Lorsque l'hôte rencontre un agent pathogène (virus, bactéries et vers), une réponse immunitaire complexe se met en place afin de le détecter et de l'éliminer efficacement. Suite à la détection de l’agent infectieux, deux types de réponses se produisent : une réponse rapide et non spécifique à l'agent pathogène (appelée réponse immunitaire innée), et une tardive plus complexe qui peut générer une réponse spécifique à l'agent pathogène, avec pour caractéristique la formation de cellules mémoires (réponse immunitaire adaptative). La réponse immunitaire adaptative a la capacité de générer des lymphocytes avec différentes fonctions : les lymphocytes B qui sécrètent des anticorps, les lymphocytes T CD4+ qui sécrètent des cytokines et agissent comme des cellules auxiliaires, et les lymphocytes T CD8+ qui sont cytotoxiques et peuvent tuer les cellules infectées par des agents pathogènes.
Les cellules T CD8+ spécifiques du pathogène sont les médiateurs majeurs de la protection contre les agents infectieux intracellulaires, tels que les virus. Lors d'une infection virale, les cellules T CD8+ sont activées, s’expandent et se différencient en populations hétérogènes de cellules effectrices et mémoires. Ces cellules visent à éliminer l'infection et à renforcer la protection contre la réinfection. Toutes les cellules CD8+ naïves expriment le facteur 1 des cellules T (Tcf1, codé par le gène Tcf7). Tcf1 n'est pas nécessaire pour la génération des cellules effectrices, mais est requis pour la génération d'un type de cellules mémoire avec des propriétés de cellule souche. Une question longuement débattue en immunologie a été de savoir quand ces cellules sont générées et quelle est l’origine développementale des cellules effectrices et mémoires au cours d'une infection aiguë. Ici, nous avons abordé le devenir des lymphocytes T CD8+, en suivant les cellules exprimant Tcf7 au cours de la réponse immunitaire.
Nous avons pu déterminer que certains types de cellules mémoire étaient générés beaucoup plus tôt au cours de la réponse immunitaire qu'on ne le pensait auparavant. De plus, nous avons montré que les cellules effectrices (à courte durée de vie) étaient générées seulement au cours des 2 premiers jours de l’infection. Déterminer la chronologie détaillée de la différenciation au cours de la réponse des lymphocytes T CD8+ pourrait contribuer à l'amélioration du développement futur de vaccins et de la réponse vaccin-hôte, visant à protéger contre une réinfection.
Alors que dans une infection aiguë, le pathogène est efficacement éliminé, lors d'une infection chronique, les cellules T CD8+ sont incapables d'éliminer le virus et sa persistance conduit à un affaiblissement progressif de la réponse des cellules T CD8+ (épuisement). Cependant, un type rare de cellules exprimant Tcf1 est toujours capable de maintenir la réponse au cours de l'infection chronique. Nous avons déterminé que dans leur environnement naturel, les cellules Tcf1+ se renouvellent et se différencient continuellement en cellules T CD8+ épuisées. L'élucidation de ces événements peut aider à comprendre et à optimiser les futures immunothérapies pour revigorer les cellules T CD8+ épuisées.
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Au cours d’une réponse immunitaire à un agent pathogène intracellulaire, de rares cellules T CD8+ naïves (TN) sont activées, s’expandent et se différencient en cellules effectrices (TEF) qui éliminent les cellules infectées. Une fois l’infection éliminée, la plupart des TEF meurent, mais une population hétérogène de cellules mémoires subsiste. Ce sont elles qui protègent de la réinfection par le même agent pathogène. Le facteur de transcription Tcf1 (codé par le gène Tcf7), qui est exprimé par les cellules TN, n’est pas nécessaire à la génération de cellules TEF mais est essentiel à la formation d’une population de cellules mémoires présentant des caractéristiques de cellules souches, appelées cellules centrales-mémoires (TCM). L’origine développementale de ces dernières reste controversée. Afin d’aborder cette question, nous avons établi un système de traçage en vue de déterminer le devenir des cellules T CD8+ exprimant Tcf1 lors d’une infection virale.
Nous avons identifié de rares lymphocytes T Tcf7+ CD8+ à tous les stades de la réponse primaire à une infection virale. Le traçage du devenir cellulaire a montré que ces cellules ont généré quantitativement des cellules TCM, représentant ainsi les précurseurs non identifiés des TCM. Contrairement aux cellules TCM, qui sont générées à tous les stades de l’infection, les cellules TEF ont été générées à partir de cellules Tcf7+ de manière transitoire et seulement jusqu’au jour 2 de l’infection virale. A ce stade les cellules ne s’étaient pas encore divisées et Tcf1 était encore exprimé de manière homogène à des niveaux élevés. Par la suite, Tcf1 reste fortement exprimé au cours des 3-4 premières divisions cellulaires, avant que certaines cellules le régule négativement, ce qui est associé à la différenciation en cellules effectrices. La régulation négative de Tcf1 a été induite par des cytokines inflammatoires. Ces données ont soutenu un modèle, dans lequel les cellules T CD8+ naïves génèrent des cellules dotées de propriétés de cellules centrales-mémoires, tandis que les signaux inflammatoires conduisent à la différenciation de certaines de ces cellules en cellules effectrices cytotoxiques.
Lorsqu’une réponse immunitaire primaire est incapable d’éliminer le pathogène, les cellules T CD8+ réduisent leur fonctionnalité afin de limiter les dommages tissulaires. Cela conduit à une réplication virale persistante en regard d’une réponse des lymphocytes T CD8+ affaiblie, qui maintient néanmoins un contrôle viral constant. Cette réponse des lymphocytes T CD8+ est soutenue à long terme par une population de lymphocyte T CD8+ de type mémoire (TML) exprimant Tcf1. Ici nous avons suivi le traçage du devenir pour montrer que les cellules TML, maintenues dans leur environnement naturel, se renouvellent et produisent en permanence des cellules T CD8+ plus différenciées. Nos résultats ont confirmé et étendu les expériences de transfert de cellules et de re-stimulation qui ont suggéré que les TML ont des propriétés des cellules souches.
Dans cette thèse, le traçage du devenir des cellules a révélé la relation développementale des cellules T CD8+ effectrices et mémoires au cours d’une infection aiguë et a montré qu’au cours d’une infection chronique une population de cellules T CD8+ a des propriétés similaires à celles des cellules souches.
Summary Joana Gomes da Silva Department of Oncology Mapping the fate of CD8+ T cells during acute and chronic viral infection
During an immune response to an intracellular pathogen, rare naive CD8+ T cells (TN) are activated, expand and differentiate into effector cells (TEF) that eliminate pathogen-infected cells. Most TEF die once the infection has been cleared, leaving behind a heterogeneous population of memory cells that protect from re-infection with the same pathogen. The transcription factor Tcf1 (encoded by Tcf7), which is expressed by TN cells, is not needed for the generation of TEF cells but is essential for the formation of a subset of memory cells with stem cell-like properties, so-called central memory cells (TCM). The developmental origin of TCM cells has been controversial. To address this issue, we established a lineage tracing system to determine the fate of Tcf1-expressing CD8+ T cells during a viral infection.
We identified rare Tcf7+ CD8+ T cells at all stages of the primary response to viral infection. Fate mapping showed that these cells gave quantitatively rise to TCM cells and thus represented the elusive TCM precursor. In contrast to TCM cells, which derived from all time- points, TEF cells were generated from Tcf7+ cells only transiently and until day 2 of the viral infection. At this stage, the cells had not yet divided and Tcf1 was still expressed at homogeneously high levels. Subsequently, Tcf1 remained highly expressed during the first 3- 4 cell divisions before some cells downregulated Tcf1, which was associated with effector differentiation. Tcf1 downregulation was induced by inflammatory cytokines. These data supported a model, in which naive CD8+ T cells gave rise to cells with central memory properties and inflammatory signals lead to the differentiation of some of these cells into cytotoxic effector cells.
When a primary immune response is unable to clear a pathogen, CD8+ T cells reduce their functionality to limit tissue damage. This leads to persistent viral replication in the face of a weakened CD8+ T cell response that nonetheless limits viral infection. This CD8+ T cell response is sustained long-term by a subset of Tcf1-expressing memory-like CD8+ T cells (TML). Here we used fate mapping to show that TML cells, which were left in their natural environment, continuously yielded more differentiated CD8+ T cells, while the TML cell pool was maintained. These data confirmed and extended cell transfer and restimulation experiments that suggested that TML have stem cell-like properties.
Overall, Tcf1-guided cell fate mapping revealed the developmental relationship of effector and memory CD8+ T cells during acute resolved infection and showed that the immune response to chronic infection harbours a CD8+ T cell subset that had stem cell-like properties.