The establishment of non-resolving inflammation underlies the pathogenesis of chronic inflammatory diseases in humans. Super low dose (SLD) endotoxin has been associated with exacerbating inflammation and the pathogenesis of chronic inflammatory diseases. However, the underlying molecular mechanisms are not well studied. In this study, I tested the hypothesis that SLD endotoxin may potentiate non-resolving innate immune cell inflammation through disrupting cellular endoplasmic reticulum (ER) homeostasis. We chose to study the dynamics of ER homeostasis in macrophages stimulated with SLD endotoxin. In naïve cells, ER stressor such as tunicamycin (TM) not only will induce cellular stress and inflammation through JNK and NFkβ activation, but also will cause subsequent compensatory homeostasis through inducing homeostatic molecules such as XBP1 and GRP78/BiP. We observed that cells challenged with SLD endotoxin have significantly reduced expression of homeostatic molecules XBP1 and BiP. Mechanistically, we observed that SLD-LPS increases phosphorylated HCK expression in TM treated cells. Phosphorylated HCK activation resulted in the phosphorylation of Golgi protein GRASP, leading to unstacking of Golgi cisterna and overall dysfunction of the Golgi apparatus. Dysfunctional Golgi apparatus and its effect on protein transport and secretion, may account for decreased levels of Site 2 Protease, reduced generation of ATF6 and its transcriptional target BiP. Taken together, our study reveal that super low dose endotoxin exacerbates low grade inflammation through increasing phosphorylation of HCK, inducing Golgi dysfunction, and decreasing BiP /homeostatic protein expression in innate immune cells. / Ph. D. / Non-resolving inflammation is a common factor shared in in many chronic inflammatory diseases such as atherosclerosis and diabetes mellitus type 2. Low levels of endotoxin have been shown to increase inflammation as well as further increase disease development. However, how such low levels of endotoxin is able to produce this effect is not well understood. This research focuses on how low levels of endotoxin can increase inflammation by decreasing the ability of the cell to restore homeostasis. It was found that a super low dose (SLD) endotoxin decreased activation of the unfolded protein response pathway (UPR). The UPR pathway is a prominent signaling pathway utilized by the cell to restore homeostasis and is activated following an accumulation of unfolded proteins in the endoplasmic reticulum of the cell. The disruption of this pathway by SLD endotoxin resulted in increased inflammatory signaling and decreased cellular homeostasis.

Introduction: Myocardial infarction is the most common form of acute cardiac injury attributed to heart failure. Despite advancements in prognosis and treatment, acute MI (AMI) still bears a considerable mortality rate within the initial year, with a significant portion of patients succumbing within the initial 30 days post-MI. The overall prognosis hinges on factors such as the extent of heart muscle damage, duration of the inflammatory response, and the efficacy of administered treatments in mitigating myocardial cell death and injury. This underscores the need for deeper mechanistic understanding and development of targeted therapies for cardiovascular diseases.In response to cardiac injury, macrophages are initially recruited to the infarcted myocardium and undergo phenotypic change from pro-inflammatory (M1) macrophages in the early stage to an anti-inflammatory (M2) macrophages phenotype in the later stage, orchestrating the initiation, maintenance, and eventual resolution of the inflammatory response. However, in chronic ischemia or severe infarction, continuous cardiomyocyte death prolongs pro-inflammatory macrophage activation resulting in robust secretion of pro-inflammatory cytokines perpetuating the inflammatory response and resulting in increased myocardial damage. Despite some understanding, further research is needed on the mechanisms and factors influencing macrophage function during injury. Circular RNAs are newly discovered non-coding RNA generated from protein-coding genes ubiquitously expressed in mammalian tissue, highly conserved among species, and recently implicated in the possible regulation of macrophage activation. However, their role in immunomodulation during cardiovascular injury remains unknown. Objective: This study focused on determining the specific role of circ-cdr1as in phenotypic switching between pro-, and anti-inflammatory macrophages and to determine whether functional regulation of circ-cdr1as modulates macrophage function post-cardiac injury. Methods and Results: We performed circular RNA microarray analyses to assess circular RNA transcriptome changes using RNA isolated from bone marrow derived macrophages (BMDM) polarized to a M1 phenotype by INFγ and TNFα or a M2 phenotype by IL-10, IL-4, and TGF-β. Following RNA isolation, samples are treated with RNaseR for enrichment of circular RNA and removal of linear RNA. We identified circRNAs differentially expressed in pro-and anti-inflammatory macrophages, including circRNA cdr1as (circ-cdr1as). RT-qPCR analysis revealed circ-cdr1as was one of the most downregulated in pro-inflammatory macrophages and significantly upregulated in anti-inflammatory macrophages in vitro. We established a circ-cdr1as overexpression system by generating a circ-cdr1as plasmid using pc3.1 plasmid with flanking regions that allows circularization of specified sequence for in vitro studies. For knockdown of circ-cdr1as, we used small hairpin RNA targeting the splicing junction found only in circular RNA. RT-qPCR and fluorescence activated cell sorting (FACS) analyses showed that overexpression of circ-Cdr1as increased transcription of anti-inflammatory markers and percentage of CD206+ (M2 macrophage marker) cells in naïve and pro-inflammatory macrophages in vitro. Meanwhile, knockdown decreased transcription of anti-inflammatory markers and increased the percentage of CD86+ (M1 macrophage marker) cells in naïve and anti-inflammatory macrophages in vitro. Disease enrichment analysis based on IPA system of the diseases associated with circular RNA involved in macrophage polarization indicated that cardiac fibrosis and cardiac enlargement as the top diseases. Therefore, we investigated the expression levels of circ-cdr1as in the heart after myocardial infarction (MI) injury in a mouse model. RT-qPCR analysis revealed downregulation of circ-cdr1as in the heart 3 days post MI, suggesting a possible physiological role for circ-cdr1as in MI pathophysiology. We isolated fibroblast, cardiomyocytes, CD31+ endothelial cells, and F4/80+ macrophages and investigated the transcriptional changes of circ-cdr1as to determine if it is cell-type specific. RT-qPCR analysis showed no significant difference in transcription of circ-cdr1as in fibroblast and endothelial cells. However, in cardiomyocytes and macrophages there was a significant downregulation of circ-cdr1as. To understand the role of circ-cdr1asmodulated macrophages in post-MI cardiac repair in vivo, we overexpressed circ-cdr1as in fluorescently labeled BMDMs and directly injected them into the ischemic myocardium immediately following MI surgery. FACS and immunohistochemistry analyses showed that these macrophages retained their anti-inflammatory phenotype during the initial stages of cardiac injury, and in the later stages improved cardiac left ventricular (LV) functions and reduced infarct size. Since circ-cdr1as was also decreased in cardiomyocytes post-MI, we additionally generated circ-cdr1as adeno associated virus 9 (circ-cdr1as-AAV-9) vectors to overexpress circ-cdr1as in mouse hearts. We performed tail vein injections of circ-cdr1as-AAV9 vectors 14 days prior to MI and conducted physiological and histological studies. Administration of circ-cdr1as-AAV9 significantly improved post-MI LV functions including ejection fraction (%EF) and fractional shortening (%FS) at 21-28D post MI, decreased infarct size, and improved angiogenesis. Interestingly, in the initial stages of cardiac injury, overexpression of circ-cdr1as reduced cardiomyocyte apoptosis and increased percentage of anti-inflammatory macrophages at injury site. Lastly, emerging evidence suggests that some circular RNAs function as microRNA (miR) sponges. Therefore, we investigated this mechanism to assess whether circular cdr1as invokes phenotypic changes in macrophages in both the steady-state and injured heart by acting as a sponge for miRNA to inhibit its function. Circ-cdr1as contains over 70 binding sites for miR-7, a microRNA known to exacerbate inflammation in lung related diseases through inhibition of KLF4. Pull-down assay indicated that circ-cdr1as directly interacts with miR-7. We found a reciprocal relationship between circ-cdr1as and miR-7 in macrophages and in the heart 3 days post-MI. Overexpression of miR-7 by miR-7-5p mimic increased the percentage of pro-inflammatory marker CD86 in naïve, pro-, and anti-inflammatory macrophages and upregulated transcription of pro-inflammatory markers. Meanwhile, inhibition of miR-7 had the opposite effect. We also found that expression of miR-7 target gene, KLF4, was reduced when macrophages were treated with miR-7 and increased when miR-7 was inhibited. Conclusions: In summary, this study suggests that circ-cdr1as plays a key role in regulating anti-inflammatory phenotype of macrophages through the modulation of miR-7 and its targets and exogenous delivery of circ-cdr1as may improve LV function over time. Therefore, circ-cdr1as may potentially be developed as an anti-inflammatory regulator in tissue inflammation after cardiac injury. / Biomedical Sciences

L’autophagie est un processus cellulaire catabolique qui a été conservé durant l’évolution de la levure à l’homme. Cet important mécanisme consiste en une dégradation des composants cytoplasmiques dans une structure lytique, le lysosome. Il existe trois types de l’autophagie : la microautophagie, l’autophagie médiée par les chaperones et la macroautophagie nommée « autophagie ». Il a été démontré que lors de l’autophagie, le matériel cytoplasmique (protéines cytosoliques et organites) est séquestré dans l’autophagosome qui finit par fusionner avec le lysosome, formant ainsi l’autophagolysosome. Le matériel séquestré et la membrane interne de l’autophagosome seront dégradés par les hydrolases lysosomales. Plusieurs études se sont focalisées sur la détermination de la machinerie moléculaire et les mécanismes de l’autophagie. Il a été démontré l’implication de 31 molécules Atg essentielles dans le processus de l’autophagie. L’identification de ces protéines a permis de déceler le rôle de l’autophagie non seulement dans le maintien de l’homéostasie cellulaire mais aussi dans la défense contre les agents pathogènes. En effet, l’autophagie joue un rôle important dans l’immunité innée conduisant à contrôler l’évasion des pathogènes dont les bactéries et les virus. Également, l’autophagie est impliquée dans l’immunité adaptative en favorisant la présentation des antigènes viraux par le CMH de classe II aux cellules T CD4+. De plus, une étude récente suggère que l’autophagie contribue à la présentation antigénique par le CMH de classe I aux cellules T CD8+ durant une infection virale par le virus HSV-1 (Herpes simplex type 1). Toutefois, certains virus y compris HSV-1 ont pu développer des mécanismes pour contourner et inhiber en partie le rôle protecteur de l’autophagie. Récemment, une étude dans notre laboratoire a mis en évidence, lors d’une infection virale par HSV-1 des cellules macrophages BMA, la présence d’une nouvelle structure autophagique dans une phase tardive de l’infection. Cette nouvelle structure est différente des autophagosomes classiques à double membrane et est caractérisée morphologiquement par quatre membranes dérivées de l’enveloppe nucléaire interne et externe. Peu de choses ont été rapportées sur cette nouvelle voie autophagique qui peut être un mécanisme de défense cellulaire quand l’autophagie classique dans le cytosol est inhibée par HSV-1. Il devient donc intéressant de caractériser les molécules impliquées dans la formation de ces autophagosomes issus du noyau par spectrométrie de masse. Pour ce faire, il était impératif d’établir un outil d’isolation des noyaux à partir de macrophages infectés par HSV-1 dans lesquels les autophagosomes issus des noyaux seront formés. La validation de cette méthode d’isolation a été effectuée en déterminant la pureté et l’intégrité des noyaux isolés à partir des cellules non infectées (contrôle) et infectées par HSV-1. La pureté des préparations de noyaux isolés a été caractérisée par l’absence de contaminants cellulaires et un enrichissement en noyaux. Également, il a fallu déterminer la cinétique de formation des autophagosomes issus des noyaux pour les deux lignées cellulaires de macrophages utilisées dans ce projet. Dans une perspective future, l’analyse protéomique à partir des échantillons purs des noyaux isolés (non infectés et infectés) mènera à identifier les protéines impliquées dans la formation des autophagosomes dérivés des noyaux, ce qui permettra ultérieurement d’effectuer des études sur les mécanismes moléculaires et les fonctions de cette nouvelle voie autophagique. / Autophagy is a catabolic cellular process that has been conserved during evolution from yeast to humans. More specifically, it consists of the degradation of cytoplasmic components within a lytic structure, the lysosome. There are at least three distinct types of autophagy; microautophagy, chaperone-mediated-autophagy, and macroautophagy wich often referred to simply as “autophagy” in the literature. It has been shown that during this type of autophagy, cytoplasmic material (cytosolic proteins and organites) are sequestrated in autophagosomes which fuse with lysosomes, forming autophagolysosomes where the sequestered material and the internal membrane of the autophagosomes are degraded by lysosomal hydrolases. Many studies have focused on understanding the molecular machinery and mechanism of autophagy. It has been shown that 31 autophagy proteins (Atg) are implicated and essential in the autophagic process. More importantly, the identification of these proteins has permitted the discovery of the role of autophagy not only in the maintenance of cellular homeostasis but also in host defense against pathogenic agents. Autophagy plays an important role in innate immunity by clearing and destroying intracellular pathogens like bacteria and viruses. Autophagy is also implicated in adaptive immunity, by promoting the presentation of viral antigens on CMH class II molecules to CD4+ T cells. A recent study has shown that autophagy also contributes to antigen presentation on CMH class I molecules to CD8+ T cells during infection with Herpes simplex virus type 1 (HSV-1). Certain viruses including herpes viruses have developed mechanisms to inhibit autophagy. Interestingly, a recent study in our lab revealed the presence of a new autophagic structure that occured during the late phase of viral infection of BMA macrophages with HSV-1. These structures are different from the classic double membrane autophagosomes, and are morphologically characterized by four membranes emerging from the inner and outer nuclear envelope. Very little was known about this novel nuclear-membrane autophagy pathway, which might function as a cellular defense mechanism when classic autophagy in the cytosol is inhibited by the virus. It is therefore of great interest to characterize the proteins involved in the formation of these autophagosomes from the nucleus by mass spectrometry. In order to do so, it was imperative to establish a protocol for the isolation of nuclei from HSV-1 infected macrophages which carry nuclear autophagosomes on their envelope. The validation of this isolation method was carried out by determining the purity of isolated nuclei in uninfected (mock) and infected macrophages. The purity of isolated nuclei was characterized by the absence of cellular contaminants derived from other cellular organites and enrichment in nuclei. Moreover, the kinetic of autophagosome formation on the nuclei during infection had to be determined for the two macrophage cell lines used during this project. As a future perspective, a proteomic analysis of pure samples of isolated nuclei (uninfected and infected) should identify proteins implicated in the formation of autophagosomes derived from the nuclei, and thus allow further studies of the molecular mechanism and functions of this novel autophagy pathway.

Les levures Candida sont des pathogènes opportunistes responsables d’infections graves chez les patients immunodéprimés. Au cours de ce travail, nous avons développé un modèle cellulaire in vitro pour la caractérisation multiparamétrique des phénotypes d’interaction entre les levures Candida et les macrophages et les neutrophiles, principaux effecteurs de la défense anti-Candida. Il repose sur l’utilisation de marqueurs fluorescents pour le suivi quantitatif de l’interaction en cytométrie en flux et en fluorimétrie. Ce modèle a été validé par la comparaison de l’interaction de trois espèces de levures, C. albicans, C. glabrata et C. lusitaniae, avec des macrophages murins et des neutrophiles humains. Deux stratégies principales de survie des levures à la phagocytose ont été mises en évidence : par la résistance à la phagolyse et la multiplication des levures à l’intérieur des phagocytes jusqu’à leur éclatement, ou par l’évitement de la phagocytose et la multiplication des levures à l’extérieur des phagocytes. L’interprétation des données quantitatives a été confirmée par microscopie à fluorescence et vidéo-microscopie. Afin de mieux comprendre les interactions Candida-phagocytes, nous avons mis au point des outils pour l’analyse fonctionnelle de gènes chez C. lusitaniae. Une stratégie de PCR chevauchante a été développée pour l’obtention de mutants nuls de C. lusitaniae, sans étape de clonage. C’est ainsi que le gène OLE2, codant une Δ9 désaturase d’acides gras potentiellement impliquée dans la biosynthèse de la prostaglandine PGE2, a été invalidé. Le mutant ole2Δ présentait de très nets défauts de filamentation et de reproduction sexuée. Par rapport à une souche sauvage, le mutant ole2∆ était massivement phagocyté par les macrophages, et la survie des phagocytes était plus importante, ce qui suggère un rôle important des lipides insaturés et des oxylipides dans la signalisation cellulaire au cours de l’interaction Candida-phagocytes. Dans la dernière partie de notre travail, nous avons construit une banque de 10 000 mutants de C. lusitaniae par l’intégration aléatoire d’un marqueur dans le génome. Le criblage de cette banque à travers notre modèle cellulaire d’interaction permettra d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans l’interaction avec les phagocytes afin de mieux comprendre la physiopathologie des candidoses et de trouver de nouvelles pistes thérapeutiques. / Candida species are opportunistic pathogens causing severe infectious diseases in immunocompromised patients. In this work, we developed a tool for a multi-parameter characterization of the cell interactions between the yeasts Candida and both macrophages and neutrophils, which constitute the main defense against candidiasis. It relies on the labelling of each population with specific fluorescent markers, and on the use of fluorimetry and flow cytometry to assess interactions. The tool has been validated by comparing the interactions of three yeast species C. albicans, C. glabrata and C. lusitaniae, with murine macrophages and human neutrophils. We found that yeasts use two main ways for escaping phagocytosis, which has been confirmed using video-microscopy: either (1) by surviving to phagolysis and dividing into the phagosome until phagocytes burst, or (2) by avoiding phagocytosis and dividing outside phagocytes. In order to better understand the cellular and molecular mechanisms involved in Candida-phagocytes interactions, we developed new molecular tools for the functional analysis of genes in C. lusitaniae, notably a two-step cloning-free PCR-based method for the deletion of genes. This method was successfully used for the deletion of OLE2, a gene encoding a Δ9-desaturase of fatty acids, possibly implicated in prostaglandin PGE2 biosynthesis. The ole2Δ mutant exhibited strong defects in both pseudofilamention and sexual mating. During macrophages infection, ole2Δ yeast cells were massively internalized and triggered less phagocytes cell death than the wild type strain, suggesting that unsaturated fatty acids and/or oxylipids could play a role during interaction with phagocytes. Lastly, a bank of 10,000 mutants was constructed in C. lusitaniae by the random integration of a genetic marker in the genome. The screening of this bank through our tool to analyse cellular interactions will be undertaken to gain insights into understanding of the early stages of the infectious process.

Le contrôle immunitaire des infections virales est effectué, en grande partie, par les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Pour y parvenir, les lymphocytes T CD8+ doivent être en mesure de reconnaître les cellules infectées et de les éliminer. Cette reconnaissance des cellules infectées s’effectue par l’interaction du récepteur T (TCR) des lymphocytes T CD8+ et des peptides viraux associés au complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe I à la surface des cellules hôtes. Cette interaction constitue l’élément déclencheur permettant l’élimination de la cellule infectée. On comprend donc toute l’importance des mécanismes cellulaires menant à la génération des peptides antigéniques à partir des protéines virales produites au cours d’une infection. La vision traditionnelle de cet apprêtement protéique menant à la présentation d’antigènes par les molécules du CMH propose deux voies cataboliques distinctes. En effet, il est largement admis que les antigènes endogènes sont apprêtés par la voie dite ‘‘classique’’ de présentation antigénique par les CMH de classe I. Cette voie implique la dégradation des antigènes intracellulaires par le protéasome dans le cytoplasme, le transport des peptides résultant de cette dégradation à l’intérieur du réticulum endoplasmique, leur chargement sur les molécules du CMH de classe I et finalement le transport des complexes peptide-CMH à la surface de la cellule où ils pourront activer les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde voie impliquant des antigènes exogènes, le dogme veut que ceux-ci soient apprêtés par les protéases du compartiment endovacuolaire. Les peptides ainsi générés sont directement chargés sur les molécules de CMH de classe II à l’intérieur de ce compartiment. Par la suite, des mécanismes de recyclage vésiculaire assurent le transport des complexes peptide-CMH de classe II à la surface de la cellule afin de stimuler les lymphocytes T CD4+. Cependant, cette stricte ségrégation des voies d’apprêtement antigénique a été durement éprouvée par la capacité des cellules présentatrices d’antigènes à effectuer l’apprêtement d’antigènes exogènes et permettre leur présentation sur des molécules de CMH de classe I. De plus, l’identification récente de peptides d’origine intracellulaire associés à des molécules de CMH de classe II a clairement indiqué la présence d’interactions entre les deux voies d’apprêtement antigénique permettant de transgresser le dogme préalablement établi. L’objectif du travail présenté ici était de caractériser les voies d’apprêtement antigénique menant à la présentation d’antigènes viraux par les molécules du CMH de classe I lors d’une infection par le virus de l’Herpès simplex de type I (HSV-1). Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons une nouvelle voie d’apprêtement antigénique résultant de la formation d’autophagosomes dans les cellules infectées. Cette nouvelle voie permet le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire dégradatif dans la phase tardive de l’infection par le virus HSV-1. Cette mise en branle d’une seconde voie d’apprêtement antigénique permet d’augmenter le niveau de présentation de la glycoprotéine B (gB) virale utilisée comme modèle dans cette étude. De plus, nos résultats décrivent la formation d’une nouvelle forme d’autophagosomes dérivés de l’enveloppe nucléaire en réponse à l’infection par le virus HSV-1. Ces nouveaux autophagosomes permettent le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire lytique, action également assurée par les autophagosomes dits classiques. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous utilisons l’infection par le virus HSV-1 et la production de la gB qui en résulte pour étudier le trafic membranaire permettant le transfert de la gB vers un compartiment vacuolaire dégradatif. Nos résultats mettent en valeur l’importance du réticulum endoplasmique, et des compartiments autophagiques qui en dérivent, dans ces mécanismes de transfert antigénique permettant d’amplifier la présentation antigénique de la protéine virale gB sur des CMH de classe I via une voie vacuolaire. L’ensemble de nos résultats démontrent également une étroite collaboration entre la voie classique de présentation antigénique par les CMH de classe I et la voie vacuolaire soulignant, encore une fois, la présence d’interaction entre les deux voies. / Immune control of viral infections is mainly carried out by cytotoxic CD8+ T lymphocytes. To achieve this, CD8+ T lymphocytes must be able to recognize infected cells and eliminate them. This recognition of infected cells occurs by the interaction of the T cell receptor (TCR) of CD8+ T lymphocytes and viral peptides associated with major histocompatibility complex (MHC) class I on the surface of host cells. This interaction is the key element triggering the elimination of infected cells. This emphasizes the major role of cellular mechanisms leading to the generation of antigenic peptides from viral proteins. The traditional view of antigen presentation by MHC molecules proposes two segregated pathways. Indeed, it is widely accepted that endogenous antigens are processed by the ''classical'' MHC class I presentation pathway. This pathway involves the degradation of intracellular antigens by the proteasome complex in the cytoplasm of the cell, the resulting peptides are then translocated in the endoplasmic reticulum where they are loaded on MHC class I molecules, and finally peptide-MHC complex are exported at the cell surface to activate CD8+ T lymphocytes. In contrast, exogenous antigens internalized by endocytosis or phagocytosis are processed by hydrolases in the lytic endovacuolar compartment and the resulting peptides are loaded on MHC class II molecules. Thereafter, vesicle recycling mechanisms transport the peptide-MHC class II complex on the cell surface where they can stimulate CD4+ T lymphocytes. However, the strict segregation of these two pathways has been revisited to account for the ability of antigen presenting cells to present exogenous antigens on MHC class I molecules by a process called cross-presentation. Moreover, the recent finding that intracellular peptides might also be presented by MHC class II molecules clearly emphasized the presence of interactions between these two antigen processing pathways that transgress the previously established dogma. The objective of the work presented here was to characterize the antigen processing pathways leading to antigen MHC class I presentation during herpes simplex type I (HSV-1) infection. In the results reported here, we describe a new antigen processing pathway resulting from the formation of autophagosomes in HSV-1 infected cells. This new pathway allows the transfer of viral antigens in a lytic vacuolar compartment during the late phase of infection. The development and activation of this second pathway of antigen processing leads to an increased MHC class I presentation of the viral glycoprotein B (gB) used as a model in this study. Moreover, our results describe the establishment of a new form of autophagosomes derived from the nuclear envelope in response to HSV-1 infection. This new form of autophagosomes also contributes to viral antigen transfer to lytic vacuolar compartment in parallel to the action of classical autophagy. Our results also show a close collaboration between the classical MHC class I presentation pathway and vacuolar pathway induced by the formation of autophagosomes, still reinforcing the idea that these two pathways interact together to ensure optimal antigens processing during viral infection. In the second part of the work presented here, we use HSV-1 infection and the resulting viral glycoprotein B to study membrane trafficking allowing the transfer of gB to degradative vacuolar compartments. Our results highlight the role of the endoplasmic reticulum in antigen transfer mechanisms that induce an amplified MHC class I presentation of the viral glycoprotein B.

Les fièvres hémorragiques à virus Lassa (LASV) et Ebola (EBOV) représentent un important problème de santé publique en Afrique. Les réponses immunes et la pathogenèse associées à ces maladies sont peu connues. Les cellules NK ont un rôle important dans la réponse immune innée par leurs propriétés cytotoxiques, mais également dans l’induction des réponses adaptatives par leur production de cytokines et leurs interactions avec les cellules dendritiques (DC) et les macrophages. Ce projet s’attache à comprendre le rôle des cellules NK dans le contrôle de la réplication virale et dans l’induction des réponses immunitaires au cours de ces infections. Un modèle in vitro de coculture de cellules NK humaines avec des DC et macrophages autologues a été développé. L’activation des cellules NK et leurs fonctions ont été analysées après l’infection par LASV et EBOV. Par ailleurs, les réponses des cellules NK en réponse à LASV ont été comparées avec celles induites lors de l’infection par le virus Mopeia (MOPV), très proche de LASV mais non pathogène pour l’homme. Les macrophages, mais pas les DC, infectés par LASV ou MOPV induisent l’activation et l’augmentation des capacités cytotoxiques des cellules NK. Toutefois, les cellules NK ne sont pas capables de lyser les cellules infectées et ne produisent pas d’IFN-γ. Les cellules NK s’activent et sont capables de lyser les cellules infectées en présence de macrophages mais également de DC infectés par des LASV mutants. Cependant, les IFN de type I sécrétés en grande quantité en réponse à ces virus ne sont pas impliqués dans l’activation des cellules NK. L’infection par EBOV n’induit qu’une très faible activation des cellules NK en présence de DC ou macrophages et ne conduit pas à la sécrétion de cytokines, ni à la modification du potentiel cytotoxique.Ces résultats permettent d’améliorer la compréhension des réponses immunes et des mécanismes de pathogenèse mis en place lors des fièvres hémorragiques Lassa et Ebola. / The hemorrhagic fevers caused by Lassa (LASV) and Ebola (EBOV) viruses are important problems of public health in Africa. The immune responses and the pathogenesis associated with these diseases are unknown. NK cells are at the crossroads between the innate and adaptive immune responses through their abilities to secrete cytokines and kill the infected cells. The interactions between NK cells and dendritic cells (DC) or macrophages potentiate the immune responses. This project aims to understand the role of NK cells in the control of viral replication and in the induction of immune responses during LASV and EBOV infection.An in vitro model of coculture of human NK cells with autologous DC or macrophages has been set up. Cell activation, cytokine production, proliferation and NK cell-mediated killing were analyzed after the infection with LASV or EBOV. In addition, NK cell functions in response to LASV were compared with those induced during Mopeia virus (MOPV) infection, closely related to LASV but not pathogenic for humans.Here, we show that LASV- or MOPV-infected macrophages, but not DC, induce the activation of NK cells and the increase of their cytotoxic capacity. This process involves cell contact and type I IFN. However, these cells are neither able to kill the infected cells nor produce IFN-γ. NK cells are activated and are able to kill the infected cells when stimulated by mutated LASV-infected macrophages and DC. Surprisingly, the type I IFN which are secreted in high amounts in response to these viruses are not involved in NK cell activation. EBOV infection does not lead to NK cell activation in the presence of DC. EBOV-infected macrophages induce low NK cell activation without cytokine production or cytotoxicity.These results allow to better understand the immune responses and the mechanisms of pathogenesis associated with Lassa and Ebola hemorrhagic fevers.

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Le contrôle immunitaire des infections virales est effectué, en grande partie, par les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Pour y parvenir, les lymphocytes T CD8+ doivent être en mesure de reconnaître les cellules infectées et de les éliminer. Cette reconnaissance des cellules infectées s’effectue par l’interaction du récepteur T (TCR) des lymphocytes T CD8+ et des peptides viraux associés au complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe I à la surface des cellules hôtes. Cette interaction constitue l’élément déclencheur permettant l’élimination de la cellule infectée. On comprend donc toute l’importance des mécanismes cellulaires menant à la génération des peptides antigéniques à partir des protéines virales produites au cours d’une infection. La vision traditionnelle de cet apprêtement protéique menant à la présentation d’antigènes par les molécules du CMH propose deux voies cataboliques distinctes. En effet, il est largement admis que les antigènes endogènes sont apprêtés par la voie dite ‘‘classique’’ de présentation antigénique par les CMH de classe I. Cette voie implique la dégradation des antigènes intracellulaires par le protéasome dans le cytoplasme, le transport des peptides résultant de cette dégradation à l’intérieur du réticulum endoplasmique, leur chargement sur les molécules du CMH de classe I et finalement le transport des complexes peptide-CMH à la surface de la cellule où ils pourront activer les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde voie impliquant des antigènes exogènes, le dogme veut que ceux-ci soient apprêtés par les protéases du compartiment endovacuolaire. Les peptides ainsi générés sont directement chargés sur les molécules de CMH de classe II à l’intérieur de ce compartiment. Par la suite, des mécanismes de recyclage vésiculaire assurent le transport des complexes peptide-CMH de classe II à la surface de la cellule afin de stimuler les lymphocytes T CD4+. Cependant, cette stricte ségrégation des voies d’apprêtement antigénique a été durement éprouvée par la capacité des cellules présentatrices d’antigènes à effectuer l’apprêtement d’antigènes exogènes et permettre leur présentation sur des molécules de CMH de classe I. De plus, l’identification récente de peptides d’origine intracellulaire associés à des molécules de CMH de classe II a clairement indiqué la présence d’interactions entre les deux voies d’apprêtement antigénique permettant de transgresser le dogme préalablement établi. L’objectif du travail présenté ici était de caractériser les voies d’apprêtement antigénique menant à la présentation d’antigènes viraux par les molécules du CMH de classe I lors d’une infection par le virus de l’Herpès simplex de type I (HSV-1). Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons une nouvelle voie d’apprêtement antigénique résultant de la formation d’autophagosomes dans les cellules infectées. Cette nouvelle voie permet le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire dégradatif dans la phase tardive de l’infection par le virus HSV-1. Cette mise en branle d’une seconde voie d’apprêtement antigénique permet d’augmenter le niveau de présentation de la glycoprotéine B (gB) virale utilisée comme modèle dans cette étude. De plus, nos résultats décrivent la formation d’une nouvelle forme d’autophagosomes dérivés de l’enveloppe nucléaire en réponse à l’infection par le virus HSV-1. Ces nouveaux autophagosomes permettent le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire lytique, action également assurée par les autophagosomes dits classiques. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous utilisons l’infection par le virus HSV-1 et la production de la gB qui en résulte pour étudier le trafic membranaire permettant le transfert de la gB vers un compartiment vacuolaire dégradatif. Nos résultats mettent en valeur l’importance du réticulum endoplasmique, et des compartiments autophagiques qui en dérivent, dans ces mécanismes de transfert antigénique permettant d’amplifier la présentation antigénique de la protéine virale gB sur des CMH de classe I via une voie vacuolaire. L’ensemble de nos résultats démontrent également une étroite collaboration entre la voie classique de présentation antigénique par les CMH de classe I et la voie vacuolaire soulignant, encore une fois, la présence d’interaction entre les deux voies. / Immune control of viral infections is mainly carried out by cytotoxic CD8+ T lymphocytes. To achieve this, CD8+ T lymphocytes must be able to recognize infected cells and eliminate them. This recognition of infected cells occurs by the interaction of the T cell receptor (TCR) of CD8+ T lymphocytes and viral peptides associated with major histocompatibility complex (MHC) class I on the surface of host cells. This interaction is the key element triggering the elimination of infected cells. This emphasizes the major role of cellular mechanisms leading to the generation of antigenic peptides from viral proteins. The traditional view of antigen presentation by MHC molecules proposes two segregated pathways. Indeed, it is widely accepted that endogenous antigens are processed by the ''classical'' MHC class I presentation pathway. This pathway involves the degradation of intracellular antigens by the proteasome complex in the cytoplasm of the cell, the resulting peptides are then translocated in the endoplasmic reticulum where they are loaded on MHC class I molecules, and finally peptide-MHC complex are exported at the cell surface to activate CD8+ T lymphocytes. In contrast, exogenous antigens internalized by endocytosis or phagocytosis are processed by hydrolases in the lytic endovacuolar compartment and the resulting peptides are loaded on MHC class II molecules. Thereafter, vesicle recycling mechanisms transport the peptide-MHC class II complex on the cell surface where they can stimulate CD4+ T lymphocytes. However, the strict segregation of these two pathways has been revisited to account for the ability of antigen presenting cells to present exogenous antigens on MHC class I molecules by a process called cross-presentation. Moreover, the recent finding that intracellular peptides might also be presented by MHC class II molecules clearly emphasized the presence of interactions between these two antigen processing pathways that transgress the previously established dogma. The objective of the work presented here was to characterize the antigen processing pathways leading to antigen MHC class I presentation during herpes simplex type I (HSV-1) infection. In the results reported here, we describe a new antigen processing pathway resulting from the formation of autophagosomes in HSV-1 infected cells. This new pathway allows the transfer of viral antigens in a lytic vacuolar compartment during the late phase of infection. The development and activation of this second pathway of antigen processing leads to an increased MHC class I presentation of the viral glycoprotein B (gB) used as a model in this study. Moreover, our results describe the establishment of a new form of autophagosomes derived from the nuclear envelope in response to HSV-1 infection. This new form of autophagosomes also contributes to viral antigen transfer to lytic vacuolar compartment in parallel to the action of classical autophagy. Our results also show a close collaboration between the classical MHC class I presentation pathway and vacuolar pathway induced by the formation of autophagosomes, still reinforcing the idea that these two pathways interact together to ensure optimal antigens processing during viral infection. In the second part of the work presented here, we use HSV-1 infection and the resulting viral glycoprotein B to study membrane trafficking allowing the transfer of gB to degradative vacuolar compartments. Our results highlight the role of the endoplasmic reticulum in antigen transfer mechanisms that induce an amplified MHC class I presentation of the viral glycoprotein B.

L’autophagie est un processus cellulaire catabolique qui a été conservé durant l’évolution de la levure à l’homme. Cet important mécanisme consiste en une dégradation des composants cytoplasmiques dans une structure lytique, le lysosome. Il existe trois types de l’autophagie : la microautophagie, l’autophagie médiée par les chaperones et la macroautophagie nommée « autophagie ». Il a été démontré que lors de l’autophagie, le matériel cytoplasmique (protéines cytosoliques et organites) est séquestré dans l’autophagosome qui finit par fusionner avec le lysosome, formant ainsi l’autophagolysosome. Le matériel séquestré et la membrane interne de l’autophagosome seront dégradés par les hydrolases lysosomales. Plusieurs études se sont focalisées sur la détermination de la machinerie moléculaire et les mécanismes de l’autophagie. Il a été démontré l’implication de 31 molécules Atg essentielles dans le processus de l’autophagie. L’identification de ces protéines a permis de déceler le rôle de l’autophagie non seulement dans le maintien de l’homéostasie cellulaire mais aussi dans la défense contre les agents pathogènes. En effet, l’autophagie joue un rôle important dans l’immunité innée conduisant à contrôler l’évasion des pathogènes dont les bactéries et les virus. Également, l’autophagie est impliquée dans l’immunité adaptative en favorisant la présentation des antigènes viraux par le CMH de classe II aux cellules T CD4+. De plus, une étude récente suggère que l’autophagie contribue à la présentation antigénique par le CMH de classe I aux cellules T CD8+ durant une infection virale par le virus HSV-1 (Herpes simplex type 1). Toutefois, certains virus y compris HSV-1 ont pu développer des mécanismes pour contourner et inhiber en partie le rôle protecteur de l’autophagie. Récemment, une étude dans notre laboratoire a mis en évidence, lors d’une infection virale par HSV-1 des cellules macrophages BMA, la présence d’une nouvelle structure autophagique dans une phase tardive de l’infection. Cette nouvelle structure est différente des autophagosomes classiques à double membrane et est caractérisée morphologiquement par quatre membranes dérivées de l’enveloppe nucléaire interne et externe. Peu de choses ont été rapportées sur cette nouvelle voie autophagique qui peut être un mécanisme de défense cellulaire quand l’autophagie classique dans le cytosol est inhibée par HSV-1. Il devient donc intéressant de caractériser les molécules impliquées dans la formation de ces autophagosomes issus du noyau par spectrométrie de masse. Pour ce faire, il était impératif d’établir un outil d’isolation des noyaux à partir de macrophages infectés par HSV-1 dans lesquels les autophagosomes issus des noyaux seront formés. La validation de cette méthode d’isolation a été effectuée en déterminant la pureté et l’intégrité des noyaux isolés à partir des cellules non infectées (contrôle) et infectées par HSV-1. La pureté des préparations de noyaux isolés a été caractérisée par l’absence de contaminants cellulaires et un enrichissement en noyaux. Également, il a fallu déterminer la cinétique de formation des autophagosomes issus des noyaux pour les deux lignées cellulaires de macrophages utilisées dans ce projet. Dans une perspective future, l’analyse protéomique à partir des échantillons purs des noyaux isolés (non infectés et infectés) mènera à identifier les protéines impliquées dans la formation des autophagosomes dérivés des noyaux, ce qui permettra ultérieurement d’effectuer des études sur les mécanismes moléculaires et les fonctions de cette nouvelle voie autophagique. / Autophagy is a catabolic cellular process that has been conserved during evolution from yeast to humans. More specifically, it consists of the degradation of cytoplasmic components within a lytic structure, the lysosome. There are at least three distinct types of autophagy; microautophagy, chaperone-mediated-autophagy, and macroautophagy wich often referred to simply as “autophagy” in the literature. It has been shown that during this type of autophagy, cytoplasmic material (cytosolic proteins and organites) are sequestrated in autophagosomes which fuse with lysosomes, forming autophagolysosomes where the sequestered material and the internal membrane of the autophagosomes are degraded by lysosomal hydrolases. Many studies have focused on understanding the molecular machinery and mechanism of autophagy. It has been shown that 31 autophagy proteins (Atg) are implicated and essential in the autophagic process. More importantly, the identification of these proteins has permitted the discovery of the role of autophagy not only in the maintenance of cellular homeostasis but also in host defense against pathogenic agents. Autophagy plays an important role in innate immunity by clearing and destroying intracellular pathogens like bacteria and viruses. Autophagy is also implicated in adaptive immunity, by promoting the presentation of viral antigens on CMH class II molecules to CD4+ T cells. A recent study has shown that autophagy also contributes to antigen presentation on CMH class I molecules to CD8+ T cells during infection with Herpes simplex virus type 1 (HSV-1). Certain viruses including herpes viruses have developed mechanisms to inhibit autophagy. Interestingly, a recent study in our lab revealed the presence of a new autophagic structure that occured during the late phase of viral infection of BMA macrophages with HSV-1. These structures are different from the classic double membrane autophagosomes, and are morphologically characterized by four membranes emerging from the inner and outer nuclear envelope. Very little was known about this novel nuclear-membrane autophagy pathway, which might function as a cellular defense mechanism when classic autophagy in the cytosol is inhibited by the virus. It is therefore of great interest to characterize the proteins involved in the formation of these autophagosomes from the nucleus by mass spectrometry. In order to do so, it was imperative to establish a protocol for the isolation of nuclei from HSV-1 infected macrophages which carry nuclear autophagosomes on their envelope. The validation of this isolation method was carried out by determining the purity of isolated nuclei in uninfected (mock) and infected macrophages. The purity of isolated nuclei was characterized by the absence of cellular contaminants derived from other cellular organites and enrichment in nuclei. Moreover, the kinetic of autophagosome formation on the nuclei during infection had to be determined for the two macrophage cell lines used during this project. As a future perspective, a proteomic analysis of pure samples of isolated nuclei (uninfected and infected) should identify proteins implicated in the formation of autophagosomes derived from the nuclei, and thus allow further studies of the molecular mechanism and functions of this novel autophagy pathway.

Le RXP470.1 est l’un des premiers inhibiteurs puissants de la MMP-12, une métalloprotéase à zinc impliquée dans de nombreuses pathologies comme l’athéroclérose et la bronchopneumopathie obstructive chronique (BPCO). Pour comprendre les bases moléculaires contrôlant l’interaction de cet inhibiteur avec sa cible, des approches pluridisciplinaires associant des relations structure-activité, avec des études de cristallographie de complexes enzymes inhibiteurs et d’études de microcalorimétrie, décrivant les contributions enthalpiques et entropiques impliquées dans la formation des complexes, ont été réalisées dans ce travail de thèse. Les affinités de trois analogues du RXP470.1 ont été tout d’abord déterminées. Puis quatre structures cristallographiques de complexes enzyme/inhibiteur décrivant le mode d’interaction duRXP470.1 et de ces trois analogues ont été obtenues avec des résolutions de 1.15 Å, 1.50 Å, 1.50Å et 1.30 Å, respectivement. Parallèlement les études de microcalorimétrie ont été menées pour étudier les facteurs énergétiques contrôlant l’interaction du RXP470.1 avec la MMP-12. Les résultats indiquent que la présence d’une chaîne latérale très longue et hydrophobe en position P1’de l’inhibiteur s’insérant dans la cavité S1’ de la MMP-12 est essentielle à la très bonne affinité de cet inhibiteur pour la MMP-12. Cette interaction met essentiellement en jeu un effet entropique très important de - 4 kcal/mol. L’interaction du RXP470.1 est aussi essentiellement dirigée par une forte augmentation d’entropie (-TDS= -10 kal/mol) et une composante enthalpique beaucoup plus faible (DH= -2.5 kcal/mol), et ce malgré l’observation dans le cristal de nombreuses interactions entre l’inhibiteur et le site actif de la MMP-12. L’étude de microcalorimétrie met aussi en lumière la prise d’un proton au cours de la formation du complexe enzyme inhibiteur impliquant deux résidus chargés négativement en solution, le résidu catalytique Glu219 et le groupe phosphoryle chélatant du zinc dans l’inhibiteur. Cette étude révèle aussi que si le groupe phosphoryle est considéré comme un chélatant faible de l’atome de zinc, il impose néanmoins des contraintes directionnelles très importantes qui ont un impact sur le positionnement des autres parties de l’inhibiteur dans le site actif de l’enzyme. Ce dernier effet pourrait expliquer pourquoi un certain nombre d’interactions entre l’inhibiteur et l’enzyme ne sont pas optimisées et pourquoi la variation d’enthalpie pour former le complexe reste relativement faible. Cette étude ouvre maintenant la voie à d’autres études en plaçant au centre des futurs travaux le rôle du groupe chélatant dans la conception des inhibiteurs de MMP, ainsi de nouveaux inhibiteurs puissants et sélectifs d’autres MMP devraient voir le jour grâce à ce travail et aux résultats obtenus. / RXP470.1 is one of the first highly potent and selective inhibitor of MMP-12, a zinc protease involved in several human diseases such as atherosclerosis and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). To understand the molecular determinants controlling the interaction of RXP470.1 with MMP-12 active site, a multidisciplinary approach combining structure-activity data, crystallography and microcalorimetry have been performed on RXP470.1 and its three analogues. The affinities of the three RXP470.1 analogues have been determined. Then, fourcrystal structures of MMP-12 in interaction with these inhibitors have beendetermined at high resolution, 1.15 Å, 1.50 Å, 1.50 Å et 1.30 Å, respectively. These data have indicated that the presence of a long hydrophobic side chain in the P1’ position of the RXP470.1, which enters deeply inside the S1’ cavity of MMP-12, is playing a key role in the inhibitor affinity. The contribution of this side chain is mostly entropic (-TDS - 4 kcal/mol). The interaction of RXP470.1 with MMP-12 is also mostly driven by a sizeable entropy increase (-TDS= -10 kal/mol) and a more modest enthalpy contribution (DH= -2.5 kcal/mol), despite the observation in the crystal structure of several contacts between inhibitor and MMP-12 active site. Furthermore, this study reveals that the binding of RXP470.1 to MMP-12 is linked to a proton uptake involving two negatively charged residues, the catalytic Glu219 and the phosphoryl group of the inhibitor. Furthermore, despite that the phosphoryl group is considered as a weak zincbinding group, this study highlights that the interactions of this group with the active site zinc atom involved strong directionality between these two groups. This effect has strong impact on the positioning of the other parts of the inhibitor in the MMP-12 active site. This last effect could be responsible for the modest enthalpy increase associated with the binding of RXP470.1 to MMP-12, by preventing the optimization of several interactions between the inhibitor and the enzyme. The results indicate that the role of the zinc-binding group should be better consider in the future. Finally this study opens a new vision in this field and should allow the design of new selective inhibitors of other MMPs.