L’organisation générale du système immunitaire révélée par une 1 L’organisation générale du système immunitaire révélée par une maladie infectieuse « bénigne »

Evolution d’une maladie infectieuse « bénigne » Contamination virale Symptomes Restitutio ad integrum incubation Lésions tissulaires virales Réaction inflammatoire Temps (jours) 5 - 10 Immunité innée Immunité adaptivee

Spécificité Mémoire symptomes Symptomes symptomes Tolérance au soi 1° Contamination virale 2° Contamination Même virus symptomes 2° Contamination Autre virus Symptomes symptomes Spécificité Mémoire Tolérance au soi

La spécificité par complémentarité stérique antigène antigène

Vers l’immunologie cellulaire : Théorie des chaînes latérales (Erlich) activation

De l’impossibilité des théories instructives Théorie du « moule instructeur » anticorps antigène Mais Incompatible avec la règle fondamentale de la structure des Protéines N’explique pas la mémoire

1955 : Théorie de la sélection naturelle NK. JERNE 1957 : Théorie de la sélection clonale M.F. BURNET

Sir MacFarlane BURNET 1899 - 1985

1°) clonalité de la réponse spécifique : régulations Ag par Ag I - Les grands principes classiques (1955 – 1980) 1°) clonalité de la réponse spécifique : régulations Ag par Ag Spécificité pré-établie Mémoire Persistance clonale Tolérance au soi Délétion clonale

Cellule souche Un double système,cellulaire et moléculaire de reconnaissance de l’antigène Bourse de Fabricius Ou moelle osseuse Organe de différenciation thymus B cell CD3 T cell TCR BcR = immunoglobulines Récepteurs clonaux Peptide issu de l’antigène MHC Antigène entier Antigène (protéine bactérienne)

1. L’organisation générale du système immunitaire révélée par une maladie infectieuse « bénigne » 2 La coopération T – B ; La présentation antigénique et la question du « pont antigénique », le rôle physiologique des molécules d’histocompatibilité

The discovery of T-B cooperation The hapten – carrier effect carriers hapten NIP OVA BSA B cells T cells Secondary Ab response to NIP-BSA +++

The discovery of T-B cooperation The antigen bridge model NIP OVA BSA Recognition phase Production phase Activation phase : + proliferation + differentiation B cell BcR cooperation Ag Bridge model TcR T cell Antibody production

T-cells must be activated by Ag Presenting cells to cooperate with B cells (3 cells partnership) Activation phase : + proliferation + differentiation Primed B cell BcR cooperation TcR Activ T cell APC cooperation

TcR must recognize their epitopes in association with MHC molecules : The peptide bond model. Ag B cell BcR Primed B cell Endocytosis Ag digestion T epitopes Transfert on Class II Export to the membrane B epitopes Activ.T cell cooperation DC

2°)Transformation de l’Ag et présentation au TCR restreinte par le MHC MHC classe II T cell TCR CD3 Cellule dendritique B cell

©2005 Nature Publishing Group | Privacy policy               Close window   Figure 1 Nature Immunology 6, 1114 - 1122 (2005) Published online: 25 September 2005; | doi:10.1038/ni1257 T cell receptor recognition of a 'super-bulged' major histocompatibility complex class I–bound peptide Fleur E Tynan, Scott R Burrows, Ashley M Buckle, Craig S Clements, Natalie A Borg, John J Miles, Travis Beddoe, James C Whisstock, Matthew C Wilce, Sharon L Silins, Jacqueline M Burrows, Lars Kjer-Nielsen, Lyudmila Kostenko, Anthony W Purcell, James McCluskey & Jamie Rossjohn                                                                                                                                                                                       Next  Close window     ©2005 Nature Publishing Group | Privacy policy

Cellules presentatrices Cellule T CD8+ MHC Classe I ubiquitaire MHC Classe II : Cellules presentatrices De l’antigène Cellule T CD4+

Two major types of aggressors & the immune system Cellular pathway Presenting molecule Extra-cellular Lysosomal endosomal path. MHC class II Bacteria parasites MHC class I Intra-cellular Ubiquitine proteasome path Virus infected cells Cancer cells

The control of intracellular proteins by MHC Cl I molecules killing Cytoplasmic Foreign protein

The control of intracellular proteins by MHC Cl I molecules CTL deleted Or tolerized No killing Self - protein

< previous next > ANTIGEN PRESENTATION < previous  next > The class I intracellular pathway uses an ancestor protein sorting pathway Defective ribosomal products Poly-ubiquitylation

2°)Transformation de l’Ag et présentation au TCR restreinte par le MHC MHC classe II T cell TCR CD3 Cellule dendritique B cell

3 L’organisation générale du système immunitaire vue au travers d’une maladie infectieuse « bénigne » La coopération T – B ; La présentation antigénique et la question du « pont antigénique », le rôle physiologique des molécules d’histocompatibilité 3 L‘activation des cellules T; La coopération cellules dendritiques – cellules T; Le destin fonctionnel des cellules T

Présentation de l’antigène : les cellules dendritiques, migrations et activation tissus CD au repos CD en activation Ganglion lymphatique Zone T Pre – cellule dendritique Vaisseau sanguin

L’activation des cellules T conduit à des états fonctionnels distincts Apoptose immédiate 2d signal Anergie (et/ou sénescence) 1° signal -MHC.CLII Ag- TCR Cellule T vierge Autophagie

Apoptose Nécrose Inflammation Phagocytose Réduction du volume cellulaire Perméabilisation des mitochondries Fragmentation oligo- nucléosomale de l'ADN Rupture de la membrane plasmique et libération du contenu intracellulaire Perméabilisation de la membrane plasmique Augmentation du volume cellulaire Altération des organelles Dégradation hétérogène de l'ADN Conservation de l'intégrité de la membrane plasmique Externalisation de phosphatidylsérine Fragmentation en corps apoptotiques Les deux types de mort cellulaire les plus couramment décrits sont l’apoptose et la nécrose et ils s’opposent sur de nombreux points. La mort par apoptose nécessite la mise en place d’un programme de mort défini et précis. On assiste alors à une série de digestions internes qui commencent par le cytoplasme et s’achève dans le noyau. Cela conduit à la réduction du volume cellulaire, à la perméabilisation des mitochondries et à la dégradation du matériel génétique. Il faut noter que la membrane plasmique reste intacte les cellules apoptotiques signalent leur présence aux cellules phagocytaires en externalisant la phosphatidylsérine sur le feuillet externe de leur membrane. D’autre part, leur fragmentation en corps apoptotiques facilite leur élimination propre et rapide par phagocytose, ce qui évite le développement d'une inflammation. Au contraire, la nécrose est un processus passif de mort cellulaire. On assiste à une perméabilisation de la membrane plasmique qui conduit au gonflement de la cellule. Suit alors la rupture de cette membrane et le contenu cellulaire est déversé dans la matrice extracellulaire, ce qui est propice au développement d’une inflammation. Enfin il existe d'autres formes de mort cellulaire qui sont intermédiaires entre apoptose et nécrose comme celle induite par CD47 et que je vais développer par la suite.

autophagy

L’activation des cellules T conduit à des états fonctionnels distincts Apoptose immédiate 2d signal Anergie (et/ou sénescence) 1° signal -MHC.CLII Ag- TCR Cellule T vierge Autophagie

Two types of memory T cells virgin CD62L +++ CCR7 + CD29- 45RA-O+ Blood to lymph nodes Ag stimulation CD62L +++ CCR7+ CD29+++ 45RA+,RO- Central memory Stay in LN Ag stimulation CD62L - CCR7- CCR5, 4, 2 et 3 high CD29+++ 45RA+,RO- Goes to Inflammatory area Effector memory

T cell functional polarization during activation Les molécules lymphocytaires et les mécanismes de la coopération ( 1980 - 1996) T cell functional polarization during activation TNFb IL-2 INFg TH1 Runx 3 IgG2a T bet IL12 IL-27 2d signal THO intermediate states IgG1 IgGE Ig swich Virgin T cell TH2 IL-4 IL5 IL3, IL13 IL-4 Activated DC Gata 3

TH17 pro-inflammatory cells TGF-b IL-21 Dendritic cells IL-6 RORg RORg Virgin T cell TH17 IL-23R IL-23 pathogen Inflammation against extra-cellular bacteria and fungi Autoimmune disease ( RA, IBD, psoriasis..)

CD25+ CD4+ T cells

TGFb and T helper 17 and regulatory cells Vit A + IL-6 TH17 T Reg

Cytokines & the T helper cell lineages

Modèles de maturation des cellules dendritiques Modèle des Sous-poplations distinctes Modèle de différenciation séquentielle Modèle du Précurseur unique

The 3 signals model for T cell functional polarization

Le second signal dans l’activation des cellules T 1) L’organisation générale du système immunitaire vue au travers d’une maladie infectieuse « bénigne » 2)La coopération T – B ; La présentation antigénique et la question du « pont antigénique », le rôle physiologique des molécules d’histocompatibilité 3) L‘activation des cellules T; La coopération cellules dendritiques – cellules T;Le destin fonctionnel des cellules T 4 Le second signal dans l’activation des cellules T

IV les voies moléculaires du second signal : Multiples a)Les voies de la famille CD28/CD28-ligands b) Les voies de la famille TNF/TNF-R Aux effets variables Voies activatrices indispensables Voies activatrices accessoires Voies inhibitrices Se développant dans la durée de l’activation

La voie CD28 comporte son autorégulation CD86 (B7.2) T vierge CD28++ En voie d’activation CD86++ Pleine activation CTLA-4 CD80 (B7.1)

CD40

L’immunité acquise brûle au feu de l’immunité innée 1) L’organisation générale du système immunitaire vue au travers d’une maladie infectieuse « bénigne » 2)La coopération T – B ; La présentation antigénique et la question du « pont antigénique », le rôle physiologique des molécules d’histocompatibilité 3) L‘activation des cellules T; La coopération cellules dendritiques – cellules T; Le destin fonctionnel des cellules T Le second signal dans l’activation des cellules T 5 L’immunité acquise brûle au feu de l’immunité innée

C’ L’immunité innée : une première ligne de défense un activateur et un pilote de l’immunité acquise Barrières de 1° ligne ; défenseurs « passifs » mécaniques épithéliums ciliaires… chimiques mucus respiratoire, salive, défensines…… Défenseurs de 2°ligne : perçoivent l’agression puis s’activent (Voie principale : Ag+Ac) humoraux lyse directe des pathogènes Voie des lectines PAMPs C’ Voie alterne C3 sur PAMPs Chemotaxis (cellules inflammatoires) Pathogen Associated Molecular Patterns Opsonisation des pathogens Coagulation / fibrinolysis Limite l’nfection Facteurs chemotactiques Kinines Vasodilatation et perméabilité

agression Détection Identification de l’agresseur Elimination Immunité naturelle (immédiate) Immunité spécifique Tardif (>10j) Détection Identification de l’agresseur Protection et élimination Non spécifique Elimination (spécifique) de l’agresseur Réparations tissulaires

Warning the immune system : Stranger vs. Danger

Recognition of a stranger bacteria virus parasite Pathogens Associated Molecular Patterns (PAMPs) Pattern Recognition Receptors Immune cells : dendritic cells & macrophages NK cells T & B cell subsets

The TOLL like Receptors in mammals

Models for microbe detection by Toll like Receptors

NBS/LRR family NBS-LRR family of proteins Caspase activating & recruiting domain Nucleotide binding site Leucin rich repeat Pyrin domain baculoV inhib. Of apopt .prot. Repeat Activation domain Chamaillard et al, Cell Microbiol, 5, 581

bacteria TLRs TNFa INFg Model for Cytosolic surveillance in the mucosae (Chamaillard et al. 2003) bacteria PG PG Nod2 Nod1 NFkB NFkB Bacterial or Viral components TLRs Toll-like receptor TNFa INFg Cytokines NFkB Nod2 MHC & Ag present

Autophagy and Infectious agents

Diseases mediated by Toll-like receptors Septic shock Lethal encephaltis Severe malaria candidiasis Agent Bacteria West Nile Virus Plasmodium Candida Alb. TLR mechanism infectious TLR4 TLR3 TLR9 TLR2 Hyper acute inflamm Double stranded virus Malaria pigment hemozoin C.A. binds the R. & induce immune suppress autoimmune EAE SLE Diabetis Cardiomyoathy atherosclerosis Bordatella pertussis Undetermined TLR4 TLR9 TLR2,3,4,9 TLR4 Pertussis tox recruit autorea T cells Chromatin IgG complexes => B cells T cell activ by TLRs DC present heart Ags Local inflamm<; Chronic inflamm. Asthma Chronic obstruct. pulm. Dis. Undetermined bacteria TLR4 TH2 response Local inflammation

The Variable Lymphocyte Receptors in Jawless fishes Zeev PANCER & Max COOPER

The Variable Lymphocyte Receptors in Jawless fishes Zeev Pancer & Max Cooper

Mediators of NK cells functional effects Tumor or virus infected cells Direct lysis perforine Cytokine secretions : INFg +++++ TNFa+++ GMCSF+++ Chimiokines : CCL4, 5 & 22

NK cells express three types of receptors: activating, inhibitory and co-stimulatory receptors.  Target cell NK cell

TH1 and TH17 lineages

Receptors for innate immunity ligand receptor Carrying cell Bacterial product Toll-R DC Infection Induced Advertising protein NK Activ.-R NKc Macroph. Ab bound to an Ag Bc FcR

NK cell activities : a delicate balance Interacting cell MHC molecules Bacterial or viral product Inhibitory receptors Stimulatory receptors Activator module = ITAM : …..ILVxxYLV….. Syk kinases Inhibitory module = ITIM : …..YxxLx…..Yxxl… SHP & SHIP Pases NK cell

Crystal structure of CTLA-4/B7.2 interaction (CD152/CD86)

Activation complexes : II – Les molécules lymphocytaires et les mécanismes de la coopération ( 1980 - 1996) Cell cooperation And Supra Molecular Activation complexes : The Immunological synapse HIP-55 - ova - ova + ova CD43 WASP * overlay CMTMR * + ova SH3P7/HIP-55 localizes to the immunological synapse

Autophagy and T cell activation

Immunité innée : 2° ligne ; cellules et leurs récepteurs Premiers sur place Explosion oxydative Phagocytose +++++ Après quelques heures Secrètent cytoK. Inflammatoires Phagocytose +++ Présentent l’Ag Cytokines, facteurs de differentiation Molécules de co-activation Killers Secretion INF et cytokines inflam. Reconnaissent le soi manquant polynucléaires macrophages C. Dendritiques NKC B T lymphocytes

Negative regulation of Toll-like receptors 1°) Soluble decoy receptors TLR2 TLR4 2°)Intracellular negative receptors MyD88 spliced, IRAKM, SOCS1, NOD2, PI3K, TOLLIP, A20 3°) Transmembrane negative regulators ST2, SIGIRR (TIR),TRAILR 4°) Degradation of TLRs TRIAD3A 5°) Induced apoptosis of stimulated cells

Cellules et récepteurs de l’immunité innée Toll-like R NBS/LRR R Nkcell R inhibitor activator Macrophages R FcR DC NKC macrophages B T lymphocytes

: De l’immunité innée à l’immunité acquise Active oriente et attenue Mémoire spécifique protection Senseurs (multiples) recepteurs specifiques de l’Ag (mutation-selection) Variétés limitées mais Distribution clonale agresseur

T cell fate after Ag presentation

ganglions lymphatiques L'apoptose dans le compartiment T Mort par négligence Sélection positive Sélection négative Cellules T matures Réponse antigénique Précurseurs T Privation en cytokines AICD Apoptose Il a été montré que la mort cellulaire programmée est un élément régulateur du système immunitaire. -        Dans le compartiment T, elle intervient au cours des étapes précoces de son développement, avec la séléction positive et négative des thymocytes. -         Puis en périphérie, la rencontre des cellules T avec l’Ag entraîne leur activation et leur prolifération. Les cellules cytotoxiques vont alors pouvoir éliminer leurs cellules cibles en provoquant chez elles l'apoptose. - Une fois l’infection jugulée, l’apoptose rentre à nouveau en jeu pour mettre un terme à la réaction inflammatoire et pour maintenir l’homéostasie du système, puisqu’elle permet d’éliminer les cellules activées et seul un petit nombre de lymphocytes est épargné et ce sont les cellules mémoires. Mon travail a porté, justement, sur ce destin des lymphocytes T activés. Cellules T mémoire Thymus Rate et ganglions lymphatiques Moelle osseuse

Le système immunitaire est conçu pour fonctionner dans des conditions physiopathologiques Le système immunitaire reconnaît l’inconnu

Nature moléculaire et diversité du second signal : phase du contact cellulaire direct phase des cytokines (IL-1) activation 2d signal Apoptose immédiate 1° signal Ag-CLII - TCR Cellule T vierge anergie

Un modèle de régulation par les cellules T suppressives T CD4+ 25+ CD Tr-1 T naïve T Effect. Stimulation Antigènique inappropriée

The CTLA-4 pathway in T cell supression

Blocking suppression of T effector cells

Natural T reg Cells and infections

Treg commitment and Foxp3

PAMPs PRRs & T cell polarization immunitaires innées et acquises (1996 - …) PAMPs PRRs & T cell polarization

4°) Distinction entre lymphocytes effecteurs et régulateurs I - Les grands principes classiques (1955 – 1980) 4°) Distinction entre lymphocytes effecteurs et régulateurs T DTH Miller & Mitchell Gershon & Kondo Tsup Thelp TCTL T contra sup B Mais... Cantor & Boyse

Sensory neurons NGFR Troy EDAR XEDAR CD40 DCR3 Fas OX40 AITR CD30 HvsA 4-1BB TNFR2 DR3 CD27 TNFR1 LTBR RANK TACI BCMA DR6 OPG DR4 DR5 DcR1 DcR2 NGF EDA CD40L FasL OX40L AITRL CD30L VEGI LIGHT 4-1BBL CD27L Lta TNF LTb TWEAK APRIL BLYS RANKL TRAIL Ectodermal Ectodermal dysplasia B cell defect Decoy R T cell apoptosis T cell responses AICD

The CD28 pathway is started via the CD40 pathway 6 5 7 CD86 2d signal CD3 TCR 1 4 1st signal CD4OL CD40 2 3

Après la rencontre CD - CT Follicule primaire CXCL13 TH2 CXCR5 TH2 Zone T T vierge TH1 CCR3 T Early Mem Vaisseau éfférent

Homeostasie des cellules T Cellules T Souches : de la M.O. au thymus, la colonisation Thy. corticaux (DP): sélection apprentissage du soi et constitution du répertoire Thy. Médullaires (SP): maturation et émigration, alimentation du répertoire T vierges périphériques : ACTIVATION Réduction apoptotique : T effectrices et mémoires REACTIVATION 1° rencontre avec L’Ag Rencontres Succesives avec L’Ag

Lymphocyte circulation B l o d y m p h c t e 3 i n s - u k v r b a 5 1 2 4 % R 52% 42% Lymphocyte circulation Virgin T Memory T

T cell activation : The 2 signals model

TNF-R signalling Pathways and T cell activation APC TNF member TNF-R signalling Pathways and T cell activation TNF-R member TRAF2 PI3K JNK T cell NF-KB AKT AP1 survival cytokines Cell cycling

Immature and Mature DCs

L’inflammation est le « starter » de l’immunité naturelle Aggression tissulaire Due à un Agent externe infectieux intra ou extra cellulaire L’inflammation est le « starter » de l’immunité naturelle puis de l’i’immunité spécifique inflammation + Immunité innée + + Immunité spécifique Destruction de l’agent pathogène Extinction de l’inflammation

Discrimination between lipopeptide recognition by heterodimeric TOLL-L Receptors

Foxp3 regulates gene expression of Treg surface receptor CD25, CTLA-4, GITR

Récepteur Des cellules T Peptide antigénique MHC

Critical threshold zone The first and second signals : a synergy Intra cell Ca ++ IL-2 production Cell cycling + CD28 Critical threshold zone - CD28 low high TCR occupancy