Cytokines inflammatoires M. Alessandra Rosenthal-Allieri - mars 2012.

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1 Cytokines inflammatoires M. Alessandra Rosenthal-Allieri - mars 2012

2 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

3 Les cytokines : domaines d’activité

4 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

5 Réseau des cytokines

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7 ___________________________________________________________________________________________________ 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 COMPARAISONS ENTRE CYTOKINES ET HORMONES

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9 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  et  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

10 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  : qui assure la spécificité vis à vis du ligand  et/ou  : qui ne reconnaissent pas la cytokine, mais s’associent pour former le récepteur de haute affinité et transmettre le signal

11 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-3utilisent la même chaîne  qui s’associe à la chaîne  spécifique GM-CSFpour former le récepteur à forte affinité et transmettre le signal IL-5 Gp130chaîne  du récepteur de l’IL-6, commune à CNTF, LIF, IL-11 IL-2 IL-4 IL-7chaîne  spécifique et chaîne  commune 1L-9 IL-15 IL-12p40 IL-23

12 Récepteurs des cytokines : classification Récepteurs des hématopoïètines (type I) Récepteurs des IFN (type II) Récepteurs du TNF (type III) Récepteurs apparentés à la famille des Ig Récepteurs des chimiokines Autres (ex famille Th17)

13 Récepteurs des cytokines Type I Type II Type IIIType Ig Type CK De plus : 4 récepteurs des cytokines de la famille IL17, TM, importante partie intra et extracellulaire, localisation chez l’homme sur le chromosome 3 (cascade MAP kinase et NF-kb?)

14 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 Le système immunitaire

15 Mosmann et Coffman (1987) -Th1 -activation macrophagique et immunité médiée par les cellules -hypersensibilité retardée -production d’IFN  (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 : IFN  -Th2 : IL-4

16 Naive T cell Th1 - Défense contre les germes intracellulaires (granulome) - Excès : maladies auto-immunes - Défaut :infections - Différenciation initiée par TCR et polarisés par IL-12 (monocytes/macrophages) et IFN  par NK - IFN et IL-12 active STAT1 avec induction du facteur de transcription T-bet - T-bet up-régule l’expression de la châine inductible du IL-12R  2 avec signaling IL-12 par STAT-4 - Activation du IL-12R potentialise la production d’IFN  et induit l’expression du IL-18Ra, en conférant la capacité de répondre à IL18 par les Th1 matures Th1

17 -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-12  2R) → boucle IL-4 Th2 Naive T cell Th2

18 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). Lymphocyte T CD4 naïf Th0 : tout est possible !! Lymphocytes T CD4 « polarisés », sécrétant différents profils cytokiniques IFN , TNF  Th1 IL-4, IL-13 Th2 IL-17 Th17 TGF  T régulateurs La polarisation dépend des circonstances de rencontre avec l’Ag et de la manière dans laquelle l’Ag est présenté par la CPAg

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20 Th1 = maladies autoimmunes Résultat paradoxal : EAE/arthrite au collagène : pas que les Th1 ! Immunisation par peptide de la myéline /collagène Souris p35- /- Souris p40- /- Souris IFN  -/- 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 IFN  n’est pas le seul responsable de la maladie

21 L’IL-12 et l’IL-23 (et leurs récepteurs) partagent une sous-unité!p19 p35 p40 IL-12IL-23 CPA Ly T Ly Th1 IFN  Ly Th17 IL-17 R1R1 R1R1R2R2 IL-23R

22 Résultat paradoxal : SEP/arthrite au collagène : pas que les Th1 ! Immunisation par peptide de la myéline /collagène Souris p35- /- IL-12 Souris p35- /- IL-12 Souris p40- /- IL12 IL23 Souris p40- /- IL12 IL23 Souris IFN  -/- IFN Souris IFN  -/- IFN IL-23 dimère p40/p19 IL-12 dimère p40/p35 malade pas malade maladie aggravée IL-17 Pas IL-17 IL-17+++ Modèle CIA : - Réduction des lésions des articulations chez souris IL-17A déficientes ou après neutralisation de l’IL-17 - augmentation si surexpression IL-17 → → rôle de l’IL23 → cellules effectrices productrices IL-17, la pathway Th1 étant insuffisant pour causer la maladie

23 Spirochète Borrelia burgdorferi (maladie de Lime) développe in vitro dans les conditions classiques d’orientation Th1 (+IL-12) une fraction de cellules effectrices positive pour IL-17A, GM-CSF, TNF  et négatives pour IFN  ou IL-4, donc une population distincte des Th1 et Th2 (2000) Famille de l’IL-12 : le prototype est composé de IL-12p40 et IL-12p35, le IL-12p40 pouvant s’associer à IL-23p19 pour former une nouvelle cytokine, l’IL-23, responsable de la stimulation des CD4 mémoire à produire IL-17A et F - Paradoxe : Modèles d’AEA et CIA (réponse aberrantes Th1) : le développement de la maladie est arrêté en bloquant IL-12p40, souris déficiente en IFN  étaient susceptibles à la maladie - La maladie était éliminée chez les souris IL-23 déficientes and IL-12 IL-23 déficientes, mais pas chez les IL-12 déficientes -Souris déficientes en IL-23p19 ou IL-12p40 (absence d’IL-23 et IL-12) → résistantes à EAE et CIA → IL-23 lié aux phénomènes autoimmunitaires de ces modèles →population Th-17 Modèle CIA : - Réduction des lésions des articulations chez souris IL-17A déficientes ou après neutralisation de l’IL-17 - augmentation si surexpression IL-17 → → rôle de l’IL23 →cellules effectrices productrices IL-17, la pathway Th1 étant insuffisant pour causer la maladie

24 Famille de l’IL17 (1995) -IL-17 produite par Th17, CD8, TCR , NK -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 TGF  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)

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

26 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 Cytokines Th17: exprimées principalement par les Ly T différenciés en Th17 IL-17B, IL-17C, IL-17E (IL25)Expression plus large

27 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?

28 Th17 Découverte de la famille des cytokines IL17 Nouvelles cytokines de la famille IL12 Nouvelles activités de cytokines pléiotropes TGF  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, T , NK, granulocytes Th17défense pathogènes maladies auto-immmunes (ex Th1?)

29 Cytokines inflammatoires participant à la génération des Th17 : TGF  IL-6 IL-21 IL-23 IL-1  Cytokines secrétées par les Th17: IL-17A-F TNF-  IL-22 (psoriasis!) IL-21 (importante pour activer les B!) IL-6 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 ROR  c. Th17

30 Figure 2. Differentiation of Mouse Th17 Cells. Naive mouse T cells can differentiate into one of three effector helper T-cell (Th) subgroups. Each pathway is under the control of a different set of cytokines. The Th17 pathway is under the control of transforming growth factor β (TGF-β) plus interleukin-6 and interleukin-1 or TGF-β plus interleukin-21 followed by interleukin-23. This pathway is inhibited by interferon-γ and interleukin-4. The transcription factor (T-bet, ROR-γt, or GATA3) characteristic of each pathway is shown. R denotes receptor. Miossec P et al. N Engl J Med 2009;361:888-98.

31 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.

32 Sources cellulaires et cibles Sources - IL-17A et F CD4 mémoire, CD8, T , NK et neutrophiles - IL-17D resting T cells et B (fonction non définie) Cibles IL-17A et F induisent la production de nombreuses cytokines proinflammatoires (récepteurs ubiquitaires) IL-6 et IL-8 par fibroblastes, mais aussi par cellules épithéliales, endothéliales, ostéoblastes et monocytes/macrophages avec production de GM-CSF, G-CSF, CXC chémokines, IL-6 etc. Actions de l’IL-17 A et F potentialisées par TNF  et IL1  (cytokines inflammatoires) IL-25 CC chémokines CCL( (RANTES) et CCL1 (éotaxine), important pour le recrutement des éosinophiles et l’expression d’autres cytokines Th2 (IL-5, IL-13 et IL-4) → nouvelle pop. de l’immunité innée cible de l’action de l’IL-25 impliquée dans réponse allergique Th2 → les membres distinctes de la famille de l’IL-17 sont des puissant orchestrateurs de l’immunité innée : neutrophiles (IL-17A et F) et éosinophiles (IL-25)

33 Deux modèles alternatifs pour la différenciation des Th17 1) Précurseur CD4 qui se différencie en populations productrices d’IFN  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 TGF  TGF  + IL-6 → Th17 IFN  → Th1 IL-4 → Th2 Chez la souris : IL-6 et TGF  : induction Th17 IL-21 : stabilisation IL-23 : amplification

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

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

37 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.

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39 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.

40 Th-17 et maladies auto-immunes

41 P. Miossec

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

44 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?

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

48 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)

49 Th17 et défenses anti-infectieuses Protection contre bactéries extracellulaires et champignons (Candida) Infection à Klebsellia Pneumonia si inhibition IL-23/IL-17 Rôle de l’IL-23 dans la défense anti-Citrobacter Dans BK vaccination induction Th17, mais vite remplacés par les Th1, Th17 peu important, peut être pour surveillance

50 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!