Cette thèse étudie trois sujets relevant de la biologie structurale, de lagénétique et de l'immunologie.Premièrement, nous développons de nouveaux prédicteurs de l'affinité deliaison de complexes protéiques, produisant des résultats de niveau ``état del'art''. Nous calculons d'abord 12 variables modélisant diverses propriétésstructurales des complexes. Nous générons et évaluons des estimateursutilisant des sous ensembles de ces variables, de façon à identifier les plusperformants. Le logiciel associé est distribué dans la Structural BioinformaticsLibrary.Deuxièmement, nous proposons de nouvelles analyses de complexes Ig-Ag.D'une part nous concevons un classificateur distinguant les types de ligand desIg. D'autre part, nous montrons que le modèle précédent prédit fidèlementl'affinité de complexes Ig-Ag. Enfin, nous quantifions la contribution des CDR3de la chaine lourde à l'affinité de liaison, et montrons qu'il contribuesignificativement plus que les autres CDR.Enfin, nous nous intéressons à la modélisation de la diversité des répertoiresde chaîne lourde des Igs, à partir de données de séquençage de CDR3, dans unmodèle de vaccin chez le poisson. Nous analysons les répertoires dans troisconditions: naifs, vaccinés et vaccinés + infectés. Nous comparons lesrépertoires de deux individus en utilisant la « earth-mover distance », laquelleexploite la correspondance entre clonotypes de deux répertoires, révélant ainsides informations inaccessibles aux méthodes basées sur les indices dediversité.Dépôt de thèseDonnées complémentairesPour caractériser la notion de réponse immunitaire publique / privée, nousquantifions le chevauchement des clonotypes exprimés entre individus de lamême ou de différentes conditions / This thesis investigates three topics at the cross-roads of structural biology,genetics and immunology.First, we develop a pipeline to design and select binding affinity predictors forprotein complexes, yielding state-of-the art results. The first step is the designand computation of 12 different variables accounting for geometric andphysico-chemical properties of the complexes. The second step is thegeneration and evaluation of models using subsets of these variables, followedby the selection of the best performing ones. The corresponding software isdistributed within the Structural Bioinformatics Library.Second, we provide an analysis of the interface properties of Ig-Ag complexes.In particular, we design a classifier using two descriptors, which is able todistinguish ligand types. We also apply the previous binding affinity predictionmodel to Ig-Ag complexes and obtain accurate predictions. We then develop aquantitative model for the contribution of VH CDR3 to the binding affinity andinteraction specificity, and show that it contributes significantly more thanother CDRs.Third, we model the diversity of VH CDR3 repertoires from Ig RNA sequencingdata in a fish vaccination model. We analyze repertoires from three conditions:naive, vaccinated and vaccinated + infected fish. Comparison of the repertoiresof two individuals uses the earth-mover distance (EMD). By exploiting amapping between the clonotypes of the repertoires, we show that EMD revealsinformation beyond classical methods based on diversity indexes. Tocharacterize the notion of public / private immune response, we quantify theoverlap of clonotypes between individuals of the same or different conditions

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Background: The genes that produce antibodies and the immune receptors expressed on lymphocytes are not germline encoded; rather, they are somatically generated in each developing lymphocyte by a process called V(D) J recombination, which assembles specific, independent gene segments into mature composite genes. The full set of composite genes in an individual at a single point in time is referred to as the immune repertoire. V(D) J recombination is the distinguishing feature of adaptive immunity and enables effective immune responses against an essentially infinite array of antigens. Characterization of immune repertoires is critical in both basic research and clinical contexts. Recent technological advances in repertoire profiling via high-throughput sequencing have resulted in an explosion of research activity in the field. This has been accompanied by a proliferation of software tools for analysis of repertoire sequencing data. Despite the widespread use of immune repertoire profiling and analysis software, there is currently no standardized format for output files from V(D) J analysis. Researchers utilize software such as IgBLAST and IMGT/High V-QUEST to perform V(D) J analysis and infer the structure of germline rearrangements. However, each of these software tools produces results in a different file format, and can annotate the same result using different labels. These differences make it challenging for users to perform additional downstream analyses. Results: To help address this problem, we propose a standardized file format for representing V(D) J analysis results. The proposed format, VDJML, provides a common standardized format for different V(D) J analysis applications to facilitate downstream processing of the results in an application-agnostic manner. The VDJML file format specification is accompanied by a support library, written in C++ and Python, for reading and writing the VDJML file format. Conclusions: The VDJML suite will allow users to streamline their V(D) J analysis and facilitate the sharing of scientific knowledge within the community. The VDJML suite and documentation are available from https:// vdjserver. org/ vdjml/. We welcome participation from the community in developing the file format standard, as well as code contributions.

Les réponses des cellules T CD4 (Thelper, TH) jouent un rôle clé dans l'immunité antivirale. Cependant, celles générées par l'infection au VIH et les vaccins candidats sont variables. Des données chez la souris et l'humain suggèrent que des réponses TH antivirales peuvent être générées avant l'exposition à l'antigène spécifique par réaction croisée avec d'autres microorganismes et influencer les réponses TH ultérieures. Les réponses TH au VIH chez des individus séronégatifs seront investiguées et comparées à celles de sujets infectés. Une haute prévalence de réponses TH prolifératives au VIH a été observée chez des sujets VIH-. Gag montre une légère prédominance sur les autres protéines du VIH Env, Nef et Pol (33% des donneurs VIH- ont une réponse contre Gag >1% par test CFSE), mais qui diffère de l’immunodominance observée chez les donneurs VIH+. Malgré les réponses prolifératives plus petites chez les donneurs VIH-, des lignées cellulaires de TH spécifiques pour Gag ou Env ont pu être générées. Un marquage intracellulaire a validé leur spécificité et leurs fonctions montrant des réponses dominées par l'expression de TNF et CD40L comparativement à celles dérivées de donneurs VIH+ produisant beaucoup d’IFN-γ. L’affinité antigénique varie chez les sujets VIH-, mais peut être améliorée chez certains donneurs en optimisant la présentation antigénique. Une cartographie d’épitopes pour Env gp41 à identifier des épitopes reconnus par les TH. Les résultats montrent la présence de TH spécifiques au VIH chez une proportion de donneurs séronégatifs. Ces cellules pourraient influencer le développement de réponses vaccinales et spécifique au VIH durant l’infection aiguë. / CD4+ T cell (Thelper, TH) responses play a key role in antiviral immunity. However, HIV-specific TH responses generated either by infection or by vaccine candidates are highly variable. Studies in mice and humans suggest that antiviral TH responses can be generated before exposure to the specific viral pathogen through cross-reactivity with other microorganisms These pre-existing responses may influence development of TH responses upon pathogen or immunogen exposure. We investigated HIV-specific TH responses in HIV-uninfected individuals (UD) and compared them to those of HIV-infected donors (HI). The prevalence of HIV-specific proliferative TH responses in UD was surprisingly high: 33% of UD had a robust Gag response >1% by CFSE assay. While Gag was more frequently targeted than the alternative HIV proteins Env, Nef and Pol, we did not observe the strong Gag immunodominance pattern seen in HI. Proliferative responses were overall lower in UD than HI, but strong expansion was occasionally observed. We derived Gag- and Env-specific short-term TH cell lines from UD and used intracellular staining to confirm their specificity and functions. TNF-α and CD40L dominated TH responses in UD lines, contrasting with HI lines that were robust IFN- producers. Functional affinity in UD was variable and could be improved in some subjects by optimization of antigen presentation. Gp41 epitope mapping identified peptides recognized by TH from UD. The results show that functional HIV-specific CD4 T cells exist in a substantial proportion of UD. Such pre-existing CD4 T cell could impact development of virus-specific TH responses at the time of acute HIV infection and influence responses to vaccine candidates.

Des travaux antérieurs de l’équipe ont démontré l’impact majeur de la lymphopénie (<1Giga/L), détectée avant tout traitement, sur la survie globale des patients atteints d’un cancer solide en phase métastatique, soulignant ainsi l’importance du système immunitaire dans le contrôle de la progression tumorale. Au cours de mon projet de thèse, j’ai analysé l’apport de la diversité combinatoire de la chaine β du TCR, autre indicateur de la qualité du système immunitaire, en tant que marqueur pronostique chez des patientes atteintes de cancer du sein en phase métastatique. J’ai pu montrer qu’un score combinant la diversité des TCR et le nombre de lymphocytes (score NDL) est un facteur indépendant de mauvais pronostic en analyse multivariée. Ce score permet l’identification d’une sous population de patientes à risque qui présente à la fois une lymphopénie et une faible diversité (< 33%) combinatoire du TCR et pour laquelle une très forte réduction de la médiane de survie est observée. Nous avons également réalisé une étude plus approfondie de l’impact des sous-populations de lymphocytes et des cytokines plasmatiques produites. En parallèle, j’ai été amené à développer des tests de biologie moléculaire pour améliorer l’étude de la diversité du répertoire des TCR au niveau génomique. Ces travaux nous ouvrent la voie vers de nouvelles stratégies thérapeutiques qui intégreraient les perturbations du système immunitaire. En effet, suite à ces résultats, un essai clinique basé sur l’administration d’IL-7, cytokine permettant l’expansion des cellules T avant ou pendant la chimiothérapie vient d’être activé au Centre Léon Bérard / Previous work of the team demonstrated the major impact of lymphopenia (<1Giga/L), detected before treatment, on overall survival of patients with solid metastatic cancer, highlighting the importance of immune system in controlling tumor progression. During my thesis project, I analyzed the contribution of the combinatorial diversity of the TCR β chain, another indicator of the quality of the immune system, as a prognostic marker in patients with metastatic breast cancer. I was able to show that a score combining the diversity of TCR and the number of lymphocytes (score NDL) is an independent factor of poor prognostic in multivariate analysis. This score allows identification of a subpopulation of patients at risk who has both a lymphopenia and a low combinatorial diversity (<33%) of TCR and for which a reduction in the median survival was observed. We also made further study of the impact of subpopulations of lymphocytes and plasma cytokines. In parallel, I developed molecular tests to improve the study of TCR repertoire diversity at the genomic level. This work opens the door to new therapeutic strategies that would consider immune system dysfunctions. Indeed, following these results, a clinical trial based on the administration of IL-7 cytokine for the expansion of T cells before or during chemotherapy has been activated at the Centre Léon Bérard