alpha chain, the IL-2/IL-15R beta chain and the common gamma chain. The functions of IL-15 have been extensively described in immune cells but less is known about its functions in others tissues such as the liver. The aim of this thesis is to investigate the role of IL-15 in fatty liver disease. C57BL/6 wildtype (WT) and IL-15 knockout (Il15[superscript -/-]) mice were maintained on high fat diet (HFD) or normal control diet (NCD). After 16 weeks, body weight, liver mass, fat accumulation in the liver, serum lipid levels and gene expression in the liver were evaluated. Intrahepatic lymphocytes (IHL) were also analysed. Primary hepatocytes were stimulated with IL-15 and chemokines gene expression was studied. IHLs were examined in WT, Il15[superscript -/-] and Il15ra[superscript -/-], as well as in macrophage- and hepatocyte-specific Il15ra[superscript -/-] mice. We found that IL-15 deficiency prevents weight gain and accumulation of lipids in the liver. Circulating levels of cholesterol and non-esterified fatty acids were elevated in WT mice but not in Il15[superscript -/-] mice. Hepatic expression of chemokines such as Ccl2, Ccl5 and Cxcl10 was increased in WT mice under HFD, but not in Il15[superscript -/-] mice. The livers of Il15[superscript -/-] and Il15ra[superscript -/-] mice also showed decreased expression of Tnfa and iNOS, and macrophage markers Cd68 and F4/80. Accordingly, stimulation of primary hepatocytes with IL-15 induced chemokine gene expression in WT but not in Il15ra[superscript -/-] hepatocytes. Furthermore, hepatocyte-specific ablation of IL-15Rαreduced infiltration of NK and NKT cells in the liver, suggesting that IL15Rα expression in the hepatocytes is needed for the recruitment and/or maintenance of the NK cell population in the liver. In conclusion, IL-15 promotes fat accumulation in the liver, and this is associated with increased inflammatory response in the liver. Increased availability of IL-15 in obesity may stimulate hepatocytes to secrete chemokines that promote hepatic inflammation resulting in fatty liver disease. IL-15Rα expression in hepatocytes appears to play a role in the maintenance of NK, NKT and iNKT cells. // Résumé : Les cytokines pro-inflammatoires jouent un rôle important dans la pathogenèse de l’obésité et la stéatose hépatique. L'IL-15 est une cytokine pro-inflammatoire qui est trans-présentée par l'IL-15Rα aux chaines IL-2/IL-15Rβ et γc. La fonction de l'IL-15 a été largement décrite dans les cellules immunitaires, mais ses fonctions dans d'autres tissus sont moins connues. Le but de ce mémoire est d'élucider le rôle de l'IL-15 dans la stéatose hépatique. Les souris C57BL/6 de type sauvage (WT) et Il15[indice supérieur -/-] ont été soumises à un régimehyperlipidique (HFD) ou à un régime normal. Après 16 semaines, le poids corporel, lamasse hépatique, l'accumulation de lipides dans le foie, les taux de lipides sériques et l'expression des différents gènes reliés à l’inflammation et au métabolisme dans le foie ont été évalués. Les lymphocytes intra-hépatiques (IHL) ont été également étudiés. Des hépatocytes primaires ont été stimulés avec IL-15, et l'expression génique de chimiokines a été déterminée. Les populations de IHLs ont été également caractérisées chez les souris WT, Il15[indice supérieur -/-] et Il15ra[indice supérieur -/-], ainsi que chez des souris dont la déficience dans l’expression d’IL-15Rα est ciblée aux macrophages ou aux hépatocytes. Nos résultats montrent que la déficience en IL-15 empêche l'accumulation de lipides dans le foie. Les taux de cholestérol et d’acides gras non estérifiés dans le sang étaient élevés chez les souris WT, mais pas chez les souris Il15[indice supérieur -/-]. L'expression hépatique des chimiokines Ccl2, Ccl5, Cxcl10 et des marqueurs de macrophages était augmentée chez les souris WT sous HFD, mais pas chez les souris Il15[indice supérieur -/-]. La stimulation des hépatocytes primaires avec l'IL-15 induit l'expression des gènes des chimiokines chez les hépatocytes WT, mais pas chez les Il15ra[indice supérieur -/-]. En outre, nous avons trouvé une infiltration réduite des cellules NK et NKT dans le foie des souris déficientes en Il15ra[indice supérieur -/-] dans les hépatocytes, ce qui suggère que l'expression d’IL15Rα chez les hépatocytes est nécessaire aurecrutement des cellules NK, NKT et / ou à leur maintien. En conclusion, nous proposons que l’IL-15 favorise l'accumulation de lipides dans le foie, et que ceci est associée à une réponse inflammatoire accrue. La disponibilité accrue de l'IL-15 dans l'obésité pourrait stimuler les hépatocytes à secréter des chimiokines ce qui favorise l'inflammation hépatique et conduirait à la stéatose hépatique. L’expression de l'IL-15Rα dans les hépatocytes semble jouer un rôle principal dans l’infiltration des cellules NK, NKT et iNKT dans le foie.

L’épuisement des lymphocytes T CD8+ (LT CD8) est une voie de différentiation unique survenant lors de contextes pathologiques particuliers ayant en commun la persistance d’antigènes dans l’hôte, tel que les infections virales chroniques (expl : VIH, hépatites B et C) et différents types de cancers. Il apparait aujourd’hui très clairement que ce mécanisme est à l’origine de l’échec de l’immunité adaptative face à ces pathologies particulièrement néfastes pour l’homme. L’étude de ce processus a mené à la découverte de cible thérapeutiques d’un grand intérêt (« immune checkpoints ») pouvant être ciblées pour corriger et/ou reverser l’épuisement. Les essais thérapeutiques ayant découlés de ces découvertes ont donné des résultats extrêmement prometteurs dans le traitement de plusieurs cancers. Cependant, bien que ces thérapies ciblées permettent un regain temporaire de la fonction des LT CD8+, elles ne permettent pas d’inverser le processus d’épuisement. Il est donc crucial aujourd’hui de se tourner vers les agents causateurs de cet état d’épuisement qui restent très méconnues à ce jour. La famille de cytokines partageant la chaine commune gamma (cytokines gamma c) comprenant l’IL-2 -4 -7 -9 -15 et -21 sont des acteurs solubles clés de l’immunité adaptative. Ces cytokines sont intimement liées aux processus de développement, d’homéostasie, de différenciation et de maintenance des lymphocytes T. Parmi elles, l’IL-2 et l’IL-15 ont un rôle majeur dans le processus de différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue. Malgré cela, l’implication de ces cytokines dans l’épuisement des LT CD8+ dans un contexte d’infection virale chronique n’a jamais été investiguée. En se basant sur les connaissances actuelles des rôles de l’IL-2 et de l’IL-15 sur la différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue, nous avons émis l’hypothèse que ces cytokines pourraient promouvoir l’épuisement dans un contexte d’infection virale chronique. Dans un premier temps, nous avons démontré chez l’homme (patients atteints d’hépatite C chronique) et la souris (modèle LCMV Clone 13) que la chaîne beta du récepteur à l’IL-2 (IL2R beta[CD122]) qui se lie à l’IL-2 et l’IL-15 reste sélectivement exprimée à la surface des LT CD8+ épuisés au cours d’une infection virale chronique. De plus, une expression élevée de cette chaîne de récepteur corrèle avec un épuisement plus sévère des LT CD8+ chez l’homme et la souris. En développant un modèle murin dans lequel les LT CD8+ sont déficients pour cette chaîne, nous avons démontré que l’IL-2 et IL-15 contrôlent plusieurs aspects clés du processus d’épuisement. Ces cytokines augmentent l’expression de plusieurs récepteurs inhibiteurs (caractéristiques de l’épuisement) et contrôlent même directement l’expression de certains d’entre eux (notamment 2B4 et TIM-3). L’IL-2 et l’IL-15 dirigent également la différenciation terminale des LT CD8+ vers un état d’épuisement extrême et abrogent de manière irréversible leur potentiel de différenciation en cellules mémoires. Nous montrons donc pour la première fois un rôle clé de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique. Dans un deuxième temps nous avons investigué les fonctions individuelles et redondantes de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+. Nous avons également déterminé les fenêtres d’actions déterminantes de ces cytokines et les mécanismes intracellulaires clés par lesquels elles contrôlent le processus d’épuisement. L’IL-2 et l’IL-15 coopèrent pour promouvoir l’expression de 2B4 et TIM-3 à la surface des LT CD8+ et ces cytokines semblent collaborer pour diriger leur différenciation terminale. En revanche, les signaux médiés par l’IL-2 pendant la phase de « priming » abrogent sélectivement leur potentiel de différenciation en cellules T centrales mémoires (Tcm) alors que l’IL-15 semble plutôt supprimer celle des T effecteurs mémoires (Tem) pendant la phase chronique. Pour finir, nous avons identifié la voie JAK3/STAT5 comme étant la principale voie intracellulaire par laquelle l’IL-2 et l’IL-15 dirigent l’épuisement des LT CD8+. Au cours de cette thèse, nous avons donc mis en évidence un nouveau rôle de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique. Nos résultats apportent une meilleure compréhension du processus d’épuisement des LT CD8+ et démontrent pour la première fois une implication des cytokines. Nous espérons que ces travaux contribueront à améliorer les stratégies thérapeutiques actuelles contre le cancer et les infections virales chroniques. / CD8+ T cell exhaustion is a unique differentiation pathway which occurs during particular pathological contexts such as chronic viral infections (i.e. HIV, HCV and HBV) and cancers in which antigen (Ag) persists in the host. It appears clear now that this mechanism provokes the failure of adaptive responses against these pathologies and is particularly harmful to humans. The study of this process has led to the discovery of relevant molecules (“immune checkpoints”) that can be targeted to prevent and/or reverse exhaustion. Ensuing clinical trials have provided extremely promising results in the treatment of several cancers. However, although these targeted therapies allow a temporary regain of CD8+ T cell functions they still fail at reversing the exhaustion process. It is thus crucial to investigate the causative factors of such process that remain to be identified. The common gamma-chain (gamma c) family of cytokines which includes IL-2, -4, -7, -9, -15, and -21 are key soluble mediators involved in the development of adaptive immunity. These cytokines are intimately linked to T cell development, homeostasis, differentiation and maintenance. Among them, IL-2 and IL-15 display important functions on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection. However, impact of these cytokines on CD8+ T cell responses during a chronic viral infection remains to be investigated. Based on current knowledge of the functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection, we hypothesized that these cytokines promote CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. We first demonstrate in a mouse model of chronic viral infection (LCMV clone 13) and patients with chronic HCV that the IL-2-receptor beta chain (IL2R beta [CD122]) a cytokine receptor chain which binds to both IL-2 and IL-15 is selectively expressed on exhausted CD8+ T cells during a chronic viral infection. The intensity of CD122 expression positively correlates with severe exhaustion of CD8+ T cells in mice and humans. Using a mouse model in which CD8+ T cells lack the expression of the IL2R beta-chain, we demonstrate that IL-2 and IL-15 control several aspects of exhaustion. IL-2 and IL-15-dependent signals sustain the expression of several inhibitory receptors (characteristic of exhaustion) on CD8+ T cells and directly control the expression of some of them (e.g. 2B4 and TIM-3). IL-2 and IL-15 also direct the terminal exhaustion of CD8+ T cells and irreversibly abrogate their developmental plasticity toward memory T cell development. Together, we show for the first time key functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. Next, we investigated the unique and redundant functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell exhaustion. We also determined individual time-frames of these cytokines and intracellular pathways by which they control CD8+ T cell exhaustion. IL-2 and IL-15 cooperate to promote 2B4 and TIM-3 expression on CD8+ T cells, and these cytokines likely collaborate to direct terminal exhaustion. In contrast, IL-2-dependent signals during priming preclude subsequent differentiation into central memory cells (Tcm) while prolonged exposure to IL-15 upon viral persistence likely suppresses effector memory cell (Tem) developmental potential. Finally, we demonstrate that the JAK3/STAT5 pathway is the dominant pathway by which IL-2 and IL-15 direct CD8+ T cell exhaustion. This thesis provides evidence of novel functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. These results increase our understanding of the CD8+ T cell exhaustion process and demonstrate for the first time the involvement of cytokines. We hope that this work will contribute to the improvement of actual therapeutic strategies against chronic viral infections and cancers.

Successful treatment of cancer with adoptive immunotherapy (AIT) is dependent on the ability to produce large numbers of tumor-specific, functional T cells. The purpose of this thesis is to explore ways in which T cell expansion could be augmented. We have focused on exploring alternate gamma chain cytokines as stimulators of T cell proliferation and differentiation in addition to investigating the potential usefulness of gemcitabine (GEM) in abrogating the immunosuppressive effects of myeloid derived suppressor cells (MDSCs). B16 melanoma sensitized draining lymph node cells that have been activated in vitro with bryostatin-1 and ionomycin (B/I) were expanded in either IL-7/15 or in IL-2. We found that IL-7/15 was superior to IL-2 in expanding T cells for AIT of pulmonary metastases. Expansion of antitumor T cells was also improved by suppressing accumulation of MDSCs in mice bearing 4T1 mammary carcinoma using GEM. GEM directly inhibits both 4T1 mammary carcinoma cells and MDSCs. Its inhibition of MDSCs rescued tolerant T cells, augmenting both expansion and response to tumor antigen.

The kinetics of tumor growth and progression are governed by the interaction between tumor cells, the non-malignant stroma and both innate and adaptive immune cell lineages. Innate immunity has a critical role in the control of tumor cell growth and metastasis. The microenvironment of many tumors is populated with innate immune cells, including regulatory natural killer (NK) cells and dendritic cells (DCs), tumor associated macrophages, and myeloid derived suppressor cells, that suppress normal immune function. Much of our understanding of interactions between tumors and the innate immune system is based on experimental studies performed in mouse “syngenic” models. However, there is clear need for a mechanistic understanding of the human innate immune system within the tumor microenvironment. The goal of my thesis is to characterize the interactions between human innate immune cells and tumors and to define specific pathways and cell lineages that are targets for immune modulation. A central focus of my thesis is the use of cutting-edge humanized mouse models based on the immunodeficient NOD-scid IL2Rgnull (NSG) mouse strain to study human immuno-oncology. In the first section of my thesis I describe studies that evaluate the influence of inflammatory stimuli on innate immune control of tumors. Agents that induce inflammation have been used since the 18th century for the treatment of cancer. The inflammation induced by agents such as toll-like receptor (TLR) agonists is thought to stimulate tumor-specific immunity in patients and augment control of tumor burden. While NSG mice lack murine adaptive immunity (T and B cells), these mice maintain a residual murine innate immune system that responds to TLR agonists. Here I describe a novel NSG mouse strain lacking TLR4 that fails to respond to lipopolysaccharide (LPS). NSG-Tlr4null mice support human immune system engraftment and enables the study of human specific responses to TLR4 agonists. My data demonstrate that specific stimulation of TLR4 activates human innate immune system and promotes regression of human patient derived xenograft (PDX) tumors. In the second section of my thesis I describe the development of an NSG mouse strain that constitutively expresses human Interleukin 15 (IL15) and supports the development of functional human NK cells. Using humanized NSG-IL15 transgenic mice (NSG-Tg(Hu-IL15), my data clearly demonstrate a critical role for human NK cells in limiting growth of a PDX melanoma. In the third section of my thesis I describe, the use of the bone marrow/liver/thymus (BLT) humanized mouse model to study the interactions between the human immune system and PDX melanoma and to evaluate the response of the melanoma to immunotherapy modalities. My results collectively suggest that mice engrafted with human immune systems and bearing human tumors can be harnessed as translational models, which are critically needed as tools to study tumor immunotherapy. These humanized mouse models are an ideal translational tool to advance our understanding of human immuno-oncology and for development and testing of novel immune therapies for the treatment of malignancies.

Résumé : L'activation des lymphocytes T CD8+ naïfs par un antigène nécessite deux signaux. Le premier signal est médié par le récepteur des cellules T (TCR) à la suite de son interaction avec le complexe majeur d'histocompatibilite (CMH) de classe I. Le deuxième signal est délivré par l'interaction des molécules de co-stimulation avec leur récepteur spécifique retrouvé sur les cellules présentatrices d'antigène professionnelles. Toutefois en réponse à la pression homéostatique, comme dans le cas de la lymphopénie, les lymphocytes T naïfs sont soumis à une prolifération sans stimulation antigénique par un processus appelé «prolifération induite par la lymphopénie (LIP)». LIP des lymphocytes T CD8+ naïfs nécessite IL-7, et un peptide du soi présenté pas le CMH de classe I. Des travaux récents de notre laboratoire ont montré que les cytokines homéostatiques IL-7 et IL-15 peuvent agir en synergie avec IL-21 et induire une prolifération antigène-indépendante des cellules CD8+ naives. Cette activation "sensibilise" les cellules à proliférer en réponse à une concentration sub-optimale de l'antigène spécifique au TCR. Également les cellules pré-stimulées avec des cytokines produisent davantage de cytokines effectrices telles que le TNFa et l'IFNy; et possèdent un potentiel plus élevé de cytotoxicity après stimulation avec un antigène spécifique. Dans mon projet de maitrise, j'ai étudié la possibilité que la pré-stimulation par les cytokines pouvait être un mécanisme important par lequel des cellules T CD8+ naïves qui sont potentiellement autoréactives soient stimulées pour provoquer une maladie auto-immune telle que le diabète de type 1. J'ai démontré cela en utilisant un modèle de souris transgéniques. Ces souris produisent des cellules T CD8+ qui expriment le TCR transgénique P14 (cellules PI4) , lesquelles reconnaissent un peptide antigénique dérivé de l'antigène glycoprotein (GP33) du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV). Nous avons montré qu'une pré-stimulation avec PIL-21 en présence de l'IL-7 ou l'IL-15, les cellules P14 acquièrent la capacité de répondre vigoureusement à des ligands peptidiques modifiés qui montrent une faible activité agoniste envers les cellules P14 naives. Les cellules P14 préstimulées qui sont re-stimulées avec des ligands peptidiques modifiés montrent des puissantes fonctions effectrices telles que la cytotoxicité et la production des cytokines effectrices TNFa et IFNy. Ces cellules induisent le diabète de type 1 lorsqu'elles ont été transférées dans des souris qui expriment l'antigène GP LCMV sous le contrôle du promoteur de l'insuline dans les îlots de Langerhans. Dans l'ensemble, nos résultats montrent que l'IL-15 et l'IL 21 produites durant une réponse inflammation chronique pourraient pré-stimuler des cellules T CD8+ potentiellement autoréactives, conduisant ainsi à des maladies auto-immunes. // Abstract : The activation of naive CD8[superscript +]T cells by an antigen requires two different signals. The first signal is mediated via the T cell receptor (TCR) following its interaction with the peptide presented on class-I major histocompability complex (MHC-I) molecules. The second signal is delivered via the co-stimulatory receptors upon recognition of their ligands on antigen presenting cells. However, in response to homeostatic pressure, as in lymphopenia, naive T cells undergo proliferation without antigenic stimulation through a process referred to as lymphopenia-induced proliferation (LIP). LIP of naive CD8[superscript +] T cells requires IL-7 and a self peptide presented by MHC-I, which implies that TCR signaling is needed for LIP of naive CD8[superscript +]T cells. Recent work from our laboratory has shown that with the homeostatic cytokines IL-7 and IL-15 synergize with IL-21 to induce antigen-independent proliferation of naive CD8[superscript +]T cells. Moreover, this cytokine-driven, antigen-independent proliferation "sensitizes" or "primes" naive CD8[superscript +] T cells to undergo robust proliferation in response to limiting concentrations of their cognate antigens. Cytokine-primed CD8[superscript +]T cells also abundantly produce effector cytokines, such as TNF? and IFN? and display a potent CTL activity following stimulation by antigen when pre-stimulated. In my project, I have investigated whether cytokine-induced priming could be an important mechanism by which potentially autoreactive naive CD8[superscript +]T cells are stimulated to cause autoimmune disease using a TCR transgenic mouse model of autoimmune type 1 diabetes (T1D). These mice harbor CD8[superscript +]T cells that express transgenic P14 TCR (P14 cells), which recognizes an antigenic peptide derived from the glycoprotein antigen (GP33) of lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV). We show that, following priming with IL-21 in the presence of IL-7 or IL-15, P14 cells gain the ability to respond robustly to modified peptide ligands that possess weak agonistic activity towards unprimed P14 cells. Furthermore, cytokine-primed P14 cells stmulated with weak TCR ligands displayed potent effector functions such as cytotoxicity and production of effector cytokines, TNF? and IFN?. These cells also induced T1D when adoptively transferred to mice that expressed the LCMV GP antigen under the control of the insulin promoter in the islets. Collectively, our findings show that IL-15 and IL-21 produced during chronic inflammatory conditions could cause priming of potentially autoreactive CD8[superscript +]T cells, leading to autoimmune diseases. [symboles non conformes]

Les cellules T CD8+ jouent un rôle primordial dans le contrôle des infections virales en limitant la dissémination des cellules infectées. Lors de l’infection chronique par le virus HIV, les cellules T CD8+ HIV-spécifiques ne se différencient pas en cellules effectrices fonctionnelles capables de tuer les cellules infectées par le virus ; ces cellules ne sont plus capables de proliférer ou de produire l’ IL-2. Ces cellules expriment PD-1 et l’engagement de PD-1, par son ligand, aboutit a plusieurs de ces déficits fonctionnels des cellules T . Le rôle de PD-1 dans la régulation d'évènements transcriptionnels contrôlant la différentiation et l'obtention des fonction effectrices des cellules T CD8+ reste à démontrer. Id2 joue un rôle central dans la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. Nous avons émis l’hypothèse que le défaut de maturation observé chez les cellules T CD8+ PD-1 high HIV-spécifiques (CD8+PD-1hi) au cours de l’infection chronique par le virus HIV pouvait être lié à la diminution d’expression du régulateur Id2. Nous avons ainsi démontré que l'engagement de PD-1 contribuait à une diminution d'expression de Id2 et de ses cibles transcriptionnelles. La surexpression de Id2 de ces cellules a permis de restaurer l'expression de marqueurs tels que Granzyme B et Bcl-2 et diminuir l’expression du marqueur de maturation de CD27. La famille des cytokines à chaine gamma joue un rôle clef dans la survie et l’homéostasie des cellules T. Dans ce travail, nous avons démontré que l’IL-15 était unique grâce à ses capacités de stimulation de l’expression d’Id2 et ses propriétés favorisant la survie ainsi que la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. l’IL-15 induit la prolifération de toutes les populations de cellules T mémoires provenant de donneurs sains. L’addition de cette cytokine aux sous-populations cellulaires Ttm et Tem a permis leur différenciation en cellules effectrices capables de produire Granzyme B alors que la stimulation par l’IL-15 des cellules Tcm ne favorise pas leur différenciation. Un test de cytotoxicitié par cytométrie en flux nous a permis de confirmer que la stimulation de cellules T CD8+ HIV spécifiques par l’IL-15 favorisait l’expression de Id2 et restaurait les fonctions cytotoxiques des cellules T CD8+ HIV spécifiques. En conclusion, nous avons pour la première fois dans cette thèse défini les mécanismes moléculaires impliqués dans la modulation de l’expression du régulateur transcriptionnel Id2 par l’IL-15. Nous avons également révélé comment l’engagement de PD-1 conduisait a une altération de l’expression et de la fonction d’Id2 et favorisait la diminution des fonctions effectrices des cellules T CD8-HIV spécifiques. Une perspective de traitement avec des agents tels que l’IL-15 ou le bloquage de PD-1, en combinaison avec les traitements conventionnels, pourrait contribuer à une meilleure stimulation des réponses immunes favorisant ainsi la réactivation des cellules T CD8+ et permettant la destruction de cellules T CD4+ infectées de manière latente. / CD8+ T cells play a fundamental role in controlling viral replication and dissemination by killing virus-infected cells. However during chronic HIV infection HIV-specific CD8+ T cells fail to differentiate to functional cytotoxic effector cells and develop functional defects such as loss of IL-2 secretion, decreased proliferation and express high levels of PD-1. Persistent expression of PD-1 and triggering by its ligand results in immune dysfunction; it is not known how PD-1 signaling influences transcriptional events involved in T cell differentiation and effector function. We found that the transcriptional regulator Id2 was downregulated in PD-1hi HIV-specific CD8+ T cells when compared to PD-1low CMV-specific CD8+ T cells from the same HIV-infected donors. Since Id2 has been shown to play a central role during differentiation of effector CD8+T cells, we hypothesized that skewed maturation of the PD-1hi HIV-specific CD8+ T during chronic HIV infection could result from decreased levels of Id2. We found that signals transduction pathways downstream of PD-1 ligation inhibited the expression of Id2; transfection of PD-1hi effector cells from HIV infected individuals with a Tat-Id2 construct could reverse an apoptotic fate associated with the exhausted phenotype. Finally, overexpression of Id2 restored expression of Granzyme-B and Bcl-2 and led to a decreased expression of the T cell maturation marker CD27. Although the extrinsic signals and costimulation needed to activate cell proliferation and effector function are well known, signal-transduction pathways that regulate differentiation of memory cells to effector cells are beginning to be understood. Thechain family of cytokines is essential for the survival and homeostasis of T cells; they have pleiotropic effects on the differentiation of effector and memory virus-specific CD8+ T cells. IL-15 was unique among gamma-chain cytokines in upregulating the expression of Id2 and promoting the survival and differentiation of effector memory CD8+ T cells. IL-15 induced proliferation of all memory subsets from healthy subjects but only induced differentiation, Granzyme-B production, and cytotoxic effector function in CD8+ Ttm and Tem cells. Stimulation of Tcm with IL-15 failed to induce their differentiation; this was associated with their decreased ex vivo levels of IL-15R when compared to Tem and Ttm subsets. Finally, we developed a single cell flow-cytometry cytotoxicity assay, and found that stimulation of CD8+T cells from HIV chronically infected subjects with peptide plus IL-15 induced the differentiation of tetramer+ CD8+ Ttm cells and restored Id2 expression and their cytotoxic activity . Overall, we illustrate in this thesis, for the first time, the molecular mechanisms of effector T cell differentiation mediated by IL-15 and its downstream transcriptional regulator Id2; we reveal how PD-1 engagement leads to alteration of the Id2 pathway leading to decreased effector function of the HIV-specific CD8+ T cells. Immunotherapy with agents such as IL-15 or PD-1 blocking antibody that increase levels of Id2 expression , in combination with HAART, should trigger the functional re-activation of HIV-specific CD8+ T cells and the killing of latently HIV-infected CD4+ T cells.