Les Cytokines
publicité
Les Cytokines La défense d'un organisme contre un virus ou une bactérie, par exemple, met en jeu des mécanismes immunitaires naturels et spécifiques. La phase effectrice est due a et est régulée pour une large part par des protéines solubles de type hormonal appelées cytokines (du grec kutos [cyto- = cellule] et kineo [-kine = mettre en mouvement: qui stimule la cellule). A la différence des hormones, elles ne sont pas produites par un tissu organisé, mais par des cellules isolées. Lorsque les cellules T ou B ont été activées par l'antigène, le contact entre les cellules n'est plus nécessaire. Il est alors possible de reproduire les effets de ces coopérations cellulaires par ces médiateurs solubles. La découverte des premières d'entre elles date des années 1950 à 1970, avec la description à l'aide de tests biologiques de facteurs solubles capables d'induire la fièvre, d'activer des macrophages, ou d'inhiber l'infection virale. A partir des années 1970, la technologie des anticorps (poly- ou mono-clonaux) a permis de purifier et caractériser les propriétés de ces molécules. Le surnom d'interleukines leur a été donné car elles sont d'abord apparues comme étant des protéines produites par des leucocytes pour agir sur d'autres leucocytes. Les années 1980 ont vu l'avènement de la biologie moléculaire, qui a permis le clonage et la production en masse de ces facteurs. Il s'ensuivit aussi la découverte de nombreuses autres molécules. Actuellement on connaît plus de 100 cytokines. 1- Propriétés générales des cytokines: 1.1- elles sont produites durant les phases effectrices de l'immunité spécifigue et non spécifigue. pour médier et ré~uler toutes les phases de la réponse immunitaire et inflammatoire. On distingue artificiellement les monokines produites par les phagocytes mononucléés et les lymphokines produites par les lymphocytes. Les chimiokines sont des molécules qui stimulent le mouvçment des leucocytes. Les leucocytes produisent aussi des cytokines appelées Colony Stimulating Factors (CSF) qui stimulent la croissance et la différenciation des cellules hématopoiétiques myéloides de la moelle osseuse: GM-CSF, G-CSF, M-CSF qui agissent sur les granuleux et macrophages, les granuleux seuls, ou les macrophages seuls; et Interleukine-3, facteur pluripotent sur les progéniteurs myéloïdes. Cette action sur la moelle osseuse n'est pas directement liée à la phase effectrice de la réponse immunitaire. mais permet le remplacement des phagocytes en fonction des besoins. Le terme interleukine n'est donc pas limité à des facteurs de la phase effectrice de l'immunité. 1 1.2- la sécrétion des cytokines est brève et très régulée En général elles n'existent pas préformées dans la cellule. La combinaison d'une courte période de transcription du gène et d'une courte durée de vie de l'ARNm assurent une synthèse transitoire. Une fois synthétisées elles sont rapidement sécrétées. 1.3- une même cytokine est produite par de nombreux types cellulaires: Un même type cellulaire produira plusieurs cytokines différentes, qui ont des activités différentes, opposées ou identiques, sur le même ou différents types cellulaires. 1.4- les cibles d'action sont nombreuses: pléiotropisme d'action (++++++) 1.5- plusieurs cytokines peuvent avoir le même effet; redondance des effets (++++++) Les spectres des effets des cytokines se chevauchent: pléiotropisme et redondance créent ainsi un réseau d'interactions très complexes. 1.6- les cytokines se régulent entre elles au niveau de la production et de l'action: Ceci conduit à des cascades d'évènements avec des régulations positives et négatives possibles des réactions immunitaires et inflammatoires. 1.7- les cytokines agissent grâce à l'interaction spécifiQue avec un récepteur présent à la surface de la cellule cible. Ces récepteurs sont souvent constitués de plusieurs chaînes: un récepteur de basse affinité qui lie la cytokine dans un premier temps, puis une chaîne convertisseuse d'affinité qui interagit avec ce complexe pour former le récepteur de haute affinité qui est le récepteur fonctionnel. Dans un récepteur, une chaîne est souvent partagée par plusieurs cytokines (ce qui explique la redondance des effets) La cible cellulaire porteuse du récepteur peut être la même que la cellule productrice (autocrinie), ou bien une cellule de son environnement immédiat (paracrinie), ou encore une cellule très éloignée comme dans le cas des hormones vraies (endocrinie). 1.8- l'expression de ces récepteurs est aussi régulée. notamment par des cytokines Les cytokines sont classées en fonction de leurs principaux effets biologiques, et non en fonction de leur source ou de leurs cibles. 2 2- Les cytokines de l'immunité naturelle: Ce sont des cytokines à activité antivirale non spécifique, et des médiateurs de la réponse inflammatoire qui mobilisent les phagocytes mono- et poly-nuc1éés pour la défense antibactérienne. 2.I-les interférons de type 1 : Ils sont constitués de deux familles de protéines: les interférons-a (IFNa) qui représentent un ensemble d'une vingtaine de cytokines voisines structuralement mais codées chacune par un gène différent, et l'IFN~ qui est unique. Ils utilisent tous le même récepteur. L'IFNa est principalement produit par les leucocytaire). L'IFN~ phagocytes mononuc1éés (interféron est principalement produit par les fibroblastes (interféron fibroblastique). Ces molécules sont produites par la cellule principalement en réponse à une infection par un virus. Leurs effets sont : 1) l'inhibition de l'infection virale par induction de la synthèse d'enzymes qui bloquent la synthèse de l'ARN ou de l'ADN viral (ex: 2'-5' oligoadénylate synthétase). Cet effet est paracrine, protégeant les cellules voisines non encore infectées. 2) l'inhibition de la prolifération cellulaire par l'induction du même type d'enzymes ou inhibition de la synthèse d'acides aminés comme le tryptophane. Ceci est à la base de leur utilisation dans le traitement de certains cancers. 3) l'activation de la cytotoxicité des cellules NK 'défense antivirale et antitumorale). 4) la modulation de l'expression des molécules du CMH. Les IFN de type 1 augmentent l'expression des molécules du CMH de classe 1 (présentation de l'Ag aux cellules T cytotoxiques), et inhibent l'expression des molécules de classe Il. 2.2-le tumor necrosis factor-a (TNFa) : C'est le principal médiateur de la réponse de l'hôte aux bactéries Gram négatif. La source majeure de TNF est constituée par les phagocytes mononuc1éés activés par les lipopolysaccharides (LPS) présents à la surface de la paroi des bactéries Gram négatif. Les effets du TNF dépendent de la dose: 3 1) à faible dose: actions locales - induction sur la cellule endothéliale de molécules d'adhésion pour l'accumulation de phagocytes au site de l'inflammation - activation de la phagocytose et de la bactéricidie des phagocytes - stimulation de la production de cytokines (IL-l, IL-6, TNF, chimiokines) par les phagocytes - augmentation de l'expression des molécules du CMH de classe 1 - action antitumorale (nécrose) et antivirale. 2) à dose supérieure: actions locales et systémiques - fièvre par stimulation de la production de prostaglandines par l'hypothalamus - relargage dans la circulation de cytokines produites par les macrophages et les cellules endothéliales - production par l'hépatocyte de protéines de la phase aiguê de la réponse inflammatoire (ex: sérum amyloid A) - activation locale de la coagulation par action sur l'endothélium - à long terme, cytopénie sanguine par insuffisance médullaire et cachexie par inhibition de la lipoprotein lipase qui permet le stockage des triglycérides dans le tissu adipeux à partir des lipoprotéines. 3) à très fortes doses: - inhibition de la contractilité du muscle cardiaque et du tonus vasculaire par induction de la NO synthase - thromboses intravasculaires (CIVD) - anomalies métaboliques notamment hypoglycémie Les manifestations les plus sévères dues au TNF sont visibles dans le choc septique à bactéries Gram-négatives, dont le LPS induit une synthèse massive et généralisée de TNF. Ce syndrome léthal est inhibable par des anticorps neutralisant le TNF, ou du récepteur soluble au TNF. 2.3- l'interleukine-l (IL-l) : Comme pour le TNF, la source majeure en est le macrophage activé, mais il est aussi produit par les cellules endothéliales et épithéliales. Il en existe deux formes codées par deux gènes différents (IL-la et IL-I~) agissant sur le même récepteur. 4 Ses propriétés sont proches de celles du TNF, et lui font jouer un rôle essentiel dans la réaction inflammatoire. A la différence du TNF, elle n'a pas d'activité cytotoxique directe, ni la capacité à moduler l'expression des molécules du CMH de classe l, et n'est pas létale à fortes doses. Elle stimule la synthèse d'IL-6 et de chimiokines. Par contre son action sur la moelle osseuse est plutôt stimulante. L'IL-l est une cytokine qui participe à l'activation du lymphocyte T pour l'induction de la réponse immunitaire spécifique au moment de la présentation de l'antigène. Il existe un inhibiteur naturel de l'IL-l : l'IL-IRA (IL-l receptor antagonist) qui se lie au récepteur en compétition avec l'IL-l mais ne le stimule pas. 2.4- l'interleukine-6 (lL-6) : Elle est produite par de nombreux types cellulaires: fibroblastes, lymphocytes T, monocytes/macrophages, cellules endothéliales et épithéliales, notamment en réponse à l'IL-l et au TNF. Comme l'IL-l et le TNF, c'est un puissant inducteur de la production des protéines de la phase aiguë de l'inflammation par les hépatocytes (C-reactive protein ou CRP, fibrinogène, haptoglobine). C'est un facteur de croissance des lymphocytes B activés normaux mais aussi tumoraux, notamment les plasmocytes du myélome, et un stimulant de la production d'anticorps. C'est aussi un facteur agissant en synergie sur les précurseurs de la moelle osseuse. 2.5- les chimiokines : C'est un ensemble de cytokines de petit poids moléculaire qui induisent la migration (chimiotactisme), l'adhérence et l'activation des phagocytes et des lymphocytes, au site des réponses immunitaires. La synthèse est induite par le LPS, L'IL-l, le TNF entre autres. Cette classe contient un ensemble de plus de 50 molécules classées enfonction de la position de deux résidus Cys: les C-C et les C-X-C chimiokines, selon que les deux Cys sont séparées ou non par un autre acide aminé. Le groupe des C-X-C contient l'IL-S et les facteurs GRO notamment, tandis que le groupe des C-C chimiokines comprend RANTES, les MlP-1 a et fJ (Macrophage lnflammatory protein) et les MCP-I et 2 (Macrophage Chemoattractant Protein). Schématiquement les C-X-C sont produites plutôt par les phagocytes mononucléés, les cellules endothéliales, les plaquettes et les fibroblastes, pour agir sur les polynucléaires, alors que les C-C sont produites plutôt par les lymphocytes T, pour agir sur les lymphocytes T ou les macrophages. 5 3- Les cytokines . gUI régulent la réponse immunitaire Wécifigue de l'Ag: Beaucoup de cytokines sont produites par les lymphocytes et en particulier les lymphocytes auxiliaires (helper) qui sont CD3+CD4+. Il est apparu dans un premier temps chez la souris, que l'analyse de l'éventail des cytokines produites par ces lymphocytes T pouvait être utilisée pour classer fonctionnellement ces cellules. Ainsi, il a été identifié deux classes de lymphocytes T, sur leurs capacités à produire certaines cytokines et pas d'autres: c'est la dichotomie TH1, TH2. Cytokine CD4+ TH1 interleukine-2 (lL-2) ++ interféron-y (lFNy) ++ CD4+ TH2 interleukine-4 (lL-4) ++ interleukine-5 (lL-5) ++ 3.1- cytokines TH1 : 3.1.1- interleukine-2 (lL-2) : Elle est produite seulement par les lymphocytes T activés par l'antigène spécifique, mais très rapidement après l'activation (pic à 4 heures), et transitoirement. C'est le principal facteur de prolifération des lymphocytes T activés selon un mode autocrine et paracrine. C'est un facteur d'action locale, il n'est pas présent dans la circulation où de toute façon sa demi-vie est très brève (lorsqu'on l'injecte à des fins thérapeutiques par exemple). L'activation lymphocytaire T induit aussi l'expression transitoire du récepteur de haute affinité pour cette molécule, et c'est lui qui permet la prolifération et donc l'amplification des clones réactifs en présence d'IL-2. L'IL-2 apparaît donc comme un important paramètre de la réponse T-dépendante. L'absence de production d'IL-2 par un lymphocyte T néanmoins activé par l'antigène, entraîne une paralysie de cette cellule: c'est l'anergie. Elle peut survenir en l'absence de signaux de costimulation (CD28). Le récepteur à 1'1L-2 fonctionnel est un complexe multimoléculaire, composé de trois chaînes, a f3 et r Les chaînes f3 et r sont normalement exprimées par le lymphocyte T au repos, la chaîne a étant 6 pratiquement absente. La chaîne a de 55 kDa, ou CD25 ou p55, est l'élément le plus inductible par l'antigène. Isolée, elle ne présente qu'une faible affinité pour 1'!L-2 (Kd cellule après avoir lié 1'!L-2. La chaîne f3 de = 10-8 M), et n'active pas la 75 kDa ou p75 est exprimée en quantité faible par les lymphocytes T au repos et est légèrement augmentée après activation. Elle présente une affinité moyenne pour 1'!L-2 (Kd = 10-9 M) et ne transduit pas de signal seule. La chaîne r de 64 kDa ou p64 ne lie pas 1'!L-2 mais participe à un complexe récepteur de haute affinité af3r qui rend les 1O- ll M). Le complexe f3r peut activer la cellules sensibles à de très faibles quantités d'lL-2 (Kd = cellule, mais uniquement en présence de très fortes concentrations d'!L-2. La présence de ce récepteur de haute affinité est donc dépendante de l'expression rapide et transitoire de la chaîne a, qui débute en quelques heures et diminue dès 48 h après l'activation. Ce système permet l'amplification rapide des cellules T spécifiques de l'antigène et le retour au repos de ces mêmes cellules après disparition de l'antigène. L'IL-2 à très fortes doses active aussi les cellules NK (ils expriment les chaînes f3r du récepteur mais pas la chaine a: cellules LAK pour Lymphokine Activated Killers). L'inactivation du gène de l'IL-2 chez la souris n'a que peu de conséquences sur le système immunitaire. Par contre, un type de déficit immunitaire combiné sévère (DICS) affectant les lymphocytes T et B et lié au chromosome X, est dû à l'absence totale ou fonctiOlmelle de la chaîne y du récepteur à l'IL-2. Cette chaîne est en effet commune à d'autres récepteurs pour d'autres cytokines (IL-4, IL-7, IL-9 et IL-15), d'ou une redondance. Le système IL-2 / IL-2 récepteur, appliqué en thérapeutique, permet une modulation de la réponse immune: - soit en plus dans le cas des tumeurs (administration de NK activés par l'IL-2 ou de Lymphocytes T intra-tumoraux activés in vitro par l'IL-2 ou "Tumor Infiltrating Lymphocytes", ou d'IL-2 recombinante) - soit en moins en greffe d'organe (anticorps anti-récepteur p55 de l'IL-2 pour contrôler la réponse immune et donc prévenir les rejets). 3.1.2- interféron-y (IFNy) : C'est l'interféron immun ou lymphocytaire, ou interféron de type II, qui possède les effets antiviraux et antiprolifératifs des IFN de type I, et en plus des actions spécifigues d'immunoré~ulation. Son récepteur est différent de celui des autres IFN. C'est un produit des cellules T CD4+ activées, mais aussi des CD8+. Sa production est augmentée par l'IL-2 et l'IL-12. Il est aussi produit par les cellules NK. Ces propriétés spécifiques sont: 7 1) l'activation puissante des monocytes/macrophages leur permettant par exemple de détruire les bactéries phagocytées, par induction des enzymes du burst oxydatif (cytochromes de la NADPH oxydase, NO synthase). 2) l'augmentation de l'expression des molécules du CMH de classe 1 et aussi de classe II, augmentant ainsi les capacités de présentation antigénique. 3) la différenciation des lymphocytes T et B : - maturation des lymphocytes T cytolytiques CD8+ - différenciation des lymphocytes T CD4+ naïfs vers le type THI tout en inhibant la prolifération des TH2 - commutation de classe des lymphocytes B (vers l'isotype IgG) 4) la stimulation de l'activité cytotoxigue des cellules NK. 5) l'inhibition de la production d'IL-4. et donc de la différenciation des lymphocytes T CD4+ naïfs en TH2. La résultante de ces actions est une promotion de la réponse à médiation cellulaire et inflammatoire. Le déficit en IFNy ou en récepteur à l'IFNy induit une sensibilité accrue aux bactéries intracellulaires (par exemple infection mortelle à Mycobacterium bovis après vaccination par le BCG). 3.1.3-l'interleukine-12 (IL-12) : La principale source est la cellule dendritique activée. C'est un stimulant des cellules NK (prolifération, activité cytotoxique). Elle induit la synthèse d'IFN-y par les NK (synergie avec l'IL-2). Elle stimule la différenciation des cellules THI à partir des CD4+ naïfs. Elle stimule la maturation des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. 3.2- cytokines TH2 : 3.2.1- l'inteFleukine-4 (IL-4) : Elle est produite principalement par les lymphocytes T TH2, mais aussi les mastocytes. C'est la cytokine de régulation des réactions allergiques médiées par les IgE. Elle est nécessaire au switch des Ig vers l' isotype IgE. 8 Elle inhibe l'activation des macrophages en bloquant les effets activateurs de l'IFNy, et la production d'IL-l. C'est donc une cytokine anti-inflammatoire. C'est un facteur de prolifération et de différenciation des cellules TH2. L'inactivation du gène de l'IL-4 chez la souris entraîne l'absence de réponse TH2. De plus, l'IL-4 bloque l'éclosion d'une réponse de type THl. C'est un facteur de croissance pour les mastocytes. Il existe une autre cytokine ayant des propriétés très voisines: l'IL-13. 3.2.2- l'interleukine-5 (IL-5) : Elle est produite par les TH2, les PNBasophiles et les mastocytes. C'est un facteur de croissance très puissant, et pratiquement le seul connu, de croissance et d'activation des PNÉosinophiles, indispensables à la défense antiparasitaire. 3.3- implication de la dichotomie THlITH2 : Les lymphocytes T CD4+ naïfs (ou THO) ne sont pas prédestinés à devenir TH! ou TH2. La différenciation d'une cellule activée en cellule de type TH! ou TH2 est plutôt conditionnée par le type de cellule présentatrice de l'antigène qui est mis en jeu et son niveau d'activation ou de maturité, donc par la nature des signaux qu'elle délivre (notamment les cytokines qu'elle produit). Le lieu de la réponse immunitaire aurait aussi un rôle (environnement cellulaire local, au sein de l'organe lymphoïde secondaire concerné). La dichotomie THl/TH2 a pour conséquence de privilégier le type de réponse le plus apte à éliminer l'antigène en cause c'est à dire: - une réponse effectrice cellulaire pour des antigènes intracellulaires: cellules infectées par un virus, parasite ou bactérie à développement intracellulaire, ces antigènes étant présentés par les monocytes/macrophages (CMH II), ou n'importe quelle cellule cible (CMH 1). Ce type de réponse est particulièrement apparent dans les réponses cytotoxiques (T CD8, NK) et l'hypersensibilité retardée. Pour ce type d'antigènes, c'est la seule réponse efficace possible. - une réponse effectrice humorale dans le cas d'antigènes extracellulaires capables d'être , directement reconnus par des anticorps et donc par les Ig membranaires des cellules B, qui peuvent présenter ce type d'antigènes aux cellules T par le CMH II, induisant en retour un effet « helper » pour la synthèse d'anticorps. Elle est exacerbée dans l'hypersensibilité immédiate, où la cible est en général un agent non pathogène (allergène respiratoire, alimentaire, médicamenteux, etc... ). La réponse àlgE est cependant indispensable pour la défense contre les parasites extracellulaires. 9 3.4- Les cytokines régulatrices: En plus des THI et des TH2, des lymphocytes T régulateurs CD4+ (= Treg) de la réponse immunitaire, ont été mis en évidence récemment. Il y en a plusieurs catégories, dont certains agissent grâce à des cytokines. 3.4.1- le Transforming growthfactor-fJ (TGF-j3) : C'est une cytokine inhibitrice puissante de la réponse immunitaire : inhibition de la prolifération lymphocytaire T, de l'activation des macrophages, de la maturation des lymphocytes T cytotoxiques. Il y a plusieurs molécules, dont la principale est le TGF-j3l, produit par le lymphocyte T et le macrophage. Il participe aussi au switch vers les IgA. L'inactivation de ce gène induit chez la souris un syndrome inflammatoire généralisé. 3.4.2- l'interleukine-lO (IL-lO) : Elle régule négativement la production de cytokines pro-inflammatoires comme le TNF, l'IL-l, les chimiokines, ainsi que l'IL-12. Elle diminue la capacité de présentation de l'Ag des macrophages, en inhibant l'expression de molécules du CMH II, et de molécules de co-activation (B-7 par ex). Elle induit la différenciation terminale des lymphocytes B en plasmocytes. 4- Les cytokines hématopoiétiques : Elles sont synthétisées entre autres par les cellules du système immunitaire, au cours de son activation, pour participer à l'homéostasie de la population des leucocytes, par leur action sur la moelle osseuse. Certaines d'entre elles ont en plus des effets immunologiques directs. L'interleukine-3 (IL-3) est produite par les T CD4+, c'est un facteur de croissance des progéniteurs myéloides de la lignée blanche et des mastocytes. Le granulocyte macrophage-colony stimulating factor (GM-CSF) est produit notamment par les monocytes et les cellules T. C'est un activateur du macrophage, moins puissant que l'IFN-y cependant. Le G-CSF et le M-CSF agissent sur les précurseurs granuleux et macrophagiques. 10 5- Exploration du système cytokine et intérêt en clinig~ Les cytokines peuvent être dosées dans les milieux biologiques de l'organisme comme le plasma, le LCR, les collections liquidiennes, ou les sumageants de cultures cellulaires. Ces dosages utilisent des anticorps monoclonaux spécifiques dans un format ELISA ou bien peuvent utiliser une cellule sensible à une cytokine particulière (dosage biologique). On peut aussi identifier les cellules les produisant sur des coupes de tissu soit par l'utilisation d'anticorps anti-cytokine : technique immunohistochimique, hybridation in situ (sondes d'acides nucléiques qui vont aller s'hybrider avec les ARN messagers spécifiques), cytométrie en flux (cytokines dans le cytoplasme, récepteurs à la membrane cellulaire). Les applications de ces dosages sont nombreuses en pathologies inflammatoire, infectieuse et tumorale. Cependant l'interprétation est délicate en raison d'un manque de spécificité et de la complexité des réseaux d'interaction entre cytokines. Prolifération ou chaîne a ' " Prolifération Expression de la chaîne alpha du récepteur à l'IL2 = haute affinité / 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Temps en jours Expression du récepteur fonctionnel à l'interleukine-2 au cours de l'activation du lymphocyte T 11
