Cytokines inflammatoires M. Alessandra Rosenthal-Allieri, mars 2010

Les cytokines La réponse immunitaire est la résultante d’interactions complexes entre plusieurs types cellulaires qui communiquent entre eux par : - molécules de surface - médiateurs solubles : cytokines et chimiokines Noms différents : - interleukines : entre les leukocytes - lymphokines : issues des lymphocytes - monokines : issues des monocytes Cytokines Domaines d’activité : - action sur le système immunitaire - action sur l’hématopoïèse - action sur la réponse inflammatoire

Les cytokines : caractéristiques Glycoprotéines de PM > 10 000 D Synthétisées de novo en réponse à une activation spécifique (Ag) ou non spécifique (mitogènes) Leur production ne s’accompagne pas nécessairement d’une réponse proliférative des cellules : elle nécessite la synthèse d’ARN mais pas celle d’ADN La production d’une cytokine donnée peut être modulée de façon positive et négative par des nombreux facteurs et par d’autres cytokines : réseau des cytokines Double ubiquité au niveau de : la cellule productrice : un même facteur peut être produit par différents types cellulaires et une cellule donnée produit plusieurs cytokines différentes de la cellule cible : un même facteur est responsable d’activités biologiques variées sur des cellules différentes : pléiotropie et une activité biologique donnée peut résulter de l’effet de molécules différentes : redondance

Réseau des cytokines

COMPARAISONS ENTRE CYTOKINES ET HORMONES ___________________________________________________________________________________________________ Sources Cibles Activité Mode d’action Hormones sécrétées principalement spécificité vis à vis d’une essentiellement endocrine par un seul type de cellule cellule cible principale unique spécialisée et localisée Cytokines produites par plusieurs cellules hématopoïétiques large spectre autocrine types cellulaires et nombreuses autres et redondance juxtacrine paracrine endocrine

Les récepteurs des cytokines Les cytokines agissent sur leurs cellules-cibles par un mécanisme analogue à celui des hormones peptidiques : - Fixation sur un récepteur membranaire - Mise en action de seconds messagers intracellulaires - Induction d’une séquence d’évènements biochimiques aboutissant à l’effet spécifique de la cytokine Un grand nombre de récepteurs sont composés de deux ou trois chaînes a, b et g dont l’association forme le récepteur de haute affinité capable de transmettre le signal (ex : récepteur pour l’IL-6) La démonstration de récepteurs composés de plusieurs sous-unités, dont certaines sont communes à plusieurs récepteurs, mous permet de mieux comprendre la redondance des activités biologiques de certaines cytokines

Composition multimérique des récepteurs des cytokines Les cellules expriment le plus souvent un récepteur de faible affinité qui ne transmet pas le signal (mis à part les récepteurs des facteur de croissance avec activité tyrosine kinase intrinsèque) La plupart des récepteurs des cytokines sont composés de 2 ou 3 chaînes distinctes a : qui assure la spécificité vis à vis du ligand b et/ou g : qui ne reconnaissent pas la cytokine, mais s’associent pour former le récepteur de haute affinité et transmettre le signal

Redondance structurale et fonctionnelle des récepteurs des cytokines Redondance : une même action biologique peut être due à plusieurs cytokines différentes : partage d’une chaîne commune entre différents récepteurs IL-3 utilisent la même chaîne b qui s’associe à la chaîne a spécifique GM-CSF pour former le récepteur à forte affinité et transmettre le signal IL-5 Gp130 chaîne b du récepteur de l’IL-6, commune à CNTF, LIF, IL-11 IL-2 IL-4 IL-7 chaîne a spécifique et chaîne g commune 1L-9 IL-15 IL-12 p40 IL-23

Récepteurs des cytokines : classification Récepteurs des hématopoïètines (type 1) Récepteurs des IFN (type II) Récepteurs du TNF (type III) Récepteurs apparentés à la famille des Ig Récepteurs des chimiokines Autres

Récepteurs des cytokines Type I Type II Type III Type Ig Type CK

Le système immunitaire Immunité naturelle : - défense contre les pathogènes Immunité adaptative : - spécificité antigénique - mémoire différenciation Ag-spécifique de lymphocytes en cellules effectrices Th1 et Th2 avec un pattern de production cytokinique différente, orientées par les cytokines produites par les cellules de l’immunité innée, activées par les pathogènes

Mosmann et Coffman (1987) Th1 -activation macrophagique et immunité médiée par les cellules -hypersensibilité retardée -production d’IFNg (activation macrophages) →→ clearance de pathogènes intracellulaires Th2 -activation cellules B (commutation de classe) et réponse humorale -hypersensibilité immédiate -production d’IL-4 et IL-5 et IL-13: switch pour IgG1 et IgE et recrutement éosinophiles Chaque type de cellules CD4+ potentialise son développement en inhibant celui de l’autre, par la sécrétion de cytokines Rares dans le répertoire T normal, nécessitent la différentiation déclenchée par l’Ag et l’expansion clonale de cellules « naïves » Th1 : IFNg Th2 : IL-4

Th1 Th1 Naive T cell -Défense contre les germes intracellulaires (granulome) Excès maladies auto-immunes Défaut infections Polarisés par IL-12 (monocytes/macrophages) et IFNg par NK IFN et IL-12 active STAT1 avec induction du facteur de transcription T-bet T-bet up-régule l’expression de la chaine inductible du IL-12Rb2 avec signaling IL-12 par STAT-4 Activation du IL-12R potentialise la production d’IFNg et induit l’expression du IL-18Ra, en conférant la capacité de répondre à IL18 par les Th1 matures

Th2 Naive T cell Défense contre les parasites intestinaux Excès : atopie, allergie, asthme Différenciation initiée par TCR et IL-4R, via STAT6 Up-regulation de GATA3 → expression du cluster des gènes Th2 (IL-4, IL-5 et IL-6) et suppression de facteurs critiques pour Th1 (STAT4 et IL-12b2R) → boucle IL-4 Th2 Naive T cell

Lymphocyte T CD4 naïf Th0 : tout est possible !! Lymphocytes T CD4 « polarisés », sécrétant différents profils cytokiniques IFNg, TNFa Th1 IL-4, IL-13 Th2 IL-17 Th17 TGFb T régulateurs (difficiles à définir…) La polarisation dépend des circonstances de rencontre avec l’Ag et de la manière dans laquelle l’Ag est présenté par la CPAg Aucun élément prédétermine l’orientation du Th0 vers une famille de lymphocytes, ce sont le contexte de la stimulation, l’Ag, l’environnement et les cytokines sécrétées qui déterminent la différenciation lymphocytaire (système plastique).

Th1 = maladies autoimmunes Résultat paradoxal : SEP/arthrite au collagène : pas que les Th1 ! Immunisation par peptide de la myéline /collagène Souris p35-/- Souris p40-/- Souris IFNg-/- IL-12 dimère p40/p35 Puissant inducteur de Th1 malade pas malade maladie aggravée Les deux sous-unités de l’IL-12 ne jouent pas le même rôle IFNg n’est pas le seul responsable de la maladie

L’IL-12 et l’IL-23 (et leurs récepteurs) partagent une sous-unité! CPA Ly T Ly Th1 IFNg Ly Th17 IL-17 Rb1 Rb2 IL-23R

Résultat paradoxal : SEP/arthrite au collagène : pas que les Th1 ! Immunisation par peptide de la myéline /collagène Souris p35-/- Souris IFNg-/- Souris p40-/- malade maladie aggravée pas malade IL-17 IL-17+++ Pas IL-17 IL-23 dimère p40/p19 IL-12 dimère p40/p35

IL-17 (1995) - IL-17 produite par Th17, CD8, TCRgd, NK - 6 isoformes Récepteurs dimériques ubiquitaires Cytokines proinflammatoires Cytokines (IL-6, IL-1, TNF) Chémokines (MCP-1, MIP-2) PMN Métalloprotéases Maturation, chemiotactisme des PMN Co-stimulation Ly T, maturation DC

Famille de l’IL17 -Cross-talk entre l’immunité naturelle et acquise -6 membres : IL17A-F, 3 produits par les T et avec activité pro-inflammatoire IL-17E=IL25 Homologie IL17A et F 50% Très conservée dans les espèces et apparue très précocement dans l’évolution des vertébrés (expression de l’IL17 régulée par le TGFb et les membres de la famille de l’IL1, composants primitif de l’immunité innée : hypothèse que l’IL17/Th17 ont évolué comme lien entre l’immunité innée et adaptative (après Th1 et probablement avant Th2)

Cristallographie IL-17F: 4 résidus cystéine conservés Cristallographie IL-17F: 4 résidus cystéine conservés. Structure similaire à celle du TGFb et NGF. a) Monomère IL-17F. b) Homodimère. c et d) Vue de surface avec le site potentiel de liaison avec le ligand

Cytokines Th17: exprimées principalement par les Ly T différenciés en TH17 IL-17A et IL-17F -IL-17A cytokine principale produite par les Th17, action proinflammatoire Recrutement des neutrophiles dans le sites inflammatoires IL-17A et IL-17F 50-60% homologie, coexprimées et secrétées comme homodimères et - heterodimères: IL-17F/F, IL-17F/A et IL-17A/A (le plus puissant pour le recrutement des neutrophiles) Signalling pathway commun via Act1 et TRAF6, mais actions biologiques différentes dans les modèles expérimentaux IL-17B, IL-17C, IL-17E (IL25) Expression plus large

Récepteurs à l’IL-17 5 membres avec peu d’homologie, nouvelle famille, partie amino-terminale extracellulaire et importante partie IC différente d’autres familles de récepteurs aux cytokines, qui ne semble cependant pas avoir des domaines catalytiques Récepteurs solubles libérés IL-17RA lie IL-17A et F, expression ubiquitaire, les souris déficientes pour le gène IL17ra ont un déficit profond de défense aux pathogènes - Exprimé comme multimère après liaison avec le ligand, dissociation avec le domaine IC : activation MAP? NF-KB?

Th17 Découverte de la famille des cytokines IL17 Nouvelles cytokines de la famille IL12 Nouvelles activités de cytokines pléiotropes TGFb et IL-6 Evolution probable de l’immunité adaptative pour augmenter les capacités de clairance des pathogènes extracellulaires, champignons et parasites helminthes non couvertes par les Th1 et Th2 IL-17 IL25 (IL17E) →→ Th2 Autres membres de la famille IL-17 sont produits par d’autres cellules : CD8, Tgd, NK, granulocytes Th17 défense pathogènes maladies auto-immmunes (ex Th1?)

Th17 Cytokines inflammatoires participant à la génération des Th17 : TGFb IL-6 IL-21 IL-23 IL-1b Cytokines secrétées par les Th17: IL-17A-F TNF-a IL-22 (psoriasis!) IL-21 (importante pour activer les B!) GM-CSF → jouent un rôle dans l’inflammation, l’auto-immunité et la réponse contre les pathogènes extracellulaires. La population des Th17 n’est pas homogène: bien que la population produit collectivement les cytokines IL-17, au niveau individuel les cytokines produites dépendent du contexte et du microenvironnement cytokinique → → Sous-populations différentes avec différenciation commune contrôlée par le facteur de transcription RORgt/c.

Figure 3. Differentiation of Human Th17 Cells. Key cytokines for the development of human Th17 cells are transforming growth factor β (TGF-β) plus interleukin-6, interleukin-21, and the inflammatory cytokine interleukin-1, followed by interleukin-23. In addition to the classic Th1 and Th17 subgroups, a mixed Th1–Th17 subgroup has been identified, which expresses both T-bet and ROR-c. In inflammatory tissues, fully differentiated cytokine-producing cells have been observed. The micrographs show immunohistochemical staining of the cytoplasm for antibodies against interleukin-17 (brown) in human blood CD4+ T cells activated in vitro for 24 hours and a plasma-cell–like cell in a section of rheumatoid synovium. These cell have lost their T-cell receptor (TCR) and the CD3 complex. TNF denotes tumor necrosis factor. Miossec P et al. N Engl J Med 2009;361:888-98.

Deux modèles alternatifs pour la différenciation des Th17 1) Précurseur CD4 qui se différencie en populations productrices d’IFNg et IL-17 en fonction de la disponibilité de IL-12 ou IL-23 2) Deux précurseur distincts, pathway Th1 indépendant Th17 dérivent d’un précurseur différent de Th1 et Th2, qui sont antagonistes D’autres études montrent que IL-23 n’est pas indispensable à la différenciation Th17, plutôt IL-6 et TGFb TGFb + IL-6 → Th17 IFNg → Th1 IL-4 → Th2 Chez la souris : IL-6 et TGFb : induction Th17 IL-21 : stabilisation IL-23 : amplification

Inhibition des Th17 - IL-4, IL-13 - IFN-g - IL-2 - IL-25 - IL-27

Th1 CD4+ Th2 Th17 IFNg Clearance des pathogènes intracellulaires IFNg IL-12 IL-4 IL-4 CD4+ Th2 Clearance des pathogènes extracellulaires IL-17 IL17F IL21 IL22 IL23 TGFb IL-6 Th17 Clearance des pathogènes échappés Induction inflammation tissulaire (maladies auto-immunes)

Helper T-Cell (Th) Subgroups and Effector Functions. The cytokine profile (including key cytokine receptors as denoted by R), the effector cell type that is activated, and the corresponding types of infections are shown for each Th subgroup. Miossec P et al. N Engl J Med 2009;361:888-98.

Figure 4. Effects of Interleukin-17 on Cell Functions and Its Role in the Pathophysiology of Diseases. For each key effect of interleukin-17, the target-cell type involved and the products released in response to interleukin-17 are shown. Each biologic effect is linked to examples of conditions in which an association with the presence of interleukin-17 has been observed. CRP denotes C-reactive protein, MMP matrix metalloproteinase, RANKL receptor activator of nuclear factor-κB ligand, and TNF tumor necrosis factor. Miossec P et al. N Engl J Med 2009;361:888-98.

Th-17 et maladies auto-immunes

P. Miossec

P. Miossec

IL-23, IL-17 dans le sérum et synovial de PR >> arthrose Rôle pronostique?

Synergie IL-1, TNF, IL-17 dans la PR TNF, IL-1, IL-6, IL-23 : induction de Th17 Récepteurs à l’IL-17 exprimés par synoviocytes IL-17 : induit l’expression de TNF, IL-1 et IL-6, de chémokines (CCL20) par les synoviocytes mêmes Synergie TNF, IL-1, IL-17 pour l’inflammation, la synthèse d’IL-6 et la destruction ostéoarticulaire : TNF et IL-17 voies redondantes?

IL-17 et SEP Augmentation IL-17 dans LCR et sérum (Poussées >> rémission) ARNm de l’IL-17 augmenté dans les lésions cérébrales

IL-17 et maladie de Crohn Augmentation IL-23 et IL-17 Association au polymorphisme génétique de l’IL-23 ! Modèles murins IL-12 et IL-17 ont des actions différentes dans un modèle de maladie de Crohn Anti IL-12 action systémique (poids, cytokines sériques) Anti IL-23 action anti-inflammatoire locale (histologie intestinale, cytokines)

Thérapeutique anti-Th17 Indirecte : -IL-1 -IL-6/IL-6R: résultats encourageants dans modèle de colite chez la souris (action anti Th17) Directe : - p40 (Th1 et Th17) - SEP : déception! - Crohn : premier résultats en 2004 encourageants, puis plus modérés - psoriasis : espoir!