Transcriptional regulation of effector CD8+ T cell differentiation and molecular dysfunction during HIV-1 infection

Les cellules T CD8+ jouent un rôle primordial dans le contrôle des infections virales en limitant la dissémination des cellules infectées. Lors de l’infection chronique par le virus HIV, les cellules T CD8+ HIV-spécifiques  ne se différencient pas en cellules effectrices fonctionnelles capables de tuer les cellules infectées par le virus ; ces cellules ne sont plus capables de proliférer ou de produire l’ IL-2. Ces cellules expriment PD-1 et l’engagement de PD-1,  par son ligand, aboutit a plusieurs de ces déficits fonctionnels des cellules T .  Le rôle de PD-1 dans la régulation d'évènements transcriptionnels contrôlant la différentiation et l'obtention des fonction effectrices des cellules T CD8+ reste à démontrer.  Id2 joue un rôle central dans la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. Nous avons émis l’hypothèse que le défaut de maturation observé chez les cellules T CD8+ PD-1 high HIV-spécifiques (CD8+PD-1hi) au cours de l’infection chronique par le virus HIV pouvait être lié à la  diminution d’expression du régulateur Id2. Nous avons ainsi démontré que  l'engagement de PD-1 contribuait à une diminution  d'expression de Id2 et de ses cibles transcriptionnelles. La surexpression de Id2 de ces cellules a permis de restaurer l'expression de marqueurs tels que Granzyme B et Bcl-2 et diminuir l’expression du marqueur de maturation de CD27. La famille des cytokines à chaine gamma joue un rôle clef dans la survie et l’homéostasie des cellules T. Dans ce travail, nous avons démontré que l’IL-15 était  unique  grâce à ses capacités de stimulation de l’expression d’Id2 et ses propriétés favorisant la survie ainsi que la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. l’IL-15 induit la prolifération de toutes les  populations  de cellules T mémoires provenant de donneurs sains. L’addition de cette cytokine aux  sous-populations cellulaires Ttm et Tem a permis  leur  différenciation en cellules effectrices capables de produire Granzyme B alors que la stimulation par l’IL-15 des cellules Tcm ne favorise pas leur différenciation. Un test de cytotoxicitié par cytométrie en flux nous a permis de   confirmer  que la stimulation de cellules T CD8+ HIV spécifiques par  l’IL-15 favorisait l’expression de Id2 et restaurait les fonctions cytotoxiques des cellules T CD8+ HIV spécifiques. En conclusion, nous avons pour la première fois dans cette thèse défini  les mécanismes moléculaires impliqués dans la modulation de l’expression du régulateur transcriptionnel Id2 par l’IL-15. Nous avons également révélé comment l’engagement de PD-1 conduisait a une altération de l’expression et de la fonction  d’Id2 et favorisait la diminution des fonctions effectrices des cellules T CD8-HIV spécifiques. Une perspective de traitement avec des agents tels que l’IL-15 ou le bloquage de PD-1, en combinaison avec les traitements conventionnels, pourrait contribuer à une meilleure stimulation des réponses immunes favorisant ainsi la réactivation des cellules T CD8+ et permettant la destruction de cellules T CD4+ infectées de manière latente. CD8+ T cells play a fundamental role in controlling viral replication and dissemination by killing virus-infected cells. However during chronic HIV infection HIV-specific CD8+ T cells fail to differentiate to functional cytotoxic effector cells and develop functional defects such as loss of IL-2 secretion, decreased proliferation and express high levels of PD-1. Persistent expression of PD-1 and triggering by its ligand results in immune dysfunction; it is not known how PD-1 signaling influences transcriptional events involved in T cell differentiation and effector function.  We found that the transcriptional regulator Id2 was downregulated in PD-1hi HIV-specific CD8+ T cells when compared to PD-1low CMV-specific CD8+ T cells from the same HIV-infected donors. Since Id2 has been shown to play a central role during differentiation of effector CD8+T cells, we hypothesized that skewed maturation of the PD-1hi HIV-specific CD8+ T during chronic HIV infection could result from decreased levels of Id2. We found that signals transduction pathways downstream of PD-1 ligation inhibited the expression of Id2; transfection of PD-1hi effector cells from HIV infected individuals with a Tat-Id2 construct could reverse an apoptotic fate associated with the exhausted phenotype. Finally, overexpression of Id2 restored expression of Granzyme-B and Bcl-2 and led to a decreased expression of the T cell maturation marker CD27. Although the extrinsic signals and costimulation needed to activate cell proliferation and effector function are well known, signal-transduction pathways that regulate differentiation of memory cells to effector cells are beginning to be understood. Thechain family of cytokines is essential for the survival and homeostasis of T cells; they have pleiotropic effects on the differentiation of effector and memory virus-specific CD8+ T cells. IL-15 was unique among gamma-chain cytokines in upregulating the expression of Id2 and promoting the survival and differentiation of effector memory CD8+ T cells.  IL-15 induced proliferation of all memory subsets from healthy subjects but only induced differentiation, Granzyme-B production, and cytotoxic effector function in CD8+ Ttm and Tem cells. Stimulation of Tcm with IL-15 failed to induce their differentiation; this was associated with their decreased ex vivo levels of IL-15R when compared to Tem and Ttm subsets. Finally, we developed a single cell flow-cytometry cytotoxicity assay, and found that stimulation of CD8+T cells from HIV chronically infected subjects with peptide plus IL-15 induced the differentiation of tetramer+ CD8+ Ttm cells and restored Id2 expression and their cytotoxic activity .  Overall, we illustrate in this thesis, for the first time, the molecular mechanisms of effector T cell differentiation mediated by IL-15 and its downstream transcriptional regulator Id2; we reveal how PD-1 engagement leads to alteration of the Id2 pathway leading to decreased effector function of the HIV-specific CD8+ T cells.  Immunotherapy with agents such as IL-15  or PD-1 blocking antibody that increase levels of Id2 expression , in combination with HAART, should   trigger the functional re-activation of HIV-specific CD8+ T cells and the killing of latently HIV-infected CD4+ T cells.

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