Indivíduos infectados pelo vírus da imunodeficiência humana do tipo 1 (HIV-1) que controlam a replicação viral, mesmo na ausência de tratamento com drogas antirretrovirais, representam um exemplo de contenção bemsucedida do vírus. O entendimento das respostas imunes antivirais presentes nestes indivíduos pode auxiliar no delineamento de vacinas, particularmente no caso de estratégias vacinais desenvolvidas para induzir um fenótipo de controle da replicação viral e, assim, diminuir o ritmo da progressão à AIDS e/ou a taxa de transmissão para terceiros. A resposta imune celular contra HIV-1 é geralmente mapeada em ensaios de ELISPOT-IFN-γ empregando-se peptídeos pentadecâmeros sobrepostos por 11 aminoácidos sintetizados a partir de seqüências consensuais do vírus. Contudo, este método pode subestimar a detecção da real amplitude da resposta imune celular contra epitopos contidos na seqüência autóloga do vírus infectivo. Neste trabalho, foram comparadas respostas imunes celulares contra peptídeos 15-meros baseados nas seqüências de vif e nef do consenso do subtipo B do HIV-1 e respostas imunes contra peptídeos HLA-restritos de nove ou 10 aminoácidos baseados tanto nas seqüências de vif e nef do consenso do subtipo B do HIV-1, quanto nas seqüências autólogas dos vírus seqüenciados a partir de seis pacientes controladores da replicação do HIV-1. Nossa análise revelou que três dos seis pacientes investigados mostraram maior amplitude de resposta imune celular contra epitopos em Vif e Nef quando os peptídeos HLA-restritos foram empregados, tenham sido eles preditos a partir da seqüência consensual ou a partir das seqüências do vírus autólogo. O número de respostas positivas aumentou de quatro para 16 em Vif e de oito para 22 em Nef, com o uso dos reagentes HLA-restritos. Estes resultados sugerem que emprego de peptídeos 15-meros pode sub-representar a amplitude real da resposta imune celular envolvidas no controle da replicação do HIV-1 e que o conhecimento acerca das respostas imunes de sucesso em indivíduos controladores pode ser melhorado e ampliado com a revisão dos métodos empregados. / Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)-infected individuals who spontaneously control viral replication represent an example of successful containment of the AIDS virus. Understanding the anti-viral immune responses in these individuals may help in vaccine design, particularly vaccine strategies designed to induce a controller phenotype and thus, prevent disease progression and decrease risk of transmission. Immune responses against HIV-1 are normally screened using 15-mer peptides overlapped by 11 amino acids from HIV-1 consensus sequences in ELISPOT-IFN-γ assays. However, this method may underestimate the real breadth of the cellular immune responses against the autologous sequence of the infecting virus. We compared cellular immune responses against nef and vif-encoded consensus B 15-mer peptides to responses against HLA class I-predicted minimal optimal epitopes from consensus B and autologous sequences in six patients who have controlled HIV-1 replication. Interestingly, our analysis revealed that three of our patients had broader cellular immune responses against Vif- and Nef-HLA class I-predicted minimal optimal epitopes from either autologous viruses or from the consensus B sequence, when compared to responses against the 15-mer HIV-1 consensus B peptides. The number of positive responses against epitopes in these two HIV-1 proteins increased from four to 16 for Vif and from eight to 22 for Nef. These findings suggest that immune responses assessed using 15-mers peptides may underrepresent the real breadth of the immune control of the infecting virus and the knowledge about the successful responses in controller individuals could be improved after reviewing the employed methods.

Les lymphocytes T CD8 ont un rôle essentiel dans la protection contre les agents pathogènes intracellulaires et la progression tumorale. Ainsi, la compréhension de la diversité des mécanismes de différenciation des lymphocytes T CD8 naïfs en cellules effectrices, ainsi qu’en cellules mémoires compétentes, est fondamentale pour le développement efficace de vaccins à cellules T. Dans ce travail de thèse, nous avons abordé deux questions centrales : (1)Très tôt après l’activation des cellules T CD8, quels sont les mécanismes par lesquels les cellules T effectrices agissent comme effecteurs pro-inflammatoires en recrutant d’autres cellules? Et quel est leur rôle dans la réponse immunitaire? (2) Quel est le rôle du contexte infectieux dans le programme de différenciation des lymphocytes T CD8 ? Est-il responsable de l’hétérogénéité des cellules répondeuses et a-t-il un rôle dans les différents effets protecteurs des cellules mémoires? Afin de répondre à ces questions, nous avons choisit d’utiliser des cellules T CD8 exprimant un récepteur pour l’antigène transgéniques (TCR-Tg) pour suivre la différentiation in vivo des lymphocytes T CD8. De plus, la méthode de RT-PCR sur des séries de cellules uniques, nous a permis d’analyser la co-expression des ARNm dans ces cellules. Comme l’utilisation à haute fréquence de cellules TCR-Tg a été fortement critiquée, nous avons comparé la différenciation de ces cellules avec celle des cellules endogènes (non transgéniques et rares). Dans ce premier manuscrit nous avons observé un comportement similaire, ce qui a renforcé l'avantage d'utiliser des cellules TCR Tg pour étudier les réponses immunitaires des lymphocytes T CD8. De plus, nous avons conclu que la diversité des réponses immunitaires des lymphocytes T CD8 n’est pas conditionnée par la fréquence de cellules naïves. Dans un deuxième manuscrit, nous avons comparé la réponse des cellules OT1 TCR-Tg (spécifiques de l’antigène OVA) à l'infection bactérienne LM-OVA (Listeria Monocytogènes exprimant OVA) avec la réponse des cellules P14 TCR-Tg (spécifiques de l’épitope GP33) à l’infection par le virus LCMV. Nous avons montré que les cellules OT1, stimulées par l’OVA dans un contexte bactérien (LM-OVA), présentent un profil d’expression génique distinct de celui des cellules P14 stimulées par le GP33 dans un contexte viral (LCMV). Nous avons également co-stimulé les cellules P14 et OT1 dans une même souris suivant le même contexte bactérien avec LM-GP33 et LM-OVA. Dans ce cas, nous n’avons pas observé de différence dans le profil d’expression génique. L’ensemble des résultats démontrent que les stimulations spécifiques des cellules T CD8 par différents agents pathogènes génèrent des cellules T CD8 présentant des caractéristiques différentes qui ne sont pas déterminées par la spécificité du TCR mais plutôt par le contexte infectieux. De plus, nous avons montré que les cellules mémoires endogènes résultant de la stimulation des CD8 en présence de LCMV ont été plus efficaces après une deuxième réponse immunitaire que des cellules mémoires générées après stimulation avec LM-GP33 (bactérie). Nous avons également observé que la protection plus efficace dans le contexte viral est associée à des cellules T CD8 qui présentent un phénotype de cellules T mémoires effectrices (TEM) tandis que les cellules T CD8 générées dans un contexte bactérien ont plutôt un phénotype associé aux cellules T mémoires centrales (TCM). Ces résultats démontrent que différents pathogènes induisent différents profils de différentiation des cellules T CD8 et que malgré l’élimination efficace des différents pathogènes dans une réponse primaire, la qualité des cellules mémoires générées au cours de cette réponse peut être différente. Dans un troisième manuscrit, nous avons étudié les mécanismes de recrutement d’autres cellules par les lymphocytes T CD8 activés à un temps précoce de la réponse immunitaire. (...) / CD8 T cells are essential for the elimination of intracellular pathogens and tumor cells. Understanding how naïve CD8 T cells differentiate into effector cells capable of eliminating pathogens and to generate adequate memory cells during immune responses is fundamental for optimal T cell vaccine design. In this PhD thesis work we addressed two central questions: 1) What are the mechanisms by which early effector T cells could act as pro-inflammatory effectors? And what is their role in the immune response? 2) How heterogeneous are CD8 responses? Could different pathogens modulate CD8 T cell differentiation programs and be responsible for CD8 cell-to-cell heterogeneity? Could they also generate memory cells with different protection capacities? To address these questions related to the diversity of CD8 T cell differentiation during immune responses, we used the single cell RT-PCR technique to detect ex vivo expression of mRNA in each individual cell, and Brefeldin A injected mice to detect ex vivo intracellular proteins. As experimental system to evaluate in vivo cell activation we used T cell receptor transgenic (TCR-Tg) CD8 T cells. Since the use of TCR-Tg cells to study immune responses has been subjected to criticism (due to high frequency of naïve-precursor transfers), in a first Ms. we compared the behavior of TCR-Tg and endogenous (non-transgenic and present at low frequency) cells in the same mouse. We found fully overlapping behavior between these two cell populations, which reinforced the advantage of using TCR-Tg cells to study CD8 immune responses. In addition, we concluded that the frequency of naïve-precursors do not induce diversity on CD8 T cell differentiation patterns. In a second Ms. we evaluated the impact of different pathogens in the diversity of CD8 T cell properties during two different immune responses: OT1 TCR-Tg cells (specific for OVA antigen) in the response to LM-OVA (Listeria Monocytogenes expressing OVA) infection; and P14 TCR-Tg cells (specific for GP33 epitope) in the response to Lymphocytic choriomeningitis vírus (LCMV) infection. We found that OT1 and P14 cells had different properties. As this difference could also be attributed to the different TCR avidity between OT1 and P14 cells, we then compared the behavior of P14 and OT-1 cells in the same mouse, co-injected with LM-OVA and LM-GP33. Since no differences were then detected, these results demonstrated that priming with different pathogens generates CD8 T cells with different characteristics that are not determined by TCR usage, but rather by the infection context. In addition, when looking for the protection capacity of endogenous CD8 memory cells generated in bacterial or viral context, we found that memory cells generated after LCMV priming were more efficient in responding to a second challenge, than memory cells generated after LM-GP33 priming. We also found that this better protection is associated with a T cell effector memory (TEM) phenotype associated with the LCMV infection, in contrast with a T cell central memory (TCM) phenotype generated after LM-OVA infection. These results demonstrate that different pathogens are responsible for diversity of CD8 T cell differentiation patterns and that even when distinct pathogens are efficiently eliminated during the primary immune response the quality of the memory generated may differ. In a third Ms. we studied the mechanisms by which effector CD8 T cells attracted other cell types in the early days of an immune response. We used two experimental systems: the response of OT1 TCR-Tg cells to LM-OVA infection; and the response of anti-HY TCR-Tg cells to male cells (“sterile”-non infectious context). In both cases we found that immediately after activation, CD8 T cells expressed high levels of pro-inflammatory cytokines and chemokines (such as TNFα, XCL1, CCL3 and CCL4). (...)

Chemotherapy is still one of the most widely used anticancer therapies. It is mostly about inhibiting the proliferation of rapidly dividing cells, so it is not selective for tumor cells. As a result, many undesirable side effects are associated with chemotherapy. The disadvantageous properties of chemotherapeutics can be largely eliminated by using conjugates of polymers with low molecular weight drugs. An example of such a conjugate is a doxorubicin-linked HPMA polymer. In addition to the properties obtained by polymer binding, such as achieving solubility in aqueous solutions, reducing systemic toxicity, increasing the maximum tolerated dose, or passive targeting by the EPR effect, the fact that doxorubicin induces immunogenic cell death is used in therapy with this drug. It has already been shown that after complete cure of the experimental mice with polymeric conjugates of HPMA with doxorubicin, some mice develop long-term resistance to re-inoculation with a lethal dose of tumor cells. Resistance is specific to the particular line of tumor cells from which the mouse was cured, and CD8+ cytotoxic T cells and IFNγ play an important role. In this work, we monitored changes in the proportion of immune populations and their activation markers after treatment with HPMA-based polymers with doxorubicin...

Au pic de la réponse effectrice des LT CD8, on retrouve deux sous-populations, soit les effecteurs à demi-vie courte (SLEC) ou les effecteurs précurseurs de cellules mémoires (MPEC). La phase de contraction de la réponse effectrice implique l’apoptose des SLEC et la survie des MPEC, qui se différencient en cellules mémoires pour protéger contre une réinfection. La voie Notch est impliquée dans les choix de différenciation binaire et l’interaction ligand-récepteur mène au clivage du domaine intracellulaire de Notch (NICD), qui migrera au noyau afin d'induire l’expression de gènes cibles. Dans un modèle où l’expression des récepteurs Notch1 et Notch2 est absente uniquement dans les LT CD8 (N1N2∆/∆), le laboratoire a démontré que l’absence du signal Notch favorisait la différenciation en MPEC et affectait l’expression de 217 gènes. Cette étude visait à 1) identifier les gènes cibles de Notch contrôlant la différenciation SLEC-MPEC, et 2) évaluer si l’absence du signal Notch permet un meilleur contrôle tumoral par les LT CD8. Nous avons priorisé les 217 gènes en fonction de différents critères et identifié Il2ra comme une cible importante en aval de la voie Notch. Toutefois, nous avons établis que lors d’une infection aiguë, la surexpression rétrovirale de Il2ra dans les LT CD8 N1N2∆/∆ n’influençait pas la différenciation SLEC-MPEC. Nous avons également déterminé qu’une thérapie adoptive de LT CD8 N1N2∆/∆ limitait le contrôle de la croissance tumorale et impliquait une diminution des fonctions effectrices des LT CD8 N1N2∆/∆, qui étaient moins terminalement différenciés. Une meilleure compréhension du rôle de Notch dans la réponse des LT CD8 permettra de développer de nouvelles stratégies de vaccination et de traitement du cancer. / In response to acute infections, effector CD8 T cells differentiate into short-lived effector cells (SLECs) and memory precursor effector cells (MPECs) capable of generating long-lived memory CD8 T cells. The Notch signaling pathway is a key regulator of cell fate decision. Following ligand- receptor interaction, the Notch intracellular domain (NICD) is cleaved and migrates to the nucleus in order to induce the expression of target genes. In a model in which Notch1 and Notch2 expression is inhibited only in mature CD8 T cells, our team has established that Notch deficiency favors MPEC differentiation in CD8 T cells and influences the expression of 217 gens. This study aims to: 1) identify target genes of the Notch pathway regulating SLEC-MPEC differentiation, 2) evaluate if Notch deficiency can augment tumor control by CD8 T cells. We have prioritized the list of genes differentially expressed in the absence of Notch signaling according to various criteria. We hence identified Il2ra as a target gene, but during an acute infection, overexpression of Il2ra in Notch deficient CD8 T cell was insufficient to modulate SLEC-MPEC differentiation. In addition, we have established that adoptive therapy with Notch deficient CD8 T cell impaired tumor control and implicated a diminution of effector function in Notch deficient CD8 T cell, which were less terminally differentiated. A better understanding of Notch signaling pathway’s role in the CD8 T cell response will allow for improvement of vaccinal strategies and cancer treatment.

Les lymphocytes T sont au coeur du système immunitaire adaptatif et leur dérégulation est à la base de pathologies. Les cellules T se développent dans le thymus et passent par de nombreuses étapes de maturations identifiables par l'expression des corécepteurs CD4+/CD8+ à la surface des cellules. À leur sortie du thymus, les cellules T sont divisées en deux sous-types principaux: les cellules T auxiliaires CD4+ spécifique aux antigènes présentés sur complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe II et les cellules T cytotoxiques CD8+ reconnaissant un antigène présenté sur un CMH-I. Toutes les cellules T proviennent d’un précurseur commun. Leur différenciation en cellule T CD4+ et T CD8+ est influencée par l'intensité et la durée de la signalisation du récepteur des cellules T (RCT) et des cytokines. Cette signalisation résulte en l’expression des facteurs de transcription ThPOK pour la différenciation de cellule T CD4+ et Runx3 pour les cellules T CD8+. Il a été démontré que ThPOK est à la fois nécessaire et suffisant pour le développement des lymphocytes T CD4+, puisque le gain et la perte de la fonction de ThPOK favorise le développement de cellules lymphocytes T CD4+ et CD8+, respectivement. Ma thèse vise à approfondir notre compréhension du choix de la lignée CD4+/CD8+ en explorant les mécanismes moléculaires de la voix de signalisation de ThPOK et du RCT. Dans cette étude, nous avons étudié l'impact d'un gain-de-fonction de ThPOK sur la différenciation des thymocytes, en utilisant trois lignées transgéniques exprimant des niveaux variables de ThPOK. Une analyse approfondie de ces transgènes chez des souris dont le RCT est restreint soit au CMH de classe I ou de classe II, a démontré que, comparés aux thymocytes restreints au CMH-II, les thymocytes restreints au CMH-I requéraient des niveaux plus importants de ThPOK pour se différencier en CD4+. L’introduction d’un transgène exprimant un niveau moins élevé de ThPOK comparé aux deux autres transgènes, mais un niveau plus élevé de ThPOK par rapport au niveau endogène dans les cellules CD4+ WT, n'induit qu'une réorientation partielle des cellules T CD8+ en CD4+, ce qui a mené à la génération, à la fois de lymphocytes T CD4+, DN (doubles négatifs) et CD8+ matures. L'analyse génotypique, plus précisément celle des cellules DN chez les souris porteuses du transgène ThPOK et dont le RCT est restreint au CMH-I, a révélé que l’inhibition des gènes spécifiques à la lignée CD8+ 2 nécessitait des niveaux d'expression différents de ThPOK comparés à ceux requis pour l’induction des gènes spécifiques à la lignée CD4+. En effet, cette étude nous a permis de démontrer que l’intensité du signal dérivé du RCT ainsi que sa spécificité pour un CMH donné jouent un rôle essentiel dans le choix de différentiation CD4+/CD8+ induit par ThPOK. Ainsi, la réorientation CD8+/CD4+ chez les souris exprimant le transgène ThPOK-H est significativement augmentée par l'amplification de l’intensité du signal dérivé du RCT dans les cellules spécifiques aux CMH-I. De plus, la fréquence des cellules CD4+ était plus élevée lorsqu’une quantité identique de ThPOK était exprimée dans des lymphocytes T spécifiques au CMH-II, suggérant qu’il existe un aspect qualitatif quant à la régulation de la différenciation des lymphocytes T CD4+ par la signalisation induite par le RCT. Nous avons également tenté d’étudier la voie de différenciation CD4+ en l’absence de ThPOK, à la suite de la perturbation physiologique de la voie de signalisation induite par le RCT, par rapport à la perte de fonction de ThPOK. Bien que nous ayons observé une réorientation des thymocytes spécifiques au CMH-II vers la lignée CD8+, aussi bien à la suite d'une délétion de Thpok, qu’à la perturbation de la signalisation RCT les deux modes de redirections semblent toutefois être différents. En effet, notre investigation a démontré qu’en l’absence de ThPOK, la signalisation induite par le RCT dans les cellules restreintes au CHM-II induit l’activation de certains gènes, suggérant ainsi leur implication dans la voie de différenciation CD4+. Ces résultats suggèrent également que la contribution de la signalisation du RTC dans la différenciation des thymocytes restreints au CMH-II ne se limitait pas à l'induction de ThPOK. Étonnamment, seul un effet synergique limité a été observé sur la différenciation des thymocytes restreints au CMH-I, lorsque Gata3, un autre facteur de transcription également induit dans les thymocytes restreints au CMH-II, et ThPOK étaient surexprimés en même temps dans ces cellules, suggérant peu de chevauchement fonctionnel entre ces deux facteurs de transcription. L’ensemble de ces résultats indique que ThPOK et la signalisation induite par le RCT fonctionnent en synergie durant le développement des lymphocytes T CD4+. / T lymphocytes are at the core of the adaptive immune system and their dysfunction is associated with several disorders and pathologies, which are at times fatal. The two main types of T-cells in mice and man are: the major histocompatibility complex (MHC) class-II-restricted CD4+ helper T-cells, and the MHC-I-restricted CD8+ cytotoxic T-cells. Developmental stages of the two types of T-cells occurs in the thymus in multiple sequential maturation stages that are identified by cell-surface CD4+/CD8+ co-receptor expression. Differentiation of the two types of T-cells in the thymus from a common precursor is influenced by the intensity and duration of signals derived from the T-cell receptor (TCR) and cytokines secreted by the thymic stromal cells. These signals lead to the activation of ThPOK or Runx/CBF transcription factors, which control the transcriptional network regulating CD4+ and CD8+ lineage fate, respectively. Studies have demonstrated that ThPOK is both necessary and sufficient for CD4+ T-cell development as gain- and loss-of-ThPOK function redirects positively selected MHC-I- and MHC-II-restricted thymocytes into CD4+ and CD8+ T-cell lineage fate, respectively. However, the role of TCR signaling and the extent to which ThPOK expression influences CD4+ lineage choice remains to be investigated. My thesis aims to elucidate the fundamental basis the CD4+/CD8+ lineage choice by exploring the molecular mechanism of action of ThPOK and TCR signaling in CD4+ lineage fate of MHC-I- and MHC-II-specific thymocytes. In this study, we have characterized gain-of-function of ThPOK in three independent transgenic mouse lines expressing varying amounts of ThPOK. Extensive analysis of the three ThPOK transgenic lines expressing MHC-I- and MHC-II-specific monoclonal TCR indicated that MHC-I-restricted, compared to MHC-II-restricted, thymocytes required significantly more ThPOK for efficient differentiation into the CD4+ lineage. Interestingly, the founder line with the lowest transgene expression, despite expressing significantly higher amounts of ThPOK compared to the endogenous levels in WT CD4+ T cells, induced a partial CD8+ to CD4+ redirection of MHC-I-restricted cells, leading to the generation of mature CD4+, DN and CD8+ T-cells in the same mouse. Lineage specific gene expression analysis, specifically in DN mature T cells from ThPOK transgenic mice expressing MHC-I-specific TCR, showed that, compared to induction of helper program, suppression of cytotoxic program required lower amount of ThPOK. Further investigation showed that TCR signal strength and MHC specificity of 4 developing thymocytes played a critical role in determining ThPOK-induced CD4+ lineage fate. While increase in TCR signal strength augmented the efficiency of ThPOK-induced CD4+ lineage choice of MHC-I-restricted thymocytes in part via endogenous ThPOK induction, it appeared to have ThPOK independent function as well as judged by significantly different CD4+ T-cell frequencies in OTI mice expressing the same amount of ThPOK but transduced quantitatively different TCR signal. Importantly, the efficiency of CD4+ lineage choice of MHC-I-specific thymocytes with augmented TCR signal strength was still significantly lower compared to the efficiency of CD4+ lineage choice of MHC-II-restricted thymocytes expressing only the transgene-encoded ThPOK suggesting a qualitative role for TCR signaling as well in CD4+ lineage choice. We then evaluated CD4+ lineage fate decision in the absence of ThPOK induction in physiologically relevant alteration in TCR signaling versus loss of ThPOK function. While we observed CD4+ to CD8+ lineage redirection of MHC-II-specific thymocytes due to Thpok-deficiency as well as lack of ThPOK induction due to disruption of TCR signaling, the two modes of lineage redirection appeared to be due to different mechanisms. Our investigation demonstrates that TCR signaling in MHC-II-restricted thymocytes induces the expression of select genes in loss-of-function of ThPOK model suggesting potential role for these genes in establishing the CD4+ helper program. These results also suggest that the contribution of MHC-II-specific TCR signaling in driving CD4+ lineage choice is not limited to Thpok induction. Interestingly, only a limited synergistic effect was observed when both Gata3, which is also induced in MHC-II-signaled thymocytes, and ThPOK were overexpressed in MHC-I-restricted thymocytes suggesting a limited functional overlap between the two transcription factors. Collectively, these data indicate that ThPOK and TCR signaling work synergistically to promote the development of CD4+ T-cells with some ThPOK independent function for TCR signaling.

Les lymphocytes T (LT) CD8 sont un sous-type de cellules immunitaires qui participent à l’élimination des certains agents infectieux et de cellules tumorales. La capacité de réponse des LT CD8 est dépendante de leur état de différenciation. Lors d’une réponse immunitaire, les LT CD8 spécifiques à l’agent infectieux sont activés, se différencient et prolifèrent en LT effecteurs (LTE) qui participent à l’élimination de l’agent pathogène. Les LTE peuvent être distingués en effecteurs de courte durée de vie (SLEC), terminalement différenciés et éliminés par apoptose après l’infection, et en précurseurs des cellules mémoires (MPEC) qui survivent et génèrent les LT mémoires (LTM). Par contre, lors d’une infection chronique ou d’une réponse antitumorale, la persistance antigénique et inflammatoire induisent l’épuisement des LT CD8, soit un état de différenciation caractérisé par des fonctions effectrices et prolifératives diminuées ainsi qu’une forte expression de récepteurs inhibiteurs (RI). Afin d’améliorer les thérapies vaccinales, les traitements antitumoraux et les thérapies lors des infections chroniques, il est important de mieux comprendre la différenciation des LT CD8. Nous avons étudié le rôle de NR4A3 dans la différenciation des LT CD8 chez la souris. NR4A3 est un récepteur nucléaire et un facteur de transcription (FT) dont l’expression est rapidement induite par une stimulation antigénique, mais dont le rôle dans les LT CD8 n’a pas été encore déterminé. Nous avons émis l’hypothèse que l’expression de NR4A3 dans ces cellules suite à une stimulation antigénique contrôle leur différenciation. Premièrement nous avons étudié le rôle du NR4A3 dans la différenciation des LT CD8 lors d’une infection aiguë et avons déterminé que la délétion de NR4A3 dans les LT CD8 augmente la différenciation MPEC, la génération des LTM et la production de cytokines. La régulation de la différenciation des LT CD8 par NR4A3 est transcriptionnelle et, lors des premiers jours postinfection, sa délétion induit un programme transcriptionnel associé avec la différenciation des LTM. De plus, dès les premières heures postactivation, la délétion de NR4A3 favorise l’induction d’un état de chromatine plus ouvert avec une prédiction d’activité augmentée des FT bZIP. Deuxièmement, nous avons étudié le rôle de NR4A3 lors d’une réponse immunitaire antitumorale au cours d’une thérapie cellulaire adoptive (ACT) sous traitement d’anti-PD-L1 (ligand d’un RI) où la meilleure fonctionnalité et persistance des LT CD8 NR4A3 déficients ont été mises à l’épreuve. Ainsi, l’ACT avec des LT CD8 NR4A3 déficients augmente la survie de souris porteuses de tumeurs et les lymphocytes T infiltrants les tumeurs (TIL) NR4A3 déficients sont moins terminalement épuisés et présentent des plus fortes proportions et nombres cellulaires intra-tumoraux. Le profil transcriptomique au niveau de cellules uniques a révélé que les TIL NR4A3 déficients favorisent la génération de progéniteurs distincts et des populations fonctionnelles associées avec le traitement anti-PD-L1. En conclusion, NR4A3 est un régulateur de la fonction et la différenciation des LT CD8 dont l’activité pourrait être modulée afin d’améliorer les stratégies de vaccination ou les thérapies cellulaires. / CD8 T cells are an immune cell population involved in the clearance of different types of infections and the elimination of tumor cells. The response capacity of CD8 T cells depends on their differentiation state. During an immune response, antigen-specific CD8 T cells are activated, differentiate and proliferate into effectors that participate in elimination of the pathogen. Among the pool effectors, there are short-lived effector cells (SLEC) that are terminally differentiated and die by apoptosis after the infection clearance, and the memory precursors effector cells (MPEC) that survive to give rise to memory CD8 T cells. However, during chronic infection or an anti-tumor immune response, antigen persistence and inflammation induce CD8 T cell exhaustion, which is a differentiation state characterized by decreased effector functions and proliferative capacity and an increased expression of inhibitory receptors (IR). Thus, to be able to increase the efficiency of CD8 T cells following vaccination, in the context of antitumoral or during treatment against chronic viral infections, it is important to better understand CD8 T cell differentiation. We studied the role of NR4A3 in CD8 T cell differentiation in mice. NR4A3 in a nuclear receptor and transcription factor (TF), which expression is rapidly induced following antigenic stimulation, but the role of its induction in CD8 T cells was not yet identified. We propose that NR4A3 expression in CD8 T cells following antigenic stimulation controls their differentiation. First, we studied the role of NR4A3 in CD8 T cell differentiation during acute infection and determined that its deletion increases MPEC differentiation, memory generation, and cytokines production. NR4A3 regulates CD8 T cell differentiation at the transcriptional level, and its deletion induces a memory-related transcriptional program early during the immune response (day three post-infection). Moreover, a few hours following the CD8 T cell activation, NR4A3 deletion increased chromatin accessibility, particularly to bZIP TF. Secondly, we studied the role of NR4A3 during the antitumoral response in the context of adoptive cell therapy (ACT) and cotreatment with anti-PD-L1 (ligand of an IR), during which we tested the increased functionality and persistence of NR4A3 deficient cells. ACT with NR4A3-deficient cells increases the survival of tumor-bearing mice. In addition, NR4A3 deficiency increased the frequency of tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) and decreased T cell exhaustion. Single-cell transcriptional profile of TILs revealed that NR4A3 deficiency induces the generation of a transcriptionally distinct progenitor population and an increase in functional populations associated with the anti-PD-L1 treatment. To conclude, NR4A3 is a new regulator of CD8 T cell differentiation and function whose activity regulation could increase the efficiency of vaccinations and cell therapy treatments.

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.

Immunologische Toleranz ist eine elementare Eigenschaft des Immunsystems, die primär durch die klonale Deletion autoreaktiver T-Zellen im Thymus gewährleistet wird. Neben diesem als zentrale Toleranz bezeichneten Mechanismus, verfügt ein Organismus gleichzeitig über periphere Toleranzmechanismen wie Ignoranz, Anergie und regulatorische T-Zellen. Trotz dieser Kontrollmechanismen können in bestimmten Situationen autoreaktive CD4+ und CD8+ T-Zellen aktiviert werden und meistens zu örtlich und zeitlich begrenzten Autoimmunreaktionen führen. Ursache hierfür kann die hormonelle Regulation oder das gewebespezifische Vorkommen eines Selbsttantigens sein. Am Beispiel von HSP60-kreuzreaktiven CD8+ T-Zellen konnte gezeigt werden, dass der Transfer dieser T-Zellen in Tiere zu einer Entzündung des Dünndarms aber nicht des Dickdarms führt, obwohl das Selbstantigen im letzteren wesentlich stärker exprimiert wird. Die Gewebespezifität der Autoimmunpathologie konnte durch die in den Organen unterschiedliche, proteasomale Antigenprozessierung, erklärt werden. Proteinbiochemische und immunologische Analysen ergaben, dass sich die 20S Proteasomen verschiedener Organe strukturell und funktionell deutlich unterscheiden und somit jedes Gewebe ein individuelles Repertoire von MHC-Klasse I restringierten Peptiden präsentiert. Damit wurde ein weiterer Mechanismus entdeckt, durch den Reaktivität von protektiven und pathologischen CD8+ T-Zellen kontrolliert wird. / Immunological tolerance which is primarily mediated by the clonal deletion of autoreactive T cells in the thymus is a key feature of the immune system. Besides this central tolerance, several mechanisms act also in the periphery including ignorance, anergy and regulatory T cells. Despite all these checkpoints, autoreactive CD4+ and CD8+ T cells may still be activated causing local and time restricted autoimmune-reactions. This may refer primarily to self-antigens which are hormonally regulated or tissue-specifically expressed. Adoptive transfer of crossreactive, hsp60-specific CD8+ T cells into mice induced an local inflammation of the small intestine but not the colon despite elevated expression of hsp60 in the latter organ. The pathology could be explained by the finding that the proteasomal antigen processing varies between different organs. Biochemical and immunological analyses revealed that 20S proteasomes of different organs vary in their structural and functional properties indicating that every tissue displays an individual and distinct repertoire of MHC class I peptides. This represents a new mechanism by which the activity of protective and pathological CD8+ T cell responses may be controlled.

Neuere Untersuchungen legen eine kardioprotektive Rolle für den Angiotensin AT2-Rezeptor nahe, welcher die Postinfarkt-Entzündungsreaktion vermindert, wobei der zelluläre Mechanismus noch wenig verstanden ist. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die potentielle Rolle des AT2-Rezeptors in der zellulären Immunantwort auf ischemische Herzverletzungen zu ergründen. Sieben Tage nach myokardialem Infarkt in Ratten wurde der AT2-Rezeptor mittels Immunfluoreszenzfärbung von Gewebeschnitten in einer CD8 T-Zellfraktion detektiert, die das Peri-Infarkt-Myokard infiltiert hatte. Wir haben eine Methode entwickelt, die es mittels kombinierter MACS und FACS Technilogie ermöglicht, CD8+AT2R+ T-Zellen aus dem Myokard zu isolieren und zu analysieren. Im Gegensatz zu den CD8+AT2R- T-Zellen, die in Kultur sowohl auf adulte als auch auf fötale Kardiomyozyten stark zytotoxisch wirkten, zeigten die CD8+AT2R+ T-Zellen keinerlei Zytotoxizität. Die CD8+AT2R+ T-Zellen zeigten eine erhöhte Expression von IL-10 und eine geringere mRNA Expression von IL-2 und IFN-gamma im Vergleich zu CD8+AT2R-T-Zellen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass in vitro Stimulation des AT2-Rezeptors zur Hochregulation der IL-10-Expression von CD8+ T-Zellen führt. Entsprechend führt die in vivo Aktivierung des AT2-Rezeptors zur Vergrößerung der CD8+AT2R+ T-Zellpopulation und erhöhter IL-10-Produktion im ischemischen Myokard. Diese CD8+AT2R+ T-Zellen konnten auch in humanem periphärem Blut detektiert werden. Wir haben eine CD8+AT2+T-Zellpopulation definiert, welche sich während ischemischer Herzverletzung vergrößert und das Kardiomyocytenüberleben mittels kardioprotektivem IL-10 aufrechterhält. Somit konnten wir einen neuartigen AT2-Rezeptorvermittelten zellulären Mechanismus aufdecken, welcher die adaptive Immunantwort im Herzen moduliert. / One important aspect of cardiac remodeling after myocardial infarction is the activation of an immune response, which removes death cardiomyocytes and initiates scar formation. On the other hand, activation and infiltration of immunocompetent cells are responsible for augmenting damage in non-infarcted areas. Emerging evidence suggests a cardioprotective role of the angiotensin AT2R by attenuating this post-infarct inflammatory reaction, albeit the underlying cellular mechanisms are not well understood. We aimed here at elucidating a potential role of the cardiac angiotensin AT2R in regulating the cellular immune response to ischemic heart injury. Seven days after myocardial infarction in rats, immunofluorescence staining of tissue sections showed that AT2R was detected in a fraction of CD8+ T cells infiltrating the peri-infarct myocardium. We developed a method that allowed the isolation and characterization of CD8+AT2R+ T cells infiltrating the myocardium via combined MACS and FACS technology. While the CD8+AT2R- T cells exhibited potent cytotoxicity to both adult and fetal cardiomyocytes in vitro, the CD8+AT2R+ T cells were non-cytotoxic to these cardiomyocytes. The CD8+AT2R+ T cells were characterized by upregulated IL-10 and downregulated IL-2 and INF-gamma gene expression when compared to CD8+AT2R- T cells. We further showed that IL-10 gene expression was enhanced in CD8+ T cells upon in vitro AT2R stimulation. In addition, in vivo AT2R activation leads to an increment of the CD8+AT2R+ T cells and IL-10 production in the ischemic myocardium. Moreover, the CD8+AT2R+ T cell population was also detected in human peripheral blood. We have defined a CD8+ T cell population that expresses AT2R and increases during ischemic heart injury. This population sustains cardiomyocyte viability by providing cardioprotective IL-1 via a novel AT2R-mediated cellular mechanism for modulating adaptive immune response in the heart.

Das Knochenmark (BM) beherbergt wesentliche Komponenten des adaptiven Immunsystems, die einen langfristigen Schutz gegen wiederkehrende Pathogene vermitteln können, sodass es sich als Reservoir für ein immunologisches Gedächtnis qualifiziert. Neben langlebiger Antikörper-produzierender Plasmazellen bleiben auch Antigen (Ag)-spezifische CD8+ und CD4+ T-Gedächtniszellen dauerhaft im Knochenmark erhalten, auch wenn sie in den sekundären lymphoiden Organen (SLOs) und im Blut abwesend sind. Es wird angenommen, dass diese T-Gedächtniszellen bei erneutem Kontakt mit den gleichen systemischen Pathogenen schnell reagieren können. Allerdings sind die biologischen Mechanismen für ihre langfristige Aufrechterhaltung immer noch umstritten und demnach ungeklärt. Unklar ist auch, wie die T-Gedächtniszellen des Knochenmarks bei erneuter Konfrontation mit demselben Antigen reagieren. Hier wird dieser Frage begegnet, indem durch klassiche Immunisierung mit definieren Antigenen eine stabile Population Ag-spezifischer CD8+ und CD4+ T-Gedächtniszellen im Knochenmark erzeugt wird. / The bone marrow (BM) harbors critical components of the adaptive immune system being able to provide long-lasting protection against previously encountered pathogens, thus qualifying as a reservoir of immunological memory. In addition to long-lived antibody producing plasma cells, antigen (Ag)-specific CD8+ and CD4+ memory T lymphocytes are maintained long-term in the BM even when they are absent from secondary lymphoid organs (SLOs) and blood. Those memory T cells are thought to respond fast upon re-encounter of systemic pathogens. However, the biological mechanisms behind their long-term maintenance in the BM are still a matter of debate and thus remain unclear. Similarly, it is also unclear how the memory T cells of the BM react to antigenic re-challenge. Here we address these issues by generating a stable pool of Ag-specific CD8+ and CD4+ memory T lymphocytes in the BM by classical immunizations with defined antigens.