La sous-unité catalytique p110 de la phosphatidylinositol-4,5-biphosphate 3-kinase (PI3K) est exprimée spécifiquement dans les leucocytes, et possède un rôle central dans la biologie des lymphocytes. Des mutations germinales dominantes gain-de-fonction de PI3KCD (codant p110 ) ont été identifiées récemment chez des patients présentant une immunodéficience combinée caractérisée par une présentation clinique hétérogène incluant des infections récurrentes des voies respiratoires et des lymphoproliférations associées à une virémie EBV et/ou CMV élevée, connue sous le nom de syndromes APDS. L’hétérogénéité des présentations cliniques suggère l’existence de facteurs secondaires, génétiques ou environnementaux. Au cours de ma thèse de doctorat, j’ai rapporté le cas de deux nouveaux patients présentant des anomalies génétiques affectant la voie PI3K. Le premier patient, né dans une famille consanguine, présentait une mutation gain- de-fonction de PIK3CD déjà décrite. Par séquençage de l’exome du patient, nous avons identifié une seconde mutation homozygote non-sens de SEC14L2, un régulateur connu de la voie PI3K. Nous avons analysé le phénotype et la fonctionnalité des lymphocytes du patient, et avons mis en évidence in vitro certains mécanismes de régulation de l’activation lymphocytaire par SEC14L2. Enfin, nous avons réalisé une étude de transcriptome afin d’identifier les voies de régulation dérégulées chez notre patient. Dans l’ensemble, ces résultats ont permis d’identifier le premier co-facteur génétique associé au syndrome APDS. Le second patient est également né dans une famille consanguine et présentait des infections sévères des voies respiratoires et un syndrome d’infection chronique à l’EBV (CAEBV) fatal. Par séquençage de l’exome du patient, nous avons identifié une mutation homozygote rare dans PIK3CD. Une modélisation de la structure de la protéine a montré que l’acide aminé muté se situe dans le domaine catalytique de p110 , dans une boucle phylogénétiquement conservée interagissant avec la sous-unité régulatrice p85↵ de la PI3K, et que la mutation conduisait à la perte de cette interaction. In vitro, la mutation de p110 cause la perte de l’activité PI3K, et les lymphocytes T du patient présentaient une diminution de phosphorylation d’AKT et de p70 S6K, deux cibles de la PI3K. Les lymphocytes T du patient présentaient également une production diminuée d’IFN- et de TNF↵, et un excès de prolifération et de flux calcium suite à la stimulation du TCR. Des lignées cellulaires Jurkat déficientes pour PIK3CD générées par CRISPR/Cas9 ont également présenté un défaut de phosphorylation d’ATK et un excès de prolifération et de flux calcium. L’expression de la version sauvage de p110 dans ces cellules, mais pas de la version mutée, a permis une restauration des réponses normales, prouvant l’implication de la mutation dans les phénotypes cellulaires identifiés. De manière intéressante, nous avons mis en évidence l’existence d’un équilibre entre l’activité PI3K et PLC- 1 lors de l’activation T, qui pourrait être expliqué par une compétition pour l’accès à leur substrat commun, le PIP2. Enfin, nous avons identifié chez notre patient une seconde mutation homozygote délétère dans le gène TNFRSF9. Cette mutation est également retrouvée chez la sœur saine du patient, qui présentait une réplication persistante de l’EBV dans le sang, suggérant que cette mutation pourrait agir comme facteur génétique secondaire. Dans l’ensemble, cette étude à permis l’identification de la première immunodéficience associée à des mutations perte-de-fonction de PIK3CD. / The pathway p110 catalytic subunit of phosphatidylinositol-4,5-biphosphate 3-kinase (PI3K) is selectively expressed in leukocytes and has a central role in lymphocytes biology. Gain-of-function dominant germline mutations of PIK3CD (encoding p110 ) have been recently described in patients presenting a heterogeneous combined immunodeficiency associated with respiratory tract infections, lymphadenopathy and high EBV and/or CMV viremia. The heterogeneous clinical presentation suggests the existence of genetic or environmental modifying factors. In my thesis I report two new patients with different genetic defects causing CID. The first patient, born from a consanguineous family, presented a known gain-of- function mutation of PIK3CD. His clinical presentation was partially compatible with the already described patients. By whole exome sequencing, we identified a homozygous nonsense mutation in SEC14L2, a known regulator of PI3K pathway. We further analyzed the phenotype and functions of patient’s lymphocytes, and performed a transcriptome analysis to better characterize the implication of SEC14L2 mutation in the pathology. The second patient was born from consanguineous family and presented recurrent severe respiratory tract infections and a fatal Chronic Active EBV disease (CAEBV). By Whole Exome Sequencing, we identified a homozygous rare missense mutation in PIK3CD. 3D structure modelization showed that the mutated amino acid is located in p110 catalytic domain, in an evolutionarily conserved loop that interacts with alpha-helix of PI3K regulatory subunit p85a, which interaction is lost in mutated p110 . Phenotyping of patient’s circulating lymphocytes showed increased CD8+ T cells and reduced NK and CD4+ T cells. The mutation in PI3KCD resulted in impaired PI3K activity in vitro and in vivo. Moreover, patient’s T cells exhibited reduced activation-induced phosphorylation of AKT and p70-S6K, two indirect targets of p110 , that we restored by expressing wild type p110 . Patient’s T cells also showed a decreased induction of IFN- and TNF-↵ and an increased proliferation and calcium flux after TCR stimulation. By CRISPR CAS9 technology, we generated Jurkat T- cell lines expressing wild type or mutated PI3K. Jurkat cells expressing mutant PI3K showed decreased AKT phosphorylation and increased calcium flux and proliferation after TCR stimulation, confirming the implication of PIK3CD mutation in patient’s cells phenotype. Interestingly, we highlighted the existence of a balance between PI3K and PLC- 1 activity during T cell activation, that may be due to a competition for access to their shared substrate, the PIP2. Finally, we identified in our patient a second deleterious mutation in TNFRSF9 that is shared by his healthy sister, who also presented persistent EBV replication in blood, suggesting that this additional mutation may act as a modifying genetic factor. Taken together, the results presented in this thesis identified the first loss-of-function mutation in PIK3CD causing CID.

Mon projet de thèse a consisté en l'identification et la caractérisation moléculaire et immunologique de patients présentant une susceptibilité accrue aux infections fongiques par Candida sp. dans le syndrome Mendélien de candidose cutanéo-muqueuse chronique (CCMC).La CCMC est caractérisée par des infections persistantes ou récurrentes de la peau, des ongles et des muqueuses par les champignons Candida, principalement C. albicans. Elle est fréquemment associée à d'autres infections opportunistes dans certaines immunodéficiences primaires ou acquises, ou bien elle peut être associée à un tableau auto-immun. La CCMC peut finalement être isolée (CCMCi) sans autre tableau clinique sévère: la plupart des cas rapportés sont sporadiques, mais il existe également des cas familiaux avec une hérédité mendélienne autosomique principalement dominante (AD) ou plus rarement récessive (AR).Basés sur les données de la littérature, qui démontrent un rôle majeur de l'immunité dépendante des IL-17s dans la résistance aux infections mucocutanées vis-à-vis de C. albicans et nos résultats récents, qui démontrent un défaut de cette immunité dans certaines immunodéficiences primaires associées à une CCMC [les syndromes AD-HIES et AR APS-1, ainsi que chez les patients déficients en CARD9, nous avons émis l'hypothèse que parmi les patients atteints de CCMCi, certains pourraient présenter un défaut génétique affectant spécifiquement l'immunité IL-17-dépendante. Au début de ma thèse, j'ai participé à l'identification des deux premières étiologies génétiques de la CCMCi : le défaut autosomique récessif (AR) complet en IL-17RA et autosomique dominant (AD) en IL-17F. Plus récemment, j'ai identifié la troisième et la plus fréquente étiologie génétique de la CCMC par l'identification de mutations gain de fonction dans le gène STAT1 suite à une approche explorant l'ensemble du génome (séquençage de l'ensemble des exons). Ces mutations engendrent une " hyper-réponse " aux interférons de type I et II et à l'IL-27 qui inhibent la différentiation des lymphocytes T sécréteurs d'IL-17, impliqués dans l'immunité mucocutanée vis-à-vis de C. albicans chez l'homme.En conclusion, nous avons identifié, en 2011, des trois premières étiologies génétiques de la CCMCi, avec les défauts AR en IL-17RA, AD en IL-17F et des mutations gain-de-fonction de STAT1, toutes associées à un défaut de l'immunité dépendante de l'IL-17. Des mutations gain-de-fonction de STAT1 représentent à ce jour la cause génétique la plus fréquente de la CCMCi avec au total 94 patients rapportés dans la littérature depuis 2011. Nous avons ainsi démontré que la CCMCi est une immunodéficience primaire, associée à un défaut de l'immunité réalisée par les IL-17s. Ces travaux ont des implications majeures dans le domaine immunologique avec la description et la caractérisation des mécanismes biologiques impliqués dans l'immunité protectrice spécifique de C. albicans et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques associés à une susceptibilité accrue aux infections fongiques, dans des conditions naturelles d'infection ; et dans le domaine médical, avec la possibilité de diagnostics moléculaires, un conseil génétique en cas de diagnostic positif, une meilleure prise en charge des patients.

Mon projet de thèse a consisté en l’identification et la caractérisation moléculaire et immunologique de patients présentant une susceptibilité accrue aux infections fongiques par Candida sp. dans le syndrome Mendélien de candidose cutanéo-muqueuse chronique (CCMC).La CCMC est caractérisée par des infections persistantes ou récurrentes de la peau, des ongles et des muqueuses par les champignons Candida, principalement C. albicans. Elle est fréquemment associée à d’autres infections opportunistes dans certaines immunodéficiences primaires ou acquises, ou bien elle peut être associée à un tableau auto-immun. La CCMC peut finalement être isolée (CCMCi) sans autre tableau clinique sévère: la plupart des cas rapportés sont sporadiques, mais il existe également des cas familiaux avec une hérédité mendélienne autosomique principalement dominante (AD) ou plus rarement récessive (AR).Basés sur les données de la littérature, qui démontrent un rôle majeur de l’immunité dépendante des IL-17s dans la résistance aux infections mucocutanées vis-à-vis de C. albicans et nos résultats récents, qui démontrent un défaut de cette immunité dans certaines immunodéficiences primaires associées à une CCMC [les syndromes AD-HIES et AR APS-1, ainsi que chez les patients déficients en CARD9, nous avons émis l’hypothèse que parmi les patients atteints de CCMCi, certains pourraient présenter un défaut génétique affectant spécifiquement l’immunité IL-17-dépendante. Au début de ma thèse, j’ai participé à l’identification des deux premières étiologies génétiques de la CCMCi : le défaut autosomique récessif (AR) complet en IL-17RA et autosomique dominant (AD) en IL-17F. Plus récemment, j’ai identifié la troisième et la plus fréquente étiologie génétique de la CCMC par l’identification de mutations gain de fonction dans le gène STAT1 suite à une approche explorant l’ensemble du génome (séquençage de l’ensemble des exons). Ces mutations engendrent une « hyper-réponse » aux interférons de type I et II et à l’IL-27 qui inhibent la différentiation des lymphocytes T sécréteurs d’IL-17, impliqués dans l’immunité mucocutanée vis-à-vis de C. albicans chez l’homme.En conclusion, nous avons identifié, en 2011, des trois premières étiologies génétiques de la CCMCi, avec les défauts AR en IL-17RA, AD en IL-17F et des mutations gain-de-fonction de STAT1, toutes associées à un défaut de l’immunité dépendante de l’IL-17. Des mutations gain-de-fonction de STAT1 représentent à ce jour la cause génétique la plus fréquente de la CCMCi avec au total 94 patients rapportés dans la littérature depuis 2011. Nous avons ainsi démontré que la CCMCi est une immunodéficience primaire, associée à un défaut de l’immunité réalisée par les IL-17s. Ces travaux ont des implications majeures dans le domaine immunologique avec la description et la caractérisation des mécanismes biologiques impliqués dans l’immunité protectrice spécifique de C. albicans et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques associés à une susceptibilité accrue aux infections fongiques, dans des conditions naturelles d’infection ; et dans le domaine médical, avec la possibilité de diagnostics moléculaires, un conseil génétique en cas de diagnostic positif, une meilleure prise en charge des patients. / My project consists in the molecular and immunological identification and characterization of patients with increased susceptibility to fungal infections with Candida sp. suffering from the Mendelian syndrome of chronic mucocutaneous candidiasis (CMC).CMC is characterized by persistent or recurrent infections of the skin, nails and mucosae by Candida fungi, especially C. albicans. CMC is frequently associated with other opportunistic infections in some acquired or primary immunodeficiencies, or can be associated with autoimmune disorders. Finally, CMC may be present as an isolated form (chronic mucocutaneous candidiasis disease or CMCD) without any other severe infectious or autoimmune clinical manifestation: most reported cases are sporadic, but there are also familial cases with autosomal dominant (AD) or recessive (AR) Mendelian inheritance.Based the literature, which demonstrated a major role of IL-17 cytokines in mucocutaneous immunity with C. albicans, and our recent results, which show an impairment of IL-17 immunity in some primary immunodeficiencies associated with CMC (AD-HIES syndrome, AR APS-1, and CARD9-deficient patients), we hypothesized that among CMCD patients, some might have a genetic defect affecting specifically the IL-17-dependent immunity.At the beginning of my PhD, I participated in the identification of the first two genetic etiologies of CMCD: complete AR IL-17RA and partial AD IL-17F deficiencies. More recently, I identified the third and most common genetic etiology of CMCD by identifying gain of function mutations in the STAT1 gene following an approach exploring the whole genome (sequencing of all exons). These mutations are responsible for a "hyper-response" to type I and II interferons and IL-27, which inhibit the differentiation of IL-17-producing T cells. Impaired IL-17 immunity results in reduced mucocutaneous defenses against C. albicans in humans. In conclusion, we have identified in 2011, the first three genetic etiologies of CMCD with AR IL-17RA and AD IL-17F deficiencies and gain-of-function STAT1 mutations, all associated with an impaired IL-17-dependent immunity. Gain-of-function STAT1 mutations represent the most frequent genetic cause of CMCD with a total of 94 patients reported in the literature since 2011. We have shown that CMCD is a primary immunodeficiency associated with inborn errors of IL-17 immunity. This work has important implications in the field of immunology with the description and characterization of the biological mechanisms involved in protective immunity specific to C. albicans and a better understanding of the pathophysiological mechanisms associated with increased susceptibility to fungal infections in natural conditions of infection, and in the medical field, with the possibility of molecular diagnostics, genetic counseling for a positive diagnosis, and a better follow-up of the patients.

Les infections fongiques invasives, sont des infections sévères grevées d’une lourde mortalité. Elles sont actuellement un problème majeur de santé publique et leur incidence augmente. Les candidémies représentent la quatrième cause d’infection hématogène nosocomiale aux Etats-Unis, les cryptococcoses sont responsables de 600 000 décès chaque année en Afrique et l’aspergillose invasive infecte 10% des patients transplantés de cellules souches. La mortalité de ces infections reste élevée avec des taux de mortalité de 50, 15 et 40% respectivement. L’augmentation de leur incidence est due à l’accroissement des populations immunodéprimées à risque de développer des infections fongiques en raison de l’augmentation des thérapeutiques immunosuppressives et de l’allongement de la durée de vie des patients immunodéprimés. Les infections fongiques invasives surviennent chez des patients immunodéprimés, majoritairement dans un contexte d’immunodépression acquise (neutropénie, chimiothérapie, greffe de cellules souches périphériques ou transplantation d’organe solide, diabète, infection par le virus de l’immunodéficience humaine), mais également secondairement à un déficit immunitaire héréditaire (granulomatose septique chronique, déficit immunitaire combiné, neutropénie congénitale, défaut de l’axe IFNγ-IL12). Cependant certains patients développent des infections fongiques invasives sans immunodépression ou facteurs de risques identifiés. Nous avons donc émis l’hypothèse que ces infections avaient possiblement une origine génétique non identifiée. Au cours de ma thèse, j’ai étudié une cohorte de patients présentant des infections fongiques invasives sans facteur favorisant identifié afin de rechercher une étiologie génétique à ces infections. Le premier groupe de patients que j’ai étudié présentait une dermatophytose invasive ou dermatophytose profonde sans immunodépression. Contrairement à la dermatophytose superficielle, en général bénigne et fréquente dans la population générale; la dermatophytose profonde est une infection rare, invasive et sévère, dans laquelle les dermatophytes (qui sont des champignons filamenteux) envahissent les tissus dermiques et hypodermiques, les ganglions et parfois les organes profonds. Les patients que j’ai étudié étaient tous originaires d’Afrique du Nord, pour la plupart issus de familles consanguines, dont certains avec des cas multiples. Ces observations suggéraient une origine génétique de la dermatophytose profonde avec une hérédité probablement récessive. Au cours de ma thèse, j’ai étudié les caractéristiques cliniques, immunologiques et génétiques de 18 patients atteints d’une dermatophytose profonde, issus de neuf familles Marocaines, Algériennes, Tunisiennes ou Egyptiennes. En parallèle, j’ai étudié des patients ayant présenté des infections fongiques avec localisations cérébrales. L’une de ces patients a présenté des abcès cérébraux suite à une infection disséminée à Exophiala dermatitidis et trois patients ont développé des infections du système nerveux central à Candida spp.. Les infections invasives à Exophiala dermatitidis sont des infections rares, avec de fréquentes atteintes du système nerveux central, survenant majoritairement chez des patients sans déficit immunitaire identifié suggérant l’existence d’une origine génétique probable méconnue chez ces patients. Les candidoses invasives surviennent habituellement chez des patients neutropéniques, ayant récemment subi une intervention chirurgicale ou étant porteurs d’un cathéter intraveineux. Parmi les candidoses invasives, les localisations au système nerveux central sont rares, et classiquement rapportées chez des nouveau-nés prématurés ou suite à une intervention neurochirurgicale. J’ai par ailleurs étudié une patiente ayant développé des infections invasives des tissus sous-cutanés et des adénopathies dues à un champignon filamenteux. (...) / Invasive fungal diseases are a major health problem as they are severe infections complicated with high mortality rates and with rising incidence. Invasive fungal diseases occur mainly in patients with acquired immunodeficiencies, but also with primary immunodeficiencies (chronic granulomatous disease, defect in IFN-ϒ/IL-12 axis, congenital neutropenia). However, few patients develop invasive fungal disease without known risk factor. We therefore hypothesized that these infections probably have an unidentified genetic etiology. I studied a cohort of patients who developed invasive fungal diseases without risk factors and searched for a genetic etiology to their infections. The first group of patients presented with deep dermatophytosis without known immunodeficiency. Deep dermatophytosis is a rare, invasive and severe infection where dermatophytes invade dermis, hypodermis, lymph nodes and sometimes deep organs. I could study clinical, immunological and genetic characteristics of 18 patients from nine families who presented deep dermatophytosis. I also studied patients who developed central nervous system (CNS) fungal infections; one patient with CNS Exophiala dermatitidis infection and three patients with CNS Candida spp. infection. Invasive E. dermatitidis infections are rare, with frequent CNS location, mainly reported in patients without known immunodeficiencies, suggesting a potential unknown genetic etiology in these patients. CNS candidiasis are also rare infections usually occuring in preterm neonates or following neurosurgery. Based on literature data previously reporting a large consanguineous Iranian family with CARD9 deficiency that developed chronic mucocutaneous and central nervous system candidiasis; according to candidate gene approach, I sequenced CARD9 in all patients. CARD9 is an adaptor protein expressed by myeloid cells that signals downstream Dectin-1 and Dectin2 that are the main Pattern Recognotion Receptor implicated in antifungal immunity. I identified in all studied patients homozygous CARD9 mutations. Among 18 patients with deep dermatophytosis, 16 had homozygous nonsense Q289X and two homozygous missense R101C mutation in CARD9. I identified R18W, R35Q and R70W homozygous missense mutations in the patients who developed E. dermatitidis and two patients who developed CNS candidiasis, respectively. Transmission was autosomal recessive for all patients, except for the one with E. dermatitidis infection who had an uniparental disomy. In contrast with controls, CARD9 expression is abolished in Q289X, reduced in R70W and normal in R18W patients’ myeloid cells. CARD9 deficient patients whole blood and dendritic cells display a selective response defect to Candida albicans and Saccharomyces cerevisiae ; with IL-6 and TNF-α production impairment after Candida albicans and Saccharomyces cerevisiae stimulation. This defect can explain elective fungal susceptibility of CARD9 deficient patients to invasive fungal infections. This work evidenced that CARD9 deficiency was the main genetic etiology of deep dermatophytosis. It also could evidence that CARD9 deficiency is associated with Exophiala dermatitidis and Candida spp. CNS infections. This susceptibility is associated with proinflammatory cytokines defect by dendritic cells and whole blood to fungal agents. Various fungal clinical phenotypes in CARD9 deficient patients assess CARD9 central role in skin and central nervous system antifungal immunity.