Comment le lymphocyte T reconnaît l`antigène?
publicité
Analyse moléculaire de la réponse immunitaire IRCM 1er mars 2012 Nathalie Labrecque Centre de recherche Hôpital Maisonneuve-Rosemont Tél: 514-252-3552 Courriel:[email protected] Phase de la réponse immunitaire EXPANSION CONTRACTION + Ag apoptose T naïf T mémoires T effecteurs Protègent contre une deuxième infection -réponse plus rapide -réponse plus efficace Éliminent l’agent infectieux SUCCÈS DE LA VACCINATION -cytokines -cytotoxicité -aide aux cellules B (anticorps) QUESTIONS 1. Comment le lymphocyte T reconnaît l’antigène? -présentation antigénique -diversité du RCT -complexe trimoléculaire 2. Comment la réponse des cellules T peut être sensible et spécifique? -caractéristiques physicochimiques de l’interaction RCT-Ag -modèles 3. Comment la reconnaissance antigénique mène à la formation des lymphocytes T mémoires -modèle actuel -résultats du labo Comment le lymphocyte T reconnaît l’antigène? Cellule présentatrice d’Ag CD8 MHC class I peptide TCR/CD3 V V C C CD3 CD3 CD3 CD3 Lymphocyte T CMH I -Ag cytosolique -virus CD8 CMH II -Pathogènes intravésiculaires -Pathogènes extracellulaires CD4 Molécules de classe I du CMH -exprimées par toutes les cellules -les lymphocytes T CD8+ ou cytotoxiques vont reconnaître les antigènes présentés par ces molécule -les lymphocytes T CD8+ vont tuer les cellules présentant l’antigène Molécules de classe II du CMH -exprimées par les cellules spécialisées dans la présentation de l’antigène -cellules dendritiques -macrophages -lymphocytes B -les lymphocytes T CD4+ ou auxiliaires vont reconnaître les antigènes présentés par ces molécules -les lymphocytes T CD4+ vont sécréter des cytokines qui vont aider soit les lymphocytes B à sécréter des anticorps ou soit aider à l’activation des macrophages Comment les molécules de classe I ou II du CMH lient les peptides antigéniques ? Davis et al. 1998. Annu. Rev. Immunol. 16:523-544 Structure du locus CMH et variation allélique Récepteur spécifique des cellules T (RCT) V V C C CD3 CD3 CD3 CD3 -reconnaît l’Ag -très variable Diversité du RCT -la portion variable des chaînes et du RCT est encodé par différents segments de gènes -le locus des chaînes et du RCT se compose de plusieurs segments de gènes Réarrangement du RCT -juxtaposition aléatoire des segments V, D et J permet d’obtenir un grand nombre de RCT différents 7-mer et 9-mer RSS MÉCANISME MOLÉCULAIRE +HMG (DNA bending protein) Schlissel 2002. Cell 109:1-4 Non-homologous end joining (NHEJ) Ku70-80 entourent les extrémités et recrutent DNA-PKcs, ce qui augmente l’activité kinase de DNA-PK Recrutement et phosphorylation d’Artemis Ouverture des extrémités par Artemis Recrutement de XRCC4 qui recrute DNA ligase IV Pol rempli les cassures Tdt ajoute des nucléotides Roth DB. Nat. Rev. Immunol. 3:656-666 (2003) Diversité du RCT -juxtaposition aléatoire des segments V, D et J -flexibilité lors de la juxtaposition -ajout de nucléotides aux jonctions -association et -pas d’hypermutation somatique 15 10 RCT Effet de l’affinité du RCT pour son ligand Lors du développement du lymphocyte T Lymphocytes T matures Goldrath and Bevan 1999. Nature 402:255-262 SÉLECTION DU RÉPERTOIRE -lors du développement des lymphocytes T dans le thymus -élimination des lymphocytes T exprimant un RCT autoréactif -survie des lymphocytes T exprimants un RCT capable d’interagir avec les molécules de classe I ou II du CMH du soi -mort des lymphocytes T ayant un RCT incapable d’interagir avec les molécules de classe I ou II du CMH LOCALISATION DE LA DIVERSITÉ CDR1-CDR2: région V CDR3:junction V-J ou V-D-J OU RCT CDR3 est hypervariable Davis et al. 1998. Annu. Rev. Immunol. 16:523-544 COMPLEXE TRI-MOLÉCULAIRE:RCT-CMH-PEPTIDE Hennecke and Wiley. 2001. Cell 104:1-4 CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DU COMPLEXE TRI-MOLÉCULAIRE -CDR1 et CDR2 interagissent avec les molécules du CMH (hélices ) -CDR3 interagit avec le peptide -interaction toujours dans la même orientation -angle de 45 à 70 degrés par rapport au peptide -V en N-ter du peptide -V en C-ter du peptide Comment la réponse des cellules T peut être sensible et spécifique? Caractéristiques physico-chimiques de l’interaction entre le RCT et le complexe peptide-CMH -On-rate ~1000 à 200 000 M-1s-1 (vitesse de liaison) -Off-rate ~ 0.5-0.01s-1 ou t½ ~12-30s (vitesse de dissociation) -KD ~10-50 M (affinité) Corrélation entre la vitesse de dissociation et l’effet biologique de l’interaction RCT-CMH-peptide (pas parfaite) Excellente corrélation entre la réponse des cellules T et les caractéristiques de la liaison TCR-CMH-peptide •Réponse plus robuste des cellules T envers des ligands de plus forte affinité •L’augmentation de la vitesse de dissociation diminue l’activité agoniste du ligand •Les peptides antagonistes possèdent une affinité similaire aux agonistes faibles mais avec des vitesses de dissociation beaucoup plus élévée (plus de 10X) APC CD8 MHC class I peptide TCR/CD3 CD3 CD3 V V C C CD3 CD3 T cell 1. Specificité 2. Sensibilité 3. Discrimination du contexte (costimulation, signal danger) Engagement du RCT: Défi pour l’activation -petite taille du RCT -abondance de glycoprotéines de grande taille (LFA-1, CD48 ,CD45…) à la surface des T -faible affinité du RCT pour son ligand (~10 M) -t½ du complexe RCT-CMH courte (10s) -petit nombre de complexe antigénique (~100) dans une mer de ligands semblables -mouvement des cellules T -nécessité d’une interaction prolongée entre le lymphocyte T et la cellule présentatrice d’antigène (plusieurs heures) SENSIBILITÉ DE LA RÉPONSE DES CELLULES T -Un ligand est suffisant pour induire le flux calcique -Le flux calcique maximal est atteint avec 10 ligands -Une réponse complète des cellules T est induite dans l’ordre de la dizaine de ligands -Différente d’affinité de seulement 10X entre les peptides étrangers et du soi Irvine DJ et al. 2002. Nature 419:845-849 Purbhoo MA et al. 2004. Nat Immunol 5:524-530 Davis MM et al. 2007. Annu Rev Immunol 25:681-695 Modèles permettant d’expliquer la sensibilité de la reconnaissance antigénique par le lymphocyte T • • • • Engagement sériel Synapse immunologique Formation de micro-groupes de RCT Liaison en 2 étapes du RCT à son ligand (échantillonnage des complexes peptides-CMH à la surface de l’APC) • Augmentation de la sensibilité grâce à la reconnaissance du soi • Formation de pseudodimères de RCT-CMH-peptide Engagement sériel (Valittuti et al. 1995. Nature 375:148-151) Tiré de Dustin and Cooper 2000. Nature Immunology 1:23-29 SYNAPSE IMMUNOLOGIQUE CD3 section 3D-view MHC class II section 3D-view section MHC class I 3D-view Monks et al. 1998. Nature 395:82-86 SYNAPSE IMMUNOLOGIQUE CD3 LFA-1 (molécule d’adhésion) V8 (chaîne beta du RCT) Talin Monks et al. 1998. Nature 395:82-86 « SUPRAMOLECULAR ACTIVATION COMPLEX » Monks et al. 1998. Nature 395:82-86 Formation de micro-groupes de RCT (microclusters) suite à la reconnaissance antigénique RCT Kinase Molécule adaptatrice La signalisation via le RCT se fait au niveau des micro-groupes de RCT Saito T and Yokosuda. 2006. Curr Op Immunol 18, 305-313 Augmentation de la sensibilité de la réponse des cellules T grâce aux regroupements en ilots protéiques du RCT En absence d’Ag, les molécules du RCT et de la molécule adaptatrice LAT sont confinés dans des ilots protéiques disctincts (70-140nm; 7-25 molécules) Ces regroupements de RCT permettent probablement l’engagement de plusieurs RCT par un même ligand (favorisé par la dissociation rapide de l’interaction RCT-ligand). Ce phénomène est probablement important pour maximiser la signalisation du RCT Suite à la reconnaissance antigénique, environ 5 à 15 de ces ilots protéiques fusionnent pour former des microgroupes de RCT Lillemeier BF et al. 2010. Nat Immunol 11: 90-96 La petite taille du RCT est requise pour une activation efficace des lymphocytes T Choudhuri K et al. 2005. Nature 436, 578-582 La petite taille du RCT permet d’exclure les grosses molécules du centre de la synapse, incluant la phosphatase CD45 Choudhuri K et al. 2005. Nature 436, 578-582 L’exclusion de la phosphatase CD45 des RCT engagés permet l’activation des lymphocytes T Choudhuri K et al. 2005. Nature 436, 578-582 Liaison en 2 étapes du RCT à son ligand -résidus du CMH (hélices ) affectent l’association (guide le RCT vers son ligand) -permet le changement de conformation des boucles CDR3 -résidus du peptide affecte la dissociation ou la stabilité du complexe tri-moléculaire Tiré de Wu et al. 2002. Nature 418,552-556 clé et serrure -liaison via CDR1 et CDR2 -induit ajustement des boucles CDR3 sur le peptide -stabilise l’interaction permet le balayage de la surface de la cellule présentatrice d’Ag afin de détecter efficacement les peptides étrangers (rares et très semblables au soi) APC CD8 MHC class I peptide soi TCR/CD3 CD3 CD3 V V C C CD3 CD3 T cell Interaction RCT-CMH-peptide du soi régule l’homéostasie des cellules T -survie des lymphocytes T naifs -prolifération homéostatique lors de lymphopénie « chatouillement du RCT » -phosphorylation partielle de (p21) -association de ZAP-70 au RCT Signalisation via le RCT (version simplifiée) ACTIVATION 1. 2. 3. 4. lck phosphoryle les chaînes du CD3 recrute ZAP-70 au complexe RCT/CD3 ZAP phosphoryle différents adapteurs adapteurs propagent le signal vers les 3 voies de signalisation principales -ras-map kinase -PLC1 (calcineurine, PKC) -PI-3K Absence d’interaction RCT-CMH –peptide du soi provoque une perte de la réactivité à l’antigène Tiré de Stefanova et al. 2002. Nature 420, 429-434 Stimulation de cellules T par des hétérodimères de complexe CMH-peptide du soi et CMH-peptide antigénique Krogsgaard M et al. 2005. Nature 434, 238-243 Activation des cellules T: Modèle du pseudodimère Krogsgaard M et al. 2005. Nature 434, 238-243 Rôle de l’interaction RCT-CMH-peptide du soi 1. 2. 3. 4. Restriction par le CMH Survie des cellules T naives Prolifération homéostatique Augmentation de la sensibilité de la réponse aux antigènes étrangers 5. Création de pseudodimères TCR-CMH-peptide recrutant le co-récepteur (CD4) (concentration de lck à proximité des RCT engagés) Activation des cellules T facilitée par 1. 2. 3. 4. Modèle de liaison en 2 étapes (balayage) Taille du RCT (exclusion des grosses molécules tel que CD45) Augmentation de la sensibilité via l’interaction avec les molécules du soi Formation de pseudodimères de RCT-CMH-peptide (un RCT lié au peptide antigénique et l’autre lié au peptide du soi) 5. Engagement sériel? (plutôt dû aux interactions avec les complexes CMH-peptide du soi) 6. Synapse immunologique et/ou formation de micro-groupes de RCT Permet une réponse sensible et spécifique des cellules T Impact de l’ancrage à la membrane du RCT et de son ligand sur l’affinité Affinité 3D (en solution) Affinité 2D (récepteurligand ancré à la membrane) t½=~10s Kd=~10-50uM Kon=~3 x 103-104 s-1M-1 t½=~0.1-1s Kd=~4-10uM Kon=~105-106 s-1M-1 Huppa JB et al. 2010. Nature 463: 963-967 Huang J et al. 2010. Nature AOP 3. Comment la reconnaissance antigénique mène à la formation des lymphocytes T mémoires? Conséquence de la réponse des lymphocytes T EXPANSION CONTRACTION + Ag apoptose T naïf T mémoires T effecteurs Éliminent l’agent infectieux -cytokines -cytotoxicité Protègent contre une deuxième infection -réponse plus rapide -réponse plus efficace SUCCÈS DE LA VACCINATION Propriétés des lymphocytes T mémoires Plus rapide et plus sensible -augmentation du nombre de précurseurs (jusqu’à 1000X) -réorganisation de la machinerie de signalisation du RCT -réorganisation de la chromatine au locus de certains gènes (expression constitutive de l’ARNm de l’IFN-gamma, perforine…; production de la protéine requiert stimulation antigénique) -déjà présent dans les tissus périphériques (modification de l’expression de certaines molécules de surface qui participent à l’adhésion et à la chimiotaxie) Durée de vie très longue -réponse à des facteurs de survie -auto-renouvellement Comment les lymphocytes T mémoires peuvent-ils être plus sensible envers leur antigène? -Existence de nanogroupes de RCT chez les cellules T mémoires Kumar R et al. 2011. Immunity 35:375-387 Modèles du développement des lymphocytes T mémoires Linéaire Binaire Feau and Schoenberger 2009. Science 323, 466-7 Évidences expérimentales en faveur du modèle de différenciation linéaire 1. Transfert d’effecteurs permet le développement de lymphocytes T mémoires 2. Différenciation programmée des cellules T naives suite à la reconnaissance antigénique 3. Pendant la phase de contraction, acquisition graduelle du programme d’expression génique des lymphocytes T mémoires 4. Traçage génétique Évidences expérimentales récentes en faveur du modèle de différenciation linéaire 1. Modèle permettant le marquage permanent des lymphocytes T effecteurs Bannard et al. 2009. Science 323, 505-509 Évidences expérimentales récentes en faveur du modèle de différenciation linéaire 2. Est-ce que les effecteurs marqués deviennent des cellules mémoires? Présence de cellules T marquées au stade mémoire Les cellules T marquées participent à la réponse secondaire Bannard et al. 2009. Science 323, 505-509 Évidences expérimentales en faveur du modèle de différenciation binaire Division asymétrique lors de la reconnaissance antigénique détermine si une cellule devient mémoire ou pas Chang et al. 2007. Science 315, 1687-1691 Évidences expérimentales récentes en faveur du modèle de différenciation binaire Différents signaux transmis par le RCT pour la formation des effecteurs vs mémoires (cellules T avec une mutation du domaine transmembranaire de la chaîne beta du RCT) Défaut de polarisation du RCT et de PKCtetha Génération d’effecteurs mais pas de T mémoires Est-ce que les paramètres physico-chimiques de l’interaction RCT-CMH-Ag influence le développement des cellules T mémoires? AVIDITÉ:-dépend de l’affinité de l’interaction -dépend de la densité de ligands Effet de l’affinité du RCT sur le développement des lymphocytes T mémoires Modèle expérimental •Création de bactéries Listeria recombinantes exprimant des variants de différentes affinité de l’Ag OVA •Infection et suivi de la réponse des cellules T spécifiques à l’Ag OVA J138 p.i. J138 p.i. Formation de Tm Fonction des Tm Cinétique de la réponse Aff D Zehn et al. Nature 458, 211-214 (2009) doi:10.1038/nature07657 Effet de la densité de ligand sur le développement des lymphocytes T mémoires 700 600 (MFI) 800 DC SIINFEKL 3h DC SIINFEKL O/N DC Irrelevant peptide 3h P≤ 0,05 DC SIINFEKL ON 500 MFI (MFI) 482 DC SIINFEKL 3h 400 300 DC Irrelevant peptide O/N 200 100 0 b K / SIINFEKL Kb/SIINFEKL -Similar expression level of CD86, Kb and I-Ab -No difference in the production of IL-12 Variation of Ag level with constant inflammation Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 Adoptive transfer model to study effector and memory CD8+T cell differentiation 5 X 105 CD8+ V5LTAO or OT-I T cells (CD45.2+) d4 to d14 V5LTAOC-/- or OT-I TCR tg B6.SJL (female, CD45.2+) (female, CD45.1+) Effectors Immunization SIINFEKL (OVA 257-264) peptide-pulsed and LPS matured DCs (5X105 male DCs) >d30 Memory T cells Effet de la densité de ligand sur le développement des lymphocytes T mémoires Day 4 Day 30 Day 45 Irrelevant CD8 0.27% 5400 0% 0 0% 0 CD45.2 CD8 DC SIINFEKL 3h 1,6% 56000 0.28% 13440 0,03% 1920 0,51% 27081 0,35% 25200 CD45.2 CD8 DC SIINFEKL O/N 2,71% 59620 CD45.2 Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 Number of CD8+CD45.2+ T cells Effet de la densité de ligand sur le développement des lymphocytes T mémoires DC SIINFEKL 3h 1e5 DC SIINFEKL ON 1e4 1e3 1e2 10 Day 4 Day 45 Days post immunization DC SIINFEKL ON DC SIINFEKL 3h V5LTAOC-/- 11/14 4/13 OT-1RAG-/- 5/5 2/3 Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 Comment une variation de l’avidité en changeant l’affinité ou la densité de ligand peut affecter différemment la réponse des cellules T? Modification de la densité de ligands: nombre différents de RCT et co-récepteurs engagés DC T DC T Modification de l’affinité: même nombre de RCT et co-récepteurs engagés DC T DC T The level of MHC-peptide complexes on DCs influences the duration and quality of T-DC contact p=0,09 3000 2500 2000 1500 1000 500 Interaction >640 sec (%) 0 50 DC SIINFEKL O/N 60 p<0,05 p<0,05 50 40 30 20 10 0 DC SIINFEKL 3h Engulfment (%) Interaction time (sec) 3500 O/N 3h 40 30 20 10 0 O/N 3h Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 Transcriptional network controlling CD8+ memory T cell development Relative expression to DC SIINFEKL 3h The level of MHC-peptide complexes on DCs controls the expression of key transcription factors by effector T cells Day 4 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 T-bet Blimp1 Bcl6 Eomes Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 The level of Ag regulates Nor-1 and Bcl-2-BH3 expression Day 4 Relative expression to DC SIINFEKL 3h 2.0 DC SIINFEKL O/N 1.5 DC SIINFEKL 3h DC SIINFEKL Endogenous Isotype 1.0 8,5% 26,2% 0.5 0.0 Bim Nor-1 Bclxl FasL Spi2A Bcl2-BH3 Leignadier J and Labrecque N. 2010. Plos One 5:e13740 Working model low dose of antigen high dose of antigen DC T •short duration of T-DC contact •weaker or shorterTCR signaling •Eomeslo, Blimplo and Bcl6lo •Nor-1hi and Bcl-2-BH3hi •genetic programming of short-lived effectors DC T •long-lasting T-DC interaction •stronger and longer TCR signaling •Eomeshi, Blimphi and Bcl6hi •Nor-1lo and Bcl-2-BH3lo •genetic programming of long-lived memory T cells ACKNOWLEDGEMENTS Julie Leignadier Mélissa Mathieu Jean-François Daudelin Salix Boulet Paméla Thébault Jonathan Yewdell CIHR and FRSQ
