Contrôle génétique de la réponse immune à Plasmodium falciparum

Contrôle génétique de la réponse immune
à Plasmodium falciparum
Florence Migot-Nabias
UMR 216 «Mère et enfant face aux infections tropicales»
IRD, Paris
12 mars 2011
[email protected]
Existence d’une régulation génétique des
réponses immunitaires spécifiques du paludisme
Ê Différences ethniques, familiales et individuelles des
réponses immunitaires contre P. falciparum, dans des
conditions d’exposition identiques
Ê Concordance plus importante entre jumeaux monozygotes
que dizygotes:
9 Pour le développement de fièvre lors d’un accès palustre: régulation
génétique des cytokines pyrogènes
9 Pour la production d’anticorps dirigés contre différents antigènes
plasmodiaux
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
ÊPolymorphisme érythrocytaire
9 Trait drépanocytaire
9 Alpha-thalassémie
9 Déficit en G6PD
Ê Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
Ê Polymorphismes de gènes de cytokines
Ê Allotypes d’immunoglobulines
Ê Mécanismes de l’immunité innée
Ê …
Polymorphisme érythrocytaire & paludisme
Ê Protection clinique
9 Trait drépanocytaire, alpha-thalassémie, déficit en G6PD, ovalocytose, groupe
sanguin ABO, groupe Duffy négatif
Ê Mécanismes proposés
9 Modification des antigènes érythrocytaires de surface favorisant la
reconnaissance immunitaire (alpha-thal)
9 Sensibilité accrue au stress oxydant favorisant la phagocytose des
parasites (déficit G6PD)
9 Ralentissement de la croissance parasitaire dans les hématies anormales
(Hb S)
9 Facilitation (groupe A) ou limitation (groupe O) de la formation de rosettes
Ê Autres polymorphismes érythrocytaires moins directement
liés à la protection
9 Hb C, Hb E, béta-thalassémie, récepteur du complément CR1
Distributions comparées du paludisme et de
l’hémoglobine S en Afrique
SI Hay et al., PLoS Medicine 2010
Endémicité mondiale de P. falciparum en 2007
L’Afrique regroupe plus de 80% des cas de
décès par paludisme à P.falciparum
Hémoglobine S:
Mutation ponctuelle au locus des β globines:
- Hémoglobine AS: trait drépanocytaire
- Hémoglobine SS: drépanocytose
G Périquet, Univ. Tours
Hémoglobine AS ou SS
Hémoglobine AA
Hémoglobine AS: protection
de 60% contre les accès
palustres simples et de 90%
contre les accès graves
(Hill 1992)
Photos Drs. Noguchi, Rodgers and Schechter of NIDDK
Structure de l’hémoglobine
β
α
α
β
Gγ
Αγ
δ
β
Gγ
Αγ
δ
β
Chromosome 11
hème
α2
α2
α1
α1
naissance
α
β
γ
Hb F
α2 γ2
δ
Hb A
α2 β2
Hb A2
α2 δ2
Chromosome 16
Détermination du variant HbS (PCR-RFLP)
Séquence du fragment amplifié du variant HbS
(chromosome 11, exon 6 du gène de la béta-globine, 369 pb)
HbS-F
5’agtcagggcagagccatctattgcttacatttgcttctgacacaactgtgttcactagcaacctcaaacagacaccatggtgcatc
tgactcc(93pb)/tgTggagaagtctgccgttactgccctgtggggcaaggtgaacgtggatgaagttggtggtgaggccctgggca
ggttggtatcaaggttacaagacaggtttaaggagaccaatagaaactgggcatgtggagacagagaagactcttgggtttctgatag
gcactgactctctctgcctattggtctattttcccaccc(201pb)/ttAggctgctggtggtctacccttggacccagaggttcttt
gagtcctttggggatctgtccactcctgatgctg(75pb)
HbS-R: 3’agacaggtgaggactacgac 5’
Substitution nucléotidique A>T entraînant une
modification d’acide aminé Glu>Val
294 pb
201 pb
93 pb
75 pb
Ho
Hé
PM
Hé
N
Digestion par l’enzyme de restriction Dde I:
La mutation abolit le site de coupure
Facteurs génétiques d’hôte, modulation des réponses
immunitaires spécifiques et susceptibilité au paludisme
Ê Recueil de données
9 Suivi parasitologique et clinique de 18 mois, 464 enfants de 2 à 10 ans
9 Prélèvement veineux pour les études immunologique et génétique
Ê Trait drépanocytaire et :
morbidité
réponse immunitaire spécifique
Probabilité d’accès simple
Pas d’effet sur la densité
parasitaire moyenne mais :
1
0,8
HbAA
HbAS
0,6
0,4
0,2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14
Age (ans)
Migot-Nabias et al. Microbes Infect 2006
• En population générale, association des IgG et
IgG3 anti-MSP-2 à la protection clinique mais:
• Moins d’IgG anti-MSP-2 chez les enfants
HbAS que chez les enfants normaux
• Hypothèse: redistribution qualitative et
quantitative des antigènes palustres chez les
enfants HbAS, dont le système immunitaire
réagit par une diminution de la réponse Ac
(mais une augmentation de la réponse à
médiation cellulaire)
Différences des niveaux de réponses anticorps spécifiques
d’antigènes de P.falciparum en fonction du:
portage de HbS
déficit enzymatique en G6PD
Sarr et al. Microbes Infect 2006
HbS et HbC: bénéfice mutuel hôte-parasite
HbS (beta6Glu → Val):
rôle protecteur connu de HbAS contre le paludisme sévère.
HbC (beta6Glu → Lys):
Afrique de l’Ouest, rôles mal définis de HbAC et HbCC dans la protection antipalustre
Etude cas-contrôles, Burkina Faso, 4350 Mossi:
- Réduction de 29% (93%) du risque de paludisme clinique chez les HbAC (HbCC)
- Pathologies moindres causées par HbAC et HbCC que par HbSS et HbSC
- Plus faibles fréquences de HbS dans les zones où HbC est implanté
→ remplacement possible à long terme d’HbS par HbC en Afrique de l’Ouest
Mécanismes possibles:
- Anomalies de présentation de PfEMP1 à la surface du GR infecté; capacités réduites de
cytoadhésion et de rosetting in vitro
- Niveaux d’Ac anti-VSA plus élevés chez les porteurs d’HbS et HbC
De plus:
Augmentation d’un facteur 2 (4) de la transmission de P. falciparum à Anopheles chez les
porteurs d’HbC (HbS)
Augmentation conjointe de la résistance à la maladie chez l’hôte et de la
transmission chez le vecteur: important bénéfice mutuel hôte-parasite conféré
par 1 mutation ponctuelle sur le gène (chrom. 11, exon 6) de la béta-globine
Modiano D et al., Nature 2001; Verra F et al., PLoS One 2007; Conf. EMBO, Institut Pasteur Paris, octobre 2009
Alpha-thalassémie & paludisme
Ê Maladie monogénique la plus répandue dans le monde:
9 Afrique: -α3.7 thalassémie (prévalence 5-40%)
9 Asie du Sud Est et Chine: -α4.2 thalassémie (Thaïlande, Laos: prévalence 30 à
40%)
Ê Délétion d’1 à 4 gènes de l’alpha globine
Ê La délétion α+ homozygote (-α/-α) favorise l’infestation précoce
des enfants par P. vivax: permet le développement ultérieur d’une
meilleure immunité vis-à-vis de P. falciparum et aussi envers
d’autres agents infectieux ? (PNG: Williams 1996, Allen 1997)
Ê Le niveau de protection contre le paludisme conféré par l’alphathalassémie est moins important que celui conféré par le trait
drépanocytaire: il s’agit d’un polymorphisme en cours d’installation et
non encore fixé.
Détermination des –α3.7 thalassémies par PCR
TS1
TS2
TS1
α2
5’
TS3
α1
3’
La délétion -α 3.7 de 3.7 kb entraîne la formation
d’un gène hybride fonctionnel α2α1
α2 α1
Dénomination
normal
Détermination par PCR
Clinique
Génotype
TS1/TS2 (α2)
TS1/TS3 (α1)
αα/αα
1,9 kb
2,1 kb
-α3.7/αα
1,9
1,9 + 2,1
Modifications
hématologiques
mineures
α+ homozygote
-α3.7/-α3.7
-
1,9
Anémie microcytaire
et hypochrome
α0/α+
--/-α3.7
-
1,9
Anémie profonde et
splénomégalie (HbH)
α+
hétérozygote
Déficit en G6PD & paludisme
Ê Etudes épidémiologiques
9 400 millions de personnes concernées dans le monde
9 Variant G6PD A- associé à 46% (58%) de réduction du risque d’infection
sévère chez les filles hétérozygotes (garçons hémizygotes) – Ruwende 1995 -
Ê Mécanismes en jeu
9 Le déficit en G6PD crée un stress oxydant qui altère la croissance du
parasite dans le GR
9 Après 4 à 5 cycles de schizogonie, le parasite s’adapte en exprimant sa
propre G6PD – Usanga & Luzzatto 1985 –
Î Avantage pour les femmes hétérozygotes, plus que pour les femmes
homozygotes et les hommes hémizygotes ?
Déficit en G6PD / Physiologie
Ê La Glucose-6-Phospho-Déshydrogénase (G6PD)
9 Enzyme cytoplasmique qui catalyse la première réaction de la voie des
pentoses phosphates
9 Contribue à diminuer le stress oxydant subi par les cellules
Ê Gène porté par le chromosome X
9 Phénomène de lyonisation de l’X:
– Inactivation aléatoire d’un des deux chromosomes X lors du développement
embryonnaire
– Femmes hétérozygotes: 2 populations de GR exprimant l’allèle muté ou l’allèle sain
– Expression phénotypique varie selon les individus d’une activité enzymatique
normale à très diminuée
9 A un génotype donné ne correspond pas un phénotype donné
9 Nécessité de mener des analyses séparées en fonction du sexe
Variants G6PD en Afrique sub-saharienne
Ê 3 variants alléliques principaux parmi les 400 identifiés
G6PD B, 60 à 80%
activité enzym. normale
G6PD A, 15 à 40%
activité enzym. de 85%
mutation ponctuelle 376G
G6PD A-, 0 à 25%
activité enzym. de 12%
mutation ponctuelle 202A additionnelle à 376G
autres mutations additionnelles: 542T (Santamaria), 680T et 968C
Ê Génotypes et phénotypes
Génotype
Activité enzymatique (phénotype)
Normale
Déficiente
Homme
B, A
A-
Femme
BB, BA, AA
BA-, AA-, A-A-
Mesure complémentaire de l’activité enzymatique nécessaire
Détermination du variant G6PD A (PCR-RFLP)
Séquence du fragment amplifié du variant G6PD A (chromosome X, exon 5, 585 pb)
G6PD-3
5’ctgcgttttctccgccaatcatagttgggtgtcatgattttggagagagagctttctccagtgtatttctcccaggtcaaaatatcc
tgaaatctggcctctgtcctaaggcacaggggtcccagcctggggcagtgtctgtgctgcctgctttggcctccctccctctGgatgtg
cagagct(183pb)/gctaagatggggctgaacccagtgtgggacggggacactgacttctgagggcaccctccctggacctccaggga
agaccctccactcccctggggcagaacacacacggactcaaagagaggggctgacatctgtctgtgtgtctgtctgtccgtgtctccca
ggccaccccagaggagaagctcaagctggaggacttctttgcccgcaactcctatgtggctggccagtacgatgatgcagcctcctacc
agcgcctcaacagccacatGgatgccctccacc(285pb)/tggggtcacaggccaaccgcctcttctacctggccttgcccccgaccg
tctacgaggccgtcaccaagaacattcacgagtcctgcatgagccagatgtaaggcttgccgttgccct(117pb) 3’
G6PD-2:3’cattccgaacggcaacggga 5’
402 pb
Substitution nucléotidique A>G en position 376
de la partie codante, entraînant une modification
d’acide aminé Asn>Asp en position 126 de la protéine
285 pb
183 pb
Digestion par l’enzyme de restriction Fok I: la
mutation crée le site de coupure
117 pb
M = homo- ou hémi-zygote
H = hétérozygote
Détermination du variant G6PD A- (PCR-RFLP)
Séquence du fragment amplifié du variant G6PD A- (chromosome X, exon 4, 109 pb)
G6PD-6
5’gtggctgttccgggatggccttctgcccgaaaacaccttcatcAtg(46pb)/ggctatgcccgttcccgcctcacagtg
gctgacatccgcaaacagagtgagcccttcttcaag(63pb)
G6PD-7: 3’cgtttgtctcactcgggaagaagttc 5’
Substitution nucléotidique G>A
en position 202 de la partie codante,
entraînant une modification d’aa Val>Meth
en position 68 de la protéine
109 pb
63 pb
46 pb
Hét
PM
N
Digestion par Nla III: la mutation
crée le site de coupure
Hom
Hém
PM
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
Ê Polymorphisme érythrocytaire
9 Trait drépanocytaire
9 Alpha-thalassémie
9 Déficit en G6PD
ÊComplexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
Ê Polymorphismes de gènes de cytokines
Ê Allotypes d’immunoglobulines
Ê Mécanismes de l’immunité innée
Ê …
CMH & paludisme
Ê Souris:
9 restriction génétique des réponses lymphocytaires à des épitopes de la
CSP et de Pf155/RESA
Ê Accès palustre grave:
9 Protection contre le neuropaludisme (HLA-B53) et contre l’anémie
sévère liée au paludisme (HLA-DRB1*1302-DQB1*0501)
9 Plus grande susceptibilité au neuropaludisme chez les sujets
homozygotes ou hétérozygotes pour l’allèle TNF-308A
9 Allèle TNF-238A associé (+) à l’anémie sévère liée au paludisme ou (-) au
neuropaludisme
Ê Accès palustre simple:
9 HLA I et II non associés à la résistance aux accès simples
9 Présence ou non de relations entre allèles HLA I et II et réponse
immunitaire à des antigènes des stades sanguins de P. falciparum
Î Beaucoup de résultats controversés en raison de l’important
polymorphisme du CMH
Organisation génétique du système HLA
Classe II
Centromère du
chromosome 6
D
Classe III
C4A, C4B, C2
21-OHase
α
Classe I
β
B
C
A
TNF
(α2)
α1
DP
(β2)
(α)
DN
β1
(α2)
DO
(β1)
α1
α
DQ
(β2)
β1
DR
β1
β3
β4
Association peptide/HLA I et reconnaissance par les LyT cytotoxiques
Ly T cytotoxique
Lyse de la cellule infectée
CPA
TCR
CD8
Vésicule de sécrétion
cytoplasme
Golgi
Protéine
(protéines virales ou
parasitaires des stades intrahépatocytaires de Pf)
protéasome
Réticulum
endoplasmique
peptide
HLA classe I β2-microglobuline
In: « Immunologie », Revillard, 1994
Association peptide/HLA II et reconnaissance par les LyT auxiliaires
•Production d’anticorps par les Ly B
Ly T auxiliaire
•Relargage de cytokines induisant la lyse
des micro-organismes intracellulaires par les macrophages
TCR
Protéine exogène
(Ex: particules parasitaires)
récepteur
CD4
CPA -cytoplasmeCompartiment des
molécules HLA classe II
peptides
+
Dissociation et
dégradation de la chaîne I
Endosome
(protéases)
Réticulum endoplasmique
Golgi
Lysosome
+
I
+
α
=
β
αβ + I
In: « Immunologie », Revillard, 1994
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
Ê Polymorphisme érythrocytaire
9 Trait drépanocytaire
9 Alpha-thalassémie
9 Déficit en G6PD
Ê Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
ÊPolymorphismes de gènes de cytokines
Ê Allotypes d’immunoglobulines
Ê Mécanismes de l’immunité innée
Ê …
Ê Contribution importante de gènes non liés à la région HLA
dans la régulation génétique des réponses immunitaires
dirigées contre P. falciparum
Ê La région chromosomique 5q31-q33 (gènes de cytokines,
gènes de régulation de la réponse immune) interviendrait
dans le contrôle des niveaux d’infection par P. falciparum
Coopération cellulaire entre lymphocytes T et B
Différentiation Th1
Quelques polymorphismes de gènes de
cytokines impliqués dans le paludisme
• IL-4-590*T et haplotype IL-4-590*T/IL-4+33*T associés à une augmentation
de la production d’IL-4 et à des niveaux plasmatiques élevés d’IgE (Vafa
et al. 2009)
• Certains polymorphismes du gène IL-10 retrouvés à une fréquence plus
élevée chez les femmes accouchant avant terme que chez celles
accouchant à terme (Rogerson et al. 2007)
• IL-10-592*A (seul ou dans l’haplotype IL-10-1082*A/IL-10-592*A) associé à
une diminution d’IgE et d’IgG4 (Carpenter et al. 2007)
• IL-13-1055*T associé à une augmentation de la production d’IL-13 et à la
protection contre le paludisme sévère (Ohashi et al. 2003)
Avantage sélectif conféré par certaines mutations de gènes de
cytokines, dans les populations exposées à la pression
séculaire du paludisme et en général des maladies infectieuses
engageant un pronostic vital ?
degènes
gènes
mécanismes
impliqués
• Etude
Etudefamiliale,
familiale,pour
pourl’identification
l’identification de
et et
mécanismes
impliqués
dans
dans
le déroulement
de l’infection
palustre
sa sévérité),
par « linkage
le déroulement
de l’infection
palustre
(et pas(pas
sa sévérité),
par « linkage
analysis
» utilisant
un « microsatellite
genome
analysis
» utilisant
un « microsatellite
genome wide
scan wide
»: scan »
– Sénégal (Dielmo et Ndiop): P. falciparum
Contribution génétique des régions chromosomiques:
• 5q31 au contrôle des DP asymptomatiques (Dielmo)
• 5p15 et 13q13 au nombre d’accès palustres simples (Dielmo)
• 12q21 à la DP maximale pendant les périodes de portage asymptomatique (Ndiop)
– Thaïlande (communauté Karen): P. falciparum et P. vivax
Contribution génétique des régions chromosomiques:
• 8p21 au nombre d’espèces plasmodiales impliquées dans un accès palustre simple
• 7q35 à la densité en trophozoïtes de P. vivax
•
De plus,
– Mise en évidence dans les deux sites d’un contrôle génétique (régions chromosomiques
différentes en Thaïlande et au Sénégal) du portage de gamétocytes
Î Capacité individuelle d’expansion de l’infection
•
Rq:
– Les régions chromosomiques trouvées associées à l’infection/morbidité palustre au
Sénégal sont toutes impliquées dans la réponse immunitaire innée
Sakuntabhai et al., PlosOne 2008
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
Ê Polymorphisme érythrocytaire
9 Trait drépanocytaire
9 Alpha-thalassémie
9 Déficit en G6PD
Ê Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
Ê Polymorphismes de gènes de cytokines
ÊAllotypes d’immunoglobulines
Ê Mécanismes de l’immunité innée
Ê …
Allotypes Gm et Km des immunoglobulines
et paludisme
Variabilité des allèles Km (chr. 2): 3 allotypes des
chaînes légères κ
Variabilité des allèles Gm (chr. 14): 18 allotypes
des chaînes lourdes γ1 (n=4), γ2 (n=1) et γ3
(n=13) constitutives des IgG1, IgG2 et IgG3
• La combinaison pour une même Ig de plusieurs allotypes définit des
phénotypes Gm et Km
• Certains phénotypes sont associés à des particularités de la réponse
immunitaire spécifique (ex: les allotypes Gm sont associés à la concentration
des sous-classes d’IgG)
• Les allotypes Km associés à la susceptibilité/résistance à l’onchocercose
Détermination des allotypes Gm et Km des IgG
- Technique d’inhibition de l’hémagglutination -
+
Ac anti-Rh
d’allotypes Gm (Km)
connu
GR O Rh+
+
+
=
Inhibition
d’hémagglutination
(plasma « positif »)
Plasma
Panel d’Ac anti-allotypes
monospécifiques
Hémagglutination
(plasma « négatif »)
SM = severe malaria
UM = uncomplicated malaria
AM = asymptomatic parasitaemia
Migot-Nabias et al. J Infect Dis 2008
Migot-Nabias et al. J Infect Dis 2008
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
Ê Polymorphisme érythrocytaire
9 Trait drépanocytaire
9 Alpha-thalassémie
9 Déficit en G6PD
9 Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
9 Polymorphismes de gènes de cytokines
Ê Allotypes d’immunoglobulines
ÊMécanismes de l’immunité innée
Ê …
Toll-Like Receptors (TLR)
Ê Un des plus anciens composants du système immunitaire
9 appartiennent à la famille des PRRs (Pattern-Recognition
Receptors)
9 Sont portés par les cellules de l’immunité innée: monocytes, cellules
dendritiques
9 reconnaissent des motifs moléculaires conservés (protéines,
saccharides, acides nucléiques) chez les pathogènes (bactéries,
virus, parasites)
Î PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns)
Ê TLR = protéines clés de l’immunité innée
9 permettent de détecter une infection et de déclencher la réponse
immune
9 Sont restés conservés du point de vue évolutif, de même que les
PAMPs qu’ils reconnaissent …
sauf …
Worldwide
variation
genes
Worldwide
variationinininnate
innate immunity
immunity genes
Ferrer-Admetlla Anna, Bosch Elena, Sikora Martin, Bertranpetit Jaume, Casals Ferran
Unitat de Biologia Evolutiva, Departament de Ciencies Experimentals i de la Salut, Universitat Pompeu Fabra,
Barcelona, Spain
• Biologie de l’évolution: recherche des modifications du génome humain,
causées par des pressions de sélection opérées par des pathogènes (virus,
bactéries, parasites …)
• Typage de 100 SNPs localisés dans 14 gènes impliqués dans le système
immunitaire inné, auprès de 39 populations représentatives de la variation
mondiale
Î Faible variation des gènes de l’immunité innée
Î Néanmoins, « signatures of balancing selection » pour:
– Europe: TLR1, TLR6, TLR10, CD14 (associé au TLR4)
– Afrique: IL6, IL10, TLR10
effets marqués
effets plus faibles
Théorie « Out of Africa »: adaptation des Européens
à de nouvelles conditions environnementales
Conférence EMBO, Institut Pasteur Paris, novembre 2007
Plusieurs systèmes de contrôle génétique
Ê Polymorphisme érythrocytaire
Ê Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)
Ê Polymorphismes de gènes de cytokines
Ê Allotypes d’immunoglobulines
Ê Mécanismes de l’immunité innée
ÊAutres systèmes:
9HTA
9surcharge en fer …
Les facteurs génétiques d’hôte n’expliquent pas tout …
mild
hospitalized
Mackinnon et al., PlosMed 2005 (Kenya)
• Association possible de plusieurs anomalies génétiques humaines
• Polymorphisme antigénique du parasite
Î Complexité des interactions hôte-parasite
Î Impact sur les stratégies vaccinales