Les cellules lymphoïdes innées (ILC) représentent une famille de cellules hématopoïétiques récemment identifiée, qui joue un rôle essentiel dans la réponse immunitaire précoce via la production rapide de cytokines. Trois groupes - ou types - d’ILC ont été définis selon l’expression de certaines molécules membranaires ou intracellulaires, ainsi que la production différentielle de cytokines. Les ILC du groupe 1 (ILC1) expriment le facteur de transcription(FT) T-BET et sécrètent des cytokines inflammatoires de la réponse immune de type 1, l’IFN-? et le TNF-?. Les ILC2 sécrètent des cytokines associées à la réponse immune de type 2,notamment l’IL-5 et l’IL-13, et ce de façon dépendante du FT GATA-3. Enfin, les ILC3 se caractérisent par la production de cytokines telles que l’IL-17 et l’IL-22, et expriment le FTROR?t. J’ai étudié en utilisant des techniques de biologie moléculaire et cellulaire, et à partir d’échantillons sanguins et tissulaire de donneurs sains ou de patients atteints de maladies inflammatoires chroniques, la fonction de ces trois groupes d’ILC chez l’homme. Ces travaux ont permis la construction d’un nouveau modèle de développement de ces cellules à partir de précurseurs. / Innate lymphoid cells (ILC) represent a novel family of hematopoietic effectors that serve essential roles in early immune response by rapid cytokines production. Three distinct groups of ILC subsets have been described. Group 1 ILC include cytotoxic natural killer (NK) cells and other type-1 cytokines (IFN-? and TNF-?) producing cells that regulated by T-BET. Group 2 ILC (ILC2) express GATA-3 and ROR?, secrete type-2 cytokines, IL-5 and IL-13. Group 3 ILC (ILC3) utilize ROR?t to drive production of the TH17-associated cytokines, IL-17 and/or IL-22. In this thesis, I have performed series of experiments to uncover the developmental pathway and function of human ILC that may allow us to harness ILC in diverse clinical settings. First, I analyzed the phenotypic and functional heterogeneity of human peripheral blood ILC2. I found human IL-13+ ILC2 can acquire the capacity to produce IFN-?, thereby generating ÔplasticÕ ILC2. ILC2 cultures demonstrated that IFN-?+ ILC2 clones could be derived and were stably associated with increased T-BET expression. The inductive mechanism for ILC2 plasticity was mapped to the IL-12/IL-12R signaling pathway and was confirmed through analysis of patients with Mendelian susceptibility to mycobacterial disease (MSMD) due to IL-12R?1 deficiencies that failed to generate plastic ILC2. This IL-13+IFN-?+ ILC2 are detected ex vivo in gut tissues from CrohnÕs patients. Second, I identified and isolated ILC precursors (ILCP) in peripheral blood of healthy donors. This circulating ILCP can give rise to four lineages of mature ILC including cytotoxic NK cells and helper ILC1, 2 and 3 in vitro and in vivo. Transcirptomic and epigenetic analysis showed ILCP have ILC-committed transcription factor profiles but have mature ILC signature locus at the epigenetics poised states. We further identified ILCP in various tissues including fetal liver, cord blood, postnatal lung and tonsil. Our result proposed a new model of ÒILC-poiesisÓ where circulating ILCP serve as cellular substrates to generate mature ILC subsets in tissues. Understanding the role of IL-12 on driving ILC2 to ILC1 plasticity may allow us to target plastic ILC2 in various diseases. The identification and isolation of ILCP from circulating blood allow further transfer into clinical setting for cellular therapy, especially for various diseases that ILC has been shown to be importance including infection, allergy, cancer and metabolic diseases.

Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT) représentent une sous-population particulière de cellules T qui se distingue par son développement, ses fonctions et les ligands qu'elle reconnaît. Chez l'homme, les cellules iNKT expriment le réarrangement Vα24-Jα18/Vβ11 et reconnaissent des glycosphingolipides présentés par la molécule monomorphe du CMH de classe I CD1d. De plus, elles produisent rapidement de grandes quantités de cytokines, et sont ainsi considérées comme des cellules T ayant des caractéristiques innées. Les mécanismes moléculaires qui régulent l'homéostasie descellules iNKT ne sont pas complètement compris. La protéine XIAP (X-linked Inhibitor of Apoptosis) est un inhibiteur physiologique des caspases 3, 7 et 9. Des mutations du gène XIAP sont à l'origine du syndrome lymphoprolifératif lié à l'X de type 2 (XLP-2), un déficit immunitaire primitif (DIP) caractérisé par une susceptibilité accrue à l'infection par le virus Epstein Barr (EBV). Les patients souffrant du XLP-2 présentent une forte réduction de leur nombre de cellules iNKT dans le sang. Au cours de mon travail de thèse, j'ai montré que XIAP est requis pour la survie des cellules iNKT humaines. Cette fonction de XIAP corrèle avec un phénotype pro-apoptotique des cellules iNKT qui n'est pas retrouvé dans les cellules T conventionnelles. La susceptibilité accrue à l'apoptose des cellules iNKT est observée en utilisant des stimuli de la voie intrinsèque ou extrinsèque de l'apoptose. Les cellules iNKT, contrairement aux cellules T conventionnelles expriment des quantités élevées de protéines pro-apoptotiques comme les caspases 3 ou 7 ou Bid. Ce phénotype proapoptotique est acquis de manière précoce, puisqu'il est déjà présent dans des cellules iNKT de thymus ou de sang de cordon. L'extinction de XIAP dans des cellules iNKT et l'analyse de patients déficients en XIAP indiquent que XIAP est un inhibiteur efficace de l'apoptose dans les cellules iNKT alors qu'il n'a qu'un effet modéré dans les cellules T conventionnelles. J'ai ensuite montré que le phénotype pro-apoptotique des cellules iNKT est dépendant de l'expression du facteur de transcription PLZF. Celui-ci est déjà connu comme étant nécessaire à l'acquisition des fonctions effectrices de cescellules. De manière concordante, la surexpression de PLZF dans des cellules T conventionnelles conduit à un phénotype pro-apoptotique et à une augmentation de l'expression de la caspase 3. Récemment, une deuxième population de cellules T invariantes, les cellules MAIT (Mucosal Associated Invariant T) a été décrite. Ces cellules expriment un TCR semi-invariant Vα7.2-Jα33 et partagent avec les cellules iNKT certaines caractéristiques qui en font des cellules T innées comme les cellules iNKT. De la même manière que les cellules iNKT, les cellules MAIT ont un phénotype proapoptotiqueet sont diminuées dans le sang des patients déficients en XIAP. Ce phénotype proapoptotique est aussi dépendant de PLZF. De manière intéressante, un patient déficient en XIAP et ayant un nombre normal de cellules iNKT a été identifié. Ce patient n'a pas encore rencontré l'EBV, suggérant que la diminution des cellules iNKT chez les patients déficients en XIAP est due à une apoptose augmentée dans un contexte d'infection par l'EBV. Enfin, j'ai obtenu des données préliminaires suggérant que l'EBV utilise un mécanisme d'échappement aux cellules iNKT en diminuant l'expression de CD1d à la surface des cellules B. Mon travail de thèse a donc permis d'identifier une voie de régulation inconnue des lymphocytes T innés qui dépend de XIAP et de PLZF. PLZF est donc un facteur clé pour la différentiation et l'homéostasie des cellules T innées en régulant l'acquisition de leurs fonctions effectrices et en limitant leur survie. Ces observations ont aussi permis d'identifier le premier DIP associé à un déficit en cellules MAIT. Enfin, ces résultats suggèrent un rôle des cellules iNKT dans le contrôle de l'infection par l'EBV.

Les différents agents pathogènes ont développé de multiples stratégies pour contourner ou modifier les mécanismes de défense de l'hôte. La bactérie intracellulaire Brucella n'est pas une exception à la règle, car elle a développé des mécanismes qui lui permettent d'échapper à la surveillance immunitaire, persister pendant de longues périodes dans l'hôte et établir une infection chronique. En effet, Brucella responsable de la brucellose ou fièvre de Malte. La brucellose est une zoonose en réémergence ; dans cette maladie l'homme infecté représente une impasse épidémiologique. Il est indispensable de mieux connaître l'immunité développée contre Brucella qui est un excellent modèle d'étude d'autres maladies chroniques bactériennes. Le projet de thèse a été centré sur le développement et la modulation des réponses immunes par Brucella et les molécules bactériennes. Dans la première partie de cette thèse, nous avons analysé les réponses immunitaires innées et adaptatives lors de l'infection avec Brucella. D'une part, nous avons étudié l'influence des neutrophiles dans la réponse immunitaire lors de l'infection, en étudiant le cours de brucellose dans les modèles de souris neutropéniques. D'autre part, nous avons identifié et caractérisé in vivo une population des cellules CD4+ cytotoxiques au cours des infections avec Brucella. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés dans les modèles murins et humains aux propriétés immunomodulatrices des différentes molécules bactériennes telles que les glucans cycliques et des lipopolysaccharides (LPS). / Various successful pathogens have evolved multiple mechanisms to overcome or alter many normally very effective host defense mechanisms, including both innate and acquired immunity. The intracellular pathogen Brucella is not an exception to the rule as it displays mechanisms that allow it to evade immune surveillance and that are required to establish persistent infections in mammals. In this work, we studied the induction and modulation of immune responses by the intracellular bacteria Brucella and bacterial components. In the first part of this thesis, we have performed a systemic analysis of the innate and adaptive immune responses upon Brucella infection. On the one hand, we investigated the influence of polymorphonuclear neutrophils (PMNs) in the immune response during Brucella infection by exploring the course of brucellosis in antibody neutropenic mouse models. On the other hand, we identified and characterized in vivo a cytotoxic CD4+ T cell population upon Brucella abortus and Salmonella thyphimurium infections. In the second part, we focused on the immunomodulatory properties of various bacterial components such as cyclic glucans and lipopolysaccharides (LPS) both in mouse and human models.

Les modèles animaux ont largement contribué à notre compréhension de l’immunologie humaine et des mécanismes pathologiques associés au développement des maladies. Cependant, les modèles murins ne permettent pas de reproduire toute la complexité des pathologies humaines. Les souris à système immunitaire humain (HIS), par leur capacité à récapituler l’hématopoïèse humaine et à être infectées par des pathogènes humains, constituent une solution de choix pour combler ce fossé inter-espèce. Après greffe de cellules souches hématopoïétiques humaines, des souris hôtes sévèrement immunodéprimées permettent un haut niveau de développement du système hémato-lymphoïde humain tout au long de leur vie. Cependant, certains types cellulaires, comme les cellules lymphoïdes innées, ne parviennent pas à se différencier et à fonctionner normalement dans les modèles murins HIS actuels. Ici, nous décrivons le développement d’un modèle souris HIS original, nommé BRGSF, montrant une amélioration de la maturation, de la fonction et de l’homéostasie des cellules natural killer (NK) humaines et des autres ILCs. De plus, en récapitulant les différentes étapes du développement des ILCs humaines, ce modèle souris BRGSF nous a permis d’identifier pour la première fois un précurseur d’ILC (ILCP) présent à la fois dans notre modèle HIS ainsi que dans le sang périphérique et plusieurs organes lymphoïdes et non-lymphoïdes humains. Cette population circulante d’ILCPs pourrait constituer un substrat pour la production d’ILCs matures dans les tissus périphériques en réponse à des stress environnementaux, inflammatoires et/ou infectieux. Dans une seconde partie de ce travail de thèse, nous avons utilisé ces souris BRGS afin de tester l’efficacité de deux immunothérapies reposant sur les lymphocytes innés pour le traitement d’un carcinome colorectal exprimant EGFR et muté pour KRAS. La première approche a consisté en la co-administration des cellules NK dérivées de sang de cordon ombilical et d'anticorps monoclonal cetuximab afin de promouvoir le mécanisme de cytotoxicité cellulaire dépendante des anticorps (ADCC) contre la tumeur. La seconde stratégie a reposé sur l’injection de nanobodies VHH combinant l’inhibition de l’EGFR et l’activation spécifique du récepteur Vγ9Vδ2 des cellules T effectrices. Les résultats de cette étude soulignent l’importance des modèles murins HIS pour la compréhension du développement des lymphocytes innés humains et pour mieux les mettre à profit dans les thérapies anti-tumeurs / Animal models have extensively contributed to our understanding of human immunobiology and to uncover the underlying pathological mechanisms occurring in the development of the disease. However, mouse models do not always reproduce the genetic complexity inherent in human disease conditions. Human immune system (HIS) mouse models that are susceptible to human pathogens and can recapitulate human hematopoiesis provide one means to bridge the interspecies gap. Severely immunodeficient host mice support life-long, high level human hematolymphoid development after engraftment with human hematopoietic stem cells (HSC). However, the differentiation and function of some blood cell types, including innate lymphoid cells (ILCs), is poorly characterized in current HIS mice. Here we describe the development of a novel HIS mouse model, named BRGSF, which demonstrate enhanced maturation, function and homeostasis of human natural killer (NK) cells and other ILCs. Furthermore, the BRGSF-based HIS mouse model recapitulated the developmental stages of human ILCs. We could identify for the first time an ILC precursor (ILCP) population that is present both in HIS mice and in human peripheral blood as well as in several lymphoid and non-lymphoid human tissues. This circulating human ILCP population may provide a substrate to generate mature ILCs in tissues in response to environmental stressors, inflammation and infection. In a second part of the thesis we used BRGS immunodeficient mice to assess two innate lymphocyte-based immunotherapeutic approaches for treating EGFR-expressing KRAS-mutated colorectal carcinoma in vivo. The first model used a combination of umbilical cord blood (UCB)-derived NK cells and the monoclonal antibody cetuximab to promote antibody dependent cell cytotoxicity (ADCC) against the tumors. In a second model, we evaluated the therapeutic suitability of novel bispecific VHH constructs that combine inhibition of the EGFR with the target-specific activation of effector Vγ9Vδ2-T cells. These studies highlight the utility for HIS-based mouse models to understand human innate lymphocyte development and to harness these potent effectors for anti-tumor therapies.

Le thymus est un organe permettant le développement des lymphocytes T, partie intégrante du système immunitaire. Ces cellules sont communément associées au système immunitaire adaptatif, bien que certaines populations, dont les lymphocytes iNKT et Tγδ, soient associées au système immunitaire inné. De manière générale, ces lymphocytes " innés " sont capables de répondre très rapidement à différents signaux d'activation, par la production rapide et massive d'IL-4, d'IFN-γ et d'IL-17. Notre laboratoire a mis en évidence l'existence de deux sous-populations de lymphocytes iNKT, iNKT conventionnels et iNKT17, ayant deux voies de différenciation thymique bien distinctes, mais dont les mécanismes de détermination sont encore inconnus. Il a été montré que " SLAM-associated protein " (SAP) est indispensable au développement des lymphocytes iNKT, puisqu'ils sont absents chez les souris déficientes en SAP. D'autre part, ces mêmes souris montrent également une déficience de la réponse Th2. Nous avons alors émis l'hypothèse que SAP pourrait être impliqué dans la production d'IL-4 par les lymphocytes iNKT, et dans la détermination des deux sous-populations de lymphocytes iNKT conventionnel ou producteur d'IL-17. Dans une première partie, nous avons utilisé des souris triple mutantes Sap-/- Vα14Tg-ROR(γt)-Egfp, permettant l'étude des sous-populations de lymphocytes iNKT malgré la déficience en SAP. Nous avons ainsi montré que SAP est indispensable à l'acquisition thymique de la capacité de production d'IL-4 par les lymphocytes iNKT conventionnels. Chez ces souris déficientes en SAP, nous avons observé une augmentation de la fréquence des lymphocytes iNKT17 RORγtpos producteurs d'IL-17, ce qui montre clairement que SAP n'est pas nécessaire pour l'acquisition des propriétés fonctionnelles des lymphocytes iNKT17. Nous avons ainsi mis en évidence une nouvelle fonction de SAP dans le développement thymique des cellules iNKT productrices d'IL-4. De plus, nos résultats montrent que SAP est un point de contrôle obligatoire déterminant l'orientation de la différenciation thymique des cellules iNKT vers les cellules iNKT17 ou vers les cellules iNKT conventionnelles. En parallèle des lymphocytes iNKT17 présents dans le thymus, nous avons également analysé une autre population T particulière : des thymocytes TCRαβposCD4pos matures et producteurs d'IL-17, les lymphocytes Th17 naturels. Nous avons mis en évidence que ces lymphocytes expriment le facteur de transcription RORγt. Ces lymphocytes T CD4posCD8negCD44hiRORγtpos sont capables de produire rapidement et massivement de l'IL-17, mais requièrent l'IL-23 pour co-produire l'IL-22. De plus, ils se distinguent des lymphocytes Th17 induits, ou conventionnels, par l'expression du facteur de transcription PLZF et par leur capacité à répondre très rapidement à des stimuli pro-inflammatoires, nommément l'IL-23 associé à l'IL-1β et un agoniste TLR4. Les résultats obtenus durant cette thèse ouvrent donc de nombreuses perspectives de recherches fondamentale et thérapeutique, domaine dans lequel l'IL-17 est devenu une cible privilégiée pour le traitement des maladies auto-immunes.

Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT) représentent une sous-population particulière de cellules T qui se distingue par son développement, ses fonctions et les ligands qu’elle reconnaît. Chez l’homme, les cellules iNKT expriment le réarrangement Vα24-Jα18/Vβ11 et reconnaissent des glycosphingolipides présentés par la molécule monomorphe du CMH de classe I CD1d. De plus, elles produisent rapidement de grandes quantités de cytokines, et sont ainsi considérées comme des cellules T ayant des caractéristiques innées. Les mécanismes moléculaires qui régulent l’homéostasie descellules iNKT ne sont pas complètement compris. La protéine XIAP (X-linked Inhibitor of Apoptosis) est un inhibiteur physiologique des caspases 3, 7 et 9. Des mutations du gène XIAP sont à l’origine du syndrome lymphoprolifératif lié à l’X de type 2 (XLP-2), un déficit immunitaire primitif (DIP) caractérisé par une susceptibilité accrue à l’infection par le virus Epstein Barr (EBV). Les patients souffrant du XLP-2 présentent une forte réduction de leur nombre de cellules iNKT dans le sang. Au cours de mon travail de thèse, j’ai montré que XIAP est requis pour la survie des cellules iNKT humaines. Cette fonction de XIAP corrèle avec un phénotype pro-apoptotique des cellules iNKT qui n’est pas retrouvé dans les cellules T conventionnelles. La susceptibilité accrue à l’apoptose des cellules iNKT est observée en utilisant des stimuli de la voie intrinsèque ou extrinsèque de l’apoptose. Les cellules iNKT, contrairement aux cellules T conventionnelles expriment des quantités élevées de protéines pro-apoptotiques comme les caspases 3 ou 7 ou Bid. Ce phénotype proapoptotique est acquis de manière précoce, puisqu’il est déjà présent dans des cellules iNKT de thymus ou de sang de cordon. L’extinction de XIAP dans des cellules iNKT et l’analyse de patients déficients en XIAP indiquent que XIAP est un inhibiteur efficace de l’apoptose dans les cellules iNKT alors qu’il n’a qu’un effet modéré dans les cellules T conventionnelles. J’ai ensuite montré que le phénotype pro-apoptotique des cellules iNKT est dépendant de l’expression du facteur de transcription PLZF. Celui-ci est déjà connu comme étant nécessaire à l’acquisition des fonctions effectrices de cescellules. De manière concordante, la surexpression de PLZF dans des cellules T conventionnelles conduit à un phénotype pro-apoptotique et à une augmentation de l’expression de la caspase 3. Récemment, une deuxième population de cellules T invariantes, les cellules MAIT (Mucosal Associated Invariant T) a été décrite. Ces cellules expriment un TCR semi-invariant Vα7.2-Jα33 et partagent avec les cellules iNKT certaines caractéristiques qui en font des cellules T innées comme les cellules iNKT. De la même manière que les cellules iNKT, les cellules MAIT ont un phénotype proapoptotiqueet sont diminuées dans le sang des patients déficients en XIAP. Ce phénotype proapoptotique est aussi dépendant de PLZF. De manière intéressante, un patient déficient en XIAP et ayant un nombre normal de cellules iNKT a été identifié. Ce patient n’a pas encore rencontré l’EBV, suggérant que la diminution des cellules iNKT chez les patients déficients en XIAP est due à une apoptose augmentée dans un contexte d’infection par l’EBV. Enfin, j’ai obtenu des données préliminaires suggérant que l’EBV utilise un mécanisme d’échappement aux cellules iNKT en diminuant l’expression de CD1d à la surface des cellules B. Mon travail de thèse a donc permis d’identifier une voie de régulation inconnue des lymphocytes T innés qui dépend de XIAP et de PLZF. PLZF est donc un facteur clé pour la différentiation et l’homéostasie des cellules T innées en régulant l’acquisition de leurs fonctions effectrices et en limitant leur survie. Ces observations ont aussi permis d’identifier le premier DIP associé à un déficit en cellules MAIT. Enfin, ces résultats suggèrent un rôle des cellules iNKT dans le contrôle de l’infection par l’EBV. / Invariant natural killer T (iNKT) lymphocytes represent a peculiar T cell-lineage that differs from conventional T cells by its development, function, and ligands it recognizes. In humans, iNKT cells express an invariant TCR made of the V?24-J?18/V?11 rearrangement, which recognizes glycosphingolipids presented by the MHC class I monomorphic molecule CD1d. Moreover, they rapidly produce high amounts of cytokines when stimulated and are thus considered as innate-like T cells. The molecular mechanisms that control the homeostasis of iNKT are poorly understood. XIAP (X-linked Inhibitor of Apoptosis) is a physiological inhibitor of caspases 3, 7 and 9 and is mutated in the X-linked lymphoproliferation syndrome 2 (XLP-2), a rare primary immunodeficiency (PID) characterized by a peculiar susceptibility to Epstein-Barr virus (EBV) infection. Patients with a XIAP deficiency exhibit a strong reduction of their iNKT cells in blood. Here, I report that XIAP is required for the survival of iNKT cells in humans. The requirement of XIAP correlates with a pro-apoptotic phenotype of iNKT cells that is not observed in conventional T cells. The increased susceptibility to apoptosis of iNKT cells was observed upon stimuli that trigger either extrinsic or intrinsic apoptosis pathways. iNKT cells by contrast to conventional T cells express elevated amounts of pro-apoptotic molecules including caspases 3 or 7 and Bid. The pro-apoptotic phenotype of iNKT cells is early acquired since iNKT cells from cord blood and thymus display a similar pro-apoptotic phenotype. Knock-down of XIAP in iNKT cells and analysis of XIAP-deficient humans indicate that XIAP is a potent inhibitor of apoptosis in iNKT cells while it has only a moderate effect in conventional T cells. I also show that this pro-apoptotic phenotype of iNKT cells is dependent of the expression of the transcription factor PLZF. This factor is already known to be necessary for the acquisition of the effector functions of these cells. Conversely, over expression of PLZF in conventional T cells leads to a pro-apoptotic phenotype and to an increased expression of caspase 3. Recently, a second invariant T cell subpopulation, the mucosal associated invariant T (MAIT) cells was identified both in humans and mice. These cells express a semi-invariant TCR made of V?7.2-J?33 rearrangements and share with iNKT cells a number of developmental, functional and phenotypical features that lead to consider MAIT cells as innate-like T cells like iNKT cells. Similarly, MAIT cells also exhibit a pro-apoptotic phenotype and are decreased in XIAP-deficient humans. The pro-apoptotic phenotype of MAIT cells is also dependent on PLZF. Interestingly, one XIAP-deficient patient with normal iNKT cell number was identified. This patient has not yet encountered EBV, suggesting that reduction of iNKT cells in XIAP-deficient patients is likely due to increased apoptosis in the context of EBV infection. I also show that EBV might have an escape mechanism from iNKT cells by down-regulating the expression of CD1d on the surface of B cells. My thesis works identify a previously unknown pathway controlling innate T cell homeostasis depending on XIAP and PLZF. PLZF is thus a key factor involved in the differentiation and the homeostasis of innate T cells by regulating the acquisition of their effector functions and their survival. I also identified the first PID associated with a defect in MAIT cells. Finally, these results provide evidences that iNKT cells might play a role against EBV infection.

La médecine de précision (MP) est un nouveau paradigme qui révolutionne la pratique médicale actuelle et remodèle complètement la médecine de demain. La MP aspire à placer le patient au centre du parcours de soins en y intégrant les données médicales et biologiques individuelles tout en tenant compte de la grande diversité interindividuelle. La prédiction des états pathologiques chez les patients nécessite une compréhension dynamique et systémique. Les erreurs innées du métabolisme (EIM) sont des troubles génétiques résultant de défauts dans une voie biochimique donnée en raison de la déficience d'une enzyme, de son cofacteur ou d’un transporteur. Les EIM ne sont plus considérées comme des maladies monogéniques mais tendent à être plus complexes et multifactorielles. Le profil métabolomique permet le dépistage d’une pathologie, la recherche de biomarqueurs et l’exploration des voies métaboliques mises en jeu. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé l’approche métabolomique qui est particulièrement pertinente pour les EIM compte tenu de leur physiopathologie de base qui est étroitement liée au métabolisme. Ce travail a permis la mise en place d’une méthodologie métabolomique non ciblée basée sur une stratégie analytique multidimensionnelle comportant la spectrométrie de masse à haute résolution couplée à la chromatographie liquide ultra-haute performance et la mobilité ionique. La mise en place de la méthodologie de prétraitement, d’analyse et d’exploitation des données générées avec des outils de design expérimental et d’analyses multivariées ont été aussi établies. Enfin, cette approche a été appliquée pour l’exploration des EIM avec les mucopolysaccharidoses comme preuve de concept. Les résultats obtenus suggèrent un remodelage majeur du métabolisme des acides aminés dans la mucopolysaccharidose de type I. En résumé, la métabolomique pourrait être un outil complémentaire pertinent en appui à l’approche génomique dans l’exploration des EIM. / The new field of precision medicine is revolutionizing current medical practice and reshaping future medicine. Precision medicine intends to put the patient as the central driver of healthcare by broadening biological knowledge and acknowledging the great diversity of individuals. The prediction of physiological and pathological states in patients requires a dynamic and systemic understanding of these interactions. Inborn errors of metabolism (IEM) are genetic disorders resulting from defects in a given biochemical pathway due to the deficiency of an enzyme, its cofactor or a transporter. IEM are no longer considered to be monogenic diseases, which adds another layer of complexity to their characterization and diagnosis. To meet this need for faster screening, the metabolic profile can be a promising candidate given its ability in disease screening, biomarker discovery and metabolic pathway investigation. In this thesis, we used a metabolomic approach which is particularly relevant for IEM given their basic pathophysiology that is tightly related to metabolism. This thesis allowed the implementation of an untargeted metabolomic methodology based on a multidimensional analytical strategy including high-resolution mass spectrometry coupled with ultra-high-performance liquid chromatography and ion mobility. This work also set a methodology for preprocessing, analysis and interpretation of the generated data using experimental design and multivariate data analysis. Finally, the strategy is applied to the exploration of IEM with mucopolysaccharidoses as a proof of concept. The results suggest a major remodeling of the amino acid metabolisms in mucopolysaccharidosis type I. In summary, metabolomic is a relevant complementary tool to support the genomic approach in the functional investigations and diagnosis of IEM.

Chez l’homme, les erreurs innées du métabolisme des lipides sont dues à des déficits enzymatiques, entraînant une accumulation intracellulaire de substrats lipidiques. Il en résulte un large éventail de symptômes tels que des atteintes viscérales, osseuses et dans certains cas neurologiques. En outre, de nombreux patients atteints de ce type de maladie présentent des anomalies hématologiques et vasculaires attribuées à des anomalies rhéologiques du globule rouge (GR). Ces observations ont conduit à l’hypothèse de l’existence d’un lien entre les propriétés anormales du GR et sa composition lipidique. Or actuellement, le profil lipidique du GR normal reste méconnu. Cependant, le diagnostic précoce de ces troubles est d’une importance capitale pour la prise en charge des patients, notamment dans les cas où un traitement correctif est disponible. La maladie de Gaucher (MG) de type 1, qui est une maladie lysosomale caractérisée par un déficit en β-glucocérébrosidase et pour laquelle un traitement enzymatique substitutif (ERT) est proposé, en est le meilleur exemple. D’où l’intérêt de disposer d’un outil simple et rapide de diagnostic de ce type de maladie.Dans le cas de la MG, le diagnostic repose encore sur la mise en évidence, laborieuse, du déficit enzymatique. Néanmoins, des travaux récents suggèrent que les anomalies rhéologiques du GR pourraient être dues à l’accumulation de quatre sphingolipides, le glucosylcéramide, la glucosylsphingosine, la sphingosine et la sphingosine-1-phosphate, qui seraient de bons candidats biomarqueurs. Or, les méthodes actuelles de dosage de ces sphingolipides nécessitent au moins deux étapes chromatographiques, avec pour chacune une étape longue et fastidieuse de préparation de l’échantillon, ce qui ne facilite guère une approche lipidomique de ce sujet. En outre, seul le glucosylcéramide a été dosé dans le GR tandis que les trois autres sphingolipides n’ont été dosés que dans le plasma. Ces candidats biomarqueurs restent donc à valider.Dans cette thèse, nous avons développé et validé une méthode simple et rapide, par UHPLC-MS/MS, de dosage simultané des 4 sphingolipides impliqués dans la MG. L’application de cette méthode à des GR provenant de patients atteints de la MG, en collaboration avec l’Institut National de Transfusion Sanguine et la société Shire, nous a permis de : 1- valider un biomarqueur parmi les quatre proposés et de montrer que les trois autres n’étaient pas suffisamment spécifiques ; 2- vérifier l’efficacité du traitement ERT actuellement proposé et 3- confirmer l’hypothèse de départ reliant les anomalies rhéologiques du GR à sa composition lipidique.De même, une étude systématique des conditions opératoires nous a permis de généraliser la méthode proposée à l’identification et au dosage de l’ensemble des sphingolipides présents dans un GR ainsi que des phospholipides, constituants majoritaires de sa membrane. Appliquée à la quantification simultanée d’une trentaine de sphingolipides et de phospholipides dans le GR normal et celui de la MG, cette méthode nous a permis de mettre en évidence l’implication d’autres lipides polaires dans la maladie de Gaucher, outre les 4 sphingolipides jusqu’alors proposés. De même, il est prévu de l’adapter à moyen terme pour le profilage total, par classe, de tous les lipides présents dans le GR.Enfin, nous avons évalué d’autres techniques de SM telles que la haute résolution et la mobilité ionique (TWIMS et DIMS) dans le but d’affiner la recherche de nouveaux biomarqueurs, notamment par l’identification des lipides isomères non discriminables par les techniques de MS conventionnelles. Grâce à une collaboration avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000) nous avons montré la faisabilité de cette approche en séparant en DIMS deux isomères : la galactosylsphingosine 18:1 et la glucosylsphingosine 18:1 et nous poursuivons actuellement cette étude pour séparer d’autres couples d’isomères. / In humans, hereditary disorders of lipid metabolism are due to enzyme deficiencies, resulting in intracellular accumulation of lipid substrates. This results in a wide range of symptoms such as visceral, bone and in some cases neurological disorders. Furthermore, many patients suffering such diseases have hematologic and vascular symptoms attributed to red blood cell (RBC) rheological abnormalities. These observations led to a hypothesis linking RBC abnormal properties to its lipid composition. However, the lipid profile of normal RBC remains unknown to date. Early diagnosis of these conditions is of importance notably when a therapy is available. This is the case for Gaucher disease (GD) type 1, a lysosomal disorder characterized by β-glucocerebrosidase deficiency, where an enzyme replacement therapy (ERT) is proposed. Hence, the availability of a simple and rapid tool of diagnosis of such a disorder is of great importance, notably for a better patient care and monitoring.To the best of our knowledge, standard diagnosis procedures and monitoring of GD patients are still based on the tedious evaluation of enzyme deficiency. Nevertheless, recent works suggest that these rheological disorders may be due to the accumulation of four sphingolipids, glucosylceramide, glucosylsphingosine, sphingosine and sphingosine-1-phosphate, which could be considered as relevant biomarkers. However, most of current determination methods of these sphingolipids require at least two liquid chromatographic runs, each with a time-consuming sample preparation step that does not facilitate a lipidomic approach. In addition, only glucosylceramide was quantified in RBC while the other three sphingolipids were quantified only in plasma. Thus, these biomarker candidates remain to be validated.In this PhD, we describe a simple and rapid UHPLC-MS/MS method of simultaneous determination of the 4 sphingolipids involved in GD in both plasma and RBC. The application of this method to RBC from GD patients, in collaboration with the Institut National de Transfusion Sanguine and Shire (USA), allowed us: 1- to validate one biomarker among the four proposed candidates and to show that the other three candidates are not specific; 2- to check the efficiency of the proposed ERT and 3- to confirm the initial hypothesis linking the RBC rheological abnormalities to its lipid composition.Also, a systematic study of the operating conditions allowed us to generalize the proposed method to the determination of not only all the sphingolipids present in RBC but also all phospholipids, which are the major constituents of its membrane. The application of the later method to the simultaneous quantification of thirty sphingolipids and phospholipids in normal and GD RBCs, allowed us to validate it and to unravel the involvement of other candidate biomarkers of GD, different from the 4 previous sphingolipids. Providing appropriate modifications, this method is intended to be used for the profiling of all lipid classes in plasma and RBC. This is our main objective in the medium-term.Finally, we evaluated other modern MS techniques such as high resolution (HRMS) and ion mobility (TWIMS and DIMS) in order to refine the investigation of new biomarker candidates, including the separation of lipid isomers that cannot be discriminated by conventional MS techniques. Indeed, in collaboration with the Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000), we here show the feasibility of this approach by achieving the separation of two isomers, by the DIMS technique: galactosylsphingosine 18:1 and glucosylsphingosine 18:1, which cannot be separated by conventional methods. We are currently pursuing these investigations in order to separate other isomers.

Les azasulfurylpeptides sont des mimes peptidiques auxquels le carbone en position alpha et le carbonyle d’un acide aminé sont respectivement remplacés par un atome d’azote et un groupement sulfonyle (SO2). Le but premier de ce projet a été de développer une nouvelle méthode de synthèse de ces motifs, également appelés N-aminosulfamides. À cette fin, l’utilisation de sulfamidates de 4-nitrophénol s’est avérée importante dans la synthèse des azasulfuryltripeptides, permettant le couplage d’hydrazides avec l’aide d’irradiation aux micro-ondes (Chapitre 2). Par la suite, en quantité stoechiométrique d’une base et d’un halogénure d’alkyle, les azasulfurylglycines (AsG) formés peuvent être chimiosélectivement alkylés afin d’y insérer diverses chaînes latérales. Les propriétés conformationnelles des N-aminosulfamides à l’état solide ont été élucidées grâce à des études cristallographiques par rayons X : elles possèdent une structure tétraédrique autour de l’atome de soufre, des traits caractéristiques des azapeptides et des sulfonamides, ainsi que du potentiel à favoriser la formation de tours gamma (Chapitre 3). Après le développement d’une méthode de synthèse des N-aminosulfamides en solution, une approche combinatoire sur support solide a également été élaborée sur la résine amide de Rink afin de faciliter la génération d’une librairie d’azasulfurylpeptides. Cette étude a été réalisée en employant le growth hormone releasing peptide 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2). Ce dernier est un hexapeptide possédant une affinité pour deux récepteurs, le growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a) et le récepteur cluster of differenciation 36 (CD36). Une affinité sélective envers le récepteur CD36 confère des propriétés thérapeutiques dans le traitement de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Six analogues d’azasulfurylpeptides de GHRP-6 utilisés comme ligands du CD36 ont été synthétisés sur support solide, mettant en évidence le remplacement du tryptophane à la position 4 de GHRP-6 (Chapitre 4). Les analogues de GHRP-6 ont été ensuite analysés pour leur capacité à moduler les effets de la fonction et de la cascade de signalisation des ligands spécifiques au Toll-like receptor 2 (TLR2), en collaboration avec le Professeur Huy Ong du département de Pharmacologie à la Faculté de Pharmacie de l’Université de Montréal. Le complexe TLR2-TLR6 est reconnu pour être co-exprimé et modulé par CD36. En se liant au CD36, certains ligands de GHRP-6 ont eu un effet sur la signalisation du TLR2. Par exemple, les azasulfurylpeptides [AsF(4-F)4]- et [AsF(4-MeO)4]-GHRP-6 ont démontré une capacité à empêcher la surproduction du monoxyde d’azote (NO), un sous-produit réactif formé suite à l’induction d’un signal dans les macrophages par des ligands spécifiques liés au TLR2, tel le fibroblast-stimulating lipopeptide 1 (R-FSL-1) et l’acide lipotéichoïque (LTA). En addition, la sécrétion du tumor necrosis factor alpha (TNFa) et du monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1), ainsi que l’activation du nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-kB), ont été réduites. Ces résultats démontrent le potentiel de ces azasulfurylpeptides à pouvoir réguler le rôle du TLR2 qui déclenche des réponses inflammatoires et immunitaires innées (Perspectives). Finalement, le potentiel des azasulfurylpeptides d’inhiber des métallo-bêta-lactamases, tels le New-Delhi Metallo-bêta-lactamase 1 (NDM-1), IMP-1 et le Verona Integron-encoded Metallo-bêta-lactamase 2 (VIM-2), a été étudié en collaboration avec le Professeur James Spencer de l’Université de Bristol (Royaumes-Unis). Certains analogues ont été des inhibiteurs micromolaires du IMP-1 (Perspectives). Ces nouvelles voies de synthèse des azasulfurylpeptides en solution et sur support solide devraient donc permettre leur utilisation dans des études de relations structure-activité avec différents peptides biologiquement actifs. En plus d'expandre l'application des azasulfurylpeptides comme inhibiteurs d'enzymes, cette thèse a révélé le potentiel de ces N-aminosulfamides à mimer les structures secondaires peptidiques, tels que les tours gamma. À cet égard, l’application des azasulfurylpeptides a été démontrée par la synthèse de ligands du CD36 présentant des effets modulateurs sur le TLR2. Compte tenu de leur synthèse efficace et de leur potentiel en tant qu’inhibiteurs, les azasulfurylpeptides devraient trouver une large utilisation dans les sciences de peptides pour des applications dans la médecine et de la chimie biologique. / The azasulfurylpeptides are peptide mimics in which the alpha carbon and the carbonyl of an amino acid residue are respectively replaced by a nitrogen atom and a sulfonyl group (SO2). The primary goal of this doctorate project was to develop a new effective method for the synthesis of these motifs, also called N-aminosulfamides. Towards this aim, the use of 4-nitrophenyl sulfamidates turned out to be important in the synthesis of azasulfuryltripeptides, allowing hydrazide couplings under micro-wave irradiation (Chapter 2). Side-chain diversity was then added using a stoichiometric amount of base and different alkyl halides to alkylate chemoselectively the azasulfurylglycine (AsG) residue. The conformational properties of the N-aminosulfamides in the solid state were studied using X-Ray crystallography, which showed a tetrahedral geometry about the sulfur atom, features of azapeptides and sulfonamides, as well as potential to favor the formation of gamma turns (Chapter 3). Following the development of the synthesis of these N-aminosulfamides in solution, a combinatorial approach on solid support was elaborated on Rink amide resin to generate a library of azasulfurylpeptides. The study was performed using the Growth Hormone Releasing Peptide 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2). The latter is a hexapeptide that has affinity for two receptors, the Growth Hormone Secretagogue Receptor 1a (GHS-R1a) and the Cluster of Differenciation 36 (CD36) receptor. Selective binding to the CD36 receptor has therapeutic potential in the treatment of age-related macular degeneration (AMD). Six azasulfurylpeptide analogs were synthesized on solid support by replacing tryptophan at the 4th position of GHRP-6 with different N-aminosulfamide residues (Chapter 4). The GHRP-6 analogs were tested for their ability to mediate the effects of receptor-specific ligands on the function and downstream signaling of the Toll-Like Receptor 2 (TLR2), in collaboration with Professor Huy Ong at the department of Pharmacology in the Faculty of Pharmacy at the Université de Montréal. The TLR2-TLR6 complex is known to be co-expressed and modulated by CD36. On binding to CD36, certain GHRP-6 ligands exhibited effects on the signaling of TLR2. For example, the azasulfurylpeptides [4-F-AsF4]- and [4-MeO-AsF4]-GHRP-6 prevented the overproduction of nitric oxide (NO), a reactive oxygen species formed following the induction of signal in macrophages on binding of TLR2-specific ligands, such as the Fibroblast-Stimulating Lipopeptide 1 (R-FSL-1) and lipoteichoic acid (LTA). Furthermore, the secretion of the Tumor Necrosis Factor Alpha (TNFa) and Monocyte Chemoattractant Protein 1 (MCP-1), as well as the activation of the Nuclear Factor Kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-kB), all were reduced. These results offer promise for regulating Toll-like receptor roles in triggering innate immunity and inflammatory responses (Perspectives). Finally, the potential of the azasulfurylpeptides to inhibit metallo-bêta-lactamases, such as the New-Delhi Metallo-β-lactamase 1 (NDM-1), IMP-1 and the Verona Integron-encoded Metallo-bêta-lactamase 2 (VIM-2), has been studied in collaboration with Professor James Spencer at the University of Bristol (United-Kingdom). Some analogs were micromolar inhibitors of IMP-1 (Perspectives). These new approaches for the synthesis of azasulfurylpeptides in solution and on solid support should enable their use in studies of structure-activity relationships with different biologically active peptides. In addition to expanding the application of azasulfurylpeptides as enzyme inhibitors, this thesis has revealed the potential of these N-aminosulfamides to mimic the peptide secondary structures, such as gamma turns. Application of azasulfurylpeptides in this respect has been demonstrated by the synthesis of CD36 ligands exhibiting modulatory effects on the TLR2. Considering their effective synthesis and potential as inhibitors, azasulfurylpeptides should find broad use in peptide science for applications in medicine and chemical biology.

La leucémie myéloïde chronique (LMC) est une hémopathie maligne caractérisée par un syndrome myéloprolifératif. Elle est secondaire à la formation d’un gène chimérique BCR-ABL dont le produit de ce gène de fusion est une protéine possédant une activité tyrosine kinase dérégulée, nécessaire et suffisante à la leucémogénèse. Plusieurs arguments suggèrent l’implication des cellules du système immunitaire dans le contrôle de la LMC.Nous avons montré que les lymphocytes Natural Killer T invariant (iNKT), une population minoritaire de lymphocytes T non conventionnels impliqués dans l’immunosurveillance, sont anergiques chez les patients en phase chronique (LMC-PC). Ce défaut est corrigé chez les patients en rémission cytogénétique complète après traitement par Imatinib Mesylate (LMC-IM) ou IFN-α.Les lymphocytes iNKT sont impliqués chez la Souris dans la génération de cellules T CD8+ « innate-memory », une autre population de lymphocytes T innés découverte récemment chez la Souris. Nous avons mis en évidence chez l’Homme, l’existence d’une population de cellules T ayant un phénotype inné et mémoire, exprimant fortement le facteur de transcription Eomesodermine et capable de produire rapidement de l’IFN-γ en réponse à une stimulation innée par les interleukines (IL)-12 et IL-18.Cette population de cellules est déficiente sur le plan numérique et fonctionnel chez les patients LMC-PC. Ces défauts sont partiellement corrigés chez les patients LMC-IM.L’ensemble de ces résultats souligne le rôle des lymphocytes T innés dans l’immunité anti-leucémique et pourrait permettre le développement de stratégies d’immunothérapies ciblées contre la LMC. / Chronic myeloid leukemia (CML) is a myeloproliferative disorder that results from dysregulated tyrosine kinase activity of the fusion oncoprotein BCR-ABL, which is sufficient to induce malignant transformation. A critical role of the immune system in the control of CML is supported by several reports. Invariant Natural Killer T (iNKT) lymphocytes are a population of non-conventional T cells that are believed to play a key role in cancer immunosurveillance. Here, we showed that CML in chronic phase is associated with anergy of iNKT cells that is restored upon complete cytogenetic remission (CCyR) following Imatinib Mesylate (IM) or IFN-α therapy. In mouse, iNKT cells are involved in the generation of a recently characterized subset of innate CD8 T cells. Importantly, we provided definitive evidence of the existence of an equivalent of these innate CD8 T cells in humans, harboring innate and memory phenotype with high Eomesodermin expression. These cells also exhibited innate functions such as prompt IFN-γ expression in response to innate stimulation by interleukin (IL)-12 and IL-18 and cytolytic activity in a TCR independent manner.Size and functions of this innate-like CD8 T cell subset were severely impaired in CML patients at chronic phase. These defects were partially reversed in patients who achieved CCyR following IM treatment.Altogether, these results reveal a possible contribution of innate CD8 T lymphocytes in anti-leukemic immunity and should contribute to development of immunotherapeutic strategies against CML.