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Les cellules Natural Killer (NK) sont des effecteurs de l’immunité innée et constituent de véritables sentinelles dans l’immuno-surveillance contre les virus et les processus tumoraux. Pour échapper à la reconnaissance NK, les virus ainsi que les cellules tumorales utilisent de nombreux subterfuges. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux facteurs régulateurs de la fonction des cellules NK, la molécule PD-1 et la prostaglandine E2 (PGE2). Programmed death 1 (PD-1) est une molécule régulatrice exprimée sur les lymphocytes T et B activés. L’engagement de PD-1 par ses ligands inhibe leurs fonctions effectrices et prolifératives. Au cours de certaines infections virales chroniques ou de tumeurs, l’expression de PD-1 est associée à l'épuisement fonctionnel des lymphocytes T effecteurs. Le blocage de l’axe PD-1/PD-1 ligands restaure les fonctions effectrices des lymphocytes et représente ainsi une approche thérapeutique prometteuse. Nous avons mis en évidence de manière fortuite une expression inhabituelle du récepteur PD-1 sur les cellules NK au cours de certaines infections virales chroniques (HHV8, VIH ou VHC). L’expression de PD-1 sur les cellules NK caractérise une population récemment activée (CD69++, CD25 + et Nkp44 +), susceptible à l’apoptose (Annexin V+), exprimant une moindre quantité du récepteur de cytotoxicité naturelle NKp46. L’analyse fonctionnelle montre que les cellules NK PD-1+ ont des capacités de cytotoxicité (dégranulation CD107a) et de production de cytokines (IFNγ) réduites en comparaison avec leurs homologues PD-1-. De façon intéressante, l’IL-2 et l’IL-15 peuvent restaurer les fonctions effectrices des cellules NK PD-1+. Contrairement aux cellules T dont l’expression de PD-1 est induite par divers stimuli, seule la stimulation des récepteurs NKp46 et NKp30, en synergie avec l’action de l’IL-15 ou l’IL-2, induit in vitro de façon reproductible l’expression de PD-1 sur les cellules NK de témoins sains. Pour pouvoir disposer d’un modèle in vitro de cellules NK PD-1+, nous avons généré des cellules exprimant PD-1 de manière stable par transduction lentivirale de la lignée NKL. En comparaison avec les cellules transduites par le vecteur vide, les cellules NKL PD-1+ ont des capacités cytotoxiques réduites, confirmant nos résultats chez les patients. Nous avons aussi étudié les mécanismes par lesquels la PGE2, une autre molécule immuno-modularice, régule les fonctions des cellules NK. Nos résultats suggèrent que la PGE2 agit à travers ses récepteurs EP2 et EP4 pour inhiber l’expression de NKG2D et de l’IL-15Rγ induite par l’IL-15 sur les cellules NK. Ce travail doit nous permettre de mieux comprendre comment la PGE2 s’oppose aux effets activateurs de l’IL-15 sur les cellules NK, et représente un mécanisme de rétrocontrôle de l’inflammation. En conclusion, nos résultats montrent que l’expression de PD-1 sur les cellules NK représente un mécanisme supplémentaire d’échappement viral à la réponse immune. La suite de l’étude sur la PGE2 devrait nous permettre d’évaluer l’intérêt de l’utilisation d’antagonistes spécifiques dans l’immunothérapie anti-tumorale par l’IL-15. Le lien entre la PGE2 et l’expression de PD-1 sur les cellules NK est en cours d’investigation. / Natural Killer (NK) cells are effectors of the innate immune system, and play a crucial role in virus and cancer immunesurveillance. To escape NK-cell mediated elimination of infected or transformed cells, viruses and tumors have developed multiple strategies to interfere with NK-cell functions. In the present study, we investigated the role of two regulatory molecules, Programmed Death-1 (PD-1) and Prostaglandine E2 (PGE2), in controlling NK cell activation and effector functions. PD-1 is a key immune checkpoint receptor expressed by activated T and B lymphocytes. Upon interaction with its cognate ligands, PD-1 inhibits lymphocyte proliferation and functions. During cancer or chronic viral infections, PD-1 expression is associated with functional exhaustion of effector T cells. Blockade of PD-1 signaling restores T-cell functions, and represents a promising therapeutic tool. We fortuitously observed unusual expression of PD-1 on a subset of CD56dim NK cells in some patients with persistent viral infection (HHV8, HIV or HCV). We show that PD-1 expression on NK cells characterizes a subpopulation of recently activated cells (CD69+, CD25+, Nkp44+) that are sensitive to apoptosis (Annexin V+) and not senescent (CD57-). NKp46 expression was also markedly decreased on PD-1+ NK cells. In vitro functional experiments showed that PD-1+ NK cells had impaired cytotoxic capacity (CD107a degranulation) and reduced IFN-γ production compared to their PD-1- counterpart, suggesting that they might represent functionally exhausted NK cells. Interestingly, exogenous IL-2 and IL-15 could restore PD-1+ NK cell effector functions. While strong non-specific stimulation by PMA/ionomycin transiently induced PD-1 on control NK cells, only activation through NKp46 or NKp30 receptors in the presence of IL-15 could reproducibly induce stable PD-1 expression. To investigate the effect of PD-1 expression on NK cells in the absence of any confounding factor related to the underlying disease, we generated NK cells stably expressing PD-1 after lentiviral transduction. Compared to NK cells transduced with the control vector, PD-1+ cells showed a constitutively decreased CD107a degranulation, thus confirming our findings in NK cells from infected patients. In the second part of this study, we investigated the immunosuppressive role of PGE2 in the control of IL-15-mediated NK cell activation. Our results suggest that PGE2 acts through EP2 and EP4 receptors to inhibit IL-15 induced NKG2D and IL-15Rγ expression on NK cells. These findings allow a better comprehension of PGE2/IL-15 antagonism in the regulation of NK cell responses. In conclusion, our results indicate that PD-1 expression on NK cells could represent a supplementary mechanism of immune evasion strategy, and allow introducing the concept of exhausted NK cells, similar to exhausted PD-1+ T cells. Our results also demonstrate that PGE2 exerts a negative feedback on IL-15-mediated effects on NK cells. Blocking PGE2 or its receptors could be of interest in IL-15 tumor immunotherapy to potentiate IL-15-induced cytotoxic functions of NK cells.

Hepatitis C virus (HCV) is remarkably efficient at evading host immunity to establish chronic infection. During chronic HCV infection, interleukin-12 (IL-12) produced by monocytes/macrophages (M/Mφ) is significantly suppressed. Programmed death-1 (PD-1), an inhibitory receptor on immune cells, plays a pivotal role in suppressing T-cell responses during chronic viral infection. To determine whether PD-1 regulates IL-12 production by M/Mφ during chronic HCV infection, we examined the expressions of PD-1, its ligand PDL-1, and their relationship with IL-12 production in M/Mφ from HCV-infected, HCV-resolved, and healthy subjects by flow cytometry. Toll-like receptor (TLR) -mediated IL-12 production by M/Mφ was selectively suppressed, while PD-1/PDL-1 expressions were up-regulated, in HCV-infected subjects compared with HCV-resolved or healthy subjects. Up-regulation of PD-1 was inversely associated with the degree of IL-12 inhibition in HCV infection. Interestingly, the reduced response of M/Mφ from HCV-infected individuals to TLR ligands appeared not to be the result of a lack of the ability to sense pathogen, but to an impaired activation of intracellular janus kinase/signal transducer and activator of transfection (STAT) pathway as represented by inhibited STAT-1 phosphorylation in M/Mφ from HCV-infected individuals compared with HCV-negative subjects. Successful HCV treatment with pegylated interferon/ribavirin or blocking PD-1/PDL-1 engagement ex vivo led to reduced PD-1 expression and improved IL-12 production as well as STAT-1 activation in M/Mφ from HCV-infected individuals. These results suggest that the PD-1 inhibitory pathway may negatively regulate IL-12 expression by limiting STAT-1 phosphorylation in M/Mφ during chronic HCV infection. No claim to original US government works.

The interactions of tumours with normal host tissue are key determinants of cancer growth and progression. The ability or inability of the patient’s immune system to mount a response against the tumour is tightly correlated with prognosis. One of the ways tumours avoid detection and elimination by the immune system is by expressing programmed death ligand 1 (PD-L1). PD-L1 binds to its receptor programmed death 1 (PD1) on T cells, inhibiting T cell responsiveness to antigenic stimuli. Blockade of the PD1/PD-L1 pathway removes this negative signal and restores anti-tumour immunity. While this blockade of PD1/PD-L1 is well established through the use of antibodies, small molecule inhibitors of PD1/PD-L1 are relatively unknown. We employed in silico docking in order to find small molecules capable of binding to either PD1 or PD-L1, and the highest-ranked compounds were tested in biophysical assays for their ability to inhibit PD1/PD-L1 binding. A thermal shift assay identified a pyrazole compound as a possible binding partner for PD-L1, but follow-up assays showed that it had no effect on the PD1/PD-L1 interaction and that its apparent binding was probably due to aggregation. An ELISA assay identified a tryptophan diamine compound as an apparent stabilizer of the PD1/PD-L1 interaction. However this compound, too, was later identified to be inactive in orthogonal assays. We identified a family of salicylic acid derivatives that interfered with TR-FRET measurements – an unusual observation, given that TR-FRET is touted as being insensitive to most mechanisms of compound interference. This discovery should help other fragment- screening groups identify false positives more easily. We also probed the mechanism of inhibition of a recently disclosed family of small molecule PD1/PD-L1 inhibitors from Bristol-Myers Squibb. Concurrently with other groups, we used protein NMR, size exclusion chromatography, and SPR to determine that the compounds were inducing homodimerization through the PD1-binding face of PD-L1. Furthermore, using cellular crosslinking and live cell imaging, we showed that these first generation inhibitors are fairly ineffective at inhibiting this interaction on the cell surface. More potent compounds will be needed to see any cellular effect from this mechanism of action. / Graduate / 2019-02-15

Lors d’une infection par un pathogène, des lymphocytes T CD8+ naïfs (LTn) spécifiques de l’antigène sont activés, prolifèrent et se différencient en LT effecteurs (LTe). Les LTe produisent différentes cytokines et acquièrent une activité cytotoxique menant à l’élimination du pathogène. Seulement 5 à 10 % des LTe survivront et se différencieront en LT mémoires (LTm), qui sont capables de répondre plus rapidement lors d’une seconde infection par le même pathogène, contribuant au succès de la vaccination. Toutefois, la compréhension de l’ensemble des mécanismes régulant le développement des LTe et des LTm demeure incomplète. Afin de mieux comprendre les signaux requis pour la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immune, nous avons posé deux hypothèses. Nous avons d’abord proposé que différentes cellules présentatrices d’antigène (CPA) fournissent différents signaux au moment de la reconnaissance antigénique influençant ainsi le devenir des LT CD8+. Vu leur potentiel d’utilisation en immunothérapie, nous avons comparé la capacité d’activation des LT CD8+ par les lymphocytes B activés via le CD40 (CD40-B) et les cellules dendritiques (CD). Nous avons montré que l’immunisation avec des CD40-B induit une réponse effectrice mais, contrairement à l’immunisation avec des CD, pratiquement aucun LTm n’est généré. Les LTe générés sont fonctionnels puisqu’ils sécrètent des cytokines, ont une activité cytotoxique et contrôlent une infection avec Listeria monocytogenes (Lm). Nous proposons qu’une sécrétion plus faible de cytokines par les CD40 B ainsi qu’une interaction plus courte et moins intime avec les LT CD8+ comparativement aux CD contribuent au défaut de différenciation des LTm observé lors de la vaccination avec les CD40-B. Ensuite, nous posé l’hypothèse que, parmi les signaux fournis par les CPA au moment de la reconnaissance antigénique, la voie de signalisation Notch influence le développement des LTe, mais aussi des LTm CD8+ en instaurant un programme génétique particulier. D’abord, grâce à un système in vitro, le rôle de la signalisation Notch dans les moments précoces suivant l’activation du LT CD8+ a été étudié. Ce système nous a permis de démontrer que la voie de signalisation Notch régule directement l’expression de la molécule PD-1. Ensuite, grâce à des souris où il y a délétion des récepteurs Notch1 et Notch2 seulement chez les LT CD8+ matures, un rôle de la voie de signalisation Notch dans la réponse immune des LT CD8+ a été démontré. Nos résultats démontrent que suite à une infection avec Lm ou à une immunisation avec des CD, la signalisation Notch favorise le développement de LTe, exprimant fortement KLRG1 et faiblement CD127, destinés à mourir par apoptose. Toutefois, la signalisation Notch n’a pas influencé la génération de LTm. De façon très intéressante, l’expression des récepteurs Notch influence la production d’IFN- en fonction du contexte d’activation. En effet, suite à une infection avec Lm, l’absence des récepteurs Notch n’affecte pas la production d’IFN- par les LTe, alors qu’elle est diminuée suite à une immunisation avec des CD suggérant un rôle dépendant du contexte pour la voie de signalisation Notch. Nos résultats permettent une meilleure compréhension des signaux fournis par les différentes CPA et de la voie de signalisation Notch, donc des mécanismes moléculaires régulant la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immunitaire, ce qui pourrait ultimement permettre d’améliorer les stratégies de vaccination. / Following an infection with a pathogen, antigen-specific naive CD8+ T lymphocytes (Tn) will proliferate and differentiate into effector (Te) cells. Those Te cells will produce different cytokines and acquire a cytotoxic activity, leading to pathogen clearance. Only 5 to 10 % of Te cells will survive and differentiate into memory CD8+ T lymphocytes (Tm) able to respond rapidly following a second encounter with the same pathogen, contributing to the success of vaccination. However, the mechanisms regulating Te and Tm cells development remain incompletely understood. To better understand the signals required for CD8+ T lymphocytes during an immune response, we proposed two hypotheses. First, we propose that different antigen presenting cells (APCs) can deliver different signals to CD8+ T lymphocytes at the time of priming leading to different outcome. Given their potential for use in immunotherapy, we compared the ability of CD40 activated B lymphocytes (CD40-B) and dendritic cells (DCs) to activate CD8+ T lymphocytes. We have shown that CD40-B cell immunisation leads to an effector response but very few Tm cells are generated compared to DC immunisation. The Te cells generated following CD40-B cell immunisation are functional because they secrete cytokine, are cytotoxic and control a Listeria monocytogenes (Lm) infection. We propose that CD40-B cells secrete less cytokines and interact during shorter period of time with the CD8+ T lymphocytes, without engulfment, contributing to the decreased Tm generation observed following immunisation with CD40-B cells. Second, among the signals provided by APC at the time of CD8+ T lymphocyte priming, we have hypothesised that the Notch signalling pathway influences Te and Tm cell differentiation by inducing a particular genetic program. Using an in vitro system, we first studied the role of the Notch signalling pathway in the hours following CD8+ T lymphocyte priming. We demonstrated that Notch signalling directly regulates PD-1 expression. Then, studying mice where Notch1 and Notch2 receptor genes are deleted only in mature CD8+ T lymphocytes, we characterised the role of the Notch signalling pathway on Te and Tm differentiation during an immune response. Our results show that following Lm infection or a DC immunisation, the Notch signalling pathway promotes the differentiation of short lived effector cells Te cells (KLRG1highCD127low) meant to die by apoptosis. However, the Notch signalling pathway did not influence the generation of CD8+ Tm cells. Most interestingly, IFN- regulation by the Notch signalling pathway depends on the activation context. Indeed, following Lm infection, lack of Notch receptors does not impact IFN- secretion by Te cells while it is significantly decreased following a DC immunisation suggesting a context dependant role for the Notch signalling pathway. Our findings provide a better understanding of the key signals provided by APC as well as the Notch signalling pathway, and thus the molecular mechanisms leading to CD8+ lymphocyte effector and memory generation which is crucial as this knowledge may ultimately lead to improved vaccination.