Immunité Antivirale 2010
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Réponses Immunitaires aux Infections Virales Immunité Innée et Cellulaire Philippe Georgel Laboratoire d’Immunogénétique Moléculaire Humaine Centre de recherche en Immunologie et Hématologie [email protected] Pourquoi est-il si important de comprendre les réponses immunitaires antivirales ? Pourquoi les virus doivent-ils être combattus / éliminés ? UNAIDS estimates of infections with HIV and deaths due to AIDS in December 2002 Group Subgroup Total deaths from AIDS, 1982–2002 Number of people living with HIV/AIDS 1- La pandémie VIH / SIDA No. of people (in millions) 25.0 Global 42.0 Africa 29.4 Adults 38.6 Women 19.2 Children 3.4 People newly infected with HIV in 2002 5.3 AIDS deaths in 2002 3.2 Children orphaned by AIDS 14.8 HIV and AIDS in relation to other pandemics. Weiss RA. 2003. EMBO Rep « Among the viruses plaguing humans, HIV is a recent acquisition. Its outstanding success as an infection poses immense scientific challenges to human health and raises the question "What comes nest?". 2- Les infections émergentes 'Family heirlooms' and new acquisitions among human viruses 'Family heirlooms' that have co-evolved with humans α-, β- and γ-herpesviruses, Retroviruses, such as endogenous genomes and human T-cell leukaemia virus, Papilloma and polyoma viruses, such as HPV18, Hepatitis B virus Temporary exhibits — zoonoses with self-limiting outbreaks Rabies, from dogs and bats Ebola, reservoir not known Lassa and Hanta, from rodents Nipah, from fruitbats via pigs 'New' acquisitions permanently established in human populations Smallpox (eradicated as a natural infection, 1977) Measles, from ruminants Influenza, from birds and pigs HIV, from primates Sans oublier les petits derniers….SARS (syndrome respiratoire aigu sévère), Grippe aviaire H5N1, chikungunya, virus du Nil Occidental….!!! Les infections virales : Un défi particulier pour le système immunitaire… et donc, pour les immunologistes ! Qu’est ce qu’un virus pour l’immunologiste / le système immunitaire ? Un agent pathogène : un danger potentiel à contrôler/éliminer. Un agent infectieux capable de causer une maladie (pathologie) Un parasite intracellulaire obligatoire (cheval de Troie) qui détourne à son profit les fonctions fondamentales de la cellules qu’il infecte. Un virus peut passer de cellule à cellule sans sortir dans le milieu extracellulaire; il est donc à l’abri de l’immunité humorale (anticorps) Un usurpateur de l’identité du soi; pour se camoufler, il emprunte à la cellule hôte des molécules du soi (CMH, virus enveloppés). Il peut aussi détourner des fonctions immunitaires de l’hôte. Problèmes : Comment le système immunitaire peut-il reconnaître rapidement les signes d’une infection virale, discriminer les cellules infectées et les éliminer? Comment l’immunologiste peut-il concevoir des vaccins ou des thérapies pour permettre un meilleur contrôle des infections virales? Pathologies associées aux infections virales : Qu’est ce qui cause la maladie ? Effet direct du virus : lyse des cellules au cours du processus infectieux (virus cytolytiques) Réponses immunitaires de l’hôte : Réponse innée. L’inflammation peut causer la mort cellulaire et des dommages tissulaires. Les cellules phagocytaires, l’activation du complément, l’IL-12, le TNF-α peuvent tous induire une inflammation exacerbée. Réponse adaptative. Réponse Humorale (anticorps) : maladies dues à des complexes immuns. Réponse cellulaire : l’activation chronique des réponses immunitaires cellulaires peut entraîner des dommages tissulaires et la formation de granuloma. Phénomènes d’autoimmunité Hôtes immunocompétents vs immunodéprimés Les pathogènes primaires sont capables de causer une maladie visible chez des hôtes en bonne santé (c’est le cas de la plupart des virus à des degrés divers) Les pathogènes opportunistes sont responsables de pathologies graves seulement chez les individus immunodéprimés (HSV, CMV, West Nile Virus). Schéma comparatif simplifié des réponses immunitaires à différents pathogènes Pathogens can be found in various compartments of the body, where they must be combated by different host defense mechanisms. Virtually all pathogens have an extracellular phase where they are vulnerable to antibody-mediated effector mechanisms. However, intracellular phases (viruses) are not accessible to antibody, and these are attacked by T cells. PART I : Immunité Innée Réponses antivirales induites dans/par les cellules infectées qu’elles soient ou non des cellules immunitaires Activation des réponses cellulaire de stress : Deux conséquences. 1- Activation des mécanismes cellulaires de défense antivirale inhibition de la réplication virale blocage de la synthèse protéique autres 2- Émission de signaux de danger du soi pour avertir les cellules voisines et le système immunitaire Interférons de type I (α/β) autres cytokines autres signaux (DNA damage pathway) Mécanismes cellulaires de défense antivirale : l’interférence ARN Plantes: Wang MB et al., 2005. Curr Op Plant Biol.8; 216-222. C. elegans : Wilkins C et al., 2005. Nature. 436; 1044-1047. Crevette : Robalino J et al., 2005. J Virol. 79; 13561-13571. Vertébrés ? Lecellier CH et al., 2005. Science. 308; 557-560. MicroRNAs biogenesis miRNP and/or Meister &Tuschl , Nature, 2004 Dicer d/d, an hypomorphic mutation in the dicer gene Otsuka et al, Immunity, 2007 Hypersusceptibility to Vesicular Stomatitis Virus • Hypersusceptibility to VSV (RNA virus) • Higher titers of VSV in DICER-deficient mice • No differences in the production of IFN Otsuka et al, Immunity, 2007 Cellular microRNAs target the viral genome VSV SURVIVAL V-RNA control C-miR translational inhibition VSV DICER mutant DEATH Mécanismes cellulaires de défense antivirale : autres voies 1- Inhibition de la formation de particules virales : rôle des protéines MxA 2- Blocage de la synthèse protéique : la voie PKR (Protéine Kinase R) 3- Suicide cellulaire par apoptose : la voie PKR L’infection virale entraîne dans la cellule l’activation de très nombreux gènes de réponse au stress (VISG pour « viral induced stress genes » dont la plupart n’ont pas encore de fonction attribuée; Quelques infos sur les Interférons Type I (α/β α/β) α/β Type II (γγ) IFN-α : (ou leucocytaire) est produit par l’ensemble des cellules mononuclées. 26 gènes (dont qq pseudogènes) sur le chrom. 9. IFN-β (ou fibroblastique) est le produit d’un seul gène situé sur le Chrom. 9. Les deux types d’IFN agissent sur le même récepteur (IFNR type I) IFN-γ (ou immun) est produit essentiellement par les T CD8+ et les NK. Activité antivirale 100 fois inférieure à celle des IFN de type I, mais activité immunomodulatrice au moins 100 fois supérieure. Les Interférons de Type I (α/β α/β) α/β et de Type II (γγ) activent des voies différentes Les Interférons de type I (IFN-α/β α/β) α/β sont au cœur des réponses antivirales Table 1 : Genome Wide Association Studies (GWAS) and HCV. PegIFNα: Pegylated Interferon-alpha; RBV: Ribavirin; SVR: Sustained Virological Response. Reference Ge et al (ref 51) Nbr of subjects 1137 Difference analyzed between groups Main results Response to PegIFNα/RBV SNP rs12979860 (located 3 kb upstream of IL28B) associated with SVR in all patients groups (European Americans, African Americans, Hispanics). The same variant is also associated with higher baseline viral load. SNP rs12979860 is in linkage disequilibrium with a nonsynonymous (K70R) SNP in the IL28B coding sequence. Suppiah et al (ref 52) 848 Response to PegIFNα/RBV Tanaka et al (ref 53) 314 Response to PegIFNα/RBV Rauch et al Thomas et al (ref 54) 1362 and 465 1008 Spontaneous clearance vs persistence and Response to PegIFNα/RBV Spontaneous clearance vs persistence SNP rs 8099917 (located in the intergenic region between IL28A and IL28B) associated with treatment response. Several others (in the Wiskott-Aldrich syndrome protein family member 2 and Caspase 1 encoding genes) have suggestive association. qRT-PCR shows lower expression of IL28A and IL28B mRNA in healthy individuals carrying the non responder haplotype. SNPs rs12980275 and rs8099917 located close to IL28B show association with treatment response. Data were replicated in another cohort, which enabled identification of additional associated SNPs (rs8105790, rs11881222, rs8099917 and rs7248669) in the IL28B region. qRT-PCR analysis in peripheral blood mononuclear cells from infected patients before therapy showed lower IL28B mRNA expression in individuals carrying the minor allele of rs8099917, which predicts non response to treatment. SNPs rs8099917 in the IL28B locus was associated with progression to chronic HCV in mono-infected patients and in patients co-infected with HIV in the first cohort (1362 individuals). In the second cohort (465), rs8099917 was also associated with failure to respond to therapy. Not a bone fide GWAS, but the follow-up of reference 51. C/C genotype of SNP rs12979860 is associated with natural resolution of HCV infection in individuals of both Africans and Europeans ancestry. Thomas R O’Brien, Nat. Gen., 2009 Réponses cellulaires de stress après infection virales: principes généraux Réponses cellulaires de stress après infection virales: Exemples de voies de transduction VSIG : viral stressinducible genes ISG : Interferoninducible genes Sarkar et al., 2004. Pharm & Therapeutics. 103; 245-259 Part II : Immunité innée via les cellules immunitaires, DC, macrophages et NK Questions Quelles sont les cellules et les fonctions antivirales du système immunitaire inné ? Quel est le premier type de cellule immunitaire activé ? Quels sont les premiers signaux de danger reconnus et comment sont-ils reconnus ? Comment s’intègrent les réponses des différentes cellules du système immunitaire inné ? Cellules du système immunitaire et défenses antivirales Un modèle : le Cytomegalovirus murin (MCMV) - betaHerpes Viridae - ADN db, 230 kpb - Pathogène naturel de la souris - Homologue au HCMV (virus humain) -Le meilleur modèle pour l’étude des réponses immunitaires innées aux infections virales - Défense antivirale en partie médiée par les LT CD4 et CD8 Importance des IFN de type I (α/β α/β) α/β et d’autres cytokines pour la défense antivirale Cytokines produites précocement au cours de l’infection par le MCMV Importance des IFN de type I dans la résistance au MCMV Importance de l’IL-12 dans la résistance au MCMV Importance de l’ IFN-γγ dans la résistance au MCMV Importance des cellules Natural Killer (NK) pour la résistance aux infections virales Caractéristiques générales des cellules NK - Larges lymphocytes granuleux - dérivés des CLP (common lymphoid precursor), développement dans la MO, indépendant du thymus et des gènes Rag 1/2. - 5% des cellules mononuclées du sang et de la rate - chez la souris C57BL/6, TCR (CD3)- / NK 1.1 + - activité cytotoxique - production de cytokines - fonctions contrôlées par un équilibre entre récepteurs activateurs, récepteurs inhibiteurs et cytokines innées Modèle de reconnaissance et de lyse des cellules cibles par les NK Importance des cellules NK pour la résistance au MCMV Rôle des cytokines innées dans la réponse antivirale des cellules NK Régulation des réponses cellulaires NK anti-MCMV : rôle du récepteur activateur LY49H Rôle respectif des cytokines et de LY49H pour le développement d’une réponse NK à l’infection par le MCMV Importance des cellules dendritiques pour la résistance aux infections virales Sous-populations des DC de la rate de souris : classification phénotypique et fonctionnelle Identification des cellules dendritiques plasmacytoïdes murines; étude de leur rôle dans la défense contre les infections virales Rôle des sous-populations des DC dans l’activation des NK Activation des DC par les virus : Rôle des récepteurs de la famille Toll (TLR) Susceptibilité accrue des souris TLR9 KO et MyD88 KO à l’infection par le MCMV A. B. 5 3 IL12p40 (ng/ml) 5000 * * * 3 * 2 * * 1 * Tl r9 Tl Cp G 1 -/- r3 -/- yD 88 /6 M Tl r9 C5 7B L/ 6 Cp G ni 1 -/- Tl r3 -/ - M yD 88 BL /6 BL /6 Cp G C5 7 C5 7 ni 0 1 -/- Tl r9 Tl r3 -/- 88 yD M ni C5 7B L/ 6 /6 C5 7B L ** 1 0 B. A. 100 Survival (%) 10 8 10 7 6 10 5 10 4 3 10 10 2 10 1 10 0 2 * 0 10 C. C5 7B L 2500 INF-γγ (ng/ml) 4 7500 mCMV (Log pfu/spleen) INF-α β (IU/ml) α /β 10000 80 C57BL/6 N=16 Balb/c N=12 60 MyD88 -/- N=8 Tlr9 CpG1 N=5 40 Tlr3 20 C57BL/6 Balb/c MyD88 -/- Tlr3 -/- Tlr9 CpG1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -/- N=5 les senseurs TLR-indépendants de l’infection virale les senseurs TLR-indépendants de l’infection virale RIG-I MDA5 LPG2 1 1 1 CARD CARD CARD DEXDc 926 Helicase Helicase CARD 678 Helicase cytoplasme 1026 cytoplasme cytoplasme TM 1 IPS-1 CARD-like 540 cytoplasme RIG-I-Mediated Antiviral Responses to SingleStranded RNA Bearing 5'-Phosphates Andreas Pichlmair, et al. Science 314, 997 (2006); 5'-Triphosphate RNA Is the Ligand for RIG-I Veit Hornung, et al. Science 314, 994 (2006); RIG-I Pathway Intégration des réponses TLR-dépendantes et - indépendantes pour une efficacité maximale Virus X Cellule A Cellule B Virus Y TLR2 MCMV TLR4 Cellule NK ARN db LY49H IPS-1 RIG-I MDA5 PKR TLR3 TLR7 TLR9 TBK-1 IKK-i IFN-γγ IRF-3 IRF-7 IFN-(α α/β β) Immunité antivirale Quels sont les premiers signaux de danger reconnus ? Comment sont-ils reconnus ? …cela dépend des virus ! Ligands (témoins de l’infection) Récepteurs (activation des défenses Signatures virales Structure organisée de la capside Glycoprotéines d’enveloppe ARN db ARN sb 5’P des ARN viraux ADN CgG non méthylés Molécules virales en surface des cellules infectées ??? mannose récepteur, TLR4 TLR3 TLR 7/8, RIG-I TLR9, IPS-1? LY49H Signaux de stress Protéines de choc thermique (HSP) Molécules induites par le stress (Rae, H60, Mult-1…) IFN-a/b et autres cytokines TLR4, CD36 ? NKG2D récepteurs de cytokines Résumé partie II Quel est le premier type cellulaire activé ? Cela dépend des virus, mais probablement pDC, DC conventionnelles et parfois les NK Comment s’effectue la poursuite de l’activation du système immunitaire inné ? Activation par des facteurs solubles relargués au cours de la première phase (IFN type I) et par la reconnaissance de signaux de danger émis par les cellules infectées (HSP) Recrutement cellulaire, régulation du trafic cellulaire Quelles sont les fonctions antivirales de l’immunité innée ? Fonction antivirales effectrices directes (IFN type I, cytotoxicité) Fonctions immunorégulatrices (recrutement de cellules effectrices et activation de l’immunité adaptative) Part III : Immunité adaptative Nature et fonctions des réponses adaptatives antivirales 1- Réponse lymphocytaire B production d’anticorps neutralisants et d’anticorps facilitants 2- Réponse lymphocytaire T CD8 reconnaissance des cellules infectées élimination de ces cellules ou inhibition de la réplication virale 3- Réponse lymphocytaire T CD4 aide à la mise en place des réponses CD8 et B Bases moléculaires de la reconnaissance des cellules infectées par les LT CD8 (ou CTL) Génération des CTL (1) Les lymphocytes T cytotoxiques sont générés par activation spécifique des LT CD8 naïfs -Il y a 100-200 LT CD8 naïfs spécifiques du même complexe peptide-MHC classe I chez une souris non infectée - les LT CD8 naïfs sont activés dans les ganglions lymphatiques par les DC via la présentation d’antigènes viraux en association avec les molécules de CMH de classe I - les DC immatures acquièrent les antigènes viraux en périphérie (infection directe des DC) - les DC maturent sous l’influence de divers signaux (interaction antigène spécifique avec les LT CD4 naïfs, exposition aux IFN-α/β α/β, α/β activation directe par les TLR… - les DC migrent alors vers les organes lymphoïdes et y présentent l’antigène aux LTCD8 naïfs Génération des CTL (2) Théorie des 3 signaux signal 1 : signal spécifique d’antigène transmis par le TCR lors de la reconnaissance du complexe peptide/molécules de CMH classe I signal 2 : signaux de co-stimulation transmis via les interactions CD28 / B7 signal 3 : IL-2 secrétée par les LT CD4 ou IFN-α/β α/β ou IL-12 secrétés par les cellules du système immunitaire inné (DC, macrophages…) Activation des CD8 dépendante des CD4. CD8 T cells recognizing antigen on weakly costimulating cells may become activated only in the presence of CD4 T cells bound to the same antigen-presenting cell. This happens mainly by an effector CD4 T cell recognizing antigen on the antigen-presenting cell and being triggered to induce increased levels of co-stimulatory activity on the antigen-presenting cell, which in turn activates the CD8 T cell to make its own IL-2. Activation directe (CD4indépendante) des CD8 par les APC. Naive CD8 T cells that encounter peptide:MHC class I complexes on the surface of dendritic cells, which express high levels of co-stimulatory molecules (left panel), are activated to produce IL-2 (right panel) and proliferate in response to it, eventually differentiating into armed cytotoxic CD8 T cells (not shown). Fonctions effectrices des lymphocytes T CD8 antiviraux 1- effets antiviraux directs cytotoxicité : perforine, granzyme, fas/fasL, autres système ligand/récepteur de la famille TNF inhibition de la réplication virale : production d’IFN-γγ 2- effets immunomodulateurs recrutement de cellules immunitaires sur le site inflammatoire par production d’IFN-γγ activation de macrophages (IFN-g) Phases de lyse d’une cellule cible par un CTL Specific recognition of peptide:MHC complexes on a target cell (top panels) by a cytotoxic CD8 T cell (CTL) leads to the death of the target cell by apoptosis. Cytotoxic T cells can recycle to kill multiple targets. Each killing requires the same series of steps, including receptor binding and directed release of cytotoxic proteins stored in lytic granules. The process of apoptosis is shown in the micrographs (bottom panels), where panel a shows a healthy cell with a normal nucleus. Early in apoptosis (panel b) the chromatin becomes condensed (red) and, although the cell sheds membrane vesicles, the integrity of the cell membrane is retained, in contrast to the necrotic cell in the upper part of the same field. In late stages of apoptosis (panel c), the cell nucleus (middle cell) is very condensed, no mitochondria are visible, and the cell has lost much of its cytoplasm and membrane through the shedding of vesicles. Photographs (× 3500) courtesy of R. Windsor and E. Hirst. Facteurs cytotoxiques relargués par les CTL Formation de pores membranaires Perforin released from the lytic granules of cytotoxic T cells can insert into the target cell membrane to form pores. Perforin molecules, as well as several other effector molecules, are contained in the granules of cytotoxic T cells (panel a). When a CD8 cytotoxic T cell recognizes its target, the granule contents are released onto the target cell (panel b, bottom right quadrant). The perforin molecules released from the granules polymerize in the membrane of the target cell to form pores. The structure of these pores is best seen when purified perforin is added to synthetic lipid vesicles (panel c: pores are seen both end on, as circles, and sideways on, arrow). The pores span the target cell membrane (panel d). G, granule; N, nucleus; M, mitochondrion; Go, Golgi apparatus. Photographs courtesy of E. Podack Effector molecules are released from T-cell granules in a highly polar fashion. The granules of cytotoxic T cells can be labeled with fluorescent dyes, allowing them to be seen under the microscope, and their movements followed by time-lapse photography. Here we show a series of pictures taken during the interaction of a cytotoxic T cell with a target cell, which is eventually killed. In the top panel, at time 0, the T cell (upper right) has just made contact with a target cell (diagonally below). At this time, the granules of the T cell, labeled with a red fluorescent dye, are distant from the point of contact. In the second panel, after 1 minute has elapsed, the granules have begun to move towards the target cell, a move that has essentially been completed in the third panel, after 4 minutes. After 40 minutes, in the last panel, the granule contents have been released into the space between the T cell and the target, which has begun to undergo apoptosis (note the fragmented nucleus). The T cell will now disengage from the target cell and can recognize and kill other targets. Photographs courtesy of G. Griffiths Importance des LT CD4. Infection par le HIV (1) The typical course of untreated infection with HIV. The first few weeks are typified by an acute influenza-like viral illness, sometimes called seroconversion disease, with high titers of virus in the blood. An adaptive immune response follows, which controls the acute illness and largely restores levels of CD4 T cells (CD4+ PBL) but does not eradicate the virus. Opportunistic infections and other symptoms become more frequent as the CD4 T-cell count falls, starting at around 500 cells ml-1. The disease then enters the symptomatic phase. When CD4 T-cell counts fall below 200 cells ml-1 the patient is said to have AIDS. Note that CD4 T-cell counts are measured for clinical purposes in cells per microliter (cells ml-1), rather than cells per milliliter (cells ml-1), the unit used elsewhere in this book. Importance des LT CD4. Infection par le HIV (2) The immune response to HIV. Infectious virus is present at relatively low levels in the peripheral blood of infected individuals during a prolonged asymptomatic phase, during which the virus is replicated persistently in lymphoid tissues. During this period, CD4 T-cell counts gradually decline, although antibodies and CD8 cytotoxic T cells directed against the virus remain at high levels. Two different antibody responses are shown in the figure, one to the envelope protein (Env) of HIV, and one to the core protein p24. Eventually, the levels of antibody and HIV-specific cytotoxic T lymphocytes (CTLs) also decline, and there is a progressive increase of infectious HIV in the peripheral blood. Immunité adaptative humorale Cytotoxicité cellulaire dépendante des Anticorps (ADCC) Antibody-coated target cells can be killed by NK cells in antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). NK cells are large granular non-T, non-B lymphoid cells that have FcgRIII (CD16) on their surface. When these cells encounter cells coated with IgG antibody, they rapidly kill the target cell. The importance of ADCC in host defense or tissue damage is still controversial. Conclusions Complémentarité des systèmes immunitaires innés et adaptatifs Intervention à des moments distincts de l’infection Plus le nombre de pressions de sélection exercées est petit, plus le risque d’échappement viral est important Futures directions dans l’étude des réactions antivirales Rôle des cellules du système immunitaire inné Comment les différentes phases sont-elles connectées ? Comment l’histoire immunitaire d’un individu influe-t-elle sur sa réponse à l’infection par un nouveau virus ? Stratégies virales d’échappement au système immunitaire Mécanismes subversifs des Herpesviridae et Poxviridae A RETENIR ! Les Virus Les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires - composés essentiellement de protéines et d’acides nucléiques - enveloppés ou non - présentent des niveaux de complexité très variables (codent pour 5 à plus de 100 protéines) - peuvent se transmettre selon des voies multiples - peuvent produire des infections locales ou systémiques - peuvent induire différents types d’infections, aiguë, latente, chronique - peuvent être transformant Les réponses antivirales 1- Innées hors système immunitaire défenses cellulaires (interférence aux ARN, voie PKR) émission de signaux de danger (IFN type I, ligands de NKG2D) 2- Système immunitaire inné réponse cytokinique (IFN type I, IFN-γγ, IL-12, IL-15, IL-18) réponse cellulaire (DC, NK) 3- Système adaptatif LT CD8 (lyse des cellules infectées), LT CD4 LB (anticorps neutralisants, ADCC) Stratégies virales d’échappement - Méthode du cheval de Troie : se cacher du système immunitaire Diminution de l’expression de molécules immunitaires (ligands des récepteurs activateurs des cellules NK, MHC de classe I) Variation antigénique -Interférences avec la réponse immunitaire Production d’analogues de cytokines Production d’analogues de récepteurs de la famille du TNFR (Bowie et al, 2008. Nat Rev. Immunol.) Stratégies virales d’échappement aux TLRs (Bowie et al, 2008. Nat Rev. Immunol.) Stratégies virales d’échappement aux RLRs (Bowie et al, 2008. Nat Rev. Immunol.) prévention Infection virale adjuvants vaccination Immunité innée Immunopathologie autoimmunité Immunité adaptative thérapie Contrôle de l’infection Évasion immunitaire (immunosuppression, échappement viral, dissimulation) Mémoire immunitaire Infection persistante ou chronique
