Pierre Boudinot
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Génomique des interactions hôtes-pathogènes P Boudinot VIM INRA Plan • Qu’est ce qu’un système de défense ? Implications génomiques et évolutives • Gènes de l’immunité à travers les espèces et les génomes: variations, convergence, homologie, diversité; immunité innée et adaptative • Un exemple d’étude de transcriptome : type I IFN, ISGs et infection virale Qu’est ce qu un système de défense ? 1. Barrières : peau et muqueuses 2. Récepteurs pour l’identification des infections, et des agents infectieux 3. Système de signalisation a différentes échelles 4. Mécanismes effecteurs et destruction des agents infectieux 5. Régulation et contrôle de ces mécanismes effecteurs 6. Retour à la normale et réparation des dégats (cicatrisation..), résilience partielle du système et mémoire immunitaire Pressions de sélection et contraintes s’exerçant sur les systèmes immunitaires • Un système de défense doit éliminer rapidement et efficacement les pathogènes composants innés, constitutifs ou inductibles • Il doit donner aux individus au sein de l espèce les meilleures chances de survie dans des conditions d’environnement souvent rapidement changeantes Adaptations somatiques individuelles. • Il doit être divers et flexible, et souvent régulé (up and down) : nombreuses solutions Innées et “adaptatives”: familles multigeniques, nombreuses catégories moléculaires, Tregulateurs … Pressions de sélection et contraintes s’exerçant sur les systèmes immunitaires • Il doit être economique (relativement) i.e. doit être compatible avec le nb de cellules et les ressources disponibles : adaptations somatiques, usage combinatoire d’ elements. Transmission des systemes adaptatifs comme des kits « do-it-yourself « • Une mémoire peut servir: selection clonale et mémoire associée (lymphocyte) • Il ne doit pas réagir avec le soi: selection clonale (lymphocyte); tolerance périphérique • (Moduler tout cela selon l histoire naturelle de l’ organisme: temperature, taille,durée de vie, taille de ponte , type de developpement précoce etc ) INNE, non spécifique de l’Ag ADAPTATIF, spécifique de l’Ag Liver Epithelia Macrophages Granulocytes PDC C’ Acute phase Intracellular systems Pentraxins RNAi, RIG1, PKR, NLR, TRIM IFNαβ IFNγ Phagocytosis Scav R. Mannose R. Lectin R. LRR TLR/IgSF IL1R TIR Effectors: AMP, Cytokines,… NK Lymphoid organs Lymphocytes RAG1,2 T-B IgSF AID Co receptors Thymus, BM, Co stimulators rep.selections Fc receptors ITIM Cytokines MHC pres. APC Chemokines Clonal selection Effectors:Abs, CTLs,Thelp specificity,memory regulation Affinity maturation A constellation: A system: many modules not necessarily linked to one another Centered on lymphocytes locked in a coevolutionary unit Système immunitaire de l ‘homme (schématique …) Génomes et “gènes de l’immunité” • Limites de cet ensemble “gènes de l’immunité” • Immunité Innée : – – – – – – Définition Senseurs/ signalisation/ effecteurs ; diversité = facteur clé Homologies et conservation Diversité des récepteurs et variations Mécanismes de diversification = > adaptatif Localisation des gènes de l’immunité Immunité innée : Senseurs/ signalisation/ effecteurs : exple TLR Fundamental Immunology 2008 Immunité innée : Senseurs et domaines conservés (domaines spécialisés dans la reconnaissance de motifs multiples) Flajnik Du Pasquier Fundamental Immunology 2008 Variations des répertoires de senseurs dans le règne animal => diversification par duplication Science 3 December 2010: Vol. 330 no. 6009 pp. 1381-1385 Homologies A state of similarity in structure and anatomical position but not necessarily in function between different organisms indicating a common ancestry or evolutionary origin =>>: Take the immune system of man and look in other species what has been conserved (sequence comparison): It helps determining what is essential and what is accessory Analogies/convergences Structural or behavioural similarity in terms of functions between unrelated species or organisms but that do not share a common ancestral or developmental origin =>>Follow the solutions selected from unicellular organisms to Vertebrates after an exposure to a pathogen Exemple d homologie IgM Un cas de convergence Roux, Kenneth H. et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 11804-11809 CAMELID Mammals IgM Birds IgM Reptiles IgM IgD IgG IgE IgG IgA IgY IgA Switch IgMgj IgA Amphibians IgM IgNAR/IgW IgY IgD-like IgY IgX IgD IgM IgF IgE IgY IgX CAMELID IgG Teleost Fish IgM Cartilaginous Fish IgM IgD-like Ig Z,T IgMgj IgW IgNAR analogy no analogy Convergence Conservation Homology Isotypes Hansen J et al, PNAS 2005 102:6919-24Ohta y and Flajnik MF PNAS 2006 103:10723-8 Zhao Y et al PNAS 2006 103:12087-12092 Danilova et al Nat. Imm.2005 Mar;6(3):295-302. IgG Diversification des DSCAM des arthropodes => par épissage alternatif Homolog duhuman Down Syndrom Cell Adhesion Molecule > 30000 isoforms of DSCAM molecules Schmucker et al. 2000 Cell. 2000 Jun 9;101(6):671-84, Science. 2005 Aug 18 Brites D.et al, Biol Evol. 2008 Jul;25(7):1429-39. Implication de DSCAM dans l’immunité • Opsonization?(Science. 2005 Sep 16;309(5742):1874-8. (PLoS Pathog. 2009 Jul;5(7):e1000518. )) • Variation suivant l’ immunization?(Malar J. 2011 Jun 8;10:156. PLoS Biol. 2006 Jul;4(7):e229. • Upregulation following immunization (PLoS Pathog. 2011 Jun;7(6):e1002062.) • Selection positive de certains residues du putative combining site(Brites et al in press PloS one) In the mosquitoe (Anopheles), different pathogens induce selectively the expression of some exons in DSCAM in hemocytes Localisation des gènes de l’immunité : * par groupes de gènes localement dupliqués * pas spécialement par clusters fonctionnels Exemple d’une famille de TRIM Génomes et “gènes de l’immunité” • Limites de cet ensemble “gènes de l’immunité” • Immunité Innée • Immunité adaptative – Définition et sélection clonale – Lymphocytes, nécessaires au développement d’une immunité adaptative « clonale » – Base de la diversité des récepteurs – Loci et mode de diversification Lymphocytes et réponse specifique Réponse spécifique -> diversité et specificité des récepteurs -> sélection clonale : 1 cellule = 1 Ag spe Receptor=> 1 Ag -> cellules dangereuses, proliferatives donc très régulées === « Invention » du lymphocyte (différentiation, interactions cellulaires et régulation) La diversité des gènes (duplications) peut être sélectionnée durant l’évolution des populations. La diversité des Acs, produite pendant la différentiation des cellules B, doit être sélectionnée somatiquement c’est a dire pendant la vie de l’individu Contraintes: • Controle de l’Autoimmunité: Deletion centrale (thymus, AIRE)(Bone marrow) Inhibition Peripherique(regulatory T cells) • Sites et voies de selection (MHC, stroma des organes lymphoid). • Lymphocyte (+Lymphoid organs) = adaptation a la necessity de la selection : modèle de la sélection clonale !! Les lymphocytes sont ils conservés à travers les espèces ? Mammals Pathways de differenciation des Lymphocytes Hartenstein V. Annu. Rev. Cell Dev .Biol. 2006 22:677-712 Insects La spécificité de la réponse nécessite une grande diversité des récepteurs Comment cette diversité est elle produite ? Théorie somatique vs germinale => réarrangements VDJ Diversification des anticorps: réarrangements VDJ. Mécanisme alternatif de diversification de récepteurs spécifiques de l’Ag : les VLR de la lamproie, un remarquable exemple de convergence avec les Igs Le répertoire immunitaire des « anticorps » de lamproie, connus sous le nom de VLRs (variable antigen receptors), et basés sur des Leucine rich repeats (comme les Toll like receptors) Un agnathe: la lamproie Adult life in sea water, eggs laid in estuaries, larvae in rivers (microphages). The adult is fixed to a marine fish or mammals, and lives as a parasite from the blood of the host. 1: Craniates 2: Myxini 3:Vertebrata 3_1: Petromyzontiformes 3_2: Gnatostomata Lamproies et Myxines: des reliques • Ostracodermes: un grand succès adaptatif (Silurien sup et devonien inf) • Exosquelette, bouclier et plaques osseuses Chez la Lamproie : • Indices de réponse immunitaire et d’activation • Pas d’Abs, de TCR, mais des « lymphocytes-like » activables par des mitogenes +> comparison avant et après activation par transcriptome Identification de protéines très diversifiées chez la lamproie: les« VLRs » (Variable lymphocyte receptor) CSR Schatz D Nature Imm. 2007 8:551-553 Des VLR différents, ressemblant aux Igs et aux TCR !! VLRC? Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Aug 10;107(32):14304-8. Epub 2010 Jul 26. Convergent Ag receptors Etudes fonctionnelles des relations hotes pathogènes à l’échelle du génome • Gène par gène : KO, KD, approches biochimique … • Immunité Innée : transcriptome (micro arrays, séquençage) • Immunité adaptative : répertoires immunitaires (TCR, IG) Caractérisation de la réponse antivirale chez les poissons par des études de transcriptome Le danio zébré, un poisson “modèle” Adaptive immunity rag-dependent rearrangements Neutrophiles Macrophages 0h 12h 24h 36h 48h 60h 72h Hatching Period 4dpf 5dpf 28dpf Time (hours post-fertilization) Réponse de la « larve » a deux virus differents Fish rhabdovirus vs Human arbovirus Distinct strategies !! Patrons d’expression des gènes induits par l’infection (et l’IFN) : importance inattendue du foie et de l’intestin ! Les gènes du système IFN Sont massivement induits par CHIKV La réponse à ChikV identifie un ensemble fondamental de gènes induits par l’IFN (environ 100) Enrichissement significatif Aussi aux FC moyens => Prédiction distribution des gènes et des homologues zebrafish des gènes humains induits par l’IFN par classes de FC Briolat V, et al. J Immunol 2014; 192: 4328 Les familles de gènes induits par l IFN suivent des patrons évolutifs différents. (1) familles anciennes dejà diversifiées chez l’ancêtre commun h/ps Exemple: IRF Briolat V, et al. J Immunol 2014; 192: 4328 Familles nouvelles diversifiées en parallèle chez Ps et tétrapodes (1) Exemple: IFIT « Interferon Induced proteins with Tetratricopeptide repeats » Groupes Distincts de multiple paralogues chez l’homme et le zebrafish Briolat V, et al. J Immunol 2014; 192: 4328 Cette analyse rapide illustre: • La définition d’un système par des profils d’expression (transcriptome) • L’intérêt évolutif de l’intégration de ces données dans une perspective évolutive • L’apport d’une approche comparative qui identifie les éléments essentiels conservés Conclusions • Pressions de sélection différentes sur les gènes de diverses classes fonctionnelles et types de réponses (senseurs, signalisation, effecteurs // inné vs adaptatif) ⇒Contraintes différentes dans les génomes • Méthodes « haut débit » disponibles qui changent radicalement les perspectives et appellent plus de modélisation pour comprendre ce qui se passe in vivo Merci de votre attention
