PD-l preserves the stem-like properties of memorylike CD8+ T cells during chronic viral infection

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UNIL restricted access
State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_8F0F5A35E056
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
PD-l preserves the stem-like properties of memorylike CD8+ T cells during chronic viral infection
Author(s)
MAIER Julia Malaika
Director(s)
Held Werner
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2022
Language
english
Abstract
Plusieurs virus résistent à la réponse immunitaire et causent une infection chronique, comme les virus des hépatites B (VHB) et C (VHC), le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) chez l’homme ou le virus de la chorioméningite lymphocytaire (CMLV) chez les souris. C’est-à-dire que les cellules CD8+ spécifiques de l’antigène (TEX) de l’infection sont moins efficaces qu’elles le seraient lors d’une infection aiguë. Ces cellules TEX expriment des récepteurs sur leur surface, ce qui diminue leur efficacité et les épuise (récepteurs inhibiteurs). Cette population est maintenue par des cellules ancêtres (TML) qui possèdent non seulement des caractéristiques d’épuisement, comme l’expression des récepteurs inhibiteurs, mais aussi des caractéristiques de cellules souches, comme la capacité de s’auto-renouveler et de produire des cellules plus spécifiques. Le plus important récepteur inhibiteur est le récepteur
« programmed cell death protein 1 » (PD-1). Ce dernier interagit avec son ligant PD-L1. Le résultat est l’inhibition de l’activité des cellules CD8+. Lorsque l’on empêche l’interaction de manière momentanée ou permanente entre PD-1 et PD-L1, la quantité de TML augmente et elles produisent plus de TEX : les cellules sont plus efficaces. Il existe déjà des études sur l’effet de PD-1 sur les TEX, mais pas sur les TML. C’est donc la question que nous avons abordée.
Pour répondre à cette question, nous nous sommes penchés sur le comportement des cellules CD8+ spécifiques de la CMLV déficientes en PD-1 (PD-1 ko) ou des cellules CD8+ correspondantes de type sauvage (WT) soumises au blocage de PD-1 à l’aide d’anticorps dans un modèle d’infection chronique par la CMLV. Les TML PD-1 ko ou traitées par anti-PD-L1 étaient, phénotypiquement et au niveau de l’expression des gènes, similaires aux TML WT. Cependant, les TML PD-1 ko présentes durant la phase chronique de l’infection avaient une capacité réduite à répondre à une re-stimulation, c’est-à-dire que leur « caractère souche » était réduit par rapport aux TML WT. Cette diminution, chez les TML PD-1 ko, n’a pas été observée lors la phase aiguë de l’infection, suggérant que le défaut a été acquis lors de l’infection chronique. Le « caractère souche » des TML était également réduit lorsqu’elles étaient soumises à une interruption du signal PD-1 durant la phase chronique. L’analyse de l’expression de gènes a révélé que les principales voies de signalisation en aval du récepteur des cellules T (TCR) avaient une activité réduite chez les TML PD-1 ko et aussi en partie chez les TML soumises au blocage de PD-1 par rapport aux TML WT. De plus, ces TML PD-1 ko présentaient une expression réduite des gènes liés au « caractère souche » des cellules CD8+ Myb et Klf4, identifiés précédemment. En effet, la diminution de l’expression de Myb et Klf4 dans les cellules WT CD8+ spécifiques au virus a diminué la capacité d’auto-renouvelement et la production de cellules plus spécialisées, reproduisant dans une large mesure le phénotype des TML PD-1 ko.
Nos données montrent que l’expression de PD-1 protège le « caractère souche » des TML, et assure ainsi le maintien à long terme d’une réponse immunitaire nécessaire pour contenir
l’infection. Nous suggérons que PD-1 servirait de mécanisme de rétroaction négative physiologique pour empêcher la surstimulation des TML durant la phase chronique de l’infection. Lorsqu’une surstimulation se produit sur une période prolongée, en raison de l’absence de PD-1, les cellules CD8+ s'adaptent en réduisant la transduction des signaux via le TCR. Cela pourrait se traduire par une réduction du « caractère souche » de ces cellules. Ces résultats ont des implications pour l’immunothérapie du cancer médiée par le blocage de PD-1. Il pourrait donc être bénéfique de limiter le nombre de cycles de blocage du PD-1 pour préserver la fonction des TML et ainsi maintenir une activité antitumorale à long terme.
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La réponse immunitaire des lymphocytes T (LT) CD8+ est normalement capable d'éliminer les cellules infectées par un virus. Cependant, plusieurs virus, tels que le virus de l'hépatite B (VHB), le virus de l'hépatite C (VHC), le virus de l'immunodéficience humaine (VIH) ou certaines souches du virus de la chorioméningite lymphocytaire (CMLV) peuvent établir une infection chronique chez des individus/souris immunocompétents en dépit d'une réponse des lymphocytes T (LT) CD8+. Contrairement à une réponse protectrice, les LT CD8+ chroniquement activés perdent progressivement leurs capacités prolifératives et effectrices, subissent une différenciation terminale et augmentent l'expression de récepteurs inhibiteurs tels que
« programmed cell death protein 1 » (PD-1). C'est ce qu'on appelle l'épuisement des LT. Récemment, il a été démontré que les LT CD8+ dits "de type mémoire" (TML) soutenaient la réponse immunitaire à une infection virale chronique. Les TML présentent des propriétés semblables à celles des cellules souches : ils conservent une capacité proliférative, s'auto- renouvellent et produisent des cellules différenciées (cellules épuisées ou TEX) qui ont un potentiel lytique mais ont perdu leur potentiel prolifératif. Alors que le rôle de PD-1 dans l'épuisement des LT a été largement étudié, l'impact de son expression sur la fonction des TML n'a pas encore été abordé. Pour répondre à cette question, nous avons étudié le comportement des LT CD8+ spécifiques au CMLV déficients en PD-1 (PD-1 ko) ou des LT CD8+ correspondants de type sauvage (WT) soumis au blocage de PD-1 à l'aide d'anticorps dans un modèle d'infection chronique par le CMLV. Les TML PD-1 ko ou traitées par anti-PD-L1 étaient, phénotypiquement et transcriptionnellement, similaires aux TML WT. Cependant, les TML PD-1 ko présentes durant la phase chronique de l'infection avaient une capacité réduite à répondre à une re-stimulation, c'est-à-dire que leur "caractère souche" était réduit par rapport aux TML WT. Cette réduction, chez les TML PD-1 ko, n'a pas été observée lors de la phase aiguë de l'infection, suggérant que le défaut a été acquis pendant de l'infection chronique. Leur "caractère souche" était également réduit lorsque les TML étaient soumis à un blocage de PD- 1 durant la phase chronique. L'analyse du transcriptome a révélé que les principales voies de signalisation en aval du récepteur des cellules T (TCR), y compris les voies NFAT, AP-1 et NF-
B, avaient une activité réduite dans les TML PD-1 ko par rapport aux TML WT. L'activité de la
voie NF-B était également réduite lorsque les TML étaient soumis au blocage de PD-1. De plus, ces TML PD-1 ko présentaient une expression réduite des gènes liés au "caractère souche" des LT CD8+ Myb et Klf4, identifiés précédemment. En effet, le knock down de Myb et Klf4 dans les LT CD8+ spécifiques du virus a récapitulé dans une large mesure le phénotype des TML PD-1 ko. Nos données montrent que l'expression de PD-1 protège le "caractère souche" des TML, et assure ainsi le maintien à long terme d'une réponse immunitaire nécessaire pour contenir l'infection. Nous proposons que PD-1 servirait de mécanisme de rétroaction négative physiologique pour empêcher la surstimulation des TML durant la phase chronique de l'infection. Lorsqu'une surstimulation se produit sur une période prolongée, en raison de l'absence de PD-1, les LT CD8+ s'adaptent en réduisant la transduction des signaux via le TCR. Cela pourrait être responsable de la réduction du "caractère souche" de ces cellules. Ces résultats ont des implications pour l'immunothérapie du cancer médiée par le blocage de PD-1. Un excès de cycles de traitement par blocage du PD-1 peut finir par dégrader l'efficacité des TML spécifiques à la tumeur. Il pourrait donc être important de limiter le nombre de cycles de traitement afin de préserver la fonction des TML et de maintenir une activité anti-tumorale à long terme.
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An immune response by CD8+ T cells is normally able to clear virus infected cells. However, several viruses, such as hepatitis B virus (HBV), hepatitis C virus (HCV), human immunodeficiency virus (HIV) or certain lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) strains can establish chronic infection in immunocompetent individual/mouse strains despite the induction of a CD8+ T cell response. Compared to a protective response, chronically activated CD8+ T cells progressively lose their proliferative and effector capacities, undergo terminal differentiation and upregulate the expression of inhibitory receptors such as, programmed death protein 1 (PD-1). This is referred to as T cell exhaustion. Recently, so called memory-like (TML) CD8+ T cells were found to sustain the immune response to chronic viral infection. TML cells have stem cell-like properties i.e. they retain proliferative capacity and self-renew or yield differentiated cells (exhausted or TEX cells) that have lytic potential but have lost proliferative potential. While the role of PD-1 for T cell exhaustion has been extensively studied, how PD-1 expression impacts the function of TML cells has not been addressed before.
To address this question, we investigated the behavior of LCMV-specific CD8+ T cells deficient of PD-1 (PD-1 ko) or of corresponding wild type (WT) CD8+ T cells subjected to PD-1 blockade using antibodies in a model of chronic LCMV infection. PD-1 ko and anti-PD-L1 treated TML cells were phenotypically and transcriptomically remarkably similar to WT TML cells. However, PD-1 ko TML present during the chronic phase of the infection had reduced capacity to respond to recall stimulation i.e. the stemness of these cells was reduced compared to WT TML cells. Reduced stemness of PD-1 ko TML cells was not observed at the acute phase of the infection suggesting that the defect was acquired during chronic infection. The stemness was also reduced when TML cells were subjected to PD-1 blockade during the chronic phase.
Transcriptome analysis revealed that key downstream T cell receptor (TCR) signalling pathways, including the NFAT, AP-1 and NF-B pathways, had reduced activity in PD-1 ko compared to WT TML cells. The activity of the NF-B pathway was also reduced when TML cells were subjected to PD-1 blockade. Moreover, PD-1 ko TML had reduced expression of the previously identified CD8+ T cell stemness genes Myb and Klf4. Indeed, knock down of Myb and Klf4 in virus-specific CD8+ T cells recapitulated to a significant extent the phenotype of PD-1 ko TML cells.
Our data show that PD-1 expression protects the stemness of TML cells, and thus ensures the long-term maintenance of an immune response that is needed to contain the infection, although not sufficient to clear the infection. We propose that PD-1 serves as a physiological negative feedback mechanism to prevent overstimulation of TML cells during the chronic phase of the infection. When overstimulation occurs over a prolonged period of time, due to the absence of PD-1, CD8+ T cells adapt by reducing the transduction of signals via the TCR. This may be responsible for the reduced stemness of these cells. These findings have implications for PD-1 blockade-mediated cancer immunotherapy. An excess of PD-1 blockade treatment cycles may eventually degrade the effectiveness of tumor-specific TML cells. It may thus be important to limit the number of treatment cycles to preserve T L function in order to maintain anti-tumor activity long-term.
Create date
29/03/2022 15:23
Last modification date
13/04/2022 7:11
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