Background: Relapsing-remitting multiple sclerosis (RRMS) is an autoimmune inflammatory disorder of the central nervous system, with significant morbidity and mortality. The lymphocyte depleting, anti-CD52 monoclonal antibody alemtuzumab is a highly effective treatment option in RRMS, though associated with high rates of secondary autoimmune disorders. As alemtuzumab is now in routine clinical use, following licensing in Europe and the US, understanding the effects of repeated treatment cycles and reducing the risk of secondary autoimmunity is timely and essential. In this thesis, I explore how repeated treatment impacts the extent of lymphodepletion. I also study the role of soluble CD52, recently described as suppressive via interaction with Siglec-10, in the mechanism of secondary autoimmunity, and determine the biomarker potential of pre-treatment cytokine levels. Findings: CD4 and CD8 lymphocytes are less effectively depleted with repeated treatment cycles. Lymphocyte surface CD52 density was found by flow cytometry to be significantly lower after alemtuzumab treatment, although CD52-negative clones are not seen. In a cytolysis assay, reduced CD52 density was shown to correlate with reduced susceptibility to alemtuzumab. In addition, activated proliferating T lymphocytes, as observed after treatment, downregulated CD52 expression in a gene expression assay and shed the antigen from cell surface as demonstrated by ELISA and flow cytometry. The development of immunoassays to detect and quantify anti-idiotype antibodies to alemtuzumab is presented. The occurrence of antibodies at retreatment did not reduce lymphocyte depletion. A regulatory role for soluble CD52 was not found in suppression assays, and the proportion of antigen-activated CD52hi T cells did not vary between healthy controls and RRMS individuals. Siglec-10 was not seen on cell surface of activated T cells by flow cytometry and gene expression; thus concluding that soluble CD52 does not play a role in post-alemtuzumab induced autoimmunity. Prior to treatment, the only serum cytokine found to distinguish individuals who develop autoimmunity from those who do not was IL-21 (higher in the autoimmune cohort), however currently commercially available IL-21 immunoassays have no utility as predictive biomarker tests.

La mégacaryocytopoïèse est le processus de différenciation des cellules souches hématopoïétiques en mégacaryocytes produisant les plaquettes sanguines. Des données de transcriptome indiquent la présence des récepteurs aux interleukines (IL) -10, -17A et -21 sur les mégacaryocytes. Mon travail montre que les IL-10 et -17 n’ont pas d’effet apparent sur la prolifération et la différenciation in vitro des mégacaryocytes à partir des progéniteurs hématopoïétiques humains CD34+. Cependant, l’IL-21 augmente la prolifération des progéniteurs mégacaryocytaires dérivés de ces cellules et sans modifier leur différenciation. Les mégacaryocytes de la moelle osseuse humaine expriment aussi le récepteur à l’IL-21, ce qui suggère un rôle direct de l’IL-21 sur la mégacaryocytopoïèse in vivo. De façon concordante, l’expression de l’IL-21 chez la souris stimule la mégacaryocytopoïèse ainsi que la production des plaquettes, mais augmente la clairance des plaquettes par les macrophages. Ces travaux suggèrent que durant les réponses immunitaires, l’expression de l’IL-21 par les lymphocytes T CD4+ activés module l’homéostasie des plaquettes sanguines. / Megakaryocytopoiesis is the process by which hematopoietic stem cells give rise to megakaryocytes which in turn produce blood platelets. Transcriptional studies indicate the presence of interleukin (IL) -10, -17 and -21 receptors on megakaryocytes. This work shows that IL-10 and -17 have no apparent effect on in vitro proliferation and differentiation of megakaryocytes derived from human CD34+ hematopoietic progenitors. However, IL-21 increases the proliferation of megakaryocyte progenitors derived from these CD34+ cells without modifying their differentiation. Moreover, human bone marrow megakaryocytes express IL-21 receptor, suggesting a direct role of IL-21 on megakaryocytopoiesis in vivo. Concordantly, IL-21 expression in mice stimulates megakaryocytopoiesis and platelet production, but increases platelet clearance by macrophages. This work suggest that during immune responses, the expression of IL-21 by activated CD4+ T lymphocytes modulate blood platelet homeostasis.

Les lymphocytes T CD8+ spécifiques de l'antigène sont impliqués dans la réponse immunitaire adaptative et jouent un rôle essentiel dans la protection de l'hôte contre l'infection par des pathogènes intracellulaires. Cette protection de longue durée dépend de la génération de réponses lymphocytaires T CD8+ mémoires, hautement fonctionnelles en termes de fréquence et de fonctionnalité, après réinfection.Après présentation de l'antigène, une cellule T CD8 naïve subit une forte expansion clonale, générant une population hétérogène de cellules activées qui est dominée, au sommet de l'expansion, par des effecteurs CD8 de courte durée (SLEC). Cette expansion est suivie d'une phase de contraction massive par apoptose. Quelques cellules survivent à cette phase de contraction et finissent par se différencier en cellules mémoire hautement compétentes. Les processus par lesquels et le moment où se différencient les précurseurs de mémoire (MPECs) restent largement inconnus, tout comme les étapes ultérieures de leur maturation en cellules mémoire pleinement fonctionnelles. Les signaux d'aide provenant des cellules T CD4+ sont clairement requis tout au long du processus de maturation des MPEC.Notre équipe a montré que les lymphocytes T CD4+ régulateurs FoxP3+ (Tregs) favorisent la maturation des MPEC en limitant l'exposition à l'IL-2 et en fournissant des signaux inhibiteurs, mais ce n'est probablement qu'une facette de l'aide complexe et multiforme apportée par les cellules T CD4+ au MPEC. Les Tregs agissent sur des MPEC préexistants. Les réponses mémoire B et CD8+ partagent des caractéristiques communes, telles que l'expression du facteur de transcription Bcl-6. Les lymphocytes T CD4+ folliculaires (Tfh) sont les principaux producteurs de la cytokine IL-21. Bien que les mécanismes par lesquels les Tfh induisent l’expression de Bcl-6 dans les cellules B doivent être clarifiés, ils pourraient inclure l’IL-21 et l’interaction CD40-CD40L.Dans ce projet de thèse, nous avons étudié le rôle potentiel des Tfh dans l'initiation de la différenciation mémoire T CD8+, dans des modèles de souris transgéniques permettant une déplétion transitoire et sélective des Tfh, infectées par la bactérie recombinante Listeria monocytogenes-OVA.Nous avons montré que dès 2 jours après l'infection, les MPECs très précoces peuvent être identifiés par l’expression du récepteur de chimiokine CXCR5. Ces précurseurs précoces, qui ont un phénotype effecteur, se développent et migrent temporairement à la jonction des zones T et B, où ils interagissent avec les Tfh puis perdent leur expression CXCR5.Cette interaction avec les Tfh, considérés jusqu'à présent comme des auxiliaires exclusifs des cellules B, est nécessaire pour que les MPECs CD8+ deviennent des cellules mémoire compétentes sensibles à l'IL-21, capables de générer des réponses effectrices secondaires efficaces.Cette étude dévoile les premières étapes cruciales dans la génération de la mémoire CD8+, identifie CXCR5 comme le premier marqueur connu des MPECs CD8+, révèle l’implication fondamentale des Tfh dans le CD4 help et indique une coordination possible, via les Tfh, entre les voies de différentiation mémoire CD8+ et B. Ces résultats peuvent avoir des implications pour la conception du vaccin et de l'immunothérapie. / Antigen-specific CD8 T cells are involved in the adaptive immune response and play a critical role in protecting the host from infection by intracellular pathogens. This long-lasting protection depends on the generation of memory CD8+ T cell responses, which are highly functional in terms of frequency and functionality, after secondary infection.Following antigen activation, a naive CD8 T cell undergoes strong clonal expansion, generating a heterogeneous population of activated cells that is dominated, at the peak of expansion, by short-lived CD8 effectors (SLECs). This expansion is followed by a phase of drastic contraction through massive apoptosis. A few cells survive this contraction phase and eventually become highly competent memory cells. Precisely when and how these memory precursors (MPECs) are generated is largely unknown, and so are the subsequent steps of their maturation into fully functional memory cells. Help signals from CD4+ T cells are clearly required throughout the MPEC maturation process.Our team has previously shown that FoxP3+ regulatory CD4+ T cells (Tregs) favor MPECs maturation by limiting exposure to IL-2 and by providing inhibitory signals, but this is probably only one facet of the complex and multifaceted help provided by CD4+ T cells to MPEC, and Tregs act on pre-existing MPECs.B-cell memory and CD8+ T cell memory share some common features, such as the expression of the transcription factor Bcl-6. Tfh are major producers of the cytokine IL-21. The mechanisms by which Tfh induces Bcl-6 in B-cells need to be clarified, they might include IL-21 and CD40-CD40L.In this PhD project, we have investigated the potential role of Tfh on the initiation of CD8 memory differentiation, in transgenic mice models, allowing transient and selective depletion of Tfh cells, infected by recombinant Listeria monocytogenes-OVA.We have shown that as early as 2 days after infection, very early memory precursors can be identified by their expression of the chemokine receptor CXCR5. These early precursors, which have an effector phenotype, expand and temporarily migrate to the junction of T-cell and B-cell zones, where they interact with follicular CD4 T cells (Tfh) then lose their CXCR5 expression.Remarkably, this interaction with Tfh, hitherto considered as exclusive B-cell helpers, is required for memory precursors to become competent memory cells responsive to IL-21 and capable of mounting efficient cytotoxic secondary effector responses.This study thus unveils critical early steps in the generation of CD8 memory, identifies CXCR5 as the earliest known marker of CD8 memory precursors, reveals a major helper role for Tfh, and points to possible coordination, through Tfh, between the pathways of CD8 and B-cell memory generation. These findings may have implications for vaccine and immunotherapy design.

Interleukin-21 (IL-21), a recently discovered member of the IL-2 cytokine family, has been shown to have diverse regulatory effects on B cells including the induction of antibody secretion, differentiation, or apoptosis depending on the cell milieu and activation status. However, the effects of IL-21 on B cell neoplasms such as diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) are largely unknown. Our research uncovered the widespread expression of the IL-21 receptor (IL-21R) in B cell lymphomas including DLBCL and that IL-21 stimulation resulted in potent phosphorylation of STAT1 and 3 and weak activation of STAT5. However, our findings also showed that treatment of DLBCL cell lines with IL-21 induced cell cycle arrest and apoptosis. The cell death was caspase-dependent and evident in a majority of DLBCL cell lines. To further examine the potential therapeutic applicability of IL-21, we assessed the effects of IL-21 on primary DLBCL tumors and in vivo DLBCL xenografts in mice. In primary tumors, IL-21 induced apoptosis in five of five DLBCLs compared to two of three follicular lymphomas and two of seven chronic lymphocytic leukemias. No apoptosis or cell death was induced in normal peripheral B lymphocytes. In mice bearing DLBCL xenograft tumors, in situ IL-21 injections induced tumor regression and dramatically extended the overall survival of mice (P<0.001). To elucidate the mechanism of IL-21-induced cell death we analyzed the expression of apoptosis-regulating proteins and observed a strong downregulation of anti-apoptotic Bcl-2 and Bcl-XL and an upregulation of pro-apoptotic Bax post IL-21 stimulation. Subsequent experiments showed that ectopic expression of Bcl-2 or Bcl-XL was able to partially reduce cell death induced by IL-21 while Bax knockdown with siRNA blocked apoptosis completely. To gain insight into the signaling pathways shifting the expression of these proteins toward cell death we performed microarray analysis on sensitive and resistant DLBCL cell lines. The most striking difference in gene expression was observed in C-MYC which was only induced in cell lines exhibiting apoptosis upon IL-21 treatment. Previous reports have shown that c-Myc, which has been studied extensively for its oncogenic properties, can induce apoptosis via downregulation of its transcriptional targets Bcl-2 and Bcl-XL. We then showed that IL-21-induced cell death is dependent on c-Myc by utilizing specific siRNA and shRNA to block the upregulation of this transcription factor and prevent apoptosis. Since c-Myc is a bona-fide target of STAT3 we also showed that siRNA-mediated knockdown of STAT3 abrogated apoptosis by preventing c-Myc upregulation and its subsequent effects on apoptosis-regulating proteins. Our results delineate a novel IL-21 pro-apoptotic signaling pathway and one of the first examples in which the STAT3 - c-Myc pathway, which usually promotes B cell survival and oncogenesis, can be exploited for treatment of cancer. Furthermore, our findings demonstrate that IL-21 is a highly potent anti-DLBCL agent in vitro and in animal models and should be examined in clinical studies of DLBCL.

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Les cellules NK sont des lymphocytes de l’immunité innée, impliquées dans la reconnaissance et l’élimination de cellules infectées ou tumorales. Leur activité cytotoxique est finement régulée par un ensemble de récepteurs activateurs et inhibiteurs. Cependant, l’expression de ces récepteurs ainsi que les fonctions des cellules NK peuvent être modifiées selon l’environnement dans lequel elles se trouvent. Au cours de ma thèse, nous nous sommes intéressés à la modulation du phénotype et des fonctions des cellules NK, ainsi qu’à leur relation avec les LT CD4, dans une cohorte de patients atteints de NSCLC ou dans un contexte inflammatoire sous l’influence de l’IL-21. La première étude a mis en évidence une augmentation du taux circulant de la population de cellules NK CD56dim CD16- simultanément à une diminution du taux de la population CD56dim CD16+ chez les patients. L’analyse ex vivo du phénotype des cellules NK a mis en évidence un groupe spécifique de patients avec une altération globale de l’expression des NCR et de NKG2D par toutes les sous-populations de cellules NK. La principale modulation correspond à la diminution des cellules NK exprimant NKp46 et nous avons montré une corrélation négative entre la survie des patients et le pourcentage de cellules NK NKp46+. De manière intéressante, la neutralisation de NKp46 sur les cellules NK est associée à une meilleure réponse T CD4 anti-tumorale. La seconde étude a montré que l’IL-21 engendre la différenciation d’une population spécifique de cellules NK co-exprimant CD86/HLA-DR et CD86/CD30. Alors que l’activation des cellules NK via CD30 entraîne leur forte dégranulation et leur sécrétion d’IFN-γ, les cellules NK activées par l’IL-21 produisent également MIF. Ce facteur soluble apporte un signal de co-stimulation lors de l'initiation de l'activation des LT CD4 naïfs, induisant leur différenciation en LT centraux mémoires. De telles cellules NK MIF+ ont été identifiées dans des appendices humains inflammés suggérant qu'elles pouuraient activer des LT CD4 in vivo. Ces études ont permis de mettre en évidence une modulation différente du phénotype de cellules NK selon leur environnement, pouvant impacter le cross-talk NK-LT. Ces données supportent ainsi le rôle régulateur des cellules NK dans la mise en place des réponses immuntaires adaptatives. / NK cells are innate lymphocytes involved in the recognition and elimination of infected or tumor cells. Their cytotoxic activity is finely regulated by a set of activating and inhibitory receptors. However, receptors expression and NK cell functions may be modified according to environment. Here, we were interested in NK cell-phenotype and function modulations and their relationship with CD4 T cells, in NSCLC patients and under IL-21 influence in inflammatory context. The first study highlighted an increase circulating rate of CD56dim CD16- NK cell subset concomitantly with a decrease rate of CD56dim CD16+ NK cell subset in NSCLC patients. Ex vivo analysis of NK cell phenotype highlighted a specific group of patients with an overall altered expression of NCRs and NKG2D on NK cell subsets. The main defect was the decrease of NK cells expressing NKp46 and we showed a negative correlation between the patients’ survival and NKp46+ NK cell percentage. Interestingly, NKp46 neutralization on NK cells was associated with a better antitumor CD4 T cell response. The second study showed that IL-21 promotes the differentiation of a specific NK cell subset coexpressing CD86/HLA-DR and CD86/CD30. While NK cell activation via CD30 promotes a high degranulation and IFN-γ secretion, IL-21-activated NK cells also produce MIF. This soluble factor provide costimulatory signaling during naïve CD4 T cell priming inducing the differentiation of uncommitted central memory T cells. Such HLA-DR+ MIF+ NK cells were identified in inflammatory human appendix suggesting that they could activate CD4 T cells in vivo. Altogether, these studies highlighted a different modulation of NK cell phenotype accordingg to envoronment which could impact the crossstalk NK-T celles. thus, these findings support a regulatory role of NK celles in adaptive immune responses

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.

L'objectif de cette thèse était de caractériser phénotypiquement et fonctionnellement les cellules NK activées par l'IL-21 et d'étudier leur interaction avec les lymphocytes T CD4*. Les lymphocytes Natural Killer (NK) sont essentiels pour la protection exercée par l'immunité innée. Les cellules NK, en plus de leurs fonctions cytotoxiques, peuvent orienter la réponse immunitaire adaptative vers un profile TH1 grâce à leur production d'IFN-y. Dans cette étude, nous avons montré que l'IL-21, une cytokine produite in vivo au cours de l'inflammation chronique ou de maladies infectieuses, induit la différenciation d'une sous-population spécifique de cellules NK co-exprimant ÇD86 et HLA-DR. Les cellules NK HLA-DR* induites par l'IL-21 sont capables d'apprêter et de présenter des antigènes aux lymphocytes T CD4*. De plus, ces cellules produisent MIF (Macrophage Migration Inhibitory Factor) et apportent un signal de costimulation durant le priming des lymphocytes T CD4 naïfs en induisant leur différenciation vers un profile central mémoire (Tcm) peu différencié. Les Tcm activés en présence des cellules NK HLA-DR" sont CXCR3' CCR4' CCR6' CXCR5' et produisent de PIL-2 et du TNF-a. La costimulation des lymphocytes T ÇD4 par les cellules NK HLA-DR" prévient l'acquisition d'un phénotype effecteur mémoire induit par l'IL-2. Ainsi, ces résultats montrent une nouvelle fonction pour l'IL-21 qui peut moduler l'interaction NK/CD4 et favoriser l'expansion des lymphocytes centraux mémoires. / Natural Killer lymphocytes are critical for innate immunity-mediated protection. Main roles of NK cell rely on their cytotoxic functions or depend on the tuning of TH1 adaptive immunity by IFN-y. Here, we provide evidence that 1L-21, a cytokine produced in vivo during chronic inflammation or infectious diseases, promotes the differentiation of a specifie subset of NK co-expressing CD86 and HLA-DR. IL-21-propagated HLA-DR' NK were able to process and present antigens to CD4' T lymphocytes. More importantly, IL-21-propagated HLA-DR' NK produced macrophage migration inhibitory factor and provided a co-stimulatory signaling during naive CD4* T cell priming inducing the differentiation of uncommitted central memory (Tcm) lymphocytes. Tcm expanded in the presence of HLA-DR* NK were CXCR3 CCR4" CCR6' CXCR5' and produced IL-2, as well as low levels of TNF-a. Co-stimulation of CD4* T cells by HLA-DR' NK prevented the acquisition of effector memory phenotype induced by IL-2. Altogether, these results demonstrate a novel function for IL-21 in tuning NK and CD4~ T cell interactions promoting a specifie expansion of central memory lymphocytes.

Résumé : L’IL-7 et l’IL-15 sont des cytokines impliquées dans l’homéostasie des lymphocytes T CD8 naïfs et mémoires respectivement. Lors d’une réponse immunitaire, certaines cytokines pro-inflammatoires, comme l’IL-6 et l’IL-21, sont produites par les cellules du système immunitaire inné. Nous avons observé que certaines cytokines de ces deux groupes (homéostasie et pro-inflammatoires), peuvent avoir un effet synergique sur la fonction des lymphocytes T CD8. Spécifiquement, l’incubation des lymphocytes T CD8 naïfs avec l’IL-6 ou l’IL-21, en présence d’IL-7 ou d’IL-15 cause une forte prolifération qui est indépendante de l’antigène. De plus, la combinaison d’IL-15 avec l’IL-6 ou l’IL-21 entraîne une prolifération préférentielle des lymphocytes T mémoires, tandis que la combinaison avec l’IL-7 entraîne une prolifération des lymphocytes T naïfs. La stimulation des lymphocytes T CD8 avec l’IL-6 ou l’IL-21, en présence d’IL-7 ou d’IL-15, entraîne une augmentation de la phosphorylation en tyrosine de STAT5 ainsi qu’une augmentation de liaison à l’ADN. Nous avons étudié l’effet d’une pré-stimulation des cellules T CD8 naïves par les cytokines synergiques sur leur réponse subséquente à un antigène. Nous avons observé qu’une pré-stimulation avec l’IL-6 ou l’IL-21, en présence d’IL-7 ou d’IL-15, même pour une courte durée de 24 heures, augmente leur sensibilité aux antigènes, entraînant une robuste prolifération et une forte augmentation de cytotoxité spécifique à l’antigène gp33. Nous avons observé que les cytokines pro-inflammatoires en combinaison avec l’IL-7 induisent une augmentation accrue de la prolifération chez les lymphocytes T CD8 exprimant un TCR transgénique de forte affinité (P14), ainsi que les cellules exprimant un TCR de faible affinité (H-Y). De plus, la combinaison synergique de cytokines entraîne une forte expression du récepteur de l’IL-2R[gamma] (CD132), ainsi qu’une augmentation de la production d’IL-2 après stimulation antigénique. Une forte augmentation de l’expression de CD8 et de CD45, ainsi qu’une diminution drastique de l’expression de CD5 peut expliquer l’augmentation de l’avidité fonctionnelle du TCR suite à une stimulation avec les combinaisons de cytokines synergiques. La stimulation des lymphocytes T CD8 avec les combinaisons de cytokines, induit une augmentation de la phosphorylation de LAT ainsi qu‘AKT. Cependant, la stimulation subséquente du CD3 n’entraîne pas d’augmentation de la phosphorylation de LAT ainsi qu’AKT chez les lymphocytes T CD8 pré-stimulés avec les combinaisons de cytokines. Nous avons aussi observé que les lymphocytes T CD8 stimulés avec les combinaisons de cytokines augmentent l’expression de CD62L, ce qui peut favoriser leur migration vers les ganglions lymphatiques. En conclusion, la production de cytokines pro-inflammatoires (IL-6, IL-15, IL-21) par les cellules du système immunitaire inné lors d’une infection ou d’une inflammation, ainsi que la présence constitutive d’IL-7, peuvent stimuler la prolifération et l’activation des lymphocytes T CD8 de façon non spécifique à l’antigène. Cette stimulation entraîne une augmentation de l’avidité fonctionnelle de leur TCR causant ainsi une forte prolifération ainsi que l’acquisition de fonctions effectrices spécifiques. Cette liaison entre le système immunitaire inné et adaptatif, médiée par les cytokines pro-inflammatoires et les cytokines homéostatiques joue un rôle très important dans l’élimination des pathogènes ainsi que dans le développement de maladies auto-immunitaires. / Abstract : Homeostasis of naive and memory CD8[superscript +] T lymphocytes is dependent on two cytokines IL-7 and IL-15, respectively. During an immune response to an infection, cells of the innate immune system produce several pro-inflammatory cytokines. We have observed that these two groups of cytokines, namely proinflammatory and homeostatic, can have a synergistic effect on CD8 T lymphocytes. Specifically, incubation of naive CD8 T cells with IL-6 or IL-21 in the presence of IL-7 or IL-15 induced strong proliferation in an antigen independent manner. While the combination of IL-6 or IL-21 with IL-15 induced strong proliferation of memory CD8 T cells, naïve CD8 T cells responded better to the combination with IL-7. These stimulatory cytokine combinations elicited strong STAT5 phosphorylation and it’s binding to DNA in CD8 T cells. We investigated the effect of priming CD8 T cells with the synergistic combination of IL-6 or IL-21 and IL-7 on their subsequent response to antigen. We observed that cytokine priming for only 24 hours enhanced their sensitivity to antigen, resulting in strong proliferation, effectors functions and cytotoxicity. These effects were observed with CD8 T cells expressing transgenic TCR with strong (P14) or weak (H-Y) affinity towards cognate peptide antigens. Priming CD8 T cells with the synergistic combination of cytokines increased the expression of IL-2 receptor gamma (CD132) and augmented the production of IL-2 when stimulated with antigen. These cells also expressed elevated levels of CD8 and CD45, as well as down modulate CD5, and these events may underlie the increased TCR avidity. Stimulation of CD8 T cells with the synergistic combination of cytokines induced phosphorylation of LAT and AKT. However, subsequent TCR stimulation did not further increase these phosphorylation events. We have observed that C D8 T cells primed with the synergistic combinations of cytokines up regulated CD62L, which could promote their migration through lymph nodes. In conclusion, inflammatory cytokines such as (IL-6, IL-15, IL-21) secreted by cells of the innate immune system during an infection or non-infectious inflammation, and basal levels of the homeostatic cytokine IL-7 can act in synergy with inflammatory cytokines to activate CD8 T lymphocytes in an antigen independent manner. This stimulation also results in an increase in the functional avidity of their TCR, as indicated by strong antigen responsiveness with increased proliferation and display of effectors functions. This connection between the innate and adaptive system mediated by inflammatory cytokines may play an important role in pathogen clearance and possibly in the development of autoimmune diseases.

La prolifération, la différenciation ainsi que les fonctions des cellules du système immunitaire sont contrôlées en partie par les cytokines. Lors de l’infection par le VIH-1, les défauts observés dans les fonctions, la maintenance, ainsi que la consistance des cellules du système immunitaire sont en large partie attribués à une production altérée des cytokines et à un manque d’efficacité au niveau de leurs effets biologiques. Durant ces études, nous nous sommes intéréssés à la régulation et aux fonctions de deux cytokines qui sont l’IL-18 et l’IL-21. Nous avons observé une corrélation inversée significative entre les concentrations sériques d’IL-18 et le nombre des cellules NK chez les patients infectés par le VIH-1. Nos expériences in vitro ont démontré que cette cytokine induit l’apoptose des cellules NK primaires et que cette mort peut être inhibée par des anticorps neutralisants spécifiques pour FasL et TNF-α. Cette mort cellulaire est due à l’expression de FasL sur les cellules NK et à la production de TNF-α par ces cellules. L’IL-18 augmente aussi la susceptibilité à la mort des cellules NK par un stimulus pro-apoptotique, en diminuant l’expression de la protéine anti-apoptotique Bcl-XL. Nous démontrons aussi que, contrairement à l’IL-18, les niveaux d’IL-18BP sont plus faibles dans les sérum de patients infectés. Ceci résulte sur une production non coordonnée de ces deux facteurs, aboutissant à des niveaux élevés d’IL-18 libre et biologiquement active chez les patients infectés. L’infection de macrophages in vitro induit la production d’IL-18 et réduit celle d’IL-18BP. De plus, l’IL-10 et le TGF-β, dont les concentrations sont élevées chez les patients infectés, réduisent la production d’IL-18BP par les macrophages in vitro. Finalement, nous démontrons que l’IL-18 augmente la réplication du VIH-1 dans les lymphocytes T CD4+ infectés. Les niveaux élevés d’IL-18 libres et biologiquement actives chez les patients infectés contribuent donc à l’immuno-pathogénèse induite par le VIH-1 en perturbant l’homéostasie des cellules NK ainsi qu’en augmentant la réplication du virus chez les patients. Ces études suggèrent donc la neutralisation des effets néfastes de l’IL-18 en utilisant son inhibiteur naturel soit de l’IL-18BP exogène. Ceci permettrait de moduler l’activité de l’IL-18 in vivo à des niveaux souhaitables. L’IL-21 joue un rôle clef dans le contrôle des infections virales chroniques. Lors de ces études, nous avons déterminé la dynamique de la production d’IL-21 lors de l’infection par le VIH-1 et sa conséquence sur la survie des cellules T CD4+ et la fréquence des cellules T CD8+ spécifiques au VIH-1. Nous avons démontré que sa production est compromise tôt au cours de l’infection et que les concentrations d’IL-21 corrèlent avec le compte de cellules T CD4+ chez les personnes infectées. Nos études ont démontré que le traitement antirétroviral restaure partiellement la production d’IL-21. De plus, l’infection par le VIH-1 de cellules T CD4+ humaines inhibe sa production en réduisant l’expression du facteur de transcription c-Maf. Nous avons aussi démontré que la fréquence des cellules T CD4+ spécifiques au VIH-1 qui produisent de l’IL-21 est réduite chez les patients virémiques. Selon nos résultats, l’IL-21 empêche l’apoptose spontanée des cellules T CD4+ de patients infectés et l’absence d’IL-21 réduit la fréquence des cellules T CD8+ spécifiques au VIH-1 chez ces patients. Nos résultats démontrent que l'IL-21R est exprimé de façon égale sur tous les sous-types de cellules NK chez les donneurs sains et chez les patients infectés. L’IL-21 active les protéines STAT-3, MAPK et Akt afin d'augmenter les fonctions effectrices des cellules NK. L'activation de STAT-3 joue un rôle clef dans ces fonctions avec ou sans un traitement avec de l'IL-21. L'IL-21 augmente l'expression des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 et Bcl-XL, augmente la viabilité des cellules NK, mais ne possède aucun effet sur leur prolifération. Nous démontrons de plus que l'IL-21 augmente l'ADCC, les fonctions sécrétrices et cytotoxiques ainsi que la viabilité des cellules NK provenant de patients chroniquement infectés par le VIH-1. De plus, cette cytokine semble présenter ces effets sans augmenter en contrepartie la réplication du VIH-1. Elle permet donc d'inhiber la réplication virale lors de co-cultures autologues de cellules NK avec des cellules T CD4+ infectées d'une manière dépendante à l'expression de perforine et à l'utilisation de la protéine LFA-1. Les niveaux d’IL-21 pourraient donc servir de marqueurs biologiques pour accompagner les informations sur le taux de cellules T CD4+ circulantes en nous donnant des informations sur l’état de fonctionnalité de ce compartiment cellulaire. De plus, ces résultats suggèrent l’utilisation de cette cytokine en tant qu’agent immunothérapeutique pour restaurer les niveaux normaux d’IL-21 et augmenter la réponse antivirale chez les patients infectés par le VIH-1. / The proliferation, differentiation, function and maintenance of immune cells is controlled in large part by cytokines. HIV-induced dysfunctions of the antiviral immunity is in part related to defects in the cytokine network, as manifested by altered cytokine secretion and responsiveness to these cytokines. In these studies, we investigated the regulation and the functions of two cytokines, IL-18 and IL-21, during HIV-1 infection. In our studies, we observed an inverse correlation between IL-18 concentrations and absolute numbers of various subsets of NK cells in infected persons. IL-18 caused increased death of a human NK cell line, as well as of primary human NK cells in vitro. The IL-18-mediated cell death was dependent upon Fas-FasL interactions and TNF- secretion. IL-18 induced the expression of TNF-, induced the expression of FasL on NK cells, increased the transcription from the human FasL promoter, reduced the expression of Bcl-XL in NK cells, and increased their sensitivity to FasL-mediated cell death. In contrast to IL-18 levels, IL-18BP levels decreased in the serum of HIV-infected patients. This decrease resulted in enhanced levels of free IL-18 in the serum of such patients. The infection increased production of IL-18 but decreased that of IL-18BP in monocyte-derived macrophages (MDM). Furthermore, IL-10 and TGF-β, two cytokines for which concentrations are increased in HIV-infected persons, also decreased production of IL-18BP by human MDM. Finally, recombinant human IL-18 enhanced HIV-1 replication in human CD4+ T cells. The uncoordinated production of these two cytokines represents an imbalance between these two soluble factors in HIV-infected patients. Our study shows that enhanced IL-18 bioactivity in HIV-infected patients may contribute to the pathogenesis of AIDS by disrupting NK cell homoeostasis and increasing viral replication. This uncoordinated production of IL-18 and IL-18BP contribute to IL-18-induced immunopathology and pathogenesis in HIV-infected AIDS patients. Therefore, these studies suggest that the neutralization of IL-18 may represent an appropriate and useful immunotherapeutic strategy in these patients. It may delay AIDS progression and improve the immune status of infected persons. The best way to achieve this goal may be using exogenous interleukin-18 binding protein. IL-21 is a relatively newly discovered immune enhancing cytokine, which plays an essential role in controlling chronic viral infections. Therefore, we sought to determine the dynamics of the cytokine production and its potential consequences on the viability of CD4+ T cells in HIV-infected persons. We show here that the cytokine production is compromised early in the course of the infection. The serum cytokine concentrations correlated with CD4+ T cell counts in the infected persons. Among different groups of HIV-infected persons, only Elite Controllers maintain normal production of the cytokine. The HAART partially restores production of this cytokine. Interestingly, HIV-1 infection of human PBMC as well as of purified CD4+ T cells inhibits the production of the cytokine by decreasing the expression of c-Maf, a transcription factor involved in the activation of the cytokine gene, in the virus-infected cells but not in uninfected bystander cells. We also show that the frequencies of IL-21 producing HIV-specific antigen experienced CD4+ T cells are decreased in HIV-infected viremic patients. Furthermore, we show that recombinant human IL-21 acts as pro-survival factor and prevents enhanced spontaneous apoptosis of ex vivo cultured CD4+ T cells from HIV-infected patients and that increased serum levels of the cytokine are associated with higher frequencies as well as with better functions of HIV-specific CTL in HIV-infected individuals. We show that the cytokine receptors are expressed equally on all NK cell subsets. We demonstrate that the cytokine activates STAT-3, MAPK and Akt to enhance NK cell functions. IL-21 increases expression of anti-apoptotic proteins Bcl-2 and Bcl-XL, and enhances viability of NK cells, but has no effect on their proliferation. We further show that the cytokine enhances HIV-specific ADCC, secretory and cytotoxic functions as well as viability of NK cells from HIV-infected persons. Furthermore, it exerts its biological effects on NK cells with minimal enhancement of HIV-1 replication, and the cytokine-activated NK cells inhibit viral replication in co-cultured HIV-infected autologous CD4+ T cells in a perforin- and LFA-1-dependent manner. These studies suggest that serum IL-21 concentrations may serve as useful biomarker to accompany CD4+ T cell counts for monitoring HIV-1 disease progression and the fitness of the antiviral immunity. Furthermore, the cytokine may be considered for immunotherapy in HIV-infected patients in order to restore the physiological levels of the cytokine and promote their antiviral immunity.