Le projet Milieu Intérieur a pour but d'identifier les facteurs génétiques et environnementaux ayant un impact sur la variabilité immunitaire naturelle. Cette analyse multiparamétrique requière néanmoins d'utiliser des outils standardisés. Afin d'étudier la réponse immune induite, nous avons utilisé un système optimisé prêt à l'emploi de stimulation du sang et développé un protocole unique de quantification de l'ARN afin d'étudier la signature transcriptionnelle en réponse à des immuno-modulateurs. Testant l'hypothèse que la réponse à des composés complexes peut être définie par la signature ARN de cytokines clefs et utilisant une méthode statistique robuste, nous avons identifié 44 gènes capables d'optimiser la capture de la réponse à des stimulations plus complexes aidant à la réduction dimensionnelle pour la décomposition de réponses innées. Dans une seconde étude, l'analyse semi-automatisée par cytomètrie en flux des cellules du sang a été associée à l'analyse épidémiologique et génotypique pour les 1,000 donneurs inclus dans la cohorte. Nous avons observé que le tabac, l'âge, le genre et l'infection latente par le cytomégalovirus sont les facteurs impactant le plus la variabilité immunitaire. Cette étude a montré que les paramètres des cellules innées sont contrôlés par des facteurs génétiques alors que ceux des cellules adaptatives le sont plutôt par des expositions environnementales tout au long de la vie. Des outils interactifs incluant ces données de référence accompagnent ces études. Ces analyses montrent que nous avons développé des outils performants pour une étude intégrative du modèle humain constituant une approche innovante vers une médecine personnalisée. / The project Milieu Intérieur aims to study the genetic and environmental factors that can have a major impact on occurring immunological variance in healthy human population. This characterization requires the use of standardized immunophenotyping technologies for integrating diverse, complex datasets. With this goal in mind, we used an optimized suite of standardized whole-blood stimulation systems to study the human induced immune response in physiological condition and developed a unique standardized protocol to analyze the ARN signatures upon whole-blood stimulation to test the hypothesis that responses to complex stimuli can be defined by the transcriptional signatures of key cytokines. We found 44 genes, identified using Support Vector Machine learning, which captured the diversity of complex innate immune responses with improved segregation between distinct stimuli. This provides new strategies for dimension reduction of large datasets and for deconvolution of innate immune responses, applicable for characterizing novel immunomodulatory molecules.In a second related study, we aimed to identify the environmental and genetic factors driving innate and adaptive immune cell parameters in homeostatic conditions. To do so, we combined semi-automated flow cytometric analysis of blood leukocytes and genome-wide DNA genotyping in the 1,000 healthy donors included in the collection. We show that smoking, age, gender and latent cytomegalovirus infection, are main drivers of human variation (i.e. numbers of Treg and MAIT cells). These results demonstrated that innate cell parameters are strongly controlled by genetic factors, whereas adaptive cells are driven by life-long environmental exposures. In addition, to help on the public data mining, we developed interactive R-Shiny application including healthy donor reference values for both studies.All together, these results indicate that we developed powerful tools for human system biology approaches to support personalized medecine.

Les incidences de l’écoulement vaginal purulent (EVP) et de l’endométrite cytologique (EC) sont élevées dans les exploitations laitières à cause des contaminations utérines associées à l’immunosuppression péripartum. Le pegbovigrastim (bG-CSF) a été approuvé dans la prévention de la mammite clinique chez les vaches en postpartum. L’objectif de cette étude était d’évaluer l’efficacité du bG-CSF dans la prévention de l’EVP et de l’EC chez les vaches laitières en postpartum. Dans un essai contrôlé randomisé, 60 vaches laitières en postpartum ont été enrôlées et réparties dans deux groupes (saline, n = 29 ; bG-CSF, n = 31) où chaque vache a reçu deux injections de traitement en sous-cutané aux 14e et 21e jours en lait (JEL) au creux de la croupe. L’EVP et l’EC ont été diagnostiqués chez les vaches ayant des scores de pus ≥ 3, d’estérase leucocytaire ≥ 1 ou de neutrophiles ≥ 6%. Toutes les réponses immunitaires utérines et les prévalences de l’endométrite étaient plus importantes numériquement dans le groupe bG-CSF, mais ne différaient pas statistiquement de celles du groupe saline. Les résultats étaient aussi non-différents statistiquement pour les performances subséquentes en reproduction et survie dans le troupeau. En conclusion, le traitement au bG-CSF ne semble pas efficace pour prévenir l’EVP et l’EC. Cependant, pour des raisons d’absence de différence significative constaté dans nos résultats, nous recommandons la poursuite de l’étude avec au moins une puissance statistique de 80% et un niveau de confiance de 95% afin de mieux conclure sur l’efficacité de bG-CSF contre l’endométrite. / The incidences of purulent vaginal discharge (PVD) and cytological endometritis (CE) are high in dairy farms because of uterine contamination associated with peripartum immunosuppression. Pegbovigrastim (bG-CSF) has been approved for the prevention of clinical mastitis in postpartum dairy cows. The objective of this study was to evaluate the efficacy of bG-CSF in the prevention of PVD and CE in postpartum dairy cows on the 35th day postpartum. In a randomized controlled trial, 60 postpartum dairy cows were enrolled and divided into two groups (saline, n = 29; bG-CSF, n = 31) where each cow had received two injections subcutaneously on the 14th and 21st days postpartum at the base of the tail. PVD and CE were diagnosed in cows at with scores of pus ≥ 3 and leukocyte esterase ≥ 1 or neutrophils ≥ 6%, respectively. bG-CSF group but did not differ statistically from those of the saline group (p>0.05). Differences were also not significant for subsequent performance of cows in reproduction parameters and survival in the herd. In conclusion, bG-CSF treatment did not seem effective in preventing PVD and CE in dairy cows. However, for reasons of absence of significant difference observed in our results, we recommend the continuation of the study with at least a statistical power of 80% and a level of confidence of 95% in order to better conclude on the effectiveness of bG-CSF against endometritis.

Les vaches laitières en transition sont sensibles aux infections utérines en raison de l'immunité compromise autour du vêlage et de la contamination bactérienne importante dans l'utérus immédiatement après le vêlage. Les vaches atteintes d'infections utérines sont plus susceptibles de développer d'autres maladies périnatales, ce qui entraîne une baisse de la production de lait et une diminution de la fertilité. L'infertilité liée aux infections utérines est devenue la principale cause d'élimination d'une vache du troupeau. Jusqu'à présent, il n'y a pas eu d'approches efficaces pour traiter les infections utérines. Environ 90 % des vaches laitières subissent une contamination bactérienne post-partum de l'utérus. La plupart des vaches sont capables d'éliminer l'infection en 8 semaines au cours du processus d'involution, mais jusqu'à 20 % des vaches développent une métrite, qui est une infection de toute la paroi utérine ; et dans certains troupeaux, 30 à 50 % des vaches développent une endométrite, qui est une infection de la paroi interne de l'utérus. Il a été indiqué que le microbiome et les facteurs immunitaires innés de l'appareil reproducteur ont un effet sur la maladie utérine post-partum, mais le microbiome reproducteur bovin et son effet sur la fertilité suivante ne sont pas bien compris. Les maladies sont négativement corrélées aux performances de reproduction et, combinées au taux d'incidence élevé, elles sont coûteuses pour les agriculteurs. Les études traditionnelles basées sur la culture sont biaisées en faveur des bactéries qui se développent dans un environnement de laboratoire. Dans ce projet, la diversité bactérienne vaginale et utérine pendant la période d'attente volontaire a été étudiée par des méthodes de microbiologie moléculaire, principalement l'ARNr 16S et le séquençage de nouvelle génération. L'objectif de cette étude est d'étudier les variations du microbiote et des facteurs immunitaires innés tels que les populations IL1, IL8 et AGP pendant la période d'attente volontaire. L'objectif de la présente étude était de caractériser les communautés bactériennes de l'appareil reproducteur et la quantité de cytokines avant le vêlage et après le vêlage chez les vaches ayant développé ou non une endométrite. . De plus, notre deuxième objectif de la présente étude était de décrire la réponse immunitaire innée locale cellulaire et humorale lors de la cervicite clinique dans l'utérus et les échantillons vaginaux dans les périodes pré et post-partum des vaches laitières. Pour l'étude prospective de cohorte, un total de 61 vaches multipares ont été prélevées avec une cytobrosse dans le vagin 7 jours avant le vêlage (J-7) et dans l'utérus 7 jours (J+7), 21 jours (J+21), et 35 jours (J+35) après vêlage. Des échantillons de vaches en bonne santé (n = 11) et de vaches atteintes d'endométrite (n = 11) ont été traités pour l'extraction d'ADN et les gènes de séquençage de l'ARNr 16S. La diversité alpha du microbiote utérin n'était pas significantment différente entre les groupes sains et malades. La diversité β n'était pas différente au niveau de l'UTO au cours de la même période d'échantillonnage entre les vaches saines et les vaches atteintes d'endométrite, mais le microbiote utérin était différent entre les groupes trois semaines après le vêlage. Les vaches malades avaient une abondance relative moindre de Firmicutes et de Bacteroidetes que les vaches en bonne santé et les vaches atteintes d'endométrite avaient une plus grande abondance relative d'Actinobacteria que les vaches en bonne santé. T. pyogenes, Peptoniphilus et Helcococcus étaient nettement plus abondants chez les vaches atteintes d'endométrite clinique. De plus, les concentrations d'interleukine 1α (IL1), d'interleukine 8 (IL8) et de glycoprotéine acide α1 (AGP) ont été déterminées. Les cas de CC avec des signes cliniques au temps +5w tels que des pertes vaginales purulentes et une endométrite subclinique ont montré la production de cytokines la plus élevée. En conclusion, le post-partum de 3 semaines est un point critique pour évaluer les cytokines et les protéines de phase aiguë ; où la variation d'IL1 et d'IL8 a gardé une relation directe avec le nombre et la fonction des neutrophiles. / Transition dairy cows are more susceptible to uterine infections due to the compromised immunity around calving and substantial bacterial contamination in the uterus immediately after calving. Cows with uterine infections are at higher odds of developing other periparturient diseases, resulting in lower milk production and impaired fertility. Infertility related to uterine infections has become the main reason for a cow to be culled from the herd and therapeutic approaches to treat uterine infections. Currently, about 95 are of limited success. Approximately 90% of dairy cows exhibit contamination in the uterine cavity during the first 2 weeks following calving. Up to 40% of dairy cows still have contamination in the genital tract 3 weeks after calving. When infection or inflammation persists in the uterus beyond 4 weeks postpartum, the infected uterus is associated with infertility. The microbiome and innate immune factors of the reproductive tract have been indicated to have an effect on postpartum uterine disease, however the bovine reproductive microbiome and its effect on fertility is not well understood. Diseases are negatively correlated to reproductive performance, and in combination with the high incidence rate, they are costly for the farmers. Traditional culture based studies are biased towards bacteria that thrive in a laboratory environment. In this project, the vaginal and uterine bacterial diversity during voluntary waiting period (time between parturition and the time at which the cow os first eligible for insemination) were investigated by molecular microbiology methods, primarily 16S rRNA next generation sequencing. The objective of the present study was to characterize the reproductive tract bacterial communities and the number of cytokines before and after calving in cows that developed or not endometritis. Also, the present study aimed to describe the innate immune response such as IL1, IL8 and AGP in the uterus and vaginal in the pre- and post-partum periods of dairy cows with clinical cervicitis. For the cohort prospective study, a total of 61 multiparous cows were sampled with a cytobrush in the vagina 7 days before calving (D-7) and in the uterus 7 days (D+7), 21 days (D+21), and 35 days (D+35) after calving. Samples of healthy cows (n=11) and cows with endometritis (n=11) were processed for DNA extraction and sequencing of the 16S rRNA gene. Alpha-diversity of uterine microbiota was not significantly different between healthy and endometritis groups. Microbiota composition (β diversity) was significantly different between healthy and endometritis cows three weeks after calving. Diseased cows, but not at the other sampling times. Disease cows had lower relative abundance of Firmicutes and Bacteroidetes and greater abundance of Actinobacteria than healthy cows. Trueperella spp, Peptoniphilus spp. and Helcococcus spp. were significantly more abundant in disease dairy cows. Additionally, in three weeks after calving the concentrations of interleukin 1α (IL1), interleukin 8 (IL8) and α1-acid glycoprotein (AGP) were determined. Cows with clinical and subclinical endometritis at time +5w (5 wks after calving) showed the highest cytokine production compared to the other sampling time ( -1week, +1 week and+3 weeks).

Streptococcus suis est un pathogène porcin et un agent de zoonose en émergence causant des maladies invasives graves. Lorsque la bactérie envahit l’hôte et se retrouve dans le sang, des neutrophiles se mobilisent rapidement pour tenter d’éliminer la menace grâce à de nombreux mécanismes anti-microbiens. Ces cellules sont régulées par le granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) produit lors de l’infection. Il pourrait être un acteur clé du contrôle de l’infection par S. suis mais rien n’est connu sur la production et le rôle du G-CSF dans les infections à S. suis. De plus, le recrutement et l’activation des neutrophiles demeurent peu documentés. L’hypothèse de ce projet est que S. suis induit la production du G-CSF par les cellules de l’immunité innée suite à l’infection, et que le facteur module le recrutement et l’activation des neutrophiles. Cependant, S. suis limite l’activation des cellules immunitaires et se soustrait à l’élimination par les neutrophiles grâce à ses facteurs de virulence. Le 1er objectif consistait à caractériser le recrutement et l’activation des neutrophiles en réponse à S. suis dans un modèle d’infection murin (souris C57BL/6). Nous avons démontré que S. suis cause une mobilisation rapide des neutrophiles de la moelle osseuse vers le sang et la rate. Dans le sang, les neutrophiles présentent un phénotype activé. En parallèle, l’infection cause une élévation spectaculaire du G-CSF systémique, selon un patron similaire à celui des neutrophiles, suggérant un rôle du facteur dans la mobilisation de ces cellules. Le 2e objectif visait à comprendre les mécanismes moléculaires de production de G-CSF. Nous avons donc quantifié le G-CSF produit par différentes cellules immunitaires primaires de souris et démontré que les cellules dendritiques et les macrophages produisent du G-CSF en réponse à S. suis. Les cellules reconnaissent la bactérie par l’intermédiaire de leur Toll-like receptor (TLR) 2 et de récepteurs intracellulaires, ce qui engage des voies de signalisation clés pour la production de médiateurs pro-inflammatoires. Le 3e objectif consistait à élucider le rôle du G-CSF dans le recrutement et l’activation des neutrophiles lors de l’infection par S. suis, et les conséquences sur la pathogenèse. Dans unmodèle d’infection murin, nous avons démontré que le G-CSF cause la sortie des neutrophiles de la moelle osseuse vers le sang, sans que cela augmente l’élimination de la bactérie et la réponse inflammatoire. In vitro, S. suis active peu les neutrophiles porcins, et le G-CSF ne permet pas d’augmenter leurs fonctions. Le 4e objectif avait pour but de déterminer si certains facteurs bactériens de S. suis modulent la production de G-CSF et l’activation des neutrophiles. En utilisant des mutants et des composants bactériens purifiés, nous avons démontré que pour produire le G-CSF, les cellules dendritiques et les macrophages murins reconnaissent les lipoprotéines de S. suis. Cependant, celles-ci sont partiellement masquées par la capsule qui entoure la bactérie, limitant la production de la cytokine. De la même manière, la capsule gêne l’activation optimale des neutrophiles porcins ce qui empêche leur effet bactéricide. Une meilleure compréhension de la pathogenèse des infections à S. suis pourrait orienter de nouvelles stratégies thérapeutiques en lien avec les neutrophiles pour lutter contre la bactérie. Par exemple, le G-CSF couplé à des d’autres immunomodulateurs pourra être envisagé comme traitement métaphylactique dans les élevages porcins pour prévenir d’éventuelles éclosions. / Streptococcus suis is a porcine pathogen and an emerging zoonotic agent causing severe invasive diseases. When the bacterium invades the host and enters the bloodstream, neutrophils quickly mobilize to try to eliminate the threat through various antimicrobial mechanisms. These cells are regulated by granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF), which is produced during the infection. It could be a key player in controlling S. suis infection, but nothing is known about the production and role of G-CSF in S. suis infections. Furthermore, neutrophil recruitment and activation remain poorly documented. The hypothesis of this project is that S. suis induces G-CSF production by innate immune cells following infection, and the factor modulates the recruitment and activation of neutrophils. Nevertheless, S. suis prevents immune cells activation and evades elimination by neutrophils due to its virulence factors. The first objective was to characterize the recruitment and activation of neutrophils in response to S. suis in a murine infection model (C57BL/6). We demonstrated that S. suis infection causes a rapid release of neutrophils from the bone marrow to the blood and spleen. In the blood, neutrophils exhibit an activated phenotype. Simultaneously, the infection causes a dramatic increase in systemic G-CSF, following a pattern similar to that of neutrophils, suggesting a role for the factor in the mobilization of these cells. The second objective aimed to understand the molecular mechanisms of G-CSF production. We quantified G-CSF produced by different primary mouse immune cells and showed that dendritic cells and macrophages produce G-CSF in response to S. suis. Cells recognize the bacterium through their Toll-like receptor (TLR) 2 and intracellular receptors, engaging key signaling pathways for pro-inflammatory mediator production. The third objective was to elucidate the role of G-CSF in the recruitment and activation of neutrophils during S. suis infection, and its consequences for pathogenesis. In a murine model, we demonstrated that G-CSF causes the release of neutrophils from the bone marrow into the blood, without increasing bacterial clearance and inflammatory response. In vitro, S. suis weakly activates porcine neutrophils, and G-CSF does not enhance the cellular functions. The fourth objective aimed to determine if certain bacterial factors of S. suis modulate G-CSF production and neutrophil activation. Using mutants and purified bacterial components, we demonstrated that dendritic cells and murine macrophages recognize S. suis lipoproteins to produce G-CSF. However, these lipoproteins are partially masked by the bacterium's capsule, limiting cytokine production. Similarly, the capsule hinders optimal activation of porcine neutrophils, preventing their bactericidal effect. A better understanding of the pathogenesis of S. suis infections could guide new therapeutic strategies related to neutrophils to combat the bacterium. For example, G-CSF combined with other immunomodulators could be considered as a metaphylactic treatment in pig farming to prevent potential outbreaks.

La maladie coeliaque réfractaire de type II (MCRII) est une complication sévère de la maladie coeliaque caractérisée par l’émergence dans l’épithélium intestinal d’une population clonale de cellules innées lymphoïdes (IE-ILC) avec un phénotype inhabituel. Nos travaux montrent en effet que ces IE-ILC ont un phénotype mixte avec des caractéristiques à la fois de lymphocytes T (LT) et de cellules NK, puisqu’elles expriment des récepteurs NK et contiennent les chaines du complexe CD3 en intracellulaire et des réarrangements du récepteur T. En outre, des travaux précédents du laboratoire ont montré que l’interleukine 15 (IL-15), produite en excès par les entérocytes des patients MCRII, joue un rôle central en permettant la survie de ces lymphocytes anormaux et de ce fait leur accumulation progressive dans l’intestin. Le premier objectif de ma thèse a été de comprendre l’ontogénie des IE-ILC chez l’homme. Nous avons démontré qu’une population «polyclonale» d’IE-ILC, possédant des caractéristiques similaires à ceux des lymphocytes clonaux de MCRII, est présente dans l’épithélium intestinal des sujets sains. En outre, ces cellules prédominent dans l’épithélium intestinal des très jeunes enfants (<1ans) et des patients allo-greffés après une chimiothérapie. Nous avons montré que la différenciation des IE-ILC peut–être récapitulée in vitro à partir de cellules souches hématopoïétiques (CSH), en combinant un signal NOTCH et IL-15; le signal NOTCH initie un programme T qui est interrompu par l’IL-15, conduisant à la reprogrammation des cellules vers une différenciation NK. Nous avons aussi montré que l’effet de l’IL-15 résulte de l’induction de la sérine protéase Granzyme B, qui clive la protéine NOTCH en fragments dépourvus d’activité transcriptionnelle. Le deuxième objectif de mon travail a été d’identifier le site de la différenciation des IE-ILC. Thymus et épithélium intestinal expriment en effet des ligands de NOTCH ainsi que de l’IL-15. Cette partie du travail a été conduite chez la souris. Nous avons montré qu’une population d’IE-ILC similaire à celle observée chez l’homme est présente dans l’épithélium murin. L’étude de différentes souris mutantes nous a permis de démontrer sa dépendance stricte de l’IL-15. La réalisation de greffes de thymus, l’analyse de souris athymiques et le transfert de cellules de la moelle osseuse chez des souris immunodéficiences a permis d’exclure tout rôle du thymus dans la différenciation des IE-ILC, et de suggérer que ces cellules se différencient dans l’intestin avant la migration des lymphocytes T. Dans leur ensemble, ces résultats caractérisent une nouvelle population de cellules lymphoïdes innées et une voie originale de différenciation. Nos résultats éclairent un débat de longue date sur la différenciation extra-thymique des lymphocytes de l’épithélium. Nous montrons que la différenciation T peut être initiée dans l’épithélium intestinal mais que l’IL-15 bloque cette différenciation, ce qui conduit à la génération d’une population particulière de IE-ILC avec un phénotype mixte de LT et de NK. La présence des IE-ILC chez les très jeunes enfants et chez les patients greffés suggère un rôle possible dans les défenses de l’épithélium intestinal avant l’activation du système immunitaire adaptatif et la migration intraépithéliale des LT. / Refractory celiac disease type II (RCDII) is a rare but severe complication of celiac disease characterized by the appearance in gut epithelium of clonal population of innate lymphoid cells (IE-ILC) with atypical features. Our work shows that IE-ILC have mixed phenotype close both to T cells and NK cells. Indeed, IE-ILC express NK markers, intracellular CD3 chains and exhibit T cell rearrangement. Moreover, previous data from the laboratory have shown that interleukin 15 (IL-15), a cytokine overexpressed in the gut of RCDII patients, plays a key role in survival of clonal IE-ILC1 and therefore promotes their accumulation in the gut epithelium. The first objective of my thesis has been to understand the ontogeny of IE-ILC in humans. We have demonstrated that polyclonal IE-ILC sharing similar features with clonal IE-ILC are present in the gut of healthy control. In addition, IE-ILC are preponderant in the gut epithelium of young children (<1year) and of grafted patients after chemotherapy. We have shown that differentiation of IE-ILC can be recapitulated in vitro from hematopoietic stem cells (HSC) by combining both NOTCH signal and IL-15. Indeed, NOTCH signal initiates T cell program, which is blocked by IL-15, reprogramming these cells toward the NK lineage. Moreover, we have shown that Granzyme B, a serine protease induced by IL-15, cleaves the NOTCH protein into a transcriptionnally inactive peptide. The second objective of my work has been to determine the site of differentiation of IE-ILC. Thymus and gut epithelium express both NOTCH ligands and IL-15. This question has to be addressed in mouse. We have shown that the mouse gut epithelium contains the counterpart of human IE-ILC1. We first confirmed that mouse IE-ILC1 require IL-15 for their differentiation and or survival using IL-15 deficient mice. Thymus graft experiment, analysis of athymic mice (nude) and HSC transplantation in empty hosts suggested that IE-ILC1 differentiate in the gut epithelium before immigration of T cells from thymus. In summary, our results describe a novel subset of IE-ILC1 together with their novel unconventional mechanism of differentiation. Our data allow to revisit the long time controversy on extra-thymic T cell differentiation in the gut. We have demonstrated that T cell program can be initiated in the gut epithelium but IL15-induced Granzyme B blocks this program and permits the generation of unconventional IE-ILC with mixed T cell and NK cell features. Because IE-ILC1 are preponderant in the gut epithelium of young children and of patients with recent bone marrow transplantation, we suggest that IE-ILC1 can play a major role in gut defense before activation of the gut adaptative immune system activate and migration of thymus-derived T cells into the gut epithelium.

La maladie coeliaque réfractaire de type II (MCRII) est une complication sévère de la maladie coeliaque caractérisée par l’émergence dans l’épithélium intestinal d’une population clonale de cellules innées lymphoïdes (IE-ILC) avec un phénotype inhabituel. Nos travaux montrent en effet que ces IE-ILC ont un phénotype mixte avec des caractéristiques à la fois de lymphocytes T (LT) et de cellules NK, puisqu’elles expriment des récepteurs NK et contiennent les chaines du complexe CD3 en intracellulaire et des réarrangements du récepteur T. En outre, des travaux précédents du laboratoire ont montré que l’interleukine 15 (IL-15), produite en excès par les entérocytes des patients MCRII, joue un rôle central en permettant la survie de ces lymphocytes anormaux et de ce fait leur accumulation progressive dans l’intestin. Le premier objectif de ma thèse a été de comprendre l’ontogénie des IE-ILC chez l’homme. Nous avons démontré qu’une population «polyclonale» d’IE-ILC, possédant des caractéristiques similaires à ceux des lymphocytes clonaux de MCRII, est présente dans l’épithélium intestinal des sujets sains. En outre, ces cellules prédominent dans l’épithélium intestinal des très jeunes enfants (<1ans) et des patients allo-greffés après une chimiothérapie. Nous avons montré que la différenciation des IE-ILC peut–être récapitulée in vitro à partir de cellules souches hématopoïétiques (CSH), en combinant un signal NOTCH et IL-15; le signal NOTCH initie un programme T qui est interrompu par l’IL-15, conduisant à la reprogrammation des cellules vers une différenciation NK. Nous avons aussi montré que l’effet de l’IL-15 résulte de l’induction de la sérine protéase Granzyme B, qui clive la protéine NOTCH en fragments dépourvus d’activité transcriptionnelle. Le deuxième objectif de mon travail a été d’identifier le site de la différenciation des IE-ILC. Thymus et épithélium intestinal expriment en effet des ligands de NOTCH ainsi que de l’IL-15. Cette partie du travail a été conduite chez la souris. Nous avons montré qu’une population d’IE-ILC similaire à celle observée chez l’homme est présente dans l’épithélium murin. L’étude de différentes souris mutantes nous a permis de démontrer sa dépendance stricte de l’IL-15. La réalisation de greffes de thymus, l’analyse de souris athymiques et le transfert de cellules de la moelle osseuse chez des souris immunodéficiences a permis d’exclure tout rôle du thymus dans la différenciation des IE-ILC, et de suggérer que ces cellules se différencient dans l’intestin avant la migration des lymphocytes T. Dans leur ensemble, ces résultats caractérisent une nouvelle population de cellules lymphoïdes innées et une voie originale de différenciation. Nos résultats éclairent un débat de longue date sur la différenciation extra-thymique des lymphocytes de l’épithélium. Nous montrons que la différenciation T peut être initiée dans l’épithélium intestinal mais que l’IL-15 bloque cette différenciation, ce qui conduit à la génération d’une population particulière de IE-ILC avec un phénotype mixte de LT et de NK. La présence des IE-ILC chez les très jeunes enfants et chez les patients greffés suggère un rôle possible dans les défenses de l’épithélium intestinal avant l’activation du système immunitaire adaptatif et la migration intraépithéliale des LT. / Refractory celiac disease type II (RCDII) is a rare but severe complication of celiac disease characterized by the appearance in gut epithelium of clonal population of innate lymphoid cells (IE-ILC) with atypical features. Our work shows that IE-ILC have mixed phenotype close both to T cells and NK cells. Indeed, IE-ILC express NK markers, intracellular CD3 chains and exhibit T cell rearrangement. Moreover, previous data from the laboratory have shown that interleukin 15 (IL-15), a cytokine overexpressed in the gut of RCDII patients, plays a key role in survival of clonal IE-ILC1 and therefore promotes their accumulation in the gut epithelium. The first objective of my thesis has been to understand the ontogeny of IE-ILC in humans. We have demonstrated that polyclonal IE-ILC sharing similar features with clonal IE-ILC are present in the gut of healthy control. In addition, IE-ILC are preponderant in the gut epithelium of young children (<1year) and of grafted patients after chemotherapy. We have shown that differentiation of IE-ILC can be recapitulated in vitro from hematopoietic stem cells (HSC) by combining both NOTCH signal and IL-15. Indeed, NOTCH signal initiates T cell program, which is blocked by IL-15, reprogramming these cells toward the NK lineage. Moreover, we have shown that Granzyme B, a serine protease induced by IL-15, cleaves the NOTCH protein into a transcriptionnally inactive peptide. The second objective of my work has been to determine the site of differentiation of IE-ILC. Thymus and gut epithelium express both NOTCH ligands and IL-15. This question has to be addressed in mouse. We have shown that the mouse gut epithelium contains the counterpart of human IE-ILC1. We first confirmed that mouse IE-ILC1 require IL-15 for their differentiation and or survival using IL-15 deficient mice. Thymus graft experiment, analysis of athymic mice (nude) and HSC transplantation in empty hosts suggested that IE-ILC1 differentiate in the gut epithelium before immigration of T cells from thymus. In summary, our results describe a novel subset of IE-ILC1 together with their novel unconventional mechanism of differentiation. Our data allow to revisit the long time controversy on extra-thymic T cell differentiation in the gut. We have demonstrated that T cell program can be initiated in the gut epithelium but IL15-induced Granzyme B blocks this program and permits the generation of unconventional IE-ILC with mixed T cell and NK cell features. Because IE-ILC1 are preponderant in the gut epithelium of young children and of patients with recent bone marrow transplantation, we suggest that IE-ILC1 can play a major role in gut defense before activation of the gut adaptative immune system activate and migration of thymus-derived T cells into the gut epithelium.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.

Les voies respiratoires sont exposées à une panoplie de pathogènes. Lors d’une infection virale respiratoire les cellules qui recouvrent ces voies participent activement à la défense immunitaire contre ces derniers en limitant la propagation du virus et en engendrant une réponse proinflammatoire. Un évènement clef dans ces processus est l’activation des facteurs de transcription, notamment le « Nuclear Factor » (NF)-κB et l’« Interferon Regulatory Factor -3 » (IRF-3), qui régulent l’expression des cytokines antivirales et proinflammatoires. Des données récentes démontrent que les dérivés actifs de l’oxygène (ROS), produits suite à une infection virale, ont la capacité de réguler les voies de signalisation enclenchées par NF-κB et IRF-3. Une source importante de ROS est la famille de NADPH oxydases (NOX), qui contient les membres NOX1-5 et DUOX1 et 2. L’objectif de notre étude était d’identifier la NOX qui régule les mécanismes antiviraux et proinflammatoires suite à l’infection avec le virus respiratoire syncytial (RSV), qui cause des complications respiratoires majeures, et le virus Sendai (SeV), un modèle viral non-pathogène. Nos travaux ont permis d’identifier que NOX2 est une molécule clef dans la réponse proinflammatoire suite à l’infection virale. Plus spécifiquement, NOX2 est important pour l’activation de NF-κB et la sécrétion des cytokines régulées par ce dernier. De plus, nous avons observé une forte augmentation de la présence de DUOX2 dans les cellules de voies respiratoires humaines infectées par SeV. Une étude plus approfondie nous a permis de caractériser qu’une synergie entre deux cytokines secrétées lors de l’infection, soit l’interféron (IFN)β et le TNFα est responsable de l’induction de DUOX2. Nous avons aussi découvert que DUOX2 confère une activité antivirale et est nécessaire pour maintenir les taux des cytokines antivirales tardives IFNβ et IFNλ. Lors d’une infection avec RSV, l’induction de DUOX2 n’est pas détectable. Nous avons mis en évidence que RSV interfère avec l’expression de DUOX2 ce qui pourrait suggérer sa pathogénicité. En conclusion, nos travaux démontrent pour la première fois une implication spécifique des NADPH oxydase NOX2 et DUOX suite aux infections virales respiratoires. / The mucosal linings of the airways are constantly exposed to an array of microbial pathogens. During the course of respiratory viral infection, Airway epithelial cells (AEC) actively participate in the innate antiviral immune response by limiting the spread of respiratory viruses and by fostering a proinflammatory environment that attracts and activates players of the immune system. A key step in the establishment of the antiviral and proinflammatory state is the activation of Transcription Factors (TFs), such as Nuclear Factor (NF)-κB and Interferon Regulatory Factor 3 (IRF-3), which regulate the expression of antiviral and proinflammatory cytokines. For the efficient functioning of these events, the signaling pathways involved underlie strict regulatory mechanisms. Recent data suggest that Reactive Oxygen Species (ROS), which are produced upon viral infection, are able to regulate these intracellular signaling pathways. One important source of ROS is the NADPH oxidase (NOX) family of enzymes, which is composed of NOX1-5 and Dual Oxidase (DUOX) 1 and DUOX2. The aim of our study was to identify the NADPH oxidase(s) that regulate(s) antiviral and proinflammatory mechanisms following infection of AEC with Respiratory syncytial virus (RSV), which causes major human lower respiratory tract complications, and Sendai virus (SeV), a non pathogenic virus. During the course of our studies we identified that NOX2 is a key molecule in the early proinflammatory response to RSV and SeV infection. We demonstrate that NOX2 is necessary for the activation of NF-κB. Consequently, NOX2 impacts on the proinflammatory cytokine secretion upon AEC infection. Further, we observed that expression of the ROS-generating NADPH oxidase DUOX2 is strongly increased following infection of AEC with SeV. We identified that DUOX2 induction requires the synergistic stimulation by IFNβ and TNFα. Importantly, DUOX2 exhibited ROS-dependent antiviral action. We identified that DUOX2 was necessary for sustaining the levels of late antiviral cytokines IFNβ and IFNλ. When AEC were infected with RSV, DUOX2 expression was barely detectable. Our data reveal that RSV has developed an evasion mechanism to counteract DUOX2 induction likely contributing to RSV pathogenicity. In conclusion, our work demonstrates for the first time the specific implication of NOX2 and DUOX2 in the antiviral and proinflammatory response to respiratory virus infection.

La pneumonie est la première cause de mortalité chez l’enfant dans le monde. Elle peut être provoquée par un certain nombre d’agents pathogènes connus mais 15 à 35% des pneumonies de l’enfant restent encore non renseignées d’un point de vue étiologique. L’utilisation d’un test moléculaire de découverte de nouveaux pathogènes nous a permis de découvrir de nouvelles espèces de Torque Teno Mini Virus (TTMV, Anelloviridae), nommées TTMV-LY, dans trois épanchements pleuraux provenant d’enfants hospitalisés avec une pleuro-pneumopathie, dont l’étiologie demeurait inconnue. Les TTMV sont des virus ubiquitaires dont l’implication dans une pathologie reste à déterminer. Les voies respiratoires ayant précédemment été décrites pour être un site d'infection des anellovirus, nous avons entrepris de caractériser ces nouveaux virus, ainsi que d’étudier leur potentiel rôle dans la pathogénèse.Les génomes complets de TTMV-LY ont été isolés, caractérisés puis répliqués in vitro. La réponse des cellules épithéliales alvéolaires, ainsi que des cellules présentatrices d’antigènes (CPA), impliquées dans l’inflammation, a été étudiée après infection par les virions néo-synthétisés.Ces travaux ont démontré que : i) les TTMV-LY peuvent coloniser les poumons en profondeur, ii) les cellules pulmonaires sont permissives aux TTMV-LY et permettent une réplication virale efficace, iii) l’infection virale module les réponses cellulaires et immunitaires des cellules pulmonaires en induisant des dérégulations de l’expression génique et la production de médiateurs inflammatoires, iv) les TTMV-LY seraient capables d’interagir avec les CPA et de réguler ainsi différentiellement le processus inflammatoire.L’ensemble de ces résultats ont permis de mettre en évidence une implication potentielle des TTMV-LY dans la pathogénèse des pneumopathies, et souligné la complexité des mécanismes biologiques mis en jeu lors de l’infection par les virus de cette famille. / Pneumonia is the leading cause of death in children worldwide. It can be caused by a number of known pathogens, but 15-35% of childhood pneumonia are still not associated with an etiologic agent. A pathogen discovery assay allowed us to identify new species of Torque Teno Mini Virus (TTMV, Anelloviridae), named TTMV-LY, in three undiagnosed pleural effusions from children hospitalized with parapneumonic empyema. TTMV are ubiquitous orphan viruses, and their involvement in pathogenesis remains unknown. The respiratory tract was previously described to be a site of anellovirus detection. We investigated the role of these new species in the pathogenesis of severe pneumonia.Full-length TTMV-LY genomes were isolated and in vitro replicated. The response of alveolar epithelial cells, and antigen presenting cells (APC), both involved in the inflammation process, was studied after infection with neo-synthesized virions.This study showed for the first time that: i) TTMV-LY can deeply colonize lungs, ii) alveolar epithelial cells are permissive to the TTMV-LY and allow an efficient replication, iii) viral infection modulates cellular and innate immune responses of alveolar epithelial cells, by inducing gene expression deregulations and inflammatory mediators production, iv) TTMV-LY are able to interact with APC and thereby regulate differentially their inflammatory process.All these results allowed to highlight a potential involvement of TTMV-LY in the pathogenesis of severe pneumonia and brought out the complexity of the biological mechanisms taking place during infection by viruses of this family.

Cette thèse, consacrée aux myopathies inflammatoires, démontre le rôle dans les maladies auto-immunes des Toll-like récepteurs (TLRs), véritable passerelle entre immunité innée et adaptative, et plus spécifiquement dans le muscle, le rôle fondamental de la cellule musculaire elle-même. Après une présentation globale des myopathies inflammatoires et des différents aspects immunopathologiques, la réponse immunitaire adaptative est abordée en rapportant notamment dans le muscle des myopathies inflammatoires une accumulation de cellules dendritiques matures, et la présence des lymphocytes Th1 et Th17, avec un profil prépondérant Th1. L’implication de l’immunité innée est démontrée in vivo par l’expression musculaire des TLR3 et 7, et des C-type lectin récepteurs, spécifique des myopathies inflammatoires. In vitro, l’activation de la voie TLR3 induit la production par les cellules musculaires d’IL6, de la βchémokine CCL20, contribuant au recrutement et à la différentiation des cellules dendritiques et lymphocytes T, et de l’IFNβ qui participe à la surexpression des antigènes HLA de classe I. Les mécanismes de régulation impliquent une balance cytokinique Th1 et Th17. Finalement, l’importance des précurseurs musculaires immatures est soulignée. Contrairement au tissu musculaire normal, une surexpression des antigènes HLA de classe I, des TLRs, des auto-antigènes et de l’IFNβ, par les précurseurs musculaires immatures, est caractéristique des myopathies inflammatoires. Le rôle central de ces cellules musculaires immatures à potentiel de régénération pourrait expliquer un défaut de réparation associé au processus auto-immun de destruction musculaire. / This thesis, devoted to the inflammatory myopathies, is demonstrating the potential role in autoimmune disorders of Toll-like receptors (TLRs), gateway between innate and adaptive immune system, and more specifically in muscular diseases the fundamental role of muscle cell it-self. After the presentation of the general clinical features and the immunopathology of inflammatory myopathies, the adaptive immune response is the subject of the second part,demonstrating the abnormal accumulation of mature dendritic cells in myositis muscle, and the presence of Th1 and Th17 cells with a predominant Th1 profile. Innate immune system is next investigated, demonstrating the overexpression of TLR3 and 7 and of C-type lectin receptors characteristic of inflammatory myopathies. In vitro, stimulation of the TLR3 pathway in human myoblasts induces the production of IL6 and of the βchemokine CCL20, which in turn participate to the differentiation and the migration of T cells and dendritic cells, and of IFNβ which contributes to HLA class I up-regulation. The expression of TLR3 is differentially regulated by Th1 and Th17 cytokines. Finally, this work strongly implicates immature myoblast precursors in the pathogenesis of inflammatory myopathies. In contrast to normal muscle tissue, myositis tissue is characterized by the overexpression of HLA class I antigens, TLR3 and TLR7, myositis autoantigens, and IFNβ, all observed in immature myoblast precursors. By focusing damage onto those cells accomplishing repair, a feedforward loop of tissue damage is induced and could explain the defective repair in muscle in addition to the autoimmune attack.