京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第25495号 / 医博第5095号 / 新制||医||1073(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 溝脇 尚志, 教授 伊達 洋至, 教授 黒田 知宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22830号 / 医博第4669号 / 新制||医||1047(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 江藤 浩之, 教授 武藤 学, 教授 伊藤 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19267号 / 医博第4031号 / 新制||医||1011(附属図書館) / 32269 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 小川 誠司, 教授 生田 宏一, 教授 松岡 雅雄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DGAM

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Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) is an effective therapeutic option for many malignant diseases. However, the efficacy of allo-HSCT is limited by the occurrence of destructive graft-versus-host disease (GVHD). Since allogeneic T cells are the driving force in the development of GVHD, their activation, proliferation, and differentiation are key factors to understanding GVHD pathogenesis. On the other hand, antigen-presenting cells (APCs) are essential for allogeneic T-cell priming and the development of GVHD. The T-box transcription factor T-bet is a master regulator for IFN-γ production and Th1 differentiation. T-bet also regulates the functions of APCs including dendritic cells (DCs) and B cells. Therefore, we investigated the role of T-bet in T cell responses, as well as on APC functions, in acute GVHD (aGVHD) using murine models of allogenic bone marrow transplantation (allo-BMT). In Chapter 2, we evaluated the roles of T-bet and IFN-γ in T-cell responses. T-bet-/- T cells induced significantly less GVHD compared with either wild-type (WT) or IFN-γ-/- counterparts in CD4-driven major histocompatibility complex (MHC)- or minor histocompatibility antigen (miHA)-mismatched models. We defined several T-bet-dependent but IFN-γ-independent molecules that may account for this distinct outcome. Further study indicates that T-bet also controls the optimal activity of Th17 cells to induce GVHD. Moreover, the compromised graft-versus-leukemia (GVL) effect of T-bet-/- T cells could be essentially reversed by IL-17 neutralization. Thus, targeting T-bet or regulating its downstream effectors independent of IFN-γ may be a promising strategy to control GVHD in the clinic. In Chapter 3, we evaluated the role of T-bet on APCs and found that T-bet-/- recipients developed much milder GVHD than their WT counterparts in MHC-mismatched or CD4-depedent miHA-mismatched models. As the functional readout of APCs, allogeneic donor T cells, particular CD4 subpopulation, significantly reduced IFN-γ production, proliferation and migration, and caused less damage in liver and gut in T-bet-/- recipients. We further observed that T-bet on recipient hematopoietic APCs, particular DCs, was primarily responsible for donor T-cell response and pathogenicity in GVHD. In fact, Trail/DR5 interaction served as a major signaling pathway responsible for donor T-cell apoptosis and impaired GVHD development in T-bet-/- recipients. Furthermore, T-bet expression on the host is largely dispensable for the GVL effect. Taken together, we propose that T-bet is a potential therapeutic target for the control of GVHD through regulating T cells as well as APCs. We believe further exploration and understanding of the immunobiology of T-bet in controlling the activities of T cells and APCs in GVHD will expand therapeutic options for the continuing success of allo-HSCT.

La voie de signalisation Notch est conservée au cours de l'évolution. Elle joue un rôle clé dans le développement, et elle est impliquée dans de nombreuses décisions de destin cellulaire, dans le maintien des cellules souches, et dans le contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaires. Une dérégulation de la signalisation Notch est impliquée dans diverses maladies et cancers, y compris les tumeurs solides, comme les cancers du sein et du col de l'utérus, et les leucémies, comme la Leucémie Aiguë Lymphoblastique des cellules T (LAL-T). Notch est un récepteur transmembranaire activé par des ligands transmembranaires de la famille DSL (Delta/Serrate/Lag-2). Bien que plusieurs mutations oncogéniques ont été identifiées au niveau du récepteur Notch, de nombreux cancers modulés par Notch demeurent ligand-dépendants. Étonnamment, les mécanismes moléculaires régulant l'activation du ligand sont encore relativement peu caractérisés par rapport à ceux qui régissent le récepteur Notch lui-même. Utilisant un essai de co-culture avec un rapporteur luciférase de Notch, nous avons effectué le premier crible d'ARNi pan-génomique visant spécifiquement à identifier des régulateurs des ligands de Notch dans la cellule émettrice du signal. Nous avons ainsi pu découvrir de nouvelles classes de régulateurs communs pour les ligands Delta-like1 et 4. Ces régulateurs comprennent des inhibiteurs de protéases, des facteurs de transcription, et des gènes divers à fonction inconnue, tels que Tmem128 « Transmembrane protein 128 », ou à fonction préalablement caractérisée tels que la co-chaperonne moléculaire Cdc37 « Cell division cycle 37 homolog ». Par la suite, nous avons développé des cribles secondaires fonctionnels où nous avons démontré l'importance de ces régulateurs pour des événements Notch-dépendants, comme la différenciation des cellules T normales, et la survie des cellules souches pré-leucémiques isolées à partir d'un modèle murin de LAL-T. En outre, nous avons prouvé que les régulateurs les plus forts du crible de survie sont également nécessaires pour l'activité d'auto-renouvellement des cellules souches pré-leucémiques. Finalement, nous avons entamé une caractérisation moléculaire préliminaire de deux régulateurs nouvellement identifiés; Tmem128 et Cdc37 afin d'étudier leur mécanisme d'action sur les ligands. En conclusion, cette étude nous a permis d'identifier de nouveaux régulateurs de la voie Notch qui pourraient servir de cibles thérapeutiques potentielles dans les cancers; tel qu'illustré par le modèle LAL-T. La compréhension des détails moléculaires sous-jacents aux fonctions de ces régulateurs sera essentielle afin de développer des inhibiteurs pharmacologiques pour bloquer leur action et entraver la signalisation Notch dans le cancer. / The Notch signalling pathway is evolutionarily conserved. It plays a key role in development and it is involved in multiple cell fate decisions, in the maintenance of stem cells, and in the regulation of cell proliferation and differentiation. Misregulation of Notch signalling is implicated in various diseases and cancers including solid tumours, such as breast and cervical cancers, and leukemias, such as T-cell Acute Lymphoblastic Leukemia (T-ALL). Notch is a transmembrane receptor activated by transmembrane ligands of the DSL family (Delta/Serrate/Lag-2). Whereas oncogenic mutations have been identified in the Notch receptor, many Notch-mediated cancers remain ligand-dependent. Strikingly, the molecular mechanisms that regulate ligand activation are still poorly characterized as compared to those regulating the Notch receptor itself. Using a co-culture assay with a luciferase Notch reporter, we performed the first genome-wide RNAi screen aiming specifically at identifying regulators of Notch ligands in the signal-sending cell. We thereby unraveled new classes of common regulators for both Delta-like1 and 4 ligands. These regulators include protease inhibitors, transcription factors and various genes of unknown function such as Tmem128 (Transmembrane protein 128), or of previously characterized function such as the molecular co-chaperone Cdc37 (Cell division cycle 37 homolog). We next developed functional secondary screens where we demonstrated that our hits are important for Notch-mediated events, such as normal T-cell differentiation, and survival of pre-leukemic stem cells (pre-LSCs) isolated from a mouse model of T-ALL. Moreover, we showed that top hits from the pre-LSC survival screen are also required for the self-renewal activity of pre-LSCs. Finally, we performed a preliminary molecular characterization of two newly identified regulators; Tmem128 and Cdc37 in order to investigate their mechanism of action on Delta-like ligands. Altogether, this study led to the identification of novel Notch pathway regulators that could serve as potential therapeutic targets in Notch cancers, as exemplified by the T-ALL model. Elucidating the finer details that underlie the molecular functions of these regulators will be critical to develop pharmacological inhibitors to counteract their action and impede Notch signalling in cancer.

La surveillance immunologique des tumeurs repose sur la capacité des cellules effectrices du système immunitaire à détecter et à éliminer les cellules cancéreuses. Nonobstant ce constat, la régression complète et spontanée de cancers établis n’est observée que dans de très rares cas. L’échec de la résolution des cancers par le système immunitaire pourrait résulter de la conjonction de plusieurs facteurs : i) une réponse immune inadéquate liée au manque d’immunogénicité des tumeurs, ii) l’incompétence du système immunitaire consécutif à des immunodéficiences acquises ou induites et iii) la sélection de variants tumoraux résistants capables de déjouer la surveillance opérée par le système immunitaire ou de subvertir ses effets. Ainsi, le développement de stratégies visant à potentialiser les réponses antitumorales de l’hôte revêt un enjeu crucial en cancérologie.Au laboratoire, notre travail de recherche a pour objectif de mieux caractériser les liens entre réponse immunitaire et cancer. Mon travail de thèse vise précisément à comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la différenciation des lymphocytes T CD4 et à déterminer le rôle de ces cellules dans l’immunité antitumorale. Au cours de ma thèse, nous nous sommes particulièrement attachés à explorer les mécanismes moléculaires qui sous tendent la différenciation des populations lymphocytaires Th17, Th9 et TFh pour mieux appréhender et moduler leurs fonctions effectrices afin d’optimiser les réponses antitumorales. Ces travaux s’inscrivent dans une démarche d’application potentielle en immunothérapie anticancéreuse, un domaine de recherches qui connaît actuellement des avancées spectaculaires.Nous avons tout d’abord étudié l’influence de l’acide docosahexaénoïque (DHA), un acide gras à longue chaîne de la série n 3, sur la différenciation des cellules Th17. Nous avons mis en évidence le mécanisme moléculaire responsable de l’inhibition directe de la polarisation cellulaire Th17 par le DHA. L’activation de PPARγ par le DHA induit l’expression de SOCS3 qui agit comme un répresseur intrinsèque de la différenciation Th17. Dans deux modèles de cancers murins, nous avons également montré que l’activité anticancéreuse du DHA était dépendante de sa capacité à inhiber la sécrétion d’IL 17 par les cellules T CD4 in vivo. Nous avons ainsi caractérisé l’un des mécanismes impliqués dans l’effet anticancéreux du DHA.Dans un deuxième travail, nous avons caractérisé les effets de l’interleukine 1β sur le programme moléculaire des cellules Th9. Nous avons montré que les cellules Th9 différenciées en présence d’IL-1β possédaient de puissantes propriétés anticancéreuses dépendantes de l’IL-21 reposant sur l’activation du facteur de transcription IRF1. Au niveau moléculaire, nous avons démontré que l’IL-1β induisait la phosphorylation de STAT1 elle même responsable de l’activation d’IRF1 qui est alors capable d’interagir sur les promoteurs de l’Il9 et de l’Il21 pour induire l’expression de ces gènes dans les cellules Th9.Le dernier projet porte sur la régulation transcriptionnelle du facteur de transcription IRF1 sur la réponse T folliculaire auxiliaire et cherche à en évaluer les retombées potentielles en immunothérapie anticancéreuse. Notre étude met en évidence l’activation précoce d’IRF1 dans la différenciation TFh et suggère que ce facteur de transcription semble initier le développement de ces cellules. Des approches de transfert adoptif révèlent que les TFh semblent posséder des propriétés anticancéreuses capables de limiter efficacement la croissance des tumeurs dans des modèles murins. Enfin, après caractérisation phénotypique nous montrons que les cellules TFh sont présentes dans des tumeurs mammaires chez l’Homme et validons la présence d’IRF1 dans ces lymphocytes. / Immune surveillance of tumors is based on the ability of effector cells of the immune system to detect and eliminate the cancer cells. Notwithstanding, the complete and spontaneous regression of established cancers was observed only in very few cases. The failure of cancer resolution by the immune system could result from the combination of several factors: i) inadequate immune response related to a low tumor immunogenicity, ii) incompetent immune system consecutively to induced or acquired immunodeficiencies and iii) the selection of resistant tumor variants able to thwart immune surveillance or subverting immune responses. Developing novel cancer immunotherapy strategies leading to potentiation of the host antitumor responses is thus a key challenge in oncology.We aim to better characterize the relationships between immune response and cancer. My work is precisely to understand the molecular mechanisms involved in CD4 T cell differentiation and to determine the role of these cells in antitumor immunity. I am particularly committed to explore the molecular mechanisms underlying the Th17, Th9 and TFh cell differentiations. The goal is to better understand and adjust their effector functions to optimize antitumor responses. This work is part of a potential application in cancer immunotherapy approach, an area that is experiencing dramatic advances and is likely to grow in the years ahead.We first studied the influence of the n 3 polyunsaturated fatty acid docosahexaenoic acid (DHA) on Th17 cell differentiation. We unraveled the molecular mechanism responsible for the direct inhibition of Th17 cell polarization by DHA, explaining one way of DHA to exert its anticancer activity. TH17 cells induced in vitro displayed increased SOCS3 expression and diminished capacity to produce interleukin 17 following activation of PPARγ by DHA. In two different mouse cancer models, DHA prevented tumor outgrowth and angiogenesis in an IL 17 dependent manner. Altogether, our results uncover a novel molecular pathway by which PPARγ induced SOCS3 expression prevents IL 17 mediated cancer growth.Then, we characterized the effects of interleukin 1β (IL-1β) on Th9 cells molecular program. We found that the transcription factor IRF1 enhanced the effector functions of Th9 cells and dictated their anticancer properties. Under Th9 skewing conditions, IL-1β induced phosphorylation of the transcription factor STAT1 and subsequent expression of IRF1, which bound to Il9 and Il21 gene promoters and enhanced their secretion by Th9 cells. In addition, IL-1β induced Th9 cells exerted potent anticancer functions in an IRF1 and IL 21 dependent manner. Thus, our findings identify IRF1 as a target for controlling the function of Th9 cells.We are currently investigating the transcriptional regulation of IRF1 on follicular helper CD4 T (TFh) cell program. We address the question whether TFh cells could be beneficial in cancer immunotherapy. Our study highlights the early activation of IRF1 during the TFh cell polarization and suggests that IRF1 appears to initiate the development of these cells. Adoptive transfer approaches show that TFh lymphocytes seem to habor anticancer properties by limiting efficiently tumor outgrowth in mouse models of cancer. Finally, phenotypic characterization of TFh cells points out that they infiltrate human breast tumors and express IRF1.

T-Helfer(Th)-Lymphozyten spielen aufgrund ihrer Expression von Zytokinen eine zentrale Rolle in der Regulation von Immunantworten. Durch die Zytokine fördern die Th-Zellen die Rekrutierung und Aktivierung von Zellen des angeborenen Immunsystems, den Immunglobulin-Klassenwechsel von B-Zellen und ihre Differenzierung zu antikörper-sezernierenden Plasmazellen. Welche Zytokine eine aktivierte Th-Zelle exprimiert hängt von instruktiven Signalen ab, die sie in der Regel von antigen-präsentierenden Signalen bekommt. Mit den instruktiven Signalen wird ein ganzes Differenzierungsprogramm in den Th-Zellen initiiert, welches am Ende zu einer epigenetischen Prägung des Effektorprogramms führt, sodass die Th-Zelle auch bei nachfolgenden Aktivierungen die gleichen Funktionen ausführt. In dieser Arbeit wurde untersucht wie diese Differenzierungsprogramme zur Pathogenese von chronischen Entzündungen beitragen und wie eine chronische Entzündung wiederum die Differenzierung der Th-Zellen beeinflusst. Des Weiteren haben wir molekulare Adaptationen identifiziert, die selektiv in chronisch aktivierten entzündungsfördernden Th Typ 1 (Th1)-Zellen hochgeregelt werden. Diese Adaptationen, wie die Expression von Twist1 und Hopx, fördern das Überleben der Th1-Zellen am Ort der Entzündung und könnten zur Perpetuation der Entzündung entscheidend beitragen. Zusammengenommen zeigen unsere Daten, dass Th-Zellen durch ihre pro-inflammatorische Prägung zwar gut gerüstet sind uns gegen Pathogene zu schützen, im Falle einer Autoreaktivität aber auch Immunpathologie und chronische Entzündungen auslösen können. Allerdings weisen unsere Arbeiten auch daraufhin, dass selektive Anpassungen der Th-Zellen an eine chronische Entzündung auch gleichzeitig Ansatzpunkte für ein therapeutisches Eingreifen bei chronisch-entzündlichen Krankheiten darstellen. / T helper (Th) lymhocytes play a central role in the regulation of immune responses. Through the expression of cytokines, Th cells orchestrate the recruitment and activation of cells of the innate immune system, and induce antibody class switch recombination in B lymphocytes and their differentiation into antibody-secreting plasma cells. Which cytokines an activated Th cell expresses is dependent on instructive signals, the Th cells receives from antigen-presenting cells. Such instructive signals initiate a differentiation program, which in the end leads to the epigenetic imprinting of the effector program, ensuring that the Th cell execute the same functions in subsequent activations. In this thesis, we investigated how such differentiation programs contribute to the pathogenesis of chronic inflammation and how chronic inflammation, in turn, affects the differentiation of the Th cells. Furthermore, we have identified molecular adaptations, which are selectively upregulated in chronically activated pro-inflammatory Th type 1 (Th1) cells. Such adaptations, like the upregulation of Twist1 and Hopx, promote the survival of Th1 cells in the inflamed tissue and could thereby contribute to the perpetuation of the inflammation. Taken together, our data show that Th cells with a pro-inflammatory imprint are well equipped to protect us against pathogens, in case of autoimmunity, however, cause immune pathology and chronic inflammation. At the same time, our work also shows that the selective adaptations of Th cells to chronic inflammation could also be promising targets for novel therapies for the treatment of chronic inflammatory diseases.

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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.