Chaque année, les maladies respiratoires figurent parmi les dix premières causes de décès dans le monde. L'exposition continue de l'épithélium pulmonaire aux particules et microorganismes aériens explique en partie cette vulnérabilité. Cette situation génère un dilemme immunologique pour l'organisme : il doit produire une réponse immunitaire adéquate pour protéger l’épithélium respiratoire tout en limitant l’inflammation qui pourrait nuire à son intégrité. Les lymphocytes T-CD8+ jouent un rôle essentiel dans l’immunosurveillance des cellules infectées ou tumorales. Leur activation rapide repose sur l’expression généralisée du Complexe Majeur d’Histocompatibilité de type I (CMH I) par toutes les cellules nucléées. Notre laboratoire a découvert en 2020 que les Cellules Épithéliales Pulmonaires (CEP) expriment peu de CMH I. Cette observation soulève des questions sur l'efficacité de la surveillance immunitaire dans les poumons, souvent cibles de maladies graves comme les infections, les cancers et les maladies chroniques. Cette thèse vise à explorer les mécanismes régulant l'expression du CMH I dans les CEP, en conditions normales et pathologiques, afin de comprendre les implications des variations de son expression sur la santé respiratoire. La première étude présentée dans cette thèse aborde la régulation du CMH I dans les CEP de souris en réponse à un contexte inflammatoire. Ces travaux ont révélé la capacité des CEP à augmenter significativement leur expression de CMH I en cas d'inflammation. À l'aide de modèles de souris transgéniques, les molécules impliquées dans cette régulation ont été identifiées, en particulier les Interférons (IFN) via les facteurs STAT1, STAT2 et NLRC5. De plus, ces analyses ont mis en évidence une association entre l'augmentation du CMH I et une diminution significative de gènes essentiels à l'intégrité de l'épithélium pulmonaire, soulignant ainsi un équilibre délicat entre défense immunitaire et maintien de l'intégrité tissulaire. Une seconde étude, basée sur des analyses de séquençage ARN de cellules uniques, a confirmé la faible expression du CMH I dans les CEP humaines. Ces résultats ont mis en lumière une augmentation significative de son expression chez des patients atteints de trois types de maladies respiratoires chroniques : la Maladie Pulmonaire Obstructive Chronique (MPOC), la Fibrose Pulmonaire Idiopathique (FPI) et la Fibrose Kystique (FK), principalement médiée par la voie NF-B. De plus, cette étude a révélé un dimorphisme sexuel dans l’expression du CMH I chez des donneurs sains ainsi que chez les patients atteints de MPOC et de FPI, avec des tendances opposées dans les deux maladies. Les analyses d’expression différentielle de gènes suggèrent une implication du stress oxydatif dans la régulation différenciée du CMH I entre hommes et femmes. Ces travaux représentent une avancée significative dans la compréhension des mécanismes régulant le CMH I dans les CEP, ainsi que des facteurs influençant la diversité de son expression. Les variations d’expression du CMH I dans les CEP pourraient jouer un rôle majeur dans la pathogenèse des maladies respiratoires et dans la susceptibilité individuelle à différentes affections. Ces découvertes ouvrent la voie à une meilleure compréhension de la physiologie pulmonaire, des maladies respiratoires, et à des approches thérapeutiques plus ciblées et personnalisées. / Respiratory diseases consistently rank among the top ten causes of global mortality every year. The continuous exposure of the pulmonary epithelium to airborne particles and microorganisms partly explains this vulnerability. This situation creates an immunological dilemma for the organism: it must produce an adequate immune response to protect the respiratory epithelium while limiting inflammation that threatens its integrity. CD8+ T lymphocytes play an essential role in immunosurveillance against infected or tumor cells. Their swift activation hinges on the widespread expression of the major histocompatibility complex class I across all nucleated cells. Our laboratory discovered in 2020 that Lung Epithelial Cells (LECs) exhibit shallow levels of MHC I expression. This discovery prompted critical inquiries into the efficacy of pulmonary immune surveillance, crucial given the lungs' heightened susceptibility to various ailments such as infections, cancers, and chronic illnesses. This thesis aims to explore the mechanisms regulating MHC I expression in LECs under normal and pathological conditions to understand the implications of its expression variations on respiratory health. The first study that will be presented examines MHC I regulation in mice's LECs during inflammation. These works highlighted the ability of LECs to significantly increase their expression of MHC I in response to an inflammatory challenge. The molecules involved in this regulation were identified using transgenic mouse models, including IFN through STAT1, STAT2, and NLRC5 factors. Additionally, these analyses revealed an association between increased MHC I expression and a significant decrease in genes essential for the integrity of the pulmonary epithelium, emphasizing a delicate balance between defense and integrity maintenance. In a second study, analyses of single-cell RNA sequencing confirmed the low expression of MHC I in human LECs. These results also demonstrated a significant increase in its expression in LECs from patients with three types of chronic respiratory diseases: Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), and Cystic Fibrosis (CF), principally mediated by the NF-B pathway. Furthermore, this study highlighted a sexual dimorphism in MHC I expression in healthy donors as well as in patients with COPD and IPF, with opposite directions in the two diseases. Differential gene expression analysis suggests an involvement of oxidative stress in the differentiated regulation of MHC I between men and women. Our comprehensive analyses offer profound insights into the intricate regulatory mechanisms governing MHC I expression in LECs and shed light on the factors contributing to its heterogeneous expression. These variations in MHC I expression levels could significantly influence the pathogenesis of respiratory disorders and individual susceptibilities to diverse respiratory ailments. These works pave the way for a better understanding of pulmonary physiology and respiratory diseases and toward more personalized therapeutic management of chronic respiratory alignments.

Die Ätiologie und Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sind nur unvollständig verstanden. Bei der primär sklerosierenden Cholangitis bzw. bei der autoimmunen Hepatitis sind Cholangiozyten der größeren Gallengänge und Hepatozyten die Zielzellen der Autoimmunreaktion in der Leber. Mausmodelle sind zur Analyse initialer pathophysiologischer Prozesse notwendig und tragen zum besseren Verständnis der immunologischen Vorgänge in der Leber bei. Mit Hilfe transgener Mauslinien, die das Modellantigen Ovalbumin gewebespezifisch in den Cholangiozyten (ASBT-OVA) oder in den Hepatozyten (TF-OVA) exprimieren, sowie adoptiven Transfers antigenspezifischer CD4+ und CD8+ T-Zellen wurden Untersuchungen zur Antigenpräsentation, T-Zell-Aktivierung und Toleranzinduktion in der Leber durchgeführt. Die Expression von Ovalbumin in Cholangiozyten resultierte in einer Aktivierung der CD8+ T-Zellen in der Leber und den Lymphknoten. Im Gegensatz dazu ignorierten naive CD4+ T-Zellen das Antigen und wurden nicht aktiviert. Die Expression von Ovalbumin in Hepatozyten resultierte in einer vollständigen Aktivierung der CD8+ T-Zellen zu Effektorzellen über Kreuzpräsentation durch professionelle antigenpräsentierende Zellen (APZ) in der Leber. Diese Aktivierung war transient und selbst-limitiert. Die Induktion von CD4+Foxp3+ regulatorischen T-Zellen trug entscheidend zur Limitierung der induzierten Autoimmunität und Kontrolle der Expansion von antigenspezifischen CD8+ T-Zellen bei. Naive CD4+ T-Zellen benötigten die Aktivierung durch APZ in einem anderen Organ, bevor sie in die Leber relokalisierten und wiesen keinen Effektorphänotyp auf. Beide Modelle repräsentieren nicht die chronische Eigenschaft humaner autoimmuner Lebererkrankungen, ermöglichen jedoch Untersuchungen zum besseren Verständnis der Rolle verschiedener T-Zell-Populationen in der Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sowie der Antigenpräsentation und Aktivierung von T-Zellen durch hepatisches Antigen. / Aetiology and pathogenesis of autoimmune liver diseases are still incompletely understood. Cholangiocytes of the larger bile ducts and hepatocytes are the target structures of autoimmune reactions in the liver in primary sclerosing cholangitis and autoimmune hepatitis, respectively. Mouse models are necessary to analyse initial pathophysiological processes and contribute to a better understanding of immunological processes in the liver. With the help of transgenic mouse strains, in which the model antigen ovalbumin is expressed specifically in the cholangiocytes (ASBT-OVA) or in hepatocytes (TF-OVA), as well as the adoptive transfer of antigen specific CD4+ and CD8+ T cells, antigen presentation, T cell activation and tolerance induction in the liver, were analyzed. Expression of ovalbumin in cholangiocytes resulted in activation of CD8+ T cells in the liver and lymph nodes. In contrary, naïve antigen specific CD4+ T cells ignored the antigen expressed by cholangiocytes and were not activated. Expression of ovalbumin in hepatocytes resulted in complete activation of CD8+ T cells to become effector cells by crosspresentation depending on professional antigen presenting cells (APCs) in the liver. This activation was transient and self-limiting. Induction of CD4+Foxp3+ regulatory T cells played a crucial role in limiting autoimmunity and controlling the expansion of antigen specific CD8+ T cells in the liver. By contrast, naïve CD4+ T cells required activation by professional APCs in a different organ before relocating to the liver and did not display an effector phenotype. Both models do not represent the chronic characteristics of human autoimmune liver diseases, but help to gain a better understanding regarding the role of specific T cell populations in the pathogenesis of autoimmune liver diseases, as well as regarding antigen presentation and activation of T cells by hepatic antigen.

Die Wespengiftallergie stellt eine typische allergische Sofortreaktion dar. Für diese IgE-vermittelten, pathologischen Immunreaktionen ist die spezifische Immuntherapie (IT) die einzige zur Zeit zur Verfügung stehende kausale Therapie. Die Wirkmechanismen sind trotz intensiver Bemühungen weiterhin nicht vollständig aufgeklärt. Als wichtigste These wird zur Zeit eine Verlagerung des pathologischen, TH2-dominierten Zytokinmilieus in Richtung "normales" TH1-Milieu diskutiert. Es wurde auch eine reduzierte Mediatorfreisetzung von Effektorzellen, eine verminderte Leukozytenproliferation, eine verminderte Endorganantwort und charakteristische Ig-Titer-Veränderungen mit initialem Anstieg und längerfristigem Abfall des sIgE und Anstieg des sIgG4 beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der IT auf periphere B-Zellen hinsichtlich ihrer Ig-Produktion und ihres Phänotyps untersucht. 15 Patienten mit systemischen Reaktionen nach Wespenstich, Nachweis von spezifischem IgE und positivem Hauttest, bei denen eine Schnell-Immuntherapie eingeleitet wurde, wurden vor Beginn der Therapie (Tag 1), am Tag ihrer Entlassung (Tag 6), also einen Tag, nachdem die Erhaltungsdosis von 100 µg erreicht wurde, und vor der 2. ambulanten Allergeninjektion am 26. Tag untersucht. Die Expression von CD5, CD23, CD32, CD40, CD54, CD86, CD95, HLA-I-ABC und HLA-II-DR wurde auf peripheren mononukleären Blutzellen durchflußzytometrisch bestimmt. Anti-CD19 FITC wurde als spezifischer B-Zellmarker benutzt. Die Serum-Titer des Gesamt-IgE, Wespengift-spezifischen IgE und Wespengift-spezifischen IgG4 wurden mittels ELISA bestimmt. Zur statistischen Auswertung wurde der Wilcoxontest für nicht-parametrische, verbundene Daten benutzt. Die Expression von CD54, CD5, CD32 und HLA-II-DR wurde durch die IT signifikant und die von CD23 tendentiell modifiziert. So war die Expression dieser Moleküle auf der Oberfläche peripherer B-Zellen am Tag 6 im Vergleich zum Ausgangswert vom Tag 1 reduziert. Am 26. Tag wurden wieder Werte auf der Höhe der Ausgangswerte vom Tag 1 gemessen. Dagegen veränderte sich die Expression von CD40, CD86, CD95 und HLA-I-ABC während der untersuchten Zeitpunkte nicht. Die Ig-Titer veränderten sich in der für die IT charakteristischen Weise. So stieg nach 3 Wochen der Gesamt-IgE-, sIgE- und sIgG4-Titer hochsignifikant an. Die Expression der untersuchten Oberflächenmoleküle ist als Indikator für Veränderungen der Aktivationslage und des funktionellen Status der Zellen während der IT zu interpretieren. So spricht die Reduktion der Expression von CD32, CD54 und HLA-II für eine verminderte Aktivierungslage der peripheren B-Zellen. Ferner deutet die Reduktion von CD5 und CD32 auf eine Anergie der B-Zellen hin. Durch die reduzierte Expression von CD23 und CD54 könnte die T-B-Zell-Interaktion verschlechtert werden, die für die Effektorfunktionen beider Zellen bedeutsam ist.Einen wesentlichen Beitrag zur Wirksamkeit der IT könnte auch die verminderte Expression des HLA-II leisten, da HLA-II für die Ag-Präsentation essentiell ist. In dieser Arbeit wurde gezeigt, daß die spezifische Immuntherapie einen Einfluß nicht nur auf die Ig-Produktion der B-Zellen hat, sondern auch auf deren Phänotyp. Dies könnte Hinweise auf bisher nicht bekannte Mechanismen bieten, die an der Wirksamkeit der IT beteiligt sind. / Wasp-venom allergy is a typical IgE-mediated allergic reaction. Specific immunotherapy (IT) is the only currently available causal therapy for IgE-mediated allergies. The mechanisms responsible for the efficacy of IT are still not fully understood. So far, the main focus of research has been on changes of T-helper cell (TH) cytokine production with a shift from TH2 to TH1 cytokines. Reduced mediator secretion from effector cells of allergic reactions, decreased leukocyte proliferation, lowered responsiveness of end organs and changes in immunoglobulin levels have been reported as well. The purpose of this study was to investigate the influence of IT on phenotype and Ig-production of B-lymphocytes. 15 venom allergic patients with a history of systemic reactions after a wasp sting and venom-specific skin test reactivity as well as serum IgE were investigated before VIT (day 1), one day after reaching maintenance dose of 100 µg (day 6) during inpatient rush VIT, and again on day 26 during continued outpatient maintenance therapy. Changes in the serum levels of total IgE, allergen-specific IgE (sIgE) and sIgG4 were measured by ELISA. Expression of CD5, CD23, CD32, CD40, CD54, CD86, CD95, HLA-I-ABC and HLA-II-DR on double labeled B cells was studied by flow cytometry of peripheral blood mononuclear cells. On day 6, cell surface expression of CD54, CD5, CD32 and HLA-II-DR was decreased significantly in intensity and numbers of positive cells, compared to day 1, while on day 26, expression of these molecules approached again baseline levels. Furthermore, a trend to decreased CD23 was noted on day 6. No changes were observed for CD40, CD86, CD95 and HLA-I-ABC. Levels of total IgE, sIgE and sIgG4 showed a significant increase after 26 days of VIT. These data show that initiation of rush VIT has profound effects on B-cell phenotype and Ig-production. Reduced expression of surface molecules can be interpreted as a reduction of activation status of B-cells as well as reduced ability to present antigen and to costimulate other leukocytes. B cells may thus be additional direct or indirect targets of high dose antigen therapy and contribute to the efficacy of IT.

Myelin-assoziierte Epitope können Ziel destruktiver T-Zell Antworten während autoimmuner Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose oder der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis werden. Dagegen reagieren selbstspezifische T-Zellen nach axonaler Degeneration nicht mit destruktiver Autoimmunität, obwohl die entsprechenden Epitope durch Myelin-phagozytierende Mikroglia präsentiert werden. Im Modell der entorhinalen Kortexläsion von Ratte und Mause zeigten wir, daß Autoimmunität nach solchen Läsionen durch die Expression des Todesliganden CD95L (FasL, Apo1L) auf Astrozyten verhindert wird, da hochaktivierte T-Zellen durch CD95L apoptotisch eliminiert werden. Myelin-phagozytierende Mikroglia reguliert MHC-II und B7-2 hoch, nicht aber das kostimulatorische B7-1 Moleküle, das mit Autoimmunität im Gehirn assoziiert ist. In Zonen retrograder Degeneration, wo Axone am Sproutingprozess beteiligt sind, zeigen Mikrogliazellen bis mindestens 90 Tage nach Läsion einen MHC-II und B7-2 positiven Immunphänotyp. Trotz Anwesenheit von CD4/B7-2 positiven a/b T-Zellen, behält Mikroglia ihre ramifizierte, ruhende Morphologie. Im Gegensatz zu autoimmunen Erkrankungen im Gehirn, erfolgt die Antigenpräsentation nach axonaler Läsion durch Mikroglia also nicht über das B7-1 Molekül. Dies kann der Grund für das Ausbleiben destruktiver Autoimmunität nach axonaler Schädigung sein. / Myelin-associated epitopes are targets of destructive T cell responses during autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS) and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). On the other hand, autoimmune T cells do not respond in a destructive way to mechanically-induced axonal degeneration despite myelin phagocytosis and presentation by local microglia. Using entorhinal cortex lesion, a model of axonal degeneration and reactive sprouting, we showed that autoimmunity in the brain is prevented by the expression of the death Ligand CD95L expressed on astrocytes lading to apoptosis of highly activated T cells. Moreover, myelin phagocytosing microglia upregulate MHC-II and B7-2, but lack expression of B7-1, a costimulatory molecule related to destructive immunity. In zones of retrograde axonal degeneration, where axons undergo secondary damage and later contribute to the sprouting response, MHC-II/B7-2 positive microglia are still found at 90 days post lesion. These cells exhibit the ramified morphology of resting microglia in the presence of CD4/B7-2 positive a/b T cells. Thus, in contrast to autoimmune brain disease, axonal degeneration is lacking a signal to induce B7-1 on microglial cells and the recruited T cells do not induce microglial activation. Differences in B7-phenotype of local antigen-presenting cells might provide an explanation for the important finding that autoimmune T cells elicit protective rather than destructive effects following axonal degeneration in the CNS.

Die initialen immunologischen Prozesse, die zur Entwicklung autoimmuner Lebererkrankungen führen, sind weitgehend unbekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Antigenpräsentation, die Migration sowie der Phänotyp in vivo aktivierter CD8 T-Zellen in der Leber anhand eines Mausmodells der autoimmunen Hepatitis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hepatische dendritische Zellen an der Entstehung von CD8 Effektor-T-Zellen und an der Inflammation der Leber beteiligt sind. Kupffer-Zellen dagegen nehmen im autoimmunen Kontext in der Leber eine tolerogene Funktion ein. Die in vivo in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen zeigten spezifische Oberflächenmarker und ein ungewöhnliches Migrationsverhalten. So wurde zum einen mit Neuropilin-1 ein weitgehend unbekannter Oberflächenmarker identifiziert, zum anderen spricht die Expression von bekannten Markern, die den Aktivierungsstatus der CD8 T-Zellen definieren, für einen hybriden Phänotyp. Sie besitzen sowohl Charakteristika von naiven CD8 T-Zellen als auch von Effektorzellen, eine Eigenschaft, die auch bei zentralen Gedächtniszellen gefunden wird. In der Leber aktivierte CD8 T-Zellen können nicht nur proinflammatorische Zytokine ausschütten und somit eine Inflammation in der Leber auslösen, sondern sind außerdem in der Lage durch Lymphknoten zu zirkulieren. Dagegen ist ihnen der Zugang zum Darm verwehrt, womit eine direkte regulatorische Funktion im Darm ausgeschlossen werden kann. Obwohl auf in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen spezifische Adhäsionsmoleküle identifiziert wurden, existiert keine exklusive gewebespezifische Migration in die Leber, wie sie etwa für im Darm aktivierte CD8 T-Zellen nachgewiesen wurde. Im darmassoziierten lymphatischen Gewebe aktivierte CD8 T-Zellen akkumulieren in der Leber und tragen möglicherweise zur Schädigung der Leber im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bei. Diese Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung autoimmuner Prozesse in der Leber bei. / Initial immunological processes leading to autoimmune liver diseases are largely unknown. Therefore this thesis analyzed the antigen presentation, the migration as well as the phenotype of in vivo activated CD8 T cells in the liver by employing a mouse model for autoimmune hepatitis. It was shown that hepatic dendritic cells are effective antigen-presenting cells, which contribute to the induction of functional effector CD8 T cells in the liver and hepatitis. In contrast, Kupffer cells have a tolerogenic role during autoimmune processes in the liver. CD8 T cells that were in vivo activated in the liver display specific surface markers and unusual migration patterns. On the one hand an unusual surface molecule Neuropilin-1 was identified, on the other hand expression of well-known markers defining the activation-status of CD8 T cells suggests a hybrid phenotype. They reflect aspects of naive and effector T cells, characteristics also found on central memory T cells. Liver-primed CD8 T cells do not only produce pro-inflammatory cytokines leading to hepatitis, but they also retain their ability to circulate through lymph nodes. However, they have no access to the gut, which suggests that a direct regulatory function in the gut can be excluded. Although specific adhesion molecules on CD8 T cells activated in the liver were identified, no exclusive tissue-specific migration into the liver exists, as was shown for CD8 T cells primed in the gut. CD8 T cells activated in the gut-associated lymphoid tissue accumulate in the liver, in principle enabling them to induce liver pathology in the context of inflammatory bowel disease. Thus, the here described findings contribute to the understanding of initial immunological processes in autoimmune liver diseases.

Die Hauptaufgabe des Immunsystems ist der Schutz des Koerpers gegen den externen Angriff von Viren, Bakterien und sonstigen potentiellen Krankheitserregern, sowie die Vermeidung von weiteren Infektionen durch bereits erfahrene Pathogene, die durch die Errichtung eines immunologischen Gedaechtnisses vermieden werden. Zytotoxische T-Zellen sind die Protagonisten der spezifischen Immunantwort beim Bekaempfen von intrazellulaeren Infektionen. Das Proteasom spielt eine wichtige Rolle in der Produktion von antigenischen Peptiden dar, die, sobald sie von MHC-Molekurle praesentiert werden, furr die Aktivierung von T-Zellen in der Immunantwort verantwortlich sind. Diese Thesis praesentiert eine Studie, die belegt, dass die Laenge und Groesse von Fragmenten, die waehrend der Proteasomedegradation entstehen, sehr von der Groesse der Schranke abhaengt, die den Substratfluss durch das Proteasom steuert. Das hier vorgestellte Modell kann daher in der Quantifizierung des antigenischen Umsatzes und deren Praesentation von grossem Nutzen sein. Wir stellen die Vermutung an, dass die Ersetzung von konstitutivem Proteasom durch Immunoproteasom, die waehrend einer Immunantwort in antigenpraesentierenden Zellen stattfindet, das T-Zell-Repertoire stark veraendert und dabei hilft, eine schnelle und effektive Immunreaktion zu starten. Die Schlussfolgerungen dieser Dissertation sind: Die Kinetik der antigenischen Praesentation und ihre Quantifizierung sind wichtige Aspekte fuer das Verstehen der Instandhaltung und Funktionalitaet des T-Zell-Repertoires. Das Immunsystem nutzt die Kinetik des Proteasoms und den Wettbewerb um Ressourcen zwischen den T-Zellen zur Entwicklung von cleveren Strategien gegen Infektionen aus, ohne dabei auf die Produktion von teueren neuen Ressourcen zururckgreifen zu m"ussen. / The major tasks of the immune system are the protection of the body from undesired external pathogenic attack and the prevention of further and already experienced challenges, which are avoided by the establishment of immunological memory. The proteasome machinery plays a crucial role in the generation of antigenic peptides, which are responsible for the activation of T-cell during an immune response. In this PHD thesis the study of the T-cells dynamics and their homeostasis has been investigated. In particular we focused on the immunological function of the intracellular protein degradation. This thesis evidenced that the length and the amount of fragments generated by the proteasome degradation fairly depend on the size of the gates regulating the flux of substrate through the proteasome. This model captures the known characteristics of proteasomal degradation, and can therefore help to quantify MHC antigen processing and presentation. A model dealing with the dynamics of cytotoxic T-cells and the role of the antigen presentation in shaping the T-cell repertoire has been proposed. This model shows that the replacement of constitutive proteasome with the immunoproteasome re-shapes significantly the T-cell clone repertoire and helps to mount a fast and effective immune response. The last part of this thesis has been devoted to the population dynamics of cytotoxic T-cells over a long timescale. Stochastic models describing the maintenance of T-cell memory clones have been proposed. The conclusions are: the kinetics of the antigen presentation and its quantification are critical aspects for the understanding of the maintenance and the functionality of the T-cell repertoire. The Immune system takes advantage of the kinetics of proteasome and the competition for resources in the T-cell repertoire to develop a clever strategy to challenge infections without expensive production of new resources.

Der MHC I Pathway ist ein Teil des Immunsystems und stellt mittels Antigenen an der Zelloberfläche den Proteinstatus der Körperzellen dar. Ziel dieser Arbeit ist durch die Entwicklung von Modellen zu Proteinsynthese und Abbau sowie den Teilschritten des MHC I Pathways und der Untersuchung von Simulationsergebnissen das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu verbessern und gegebenenfalls die Qualität der Antigenprädiktion zu verbessern. Es wurden statistische Modelle für den Transport der Peptide in das ER mittels TAP, das Schneiden von Peptidbindungen durch das Proteasom und das cytosolische sowie endoplasmatische Trimmen von Peptiden entwickelt. Weiterhin wurden kinetische Modelle zur Synthese und Abbau von viralen Proteinkonstrukten, zur proteasomalen Erstellung von Proteinfragmenten und zum Simulieren des Gesamtprozesses von Infektion bis zur Antigenpräsentation entwickelt. Es wurde gezeigt, dass eine DRiP Rate von 10 Prozent die Antigenpräsentation unabhängig von der Lebenszeit der Proteine gewährleistet und für langlebige Proteine der Anteil der Antigene aus DRiPs die Gesamtmenge der Antigene dominiert. So wird gewährleistet, dass an der Zelloberfläche der Status der momentanen Proteinsynthese dargestellt wird. Die erstellten Teilmodelle der Schritte des MHC I Pathways sind jeweils auf in vitro Daten des jeweiligen Prozesses trainiert und ermöglichen zusammen mindestens die gleiche Vorhersagequalität, wie Pathway Modelle, die auf in vivo Daten trainiert worden sind. Dies zeigt, dass alle wesentlichen Prozesse zur Antigenpräsentation von den erstellten Modulen erfasst werden. Die Module können je nach Bedarf und Fragestellung zu Modellen kombiniert werden. Ein Vorhersagetool wurde auf http://mhc-pathway.net zur Verfügung gestellt. Durch Modellanalysen können der relative Beitrag der einzelnen Schritte des Pathways und die Vorraussetzungen für ein potentielles Antigen bestimmt werden. Das kinetische Modell der Prozesse von Infektion bis Antigenpräsentation erlaubt das Verfolgen aller Peptide und das Analysieren der Prozesse die zur Erstellung von Epitopen führen. Die quantitativen Vorhersagen können experimentell validiert werden. Die proteasomale Fragmenterstellung ist der Teilprozess, der noch am wenigsten gut verstanden ist und bedarf noch weiterer experimenteller Untersuchungen. / The MHC I antigen presentation pathway is part of the immune system and enables cells to show their proteome state at the cell surface. This works aims at improving the understanding of the MHC I pathway and the prediction of antigens from the source proteins where appropriate. The means are the development of models for protein synthesis, degradation and the individual steps of the pathway as well as the analysis of simulation results. Statistical models for the transport of peptides into the ER by TAP, the cleavage of peptide bonds by the proteasome, and the cytosolic and endoplasmic trimming of peptides have been developed. Furthermore, kinetic models for synthesis and degradation of viral protein constructs, for proteasomal generation of protein fragments, and for the simulation of the entire process from viral infection of a cell to the resulting antigen presentation were created. It has been shown that a DRiP rate of 10% is sufficient to have antigen presentation independent of the source protein’s live time and that the antigens derived from the DRiP pool dominate the antigen presentation for long lived proteins. This mechanism enables the presentation of the current protein synthesis state of the cell. Each developed model of a part of the MHC I pathway is trained on in vitro data and together they provide at least the same prediction quality as pathway models that are based on in vivo data. This shows that all processes that contribute significantly to antigen presentation are covered in the developed models. The models for the individual parts can be combined according to the demand and question. A prediction tool has been provided at http://mhc-pathway.net. The contribution of each part of the pathway can be assessed by model supported analysis of the individual steps. It is possible to determine the traits of a potential antigen. The kinetic model of the pathway from infection to antigen presentation enables the generation of time curves for each possible peptide and the analysis of the processes that lead to the development of antigens. The quantitative predictions allow for experimental validation. The proteasomal fragment generation is the least good understood part of the MHC I pathway and requires further experimental study.

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée. / Autophagy is a highly conserved lysosomal-mediated protein degradation pathway that plays a crucial role in maintaining cellular homeostasis and contributes to antigen processing and presentation. The emerging roles of autophagy in both innate and adaptive immunity underpin novel immunological paradigms that may provide opportunities for the development of new therapies where impaired autophagy is associated with autoimmune diseases. However, the in vivo study of autophagic response is challenging in view of the limited number of analytical approaches that can provide a dynamic definition of the key proteins involved in this pathway. Accordingly, we developed an integrated proteomics research program to unravel the molecular machines associated with autophagy and to decipher the fine details of the molecular mechanisms governing the functions of the autophagosome in antigen presentation using a systems biology approach. To study how autophagy and antigen presentation are actively modulated in macrophages, we first conducted comprehensive, global proteomics studies under different conditions known to stimulate autophagy. Autophagy is modulated by cytokines as well as by viral infection in various ways. TNF-alpha is one of the major proinflammatory cytokines that mediate local and systemic responses and direct the development of adaptive immunity. Label-free quantitative proteomics analysis of membrane extracts from TNF-alpha activated and resting macrophages revealed that TNF-alpha activation led to the downregulation of mitochondrial proteins and the differential regulation of several proteins involved in vesicle trafficking and immune response. Importantly, we found that the downregulation of mitochondria proteins occurred through Atg5-dependent mitophagy, and was specific to TNF-alpha. Furthermore, using a novel antigen presentation system, we observed that the induction of mitophagy by TNF-alpha enabled the processing and presentation of mitochondrial antigens at the cell surface by MHC class I molecules, suggesting that TNF-alpha induced mitophagy contributes to the modification of the MHC class I peptide repertoire. These findings highlight an unsuspected role of TNF-alpha in mitophagy and expanded our understanding of the mechanisms responsible for MHC class I presentation of self-antigens. A complex interplay also exists between viral infection and autophagy. Recently, our lab provided the first evidence that macroautophagy can contribute to the presentation of viral proteins on MHC class I molecules during Herpes Simplex Virus type 1 (HSV1) infection. HSV1 are among the most complex and widespread human viruses. While the composition of viral particles has been studied, less is known about the expression of the whole viral proteome in infected cells. To comprehensively characterize the system, we analyzed the proteome of the prototypical HSV1 in infected macrophages by LC-MS/MS. We achieved a very high level of protein coverage and identified a total of 67 structural and non-structural viral proteins (82% of the HSV1 proteome) using LC-MS/MS on a LTQ-Orbitrap instrument. We also obtained a comprehensive map of 90 novel phosphorylation sites and ten novel ubiquitylation sites on different viral proteins. Interestingly all ubiquitylated proteins could either localize to the nucleus or participate in membrane fusion events, suggesting that ubiquitylation of viral proteins might affect their trafficking. Treatment with inhibitors of DNA replication induced changes of both viral protein abundance and modifications, highlighting the interdependence of viral proteins during the life cycle of the virus. Given the importance of expression dynamics, ubiquitylation and phosphorylation for protein function, these findings will serve as important tools for future studies on herpes virus biology. Interestingly, HSV1 infection in macrophages triggers a novel form of autophagy which remarkably differs in many ways from macroautophagy. This process, referred to as nuclear envelope-derived autophagy (NEDA), leads to the formation of 4-membrane layered vesicles originating from the nuclear envelope where some viral protein such as glycoprotein B are highly enriched. To which extent this process differs from macroautophagy and participates in the pathogenesis of HSV infection is still largely unknown. Using a novel antigen presentation assay we could show that NEDA is an Atg5-independent pathway that participates in the capture of viral proteins, and their processing and presentation on MHC class I molecules. To understand the involvement of NEDA in antigen presentation it is crucial to characterize the autophagosomal proteome in HSV1 infected macrophages. We developed a novel isolation method based on the loading of the lysosomal compartment with latex beads, a unique tool to obtain very pure cell extracts, upon autophagy induction. The transfer of HSV1 antigens into autophagosomes was monitored using quantitative proteomics. Nuclear enveloped-derived proteins were preferentially transferred to the autophagosome during HSV1 infection. Detailed proteomics characterization of autophagosomes formed during NEDA and macroautophagy led to the discovery of mechanisms that play a key role in glycoprotein B immunodominance during HSV1 infection. These analyses also revealed that various autophagic pathways can be induced to promote the capture of selective sets of viral proteins, thus actively shaping the nature of the immune response during infection. In conclusion, the application of quantitative proteomics methods played a key role in identifying and quantifying important regulators of autophagy in macrophages and allowed us to identify changes occurring during the remodeling of autophagosomes in response to disease and inflammatory conditions such as viral infections. Furthermore, our systems biology approach that combined mass spectrometry-based quantitative proteomics with functional screens such as antigen presentation assays revealed novel biological insights on the molecular mechanisms governing the functions of autophagy in antigen presentation. Harnessing the contribution of autophagy in antigen presentation has the potential to minimize the deleterious effects of immunodominance in viral infection and cancer by shaping an appropriate immune response.

La mémoire immunologique est le mécanisme biologique fondamental à la base du développement de la vaccination. La compréhension de ce mécanisme ainsi que de ses interactions avec les différents acteurs du système immunitaire a permis l’élaboration de vaccins qui sont aujourd’hui les garants d’une protection accrue face à l’émergence de maladies infectieuses potentiellement mortelles. La voie d’injection et le mode de transfert de ces vaccins sont des paramètres majeurs à prendre en considération car ils définissent une modulation des réponses immunitaires et de leurs spécificités d’action. De nos jours, seule la voie intramusculaire demeure la voie majoritaire d’administration de vaccins lors de la prophylaxie primaire en santé humaine. Au cours de notre étude, nous nous sommes intéressés à comparer l’injection d’un antigène (l’ovalbumine) selon deux voies d’administration : la voie intramusculaire et la voie intradermique. Nous nous sommes également appuyés sur une technologie du laboratoire qui consiste à transférer des gènes par des vecteurs AAV2/1 recombinants. Nous disposions de deux constructions de ces vecteurs ayant une spécificité pour cibler les cellules musculaires et permettant l’apport d’un effet auxiliaire par les lymphocytes T CD4+ lors d’injections dans des souris femelles. De plus, une de ces constructions nous permettait d’éviter la voie de présentation directe de l’antigène par les cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T CD8+. Les capacités modulatrices de ces vecteurs nous permirent de montrer pour la première fois que le vecteur AAV2/1 recombinant était capable de faire exprimer un transgène au sein de la peau et d’y générer une réponse cellulaire forte. Nous avons également montré qu’il existait une synergie d’action entre l’effet auxiliaire et la voie intradermique qui améliorait considérablement les réponses cellulaires issues de la présentation croisée d’antigène. Enfin, nous avons pu démontrer que les lymphocytes T CD8+ générés suite à cette synergie d’action présentaient un profil phénotypique de cellules mémoires polyfonctionnelles et capables de protéger l’hôte face à un challenge pathogénique. / Immunological memory is the fundamental biological mechanism at the beginning of the development of vaccination. Understanding this mechanism and its interactions with the various players of the immune system has allowed the development of vaccines that are today the most effective barrier against the emergence of life-threatening infectious diseases. Route of injection and the nature of carriers of these vaccines are key parameters to be taken into consideration because they define a modulation of immune responses and their specific features. Nowadays, only the intramuscular injection route remains the major route of vaccines injection in the context of primary prophylaxis in human health. During our study, we were interested in comparing the injection of antigen (ovalbumin) following two routes of administration: intramuscular and intradermal routes. We also relied on a technology in the laboratory that involves the transfer of genes by rAAV2/1 vectors. We had two constructs of these vectors having specificity to target skeletal muscle cells and allowing us to provide a helper effect from CD4+ T cells during injections into female mice recipients. Moreover, one of these constructs enabled us to avoid the direct presentation of antigens by dendritic cells (DCs) to CD8+ T cells. The capacity of modulation of these vectors allowed us to show for the first time that the rAAV2/1 vector was able to trigger the expression of a transgene in the skin, and there to generate a strong cellular response. We have also shown that CD4+ T cell help and the intradermal route of immunization synergize to improve greatly cellular responses from the cross-presentation of antigens. Finally, we have demonstrated that CD8+ T cells generated following this synergism exhibited a phenotypic profile of polyfunctional memory cells and able to protect the host against a pathogenic challenge.

La mémoire immunologique est le mécanisme biologique fondamental à la base du développement de la vaccination. La compréhension de ce mécanisme ainsi que de ses interactions avec les différents acteurs du système immunitaire a permis l’élaboration de vaccins qui sont aujourd’hui les garants d’une protection accrue face à l’émergence de maladies infectieuses potentiellement mortelles. La voie d’injection et le mode de transfert de ces vaccins sont des paramètres majeurs à prendre en considération car ils définissent une modulation des réponses immunitaires et de leurs spécificités d’action. De nos jours, seule la voie intramusculaire demeure la voie majoritaire d’administration de vaccins lors de la prophylaxie primaire en santé humaine. Au cours de notre étude, nous nous sommes intéressés à comparer l’injection d’un antigène (l’ovalbumine) selon deux voies d’administration : la voie intramusculaire et la voie intradermique. Nous nous sommes également appuyés sur une technologie du laboratoire qui consiste à transférer des gènes par des vecteurs AAV2/1 recombinants. Nous disposions de deux constructions de ces vecteurs ayant une spécificité pour cibler les cellules musculaires et permettant l’apport d’un effet auxiliaire par les lymphocytes T CD4+ lors d’injections dans des souris femelles. De plus, une de ces constructions nous permettait d’éviter la voie de présentation directe de l’antigène par les cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T CD8+. Les capacités modulatrices de ces vecteurs nous permirent de montrer pour la première fois que le vecteur AAV2/1 recombinant était capable de faire exprimer un transgène au sein de la peau et d’y générer une réponse cellulaire forte. Nous avons également montré qu’il existait une synergie d’action entre l’effet auxiliaire et la voie intradermique qui améliorait considérablement les réponses cellulaires issues de la présentation croisée d’antigène. Enfin, nous avons pu démontrer que les lymphocytes T CD8+ générés suite à cette synergie d’action présentaient un profil phénotypique de cellules mémoires polyfonctionnelles et capables de protéger l’hôte face à un challenge pathogénique. / Immunological memory is the fundamental biological mechanism at the beginning of the development of vaccination. Understanding this mechanism and its interactions with the various players of the immune system has allowed the development of vaccines that are today the most effective barrier against the emergence of life-threatening infectious diseases. Route of injection and the nature of carriers of these vaccines are key parameters to be taken into consideration because they define a modulation of immune responses and their specific features. Nowadays, only the intramuscular injection route remains the major route of vaccines injection in the context of primary prophylaxis in human health. During our study, we were interested in comparing the injection of antigen (ovalbumin) following two routes of administration: intramuscular and intradermal routes. We also relied on a technology in the laboratory that involves the transfer of genes by rAAV2/1 vectors. We had two constructs of these vectors having specificity to target skeletal muscle cells and allowing us to provide a helper effect from CD4+ T cells during injections into female mice recipients. Moreover, one of these constructs enabled us to avoid the direct presentation of antigens by dendritic cells (DCs) to CD8+ T cells. The capacity of modulation of these vectors allowed us to show for the first time that the rAAV2/1 vector was able to trigger the expression of a transgene in the skin, and there to generate a strong cellular response. We have also shown that CD4+ T cell help and the intradermal route of immunization synergize to improve greatly cellular responses from the cross-presentation of antigens. Finally, we have demonstrated that CD8+ T cells generated following this synergism exhibited a phenotypic profile of polyfunctional memory cells and able to protect the host against a pathogenic challenge.