Les chimiokines et leurs récepteurs spécifiques dans les poumons ASA 1 Les chimiokines et leurs récepteurs spécifiques dans les poumons I. Propriétés générales des chimiokines/récepteurs II. Rôles dans le contexte physiopathologique - Asthme - Cancer

facteurs chémo-attractants ASA 2 RECRUTEMENT DES LEUCOCYTES DANS LES TISSUS membrane basale roulement Leucocyte diapédèse Adhérence ferme endothélium Activé matrice extracellulaire vaisseau sanguin TAN tissu adjacent facteurs chémo-attractants f-Met-Leu-Phe, PAF (platelet activating factor) facteur C5 …... Chimiokines inflammation infection tumeur

LES CHIMIOKINES/CHEMOKINES chemotactic cytokines ASA 3 3 LES CHIMIOKINES/CHEMOKINES chemotactic cytokines  Protéines sécrétées de faible poids moléculaire (7 à 14 kDa).  Plus de 50 molécules identifiées.  Fonction initialement décrite : attraction des leucocytes.  Structure tridimensionnelle: -trois feuillets plissés b -partie C terminale en hélice a  Présence dans la séquence de 4 Cystéines dans des positions très conservées permettant la formation de ponts disulfures.

LES SOUS FAMILLES DE CHIMIOKINES 1ère classification ASA 4 4 LES SOUS FAMILLES DE CHIMIOKINES 1ère classification Famille Structure Chromosome C1XC2 CXC chimiokine C3 C4 N C Hélice a 1 4 q 1 2 - 2 1 feuillets b1 b2 b3 C1C2 CC chimiokine C3 C4 1 7 q 1 1 . 2 - 1 2 b1 b3 b2 C2 C chimiokine C3 C4 1 q 2 3 b1 b2 b3 C1XXXC2 CX3C chimiokine C3 C4 1 6 b1 b2 b3

LES CHIMIOKINES *  Importance des cystéines CC chimiokine ASA 5 LES CHIMIOKINES  Importance des cystéines Formation de ponts disulfures  forme globulaire des chimiokines CXC chimiokine CC chimiokine C X * 1 2 4 3 XC chimiokine 3 CX3C chimiokine (domaine chimiokine) C Cystéine X Acide aminé quelconque * extrémité N terminale

1ère classification et nomenclature ASA 6 LES CHIMIOKINES 1ère classification et nomenclature  Première classification basée sur des critères structuraux CXCL1 à CXCL17 (ELR+, ELR-) CCL1 à CCL28 XCL1, XCL2 CX3CL1  CXC : 17 membres CC : 28 membres  XC : 2 membres CX3C : 1 membre numéro correspondant à l’ordre de dépôt de séquence dans la base de données cytokines cDNA database : http://cytokine.medic.kumamotu.ac.jp/CFC/CK/chemokine.html

LES CHIMIOKINES autre classification ASA 7 LES CHIMIOKINES autre classification  Classification basée sur des critères fonctionnels  chimiokines homéostatiques ou constitutives  chimiokines inflammatoires ou inductibles produites et sécrétées en faible quantité par les organes dans les conditions physiologiques normales produites massivement uniquement dans un contexte pathologique (inflammatoire, infectieux ou tumoral) par le tissu lui même ou par les leucocytes infiltrant les tissus

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 8 Les chimiokines et leurs récepteurs  Chimiokines :4 sous-familles CCL(1 à 28) CXCL(1 à 17) XCL1,2 CX3CL1 C C C X  Récepteurs : 4 sous-familles membrane int ext CXCR (1 à 7) CCR(1 à 10) XCR(1,2) CX3CR   

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 9 Les chimiokines et leurs récepteurs CCR6 CCR9 CCR11 CCR4 CCR5 CCR7 CCR8 CCR10 CCR3 CCR2(A,B) CCR1 une cinquantaine de chimiokines … une vingtaine de récepteurs … relation chimiokine-récepteur de type polygamique CXCR5 CXCR6 CXCR2 CXCR1 CXCR4 CXCR7 CXCR3 20 récepteurs CX3CR1 XCR1(A,B) 3 récepteurs silencieux ou leurres D6 DARC CCXCKR D’après Balkwill, Nat Rev Cancer (2004), 4, 540-550

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 10 Les chimiokines et leurs récepteurs CCL1, CCL3L1 CCL4L1 XCL1,2 CXCL1,6,7,8 CXCL1,2,3,5,6,7,8 CCL3,5,6,7,8,11,13,15,24,26,27,28 CCL17,22 CCL3,4,5,8,14,CCl3L1,CCL4L1 CCL19,21 CCL27,28 CCL19,21,25 CXCL9,10,11 CCL,5,6,7,9,10,13,14,15,1,23, CCL3L1 CCL2,3,6,7,8,12,13,16,27 CXCL11,12 CCR4 CCR3 CCR5 CCR2 CCR7 CCR1 CCR8 CXCR7 CCR10 récepteurs partagés CXCR3 CCR11 CXCR2 XCR1 CXCR1 récepteurs non partagés CCL20 CCL25 CX3CL1 CXCL12 CXCL16 CXCL13 CCR6 récepteurs silencieux CCL2,3,5,7 CCL17,22 CCL2,5 CXCL1,8 CCL19,21,25 CXCL13 DARC CCR9 D6 CX3CR1 CXCR4 CCXCKR CXCR5 CXCR6 D’après Balkwill, Nat Rev Cancer (2004), 4, 540-550

Les récepteurs des chimiokines ASA 11 12 Les récepteurs des chimiokines  Récepteurs à 7 domaines transmembranaires couplés aux protéines G trimériques  Récepteurs formés d ’une chaîne polypeptidique de 350 à 360 acides aminés  Extrémité N terminale extracellulaire et extrémité C terminale intracellulaire NH2 Ext membrane Int interaction G trimériques COOH

Modèle d’interaction chimiokines/récepteurs 14 ASA 12 Modèle d’interaction chimiokines/récepteurs La composition des voies de signalisation dépend à la fois de la chimiokine, du récepteur et de la cellule D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649

D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649 ASA 13 Cascades de signalisation induites par les interactions chimiokines/récepteurs , Apoptosis D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649

Les chimiokines et leurs récepteurs … ASA 14 Les chimiokines et leurs récepteurs … fonctions  Chémoattraction: recrutement cellulaire leucocytes: réponse immunitaire Chimiokines constitutives et inductibles cellules tumorales: domiciliation métastatique Chimiokines constitutives  Prolifération/Survie/Apoptose Chimiokines constitutives et inductibles

Spécificité cellulaire des chimiokines ASA 14’ Spécificité cellulaire des chimiokines - Spécificité assez large vis à vis des sous-populations leucocytaires et des cellules normales/cancéreuses - Redondance importante des chimiokines entre elles

Les CXC chimiokines et leurs cibles cellulaires ASA 15 Les CXC chimiokines et leurs cibles cellulaires Famille Chimiokines IL-8 (CXCL8) GRO- (CXCL1) GRO- (CXCL2) GRO- (CXCL3) ENA-78 (CXCL5) GCP-2 (CXCL6) NAP-2 (CXCL7) PF4 (CXCL4) IP-10 (CXCL10) MIG (CXCL9) SDF-1 (CXCL12) BCA-1(CXCL13) ITAC (CXCL11) Cellules cibles N, T, Ba, CE, NK, K, Me N, Me, CE, T, Ba N, Ba, CE, T N, CE N, Ba, F, CE T, F, CE T, NK, M, CE T, EC L, CD34+, N, , M T, souches B, T N, T, Ba, CE, NK, K, Me N, Me, CE, T, Ba N, Ba, CE, T N, CE N, Ba, F, CE T, F, CE T, NK, M, CE T, EC L, CD34+, N, M T, souches B, T ERL+ ERL- Motif ERL = glutamate-leucine-arginine C X C chimiokines constitutives M = Monocyte CE = Cellule Endothéliale N = Neutrophile F = Fibroblaste L = Lymphocyte Ba = Basophile T = Lymphocyte T K = Kératinocyte B = Lymphocyte B Me = Mélanocyte NK = Natural killer

CXC ELR + : chimiokines angiogéniques ASA 16 7 LES CXC CHIMIOKINES CXC ELR + : chimiokines angiogéniques CXCL8: IL-8 (Interleukin-8) CXCL5 : ENA-78 (Epithelial cell-derived neutrophil-activating factor-78) CXCL1: GRO- (Growth Related Oncogene-a) CXCL2: GRO- (Growth Related Oncogene-b) CXCL3: GRO- (Growth Related Oncogene-g) CXCL6: GCP-2 (Granulocyte chemotactic protein-2) CXCL3: PBP (Platelet basic protein) CXCL3: CTAP-III (Connective tissue activating protein-III)  CXCL13: -TG (b-thromboglobulin) CXCL7: NAP-2 (Neutrophil-activating peptide-2) CXC ELR - : chimiokines angiostatiques CXCL4: PF4 (Platelet factor 4) CXCL10: IP-10 (Interferon-g-inducible protein) CXCL9: MIG (Monokine induced by interferon-g) CXCL12: SDF-1 (Stromal cell-derived factor-1)

Les CC chimiokines et leurs cibles cellulaires ASA 17 Les CC chimiokines et leurs cibles cellulaires Chimiokines MCP-1 : CCL2 MCP-2 : CCL7 MCP-3 (CCL8) MCP-4 (CCL13) MCP-5 (CCL2) MIP-1 (CCL3) MIP-1 (CCL4) RANTES (CCL5) Eotaxin 1(CCL11) I-309 (CCL1) HCC-1 (CCL14) MIP-3 (CCL20) MIP-3 (CCL19) TARC (CCL17) TECK (CCL25) 6CKine/SLC (CCL21) MDC (CCL22) DC-CK1/PARC (CCL18) Eotaxine-2 (CCL24) Eotaxine-3 (CCL26) Cellules cibles M, Ba, Tm, NK, CD, CMS M, Ba, E, Tm-n, NK, CD M, Ba, E, Tm, NK, CD M, E, T, Ba M, E, T M, Ba, N, T, souches, NK, CD, B M, T, souches, NK, CD M, Tm, E, Ba, CD, NK E T, M M, souches L L,M M, T Ma, CD, thymocytes T, souches CD, NK, T CD M, Ba, Tm, NK, CD, CMS M, Ba, E, Tm-n, NK, CD M, Ba, E, Tm, NK, CD M, E, T, Ba M, E, T M, Ba, N, T, souches, NK, CD, B M, T, souches, NK, CD M, Tm, E, Ba, CD, NK E T, M, M, souches L L, M, M, T M, CD, thymocytes T, souches CD, NK, T CD M = Monocyte B = Lymphocyte B CD = Cellule dendritique MA=Macrophage Ba = Basophile NK = Natural killer Tm = T mémoire CMS = Cellule de Muscle Squelettique L = Lymphocytes Tn = T naïf E = Eosinophile chimiokines constitutives

Thymocyte, Lymphocyte T, NK, Cellule dendritique ASA 18 Les familles C et CX3C chimiokines Famille XC CX3C Chimiokine Lymphotactine  XCL1, XCL2 Fractalkine CX3CL1 Cellules cibles Thymocyte, Lymphocyte T, NK, Cellule dendritique Lymphocyte T, NK, Cellule dendritique, Monocyte

Chimiokines non conventionnelles: CX3CL1 et CXCL16 ASA 19 Chimiokines non conventionnelles: CX3CL1 et CXCL16  Chimiokines conventionnelles = protéines sécrétées de faible poids moléculaire (7 à 14 kDa)  Chimiokines non conventionnelles = protéines de haut poids moléculaire une forme membranaire (92-95 kDa) et une forme soluble (90-92 kDa) domaine intracellulaire domaine mucine transmembranaire C X zone de clivage CX3CL1 CXCL16 chimiokine : 10-12 kDa

Les chimiokines et leurs récepteurs spécifiques dans le contexte pathologique - Asthme - Cancer

mémoire immunologique ASA 20 15 Les cellules impliquées dans la réponse immunitaire Le rôle du système immunitaire consiste à : - reconnaître les agents potentiellement dangereux pour l’organisme - mettre en place une réponse adéquate pour assurer la défense de l’organisme Le système immunitaire répond selon deux phases 1: Réponse innée cellules présentatrices d’Antigènes Cellules Natural Killer macrophages/monocytes Granulocytes : (éosinophiles, neutrophiles, basophiles) cellules dendritiques Elimination du pathogène/allergène monocytes Développement mémoire immunologique 2: Réponse adaptative Lymphocytes B Lymphocytes T (CD4 et CD8)

La réaction allergique ASA 21 La réaction allergique Allergène : substance étrangère ‘inoffensive’ personne sensible Réponse immunitaire inappropriée/mal contrôlée allergène aérien Symptômes respiratoires

radicaux libres oxygénés ASA 22 L’asthme et les chimiokines L’asthme est accompagnée d’allergie : asthme allergique - Augmentation du taux IgE circulants - Obstruction des voies respiratoires - Augmentation de la réactivité bronchique - Infiltration importante de leucocytes (éosinophiles, basophiles, TCD4 th2….) radicaux libres oxygénés protéases ,histamine cytokines IL4, IL5, IL13… leukotriènes prostaglandines…... Altération de l’épithélium bronchique Les chimiokines sont les molécules responsables du recrutement massif de leucocytes dans le tissu bronchique du sujet asthmatique

LES CHIMIOKINES IMPLIQUEES DANS L’ASTHME ASA 23 LES CHIMIOKINES IMPLIQUEES DANS L’ASTHME chimiokines inductibles Chimiokines majeures: Chimiokines mineures:  RANTES (CCL5)  LES MCPs MCP4 (CCL13) MCP3 (CCL7)  LES EOTAXINES éotaxine 1 (CCL11) éotaxine 2 (CCL24) éotaxine 3 (CCL26) Nouvelle chimiokine : fractalkine (CX3CL1)  MDC (CCL22)  MIP-1a (CCL3)  MCP-3 (CCL8)

ASA 24 RANTES (CCL5) Chimiokine la plus abondante dans les fluides des lavages broncho- alvéolaires chez les patients asthmatiques Niveaux comparables de CCL5 après challenge allergène chez les sujets asthmatiques et non asthmatiques Parfaite corrélation entre la concentration de CCL5 et le nombre d’éosinophiles dans les fluides des lavages broncho-alvéolaires Niveau de CCL5 maximal dans les lavages broncho-alvéolaires 4 à 6 heures après le challenge puis retour à un niveau basal après 24 heures

LES MCPs: MCP-3 et MCP-4 (CCL8, CCL13) ASA 25 LES MCPs: MCP-3 et MCP-4 (CCL8, CCL13) Aussi efficaces que CCL5 pour l’attraction des éosinophiles Propriété d’induction de la sécrétion d’histamine par les basophiles activés (intensification de l’inflammation au niveau des voies respiratoires) Après un challenge allergène, la production est beaucoup plus importante chez les sujets asthmatiques par rapport aux sujets non asthmatiques Niveau maximal dans les lavages broncho-alvéolaires 4 à 6 heures après le challenge allergène puis retour à un niveau basal après 24 heures

LES EOTAXINES (CCL11, CCL24, CCL26) ASA 26 LES EOTAXINES (CCL11, CCL24, CCL26) CCL11 et CCL24 aussi efficaces que CCL5 en terme de recrutement des éosinophiles, CCL26 moins efficace Niveau des CCL11, CCL24, CCL26 maximal dans les lavages broncho-alvéolaires 4 à 6 heures après le challenge puis retour à un niveau basal après 24 heures CCL11 - induit le recrutement des basophiles et des lymphocytes T CD4 stimule la production de radicaux libres oxygénés par les éosinophiles - Agit en synergie avec l’IL5 produite par les T CD4 et les éosinophiles activés pour le recrutement des éosinophiles de la moelle osseuse = marqueur de sévérité CCL24 - Induit la sécrétion d’histamine et de leukotriènes par les basophiles activés = marqueur de sévérité

ASA 27 La fractalkine (CX3CL1): une nouvelle chimiokine impliquée dans la maladie asthmatique Chez les patients présentant une dermite atopique, le niveau de CX3CL1 membranaire exprimée par les cellules endothéliales est augmenté et la concentration en CX3CL1 soluble dans le sérum est importante Présence de CX3CL1 dans le sérum associée à la sévérité de la maladie Après challenge allergène le niveau de CX3CL1 dans les lavages broncho-alvéolaires est plus important chez les sujets asthmatiques par rapport aux sujets non asthmatiques Récepteurs de CX3CL1 absents sur les éosinophiles et présents sur les lymphocytes T CD4

LES RECEPTEURS DES CHIMIOKINES IMPLIQUES DANS L ’ASTHME ASA 29 LES RECEPTEURS DES CHIMIOKINES IMPLIQUES DANS L ’ASTHME Pour les éosinophiles (CCL5) (CCL11) (CCL5) (CCL3) (CCL8) (CCL21, CCL24) (CCL8) (CCL13) Pour les basophiles: implication de CCR3 (CCL8, CCL13, CCL24) Pour les lymphocytes T CD4: implication de CCR4 (ligand CCL22) CX3CR (ligand CX3CL1)

Origine de la production des chimiokines impliquées dans l’asthme ASA 30 Origine de la production des chimiokines impliquées dans l’asthme Fibroblastes pulmonaires Cellules épithéliales pulmonaires Macrophages alvéolaires Cellules endothéliales Plaquettes sanguines Leucocytes recrutés

Implication des chimiokines et de leurs récepteurs spécifiques dans les métastases pulmonaires

Effets protumoraux des couples chimiokines/récepteurs ASA 31 Effets protumoraux des couples chimiokines/récepteurs  Domiciliation des métastases vaisseau sanguin organes secondaires tumeur primaire chimiokines récepteurs domiciliation expansion récepteurs de chimiokines surexprimés chimiokines constitutives  Les couples (nature et nombre) impliqués dépendent de la tumeur d’origine et de l’organe cible où vont se nicher les métastases  Croissance tumorale: contrôle de la prolifération, la survie et l’apoptose des cellules tumorales

chimiokine constitutive Couples chimiokines/récepteurs de chimiokines impliqués dans la domiciliation des métastases CXCL12 chimiokine constitutive CXCR4 membrane int ext    CXCR4 : anormalement exprimé dans la plupart cancers

ASA 32 Couples chimiokines/récepteurs de chimiokines impliqués dans la domiciliation des métastases cellules tumorales surexprimant des récepteurs de chimiokines chimiokines sécrétées constitutivement par les tissus Adénocarcinomes mammaires Mélanomes Ostéosarcomes Adénocarcinomes prostatiques Rhabdomyosarcomes Adénocarcinomes coliques CXCR4 CXCR3, CXCR7 CXCR3,CXCR7 poumons moelle osseuse ganglions lymphatiques foie CXCL12 CXCL9 à 11 CXCL19 à 11 CXCL19 à11

Conclusions - Bloqueurs pharmacologiques des récepteurs ASA 33 Conclusions Les chimiokines et leurs récepteurs spécifiques représentent de nouvelles cibles thérapeutiques: - Bloqueurs pharmacologiques des récepteurs essai de phase II sur métastases pulmonaires des cancers mammaires avec des bloqueurs de CXCR4 - Anticorps bloquants anti-chimiokines et anti-récepteurs - Récepteurs solubles