京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第19405号 / 医科博第65号 / 新制||医科||5(附属図書館) / 32430 / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 河本 宏, 教授 斎藤 通紀, 教授 竹内 理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DGAM

This thesis is divided into three chapters. In each case, the goal is to achieve inhibition of a growth kinase (PIM or AXL) and subsequent arrest of cell growth and induction of apoptosis (in vitro cell culture models) or decrease in tumor volume (in vivo xenograft studies). Chapter one and chapter two discuss inhibition of proviral integration site for Moloneymurine leukemia virus (PIM) kinases. The three PIM kinases, PIM-1, PIM-2, and PIM-3, are a subfamily of serine/threonine kinases that are known to be involved in signaling pathways as downstream effectors of signal transducer and activator of transcription-5 (STAT5) signaling and inhibitors of apoptosis. PIM kinases are implicated in a large percentage of hematological malignancies and solid tumors. Because they have been shown to correlate with disease progression and poor prognosis in many of these conditions, PIM kinase inhibitors are being developed and investigated for therapeutic use. The aim of this study in chapter one was to evaluate the role of PIM 1, 2 and 3 in urothelial carcinomas, using second generation Pan-PIM kinase inhibitor TP-3654. Retrospective immunohistochemical analysis of bladder cancer specimens found that PIM 1, 2, and 3 was expressed in a significant number of cases. PIM-1 was expressed in 4 bladder cancer cell lines and TP-3654 treatment was able to inhibit BAD phosphorylation to induce apoptosis. The second aim of this study was to investigate the effects of TP-3654 on the interaction of c-MYC with PIM kinase family members. The data indicate that PIM-1 only interacts with c-MYC in the acute myeloid leukemia (AML) and multiple myeloma (MM) cell lines studied, and that PIM-1 siRNA knockdown or treatment with TP-3654 is able to decrease this interaction. The third chapter discusses inhibition of the receptor tyrosine kinase Axl. Pancreatic cancer is a highly lethal disease characterized by malignant cells that rapidly disseminate from the primary tumor to form local and distant metastases. Axl is overexpressed in over 50% of pancreatic cancers and expression of Axl in these cancers is highly associated with a poor prognostic outcome for patients. Small molecule inhibitors of AXL are currently under investigation, as AXL is associated with cell migration mediated by epithelial-mesenchymal transition (EMT). The aim of this study was to investigate the effects of a small molecule inhibitor of AXL, TP-0903, on pancreatic cancer cell lines. Consistent with the known function of Axl, TP-0903 inhibited Gas6-induced migration and invasion of pancreatic cancer cells invitro and potently induced apoptosis. Additionally, we found that inhibition of AXL decreased expression of EMT marker genes and induced mesenchymal pancreatic cancer cell lines to take on an epithelial phenotype. TP-0903 also significantly inhibited the growth of pancreatic cancer cell lines grown in xenograft tumor mouse model and taken together, the results suggest Axl is a potential therapeutic target in pancreatic cancer and TP-0903 as a potential therapeutic agent.

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L’épuisement des lymphocytes T CD8+ (LT CD8) est une voie de différentiation unique survenant lors de contextes pathologiques particuliers ayant en commun la persistance d’antigènes dans l’hôte, tel que les infections virales chroniques (expl : VIH, hépatites B et C) et différents types de cancers. Il apparait aujourd’hui très clairement que ce mécanisme est à l’origine de l’échec de l’immunité adaptative face à ces pathologies particulièrement néfastes pour l’homme. L’étude de ce processus a mené à la découverte de cible thérapeutiques d’un grand intérêt (« immune checkpoints ») pouvant être ciblées pour corriger et/ou reverser l’épuisement. Les essais thérapeutiques ayant découlés de ces découvertes ont donné des résultats extrêmement prometteurs dans le traitement de plusieurs cancers. Cependant, bien que ces thérapies ciblées permettent un regain temporaire de la fonction des LT CD8+, elles ne permettent pas d’inverser le processus d’épuisement. Il est donc crucial aujourd’hui de se tourner vers les agents causateurs de cet état d’épuisement qui restent très méconnues à ce jour. La famille de cytokines partageant la chaine commune gamma (cytokines gamma c) comprenant l’IL-2 -4 -7 -9 -15 et -21 sont des acteurs solubles clés de l’immunité adaptative. Ces cytokines sont intimement liées aux processus de développement, d’homéostasie, de différenciation et de maintenance des lymphocytes T. Parmi elles, l’IL-2 et l’IL-15 ont un rôle majeur dans le processus de différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue. Malgré cela, l’implication de ces cytokines dans l’épuisement des LT CD8+ dans un contexte d’infection virale chronique n’a jamais été investiguée. En se basant sur les connaissances actuelles des rôles de l’IL-2 et de l’IL-15 sur la différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue, nous avons émis l’hypothèse que ces cytokines pourraient promouvoir l’épuisement dans un contexte d’infection virale chronique. Dans un premier temps, nous avons démontré chez l’homme (patients atteints d’hépatite C chronique) et la souris (modèle LCMV Clone 13) que la chaîne beta du récepteur à l’IL-2 (IL2R beta[CD122]) qui se lie à l’IL-2 et l’IL-15 reste sélectivement exprimée à la surface des LT CD8+ épuisés au cours d’une infection virale chronique. De plus, une expression élevée de cette chaîne de récepteur corrèle avec un épuisement plus sévère des LT CD8+ chez l’homme et la souris. En développant un modèle murin dans lequel les LT CD8+ sont déficients pour cette chaîne, nous avons démontré que l’IL-2 et IL-15 contrôlent plusieurs aspects clés du processus d’épuisement. Ces cytokines augmentent l’expression de plusieurs récepteurs inhibiteurs (caractéristiques de l’épuisement) et contrôlent même directement l’expression de certains d’entre eux (notamment 2B4 et TIM-3). L’IL-2 et l’IL-15 dirigent également la différenciation terminale des LT CD8+ vers un état d’épuisement extrême et abrogent de manière irréversible leur potentiel de différenciation en cellules mémoires. Nous montrons donc pour la première fois un rôle clé de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique. Dans un deuxième temps nous avons investigué les fonctions individuelles et redondantes de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+. Nous avons également déterminé les fenêtres d’actions déterminantes de ces cytokines et les mécanismes intracellulaires clés par lesquels elles contrôlent le processus d’épuisement. L’IL-2 et l’IL-15 coopèrent pour promouvoir l’expression de 2B4 et TIM-3 à la surface des LT CD8+ et ces cytokines semblent collaborer pour diriger leur différenciation terminale. En revanche, les signaux médiés par l’IL-2 pendant la phase de « priming » abrogent sélectivement leur potentiel de différenciation en cellules T centrales mémoires (Tcm) alors que l’IL-15 semble plutôt supprimer celle des T effecteurs mémoires (Tem) pendant la phase chronique. Pour finir, nous avons identifié la voie JAK3/STAT5 comme étant la principale voie intracellulaire par laquelle l’IL-2 et l’IL-15 dirigent l’épuisement des LT CD8+. Au cours de cette thèse, nous avons donc mis en évidence un nouveau rôle de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique. Nos résultats apportent une meilleure compréhension du processus d’épuisement des LT CD8+ et démontrent pour la première fois une implication des cytokines. Nous espérons que ces travaux contribueront à améliorer les stratégies thérapeutiques actuelles contre le cancer et les infections virales chroniques. / CD8+ T cell exhaustion is a unique differentiation pathway which occurs during particular pathological contexts such as chronic viral infections (i.e. HIV, HCV and HBV) and cancers in which antigen (Ag) persists in the host. It appears clear now that this mechanism provokes the failure of adaptive responses against these pathologies and is particularly harmful to humans. The study of this process has led to the discovery of relevant molecules (“immune checkpoints”) that can be targeted to prevent and/or reverse exhaustion. Ensuing clinical trials have provided extremely promising results in the treatment of several cancers. However, although these targeted therapies allow a temporary regain of CD8+ T cell functions they still fail at reversing the exhaustion process. It is thus crucial to investigate the causative factors of such process that remain to be identified. The common gamma-chain (gamma c) family of cytokines which includes IL-2, -4, -7, -9, -15, and -21 are key soluble mediators involved in the development of adaptive immunity. These cytokines are intimately linked to T cell development, homeostasis, differentiation and maintenance. Among them, IL-2 and IL-15 display important functions on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection. However, impact of these cytokines on CD8+ T cell responses during a chronic viral infection remains to be investigated. Based on current knowledge of the functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection, we hypothesized that these cytokines promote CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. We first demonstrate in a mouse model of chronic viral infection (LCMV clone 13) and patients with chronic HCV that the IL-2-receptor beta chain (IL2R beta [CD122]) a cytokine receptor chain which binds to both IL-2 and IL-15 is selectively expressed on exhausted CD8+ T cells during a chronic viral infection. The intensity of CD122 expression positively correlates with severe exhaustion of CD8+ T cells in mice and humans. Using a mouse model in which CD8+ T cells lack the expression of the IL2R beta-chain, we demonstrate that IL-2 and IL-15 control several aspects of exhaustion. IL-2 and IL-15-dependent signals sustain the expression of several inhibitory receptors (characteristic of exhaustion) on CD8+ T cells and directly control the expression of some of them (e.g. 2B4 and TIM-3). IL-2 and IL-15 also direct the terminal exhaustion of CD8+ T cells and irreversibly abrogate their developmental plasticity toward memory T cell development. Together, we show for the first time key functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. Next, we investigated the unique and redundant functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell exhaustion. We also determined individual time-frames of these cytokines and intracellular pathways by which they control CD8+ T cell exhaustion. IL-2 and IL-15 cooperate to promote 2B4 and TIM-3 expression on CD8+ T cells, and these cytokines likely collaborate to direct terminal exhaustion. In contrast, IL-2-dependent signals during priming preclude subsequent differentiation into central memory cells (Tcm) while prolonged exposure to IL-15 upon viral persistence likely suppresses effector memory cell (Tem) developmental potential. Finally, we demonstrate that the JAK3/STAT5 pathway is the dominant pathway by which IL-2 and IL-15 direct CD8+ T cell exhaustion. This thesis provides evidence of novel functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. These results increase our understanding of the CD8+ T cell exhaustion process and demonstrate for the first time the involvement of cytokines. We hope that this work will contribute to the improvement of actual therapeutic strategies against chronic viral infections and cancers.

Les maladies glomérulaires sont une des principales causes d'insuffisance rénale terminale de nos jours et constituent un problème de santé publique. Le concept classique dans les glomérulopathies accorde à l'agression systémique immune, toxique ou hypertensive le rôle principal dans la formation des lésions glomérulaires. L'hypothèse développée dans ce manuscrit est que épithélium et endothélium, deux composants principaux du parenchyme rénal sont des acteurs majeurs dans la formation des lésions glomérulaires. Trois modèles expérimentaux de glomérulopathie (inflammatoire, toxique et hypertensive) chez la souris nous ont permis d'étudier une voie de signalisation épithéliale γC/JAK/STAT classiquement décrite dans les cellules immunitaires et le système de réponse à l'hypoxie endothéliale afin d'étayer cette hypothèse. Après avoir discuté le rôle principal classiquement attribué aux lymphocytes T dans le modèle anti-membrane basale glomérulaire, un modèle animal de glomérulonéphrite inflammatoire, nous avons démontré le rôle protecteur de la chaîne γ commune (γC) glomérulaire et de sa protéine d'aval STAT5 dans le podocyte au cours du modèle anti-MBG et de la néphropathie à l'adriamycine. Enfin, nous avons étudié le rôle protecteur de EPAS1 (HIF-2α), une sous-unité régulatrice du complexe HIF, dans l'endothélium au cours des lésions glomérulaires hypertensives. Au total, ce travail met en évidence le rôle majeur de l'épithélium et l'endothélium rénal, étroitement liés, dans la formation des lésions glomérulaires. Le parenchyme rénal représente un acteur à part entière dans la physiopathologie de ces lésions comme le montrent les travaux sur les systèmes γC/STAT5 et HIF. / Glomerular diseases are a leading cause of kidney failure and represent a public health problem. Classically, systemic effectors such as the immune system, drug toxicity or hypertension are thought to be the main drivers of glomerular diseases. The hypothesis developed in this manuscript is that epithelium and endothelium, the two main components of the renal parenchyma, are major players in the formation of glomerular lesions. Three experimental models of glomerular disease (inflammatory, toxic and hypertensive) in mice allowed us to study epithelial γC / JAK / STAT signaling classically described in immune cells and the endothelial hypoxia inducible system in order to support this hypothesis. After discussing the main role traditionally assigned to T cells in the anti- glomerular basement membrane model, an animal model of inflammatory glomerulonephritis, we demonstrated the protective role of the glomerular interleukin common γ chain (γC) receptor and its dependent podocyte-specific STAT5 during the anti-GBM model and adriamycin nephropathy. We then showed the protective role of endothelial EPAS1 (HIF-2α), a regulatory subunit of HIF complex in focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) induced by angiotensin II. In total, this work highlights the important role of the closely linked renal epithelium and endothelium in the formation of glomerular lesions using three experimental models of glomerular diseases. The renal parenchyma is a full player in the pathophysiology of these lesions as shown by the works studying γC / JAK / STAT and HIF systems.

Natural Killer cells (NK) are critical components of the innate immune system. Often referred to by their morphology, these large granular lymphocytes (LGLs) are bone marrow-derived lymphocytes and can be found throughout the body. NK cells reside in the liver, lymph nodes, spleen, thymus, and mucosal-associated lymphoid tissues (MALT). Importantly, NK cells also circulate throughout the blood where they function as surveyors of the body and are armed to eliminate malignant, infected, damaged, or foreign cells. NK cells function by a dual receptor system. That is, NK receptors are broadly categorized as inhibitory or activating. It is a fine balance, or lack thereof, that dictates the function of an NK cell. Unlike their T and B cell adaptive counterparts, NK cell receptors (NKR) are germline encoded and do not undergo gene rearrangement. NKRs are expressed in a variegated but overlapping fashion such that different cell subsets in the NK compartment elaborate different combinations of activating and inhibitory NKR. Varying the array of NKRs used by each subset increases the potential specificities of the NK compartment, while retaining tolerance to self. Thus, a diverse and balanced NK cell receptor repertoire (NKRR) is extremely important in order for this lineage to respond to various immunologic challenges and to do so in a normal, effective manner. As we have previously shown, aberrations in the expression of NKRs or downstream signaling can lead to severe immune deficiency, as observed in SHIP-deficient mice. We also showed that in the absence of SHIP-1, 2B4 becomes highly upregulated, functioning as a dominant inhibitory receptor and rendering the SHIP-1-deficient NK cell unresponsive to complex tumor targets. Traditionally MHC-I inhibitory ligands are largely responsible for the regulation of NK function. However, we show here that 2B4, which mediates MHC-I-independent inhibition, is required for formation of a normal NKRR, NK homeostasis, and effector functions. Moreover, in the absence of 2B4 and SHIP-1, NK cells have improper licensing, or education. In addition to SHIP-1 and 2B4 we show that the nature of the MHC-I ligands also play a significant role in repertoire formation, NK effector functions, and NK cell education. As described above, NK cells are critical components of the immune system. Understanding how NK cell biology and function are regulated, or affected in the context of pathology is of high significance. NK function is often severely impaired in a diseased state, and more importantly, NK cells are frequently adversely affected by the treatments themselves. Here we sought out to determine the effects of an immunomodulating drug, lenalidomide, on the biology and function of healthy NK cells. Lenalidomide is a unique drug that displays immune enhancing functions yet can be cytotoxic to tumor cells. However, lenalidomide treatment can result in immune suppression and severe cytopenia, and has the ability to impair NK viability. We show here that if used in combination with cytokine treatment (e.g. IL-2 or IL-15), many of these negative affects can be overcome. Furthermore, we show that lenalidomide treatment results in what appears to be an NK activating phenotype with a down-modulation of inhibitory KIRs and upregulation of CD16. Lenalidomide also leads to a sustained and robust activation of STAT5 and consequential increase in perforin and granzyme B. Finally, we find that treatment with lenalidomide in combination with IL-2 or IL-15 enhances the expression of IL-Rβ and IL-2Rγ chains, a presumed mechanism of action, which may provide a positive feedback loop. These findings have important clinical application. We propose that using lenalidomide in combination with IL-15 can augment its immune activating effects, while minimizing unwanted cytopenias.

Les mastocytes (MCs) sont issus des cellules hématopoïétiques multipotentes non engagées, CD34+, et jouent un rôle important dans l'initiation de la réponse immunitaire innée et adaptative, ainsi que dans les réactions allergiques IgE-dépendantes. Les mastocytoses sont des néoplasies myéloïdes caractérisées par une accumulation anormale et l'activation fréquente de mastocytes dans divers organes. Les organes généralement atteints sont la moelle osseuse, la peau, le foie et le tractus gastro-intestinal. Elles sont caractérisées dans l'immense majorité des cas par la présence de mutations acquises de la structure du récepteur KIT (plus particulièrement KIT D816V) qui induisent l'activation constitutive de ce récepteur à activité tyrosine kinase intrinsèque. Le traitement actuel de ces pathologies est décevant car la mutation KIT D816V résiste à la plupart des inhibiteurs de tyrosine kinases (ITKs).Dès le début de ma thèse, nous avons pu établir, à partir de cellules souches hématopoïétiques de sang de cordon humain normal cultivées à long terme en présence de stem cell factor (SCF), une nouvelle lignée mastocytaire humaine stable, dénommée ROSA KIT WT, restant strictement dépendante pour sa survie et sa prolifération du SCF, exprimant le récepteur de haute affinité aux IgE (FcεRI), et présentant un récepteur KIT de structure normale. Cette lignée, facile à cultiver en grandes quantités, permet d'envisager l'étude approfondie des évènements intracellulaires menant à l'activation mastocytaire IgE-dépendante et la mise au point de tests de criblage à haut débit dans le domaine de la thérapeutique anti-allergique et/ou anti-inflammatoire.Par ailleurs, afin de pouvoir étudier le rôle transformant des mutants de KIT retrouvés au cours des mastocytoses, nous avons transfecté les cellules ROSA KIT WT par des vecteurs lentiviraux apportant une construction codant pour le KIT muté en D816V ou le KIT muté Delta 417-419 insY. Nous avons ainsi obtenu deux nouvelles lignées mastocytaires humaines SCF-indépendantes, ROSA KIT D816V et ROSA KIT Delta 417-419 insY, pour lesquelles nous avons montré qu'il existe une activation constitutive de KIT, mais aussi de STAT5 et d'AKT. Ces deux lignées de pourront être utilisées soit pour étudier l'impact des mutations de KIT sur la signalisation intracellulaire, soit pour le criblage molécules à activité antiproliférative potentielle dirigées soit contre KIT muté, soit contre l'une ou l'autre des molécules intracellulaires impliquées dans la transduction du signal KIT muté

Signal Transducers and Activators of Transcription (STATs) are latent transcription factors that mediate several cellular responses. This protein family consists of seven members, STAT1 – 6 including two closely related molecules, STAT5a and STAT5b, that show 96% amino acid sequence homology and are critical for lymphoid, myeloid and erythroid cell development and function. Activated STAT proteins dimerize and translocate to the nucleus, where they bind to high-affinity DNA motifs to modulate gene expression. We recently identified STAT5b as the critical regulator of IgE-mediated cytokine production in mast cells. STAT5b knockout (KO) cells show decreased sensitivity to IgE-mediated passive systemic anaphylaxis accompanied with decreased production of IL-6 and IL-13 compared to wild type counterparts. Interestingly, STAT5b KO mice demonstrated elevated levels of serum IgE but a normal response to histamine-mediated passive systemic anaphylaxis. The current work demonstrates that STAT5b regulates mast cell function both in vivo and in vitro. Additionally, activated STAT proteins can also form tetramers through an N-terminal domain-mediated oligomerization process when bound to low-affinity tandem motifs. Dr. Warren Leonard’s laboratory generated STAT5a-STAT5b double knock-in (DKI) mice in which STAT5 proteins are phosphorylated and can form dimers but not tetramers. We have now found that bone marrow-derived mast cells from STAT5 DKI mice are defective in IgE-induced cytokine and chemokine production and exhibit defective stem cell factor (SCF)-induced migration and survival responses in vitro. Similarly, IgE-mediated passive systemic anaphylaxis is decreased in STAT5 DKI mice. These data indicate that Stat5 tetramers are critical for some aspects of mast cell function in allergic and inflammatory disease.