Chapitre 4

DIFFERENCIATION ET SELECTION DES LYMPHOCYTES T

 

I – Introduction

La reconnaissance des antigènes par les lymphocytes T s’effectue au moyen de récepteurs spécifiques, les récepteurs T (TcR), dont la diversité structurale est générée par recombinaison somatique. A la différence des lymphocytes B dont les antigènes peuvent être reconnus sous une forme native, les lymphocytes T reconnaissent des antigènes sous forme peptidique et dans un contexte moléculaire particulier : les peptides antigéniques issus de la dégradation de protéines endogènes ou exogènes au sein de cellules dites présentatrices de l’antigène, sont présentés aux TcR en étroite association avec des molécules hautement polymorphes codées par des gènes du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH). Cette capacité de reconnaître les antigènes dans un contexte CMH est la conséquence d’un processus sélectif intra-thymique (sélection positive), qui favorise le développement des thymocytes capables d’interagir avec des complexes CMH-peptides exprimés par les cellules épithéliales thymiques. C’est également ce processus sélectif qui permettra aux cellules T d’interagir avec des antigènes associés à des isotypes CMH de classe I ou II d’exprimer un phénotype particulier CD4 ou CD8 et d’exercer certaines fonctions (activité auxiliaire ou cytotoxique). A ce processus sélectif s’ajoute une élimination des thymocytes auto-réactifs (sélection négative), conférant ainsi aux lymphocytes T la capacité de distinguer le soi du non soi, et d’être rendus tolérants vis à vis du soi.

II – Maturation intra-thymique des lymphocytes T

        Les progéniteurs des lymphocytes T viennent de la moelle osseuse. Ils migrent dans le thymus pour y subir une maturation. Dans le thymus, les cellules T immatures (thymocytes) prolifèrent et se différencient. Les étapes de la maturation des thymocytes peuvent être suivies grâce à des marqueurs de surface. Durant leur développement, les thymocytes réarrangent les gènes codant les chaînes du TcR. Le caractère fonctionnel du TcR est évalué au cours des étapes de sélection positive et négative. Les cellules T ainsi sélectionnées migrent en périphérie pour constituer le pool des lymphocytes T matures.

 

Figure 1 : recirculation des lymphocytes.

 


 


B – Le thymus

L’importance du thymus dans l’immunité en général est connue de longue date. La thymectomie à la naissance induit une immunodépression sévère chez l’animal. Le rôle du thymus dans la différenciation des lymphocytes T en particulier a pu être finement étudié chez l’homme (syndrome de Di George) et chez l’animal (souris "nude") atteints d’anomalies génétiques conduisant à une absence de différenciation de l’épithélium thymique. Dans ce cas, on observe un développement normal des lymphocytes B mais une absence complète de lymphocytes T.

Le thymus est un organe bilobé logé dans le thorax à la partie supérieure du médiastin antérieur. Chaque lobe thymique est divisé en lobules, eux-mêmes constitués d’une zone corticale et d’une zone médullaire. La région corticale contient de très nombreux petits thymocytes immatures formant un réseau serré avec les cellules épithéliales corticales. On retrouve aussi à ce niveau de nombreux macrophages. La région médullaire contient des thymocytes matures. On y trouve aussi des cellules épithéliales médullaires, des macrophages et des cellules dendritiques.

Figure 2 : Localisation anatomique et structure du thymus

Photo : Immunologie clinique, 1991, J. Brostoff. Ed DeBoeck Université

 

Les progéniteurs médullaires arrivent à la jonction cortico-médullaire puis ils migrent vers la région sub-capsulaire où débute la différenciation. La migration s’effectue ensuite du cortex vers la médullaire.

Le thymus est un lieu de prolifération intense des thymocytes. Une seule cellule souche peut repeupler un lobe thymique entier. Chez un souriceau nouveau-né, le thymus contient 5x108 cellules et en produit 5x107 nouvelles par jour. Les mitoses ont lieu à deux niveaux : au stade de prothymocytes, ce qui permet d’avoir une grande population où les réarrangements peuvent se produire ; et au stade des thymocytes médullaires matures juste avant le départ du thymus, permettant l’expansion des populations cellulaires ayant un TcR fonctionnel. Seul 1 million de thymocytes matures est produit chaque jour, ce qui implique que plus de 95% des thymocytes meurent par apoptose dans le thymus. Les cellules apoptotiques sont rapidement éliminées dans le thymus par les macrophages résidents.

 

Figure 3 : Phases d’expansion des thymocytes

 


 


C – Marqueurs de surface des thymocytes

                   C – 1 – Progéniteurs médullaires thymiques

La maturation des thymocytes procède par étapes successives qui peuvent être suivies par l’expression de marqueurs de surface. La population thymique la plus immature représente 0,2% des thymocytes totaux. Ces cellules expriment faiblement le CD4, le marqueur CD44 et cKit. Après injection intraveineuse, ces cellules ont la faculté de migrer spécifiquement vers le thymus. Après injection intrathymique, ces cellules peuvent reconstituer l’ensemble des populations thymiques. Sous l’effet de signaux encore mal connus, ces thymocytes vont perdre le CD4 et devenir ainsi des thymocytes triple négatifs dont le développement peut être suivi par les marqueurs CD44, cKit et CD25.

                C – 2 – Thymocytes triple négatifs

Cette population dépourvue de marqueurs CD3, CD4 et CD8, représente 1% des thymocytes totaux. Ils sont localisés dans la région subcapsulaire. A ce niveau s’opèrent, entre autres, les réarrangements des gènes b, g et d et la séparation des lignées ab et gd.

                        C – 2 – 1 – Prothymocytes

Les prothymocytes expriment le CD44, le CD25 et cKit. Les gènes des chaînes du TcR sont encore en configuration germinale. La commutation T s’opère à ce stade. Les prothymocytes ont un phénotype de cellule activée et sont le siège d’ une intense prolifération.

                        C – 2 – 2 – Préthymocytes précoces

Ces cellules perdent les marqueurs CD44 et Ckit pour ne plus exprimer que CD25. C’est à ce stade que s’opèrent les réarrangements de la chaîne b du TcR. 70% des cellules ne dépasseront pas ce stade.

 

                        C –2 – 3 – Préthymocytes tardifs

Lorsque la cellule a produit une chaîne b fonctionnelle, celle ci est associée en surface à la chaîne préTa. La cellule perd alors l’expression du CD25 et entre dans un état d’intense prolifération. Les thymocytes triple négatifs passent ensuite à un stade intermédiaire (immatures simple positifs) où les cellules expriment surtout le CD8 mais sans que le récepteur T ab soit exprimé.

C – 3 – Thymocytes double positifs

A partir de ce stade intermédiaire, les thymocytes expriment les marqueurs CD4 et CD8 pour devenir des thymocytes double positifs. Ces thymocytes double positifs représentent 85% des thymocytes totaux. Ils sont localisés dans la région corticale. C’est à leur niveau que débutent les réarrangements des chaînes a et la sélection du répertoire ab.

Les thymocytes double positifs expriment initialement de faibles quantités de récepteur T. La plupart de ces cellules expriment un récepteur incapable d’interagir avec le CMH. Ces cellules sont éliminées au cours de la sélection positive. Les cellules double positives qui reconnaissent le CMH continuent leur maturation et expriment alors des niveaux élevés de TcR. Ces cellules subissent une étape de sélection négative responsable de l’élimination des thymocytes capables de réagir avec les constituants du soi. Ces cellules expriment fortement le CD3 et perdent un des marqueurs CD4 ou CD8 pour devenir des thymocytes simple positifs.

                C – 4 – Thymocytes simple positifs

Les thymocytes simple positifs sont retrouvés dans la médullaire thymique. Ils expriment de façon mutuellement exclusive les marqueurs CD4 ou CD8. Seuls 2% des thymocytes parviennent à ce stade et sont alors exportés en périphérie où ils constituent le répertoire périphérique des cellules T. L’ensemble de la maturation thymique dure environ 3 semaines chez la souris.

 

Figure 4 : Marqueurs de surface des thymocytes


 


D – Réarrangement des gènes du TcR

Les cellules T gd diffèrent des cellules ab par leur spécificité, leur niveau d’expression du CD4 et du CD8, ainsi que par leur distribution anatomique. Les deux types de cellules se distinguent aussi par leur fonction, bien que peu de choses soient connues sur le rôle exact des lymphocytes T gd. Quoiqu’il en soit, l’étude des réarrangements observés dans les thymocytes et les cellules gd et ab matures indique que ces cellules proviennent d’un progéniteur commun et que la séparation des deux lignées a lieu à un stade tardif de leur développement alors que les réarrangements des gènes ont déjà commencé. C’est ainsi que l’on peut retrouver des chaînes b réarrangées dans les lymphocytes T gd matures et que les cellules T ab contiennent fréquemment des gènes g et d réarrangés.

                D - 1 – Séparation des lignées T ab et gd.

Les stades tardifs du développement T ab et gd sont distincts : en particulier, les cellules T gd ne transitent pas par un stade CD4/CD8 double positif. La façon dont s’opère la séparation des lignées T ab et gd au cours du développement reste non élucidée. Plusieurs abords de cette question ont été envisagés, les uns cellulaires, les autres moléculaires.

Les données tirées des études de différenciation in vitro indiquent que la séparation des voies de différenciation gd et ab surviennent tardivement, après le stadeCD4low,CD44+, très probablement durant le stade TN CD25+. Il n’a cependant pas été possible jusqu’à présent d’individualiser des sous-populations thymiques capables de se différencier exclusivement en cellules T ab ou gd, l’orientation vers l’un ou l’autre type de cellules semblant affectée par les conditions de culture in vitro plutôt que par l’origine des cellules précurseurs.

Un abord plus moléculaire de la question a consisté à étudier la survenue des réarrangements gd au sein des cellules ab et réciproquement. Cependant, aucune distinction formelle n’a pu être établie dans le sens où la plupart des cellules T ab semblent avoir réarrangé aussi leur gène g (et probablement d). En outre, des réarrangements complets VDJb sont parfois retrouvés chez des cellules T gd.

Trois modèles, dont chacun ne peut encore être exclu formellement, sont actuellement proposés :

                        D – 1 – 1 – 1 – Modèle séquentiel

Selon le modèle séquentiel, les cellules T gd se développeraient en premier, les cellules T ab étant issues des précurseurs ayant été incapables de produire un TcR gd fonctionnel. Ce modèle repose plus particulièrement sur la mise en évidence d’une séquence d’activation des réarrangements gd, puis b puis a, au cours du développement thymique fœtal chez la souris. Toutefois, cette séquence de réarrangements n’est pas retrouvée chez les thymocytes adultes puisque, dans ce cas, les réarrangements β, γ et δ s’effectuent en même temps.

D – 1 – 1 – 2 - Modèle compétitif

La séparation des lignées γδ et αβ dépend de la qualité des réarrangements β, γ et δ qui surviendraient ici à un même stade. Un réarrangement γδ précoce induirait la différenciation des thymocytes en lymphocytes T γδ alors qu’un réarrangement productif précoce de la chaîne β produirait des lymphocytes αβ. Toutefois, on devrait retrouver une fréquence de lymphocytes T γδ plus élevée que celle qui est réellement observée.

D – 1 – 1 – 3 - Modèle différentiel

La différenciation en lymphocytes T γδ ou αβ serait liée à des propriétés préexistantes spécifiques des précurseurs thymiques.

                D – 2 - Réarrangement de la chaîne β

Les premières cellules T qui apparaissent durant le développement embryonnaire portent des récepteurs T γδ. Chez la souris, où le développement du système immunitaire peut être étudié en détail, les cellules T gδ apparaissent par vagues successives peuplant différents sites histologiques de l’animal. Les cellules T αβ apparaissent quelques jours après la première vague de cellules γδ et deviennent rapidement les plus nombreuses. Les réarrangements des chaînes α et β durant le développement des cellules T sont relativement semblables à ceux observés pour les gènes d’immunoglobulines. La chaîne β se réarrange en premier. Les segments Dβ s’associent aux segments Jβ. Cet ensemble DJβ se réarrange ensuite avec un gène Vβ. Si aucune chaîne β fonctionnelle ne peut être synthétisée à partir des réarrangements, la cellule ne peut exprimer de pré TcR et meurt à moins qu’elle n’effectue un réarrangement productif de ses chaînes γ et δ. Toutefois, contrairement aux cellules b, les thymocytes n’ayant pas effectué de réarrangement productif VDJβ peuvent être sauvés grâce à l’organisation particulière des gènes codant la chaîne β. En, effet, des réarrangements successifs peuvent sauver la cellule d’un réarrangement β initialement non productif. Ce phénomène se produit seulement si le premier réarrangement a impliqué des segments D et J du locus Cβ1. Dans ce cas, un gène Vβ et un segment DJ du locus Cβ2 se réarrangent, délétant par la même occasion le locus Cβ1 et les gènes ayant généré un réarrangement non productif. Ce mécanisme augmente considérablement la probabilité d’avoir un réarrangement du gène des chaînes β du TcR.

Lorsque la chaîne β du TcR est convenablement réarrangée, elle s’exprime en surface associée à la chaîne préTá et aux molécules CD3 pour former le pré-TcR. L’expression du pré-TCR induit la phosphorylation et la dégradation de RAG-2. Ceci a pour conséquence l’arrêt des réarrangements β.

 

Figure 5 : Structure du Pré-TcR.

 


 


Le rôle de l’expression de la chaîne β dans l’exclusion allélique et l’arrêt d’autres réarrangements des chaînes β est illustrée chez les souris transgéniques exprimant une chaîne β réarrangée. Dans ce cas, toutes les cellules T expriment la chaîne β transgénique et les réarrangements des chaînes β endogènes sont fortement réprimés.

De manière concomitante, le pré-TcR induit une rapide phase de prolifération ainsi que l’expression des co-récepteurs CD4 et CD8 ; ces événements nécessitent la présence de la protéine kinase p56 Lck. Durant cette phase de prolifération, les gènes RAG-1 et RAG-2 qui sont responsables du réarrangement des gènes du TCR sont fortement réprimés. Ainsi, aucun réarrangement des chaînes α ne peut avoir lieu durant cette phase. Ceci permet à la population double positive de se développer: CD4+ et CD8+ ayant une chaîne β fonctionnelle et donc, d’avoir un nombre élevé de cellules où les réarrangements α pourront se produire. En effet, lorsque la phase de prolifération prend fin, les gènes RAG-1 et RAG-2 sont à nouveau transcrits et les protéines RAG-1 et 2 s’accumulent dans la cellule. Chaque cellule ayant une chaîne β peut alors réarranger ses chaînes α. Ainsi, une chaîne β fonctionnelle peut être associée à un très grand nombre de chaînes α différentes. Durant la période des réarrangements, les récepteurs αβ s’expriment à la surface du thymocyte et la sélection thymique débute.

 

Figure 6 : Signaux intracellulaire induit par le Pré-TcR.


 


Figure 7 : Rôle du Pré-TcR.

 

D – 3 - Réarrangement de la chaîne a.

Les gènes de la chaîne a du TcR ressemblent aux gènes des chaînes légères κ et λ des immunoglobulines dans le sens où il n'y a pas de gène D et que leur réarrangement débute après que les chaînes lourdes (Ig) ou β (TcR) se soient exprimées à la surface de la cellule.

Une différence majeure entre le locus des chaînes légères des Ig et celui de la chaîne a du TcR réside dans le grand nombre de segments Ja (61). Cette structure particulière du locus a permet de multiples réarrangements successifs jusqu’à l’obtention d’une chaîne a fonctionnelle. De plus, la possibilité pour la cellule de réarranger sa chaîne a sur les deux chromosomes garantit pratiquement à tout coup d’avoir une chaîne a fonctionnelle exprimée sur tous les thymocytes en développement. Une des conséquences de ce phénomène est qu’il n’est pas rare qu’un thymocyte exprime un réarrangement fonctionnel sur ses deux chromosomes et que les deux chaînes a produites s’associent avec la chaîne β à la surface de la cellule. En effet, contrairement aux cellules B, l’expression d’un TcR aβ fonctionnel n’induit pas la répression des gènes RAG-1 et RAG-2 et donc l’arrêt des réarrangements des chaînes a. La chaîne a du TcR n’est donc pas soumise à l’exclusion allèlique. Le réarrangement des chaînes a cesse lorsque la cellule est soumise à la sélection thymique positive. Toutefois, seuls les TcR qui peuvent reconnaître des peptides antigéniques dans le contexte CMH du soi sont sélectionnés positivement. Le contrôle des réarrangements a par la sélection positive permet à la cellule T de n’avoir qu’ une seule spécificité même si les deux chaînes a sont exprimées.

Figure 8 : Réarrangement de la chaîne a.

 

 

III – Sélections positive et négative

       A – Introduction

Au cours de leur maturation, les thymocytes immatures se différencient en thymocytes double positifs exprimant le CD4, le CD8 et des niveaux faibles de récepteur T. Ces cellules migrent dans le cortex vers la jonction cortico-médullaire. Ces cellules double positives ont une durée de vie courte (2 à 3 jours) si elles ne sont pas sauvées par l’engagement de leur TcR. Le sauvetage des thymocytes double positifs de la mort cellulaire programmée est appelée sélection positive et permet la maturation ultérieure des thymocytes en cellules simple positives CD4+ ou CD8+. La sélection positive permet la survie des thymocytes susceptibles de reconnaître des peptides antigéniques étrangers présentés par des molécules du CMH autologue. Les cellules double positives sont ensuite soumises à une sélection négative. Les cellules dont les récepteurs reconnaissent les peptides du soi avec une trop grande affinité seront éliminées. Le processus permet d’éliminer les cellules auto-réactives.

Figure 9 : Sélection positive et négative dans le thymus

Photo : Immunologie clinique, 1991, J. Brostoff. Ed DeBoeck Université

 

B - Sélection positive

La première démonstration de l’existence d’une sélection thymique positive a été réalisée chez des souris d’un génotype CMH particulier et irradiées chez qui des cellules médullaires d’un autre CMH ont été injectées. L’irradiation détruit tous les lymphocytes et les progéniteurs médullaires du receveur, si bien que toutes les cellules (lymphocytes et CPA) qui dérivent de la moelle, proviennent du donneur. Le donneur utilisé dans cette expérience était un hybride F1 CMHa x CMHb alors que le receveur irradié était une souris d’haplotype CMHa ou CMHb. Les cellules T de la souris CMHa x b peuvent être stimulées par l’antigène présenté dans le contexte CMHa ou CMHb. Si des cellules médullaires de ces souris hybrides CMHa x b sont transférées à un receveur irradié d’haplotype CMHa ou CMHb, les cellules T qui maturent vont être sélectionnées positivement par le CMH thymique du receveur. Lorsque ces animaux sont immunisés par un antigène, l’antigène est présenté par les CPA dérivées de la moelle du donneur. Il peut donc être présenté dans le contexte CMHa ou CMHb. On s’aperçoit que les cellules T de ces animaux répondent en réalité à l’antigène seulement quand il est présenté par des CPA du donneur exprimant l’haplotype du receveur suggérant la disparition des cellules T exprimant l’autre haplotype.

Il est montré que la sélection positive est due à la délétion des clones qui ne reconnaissent pas le CMH autologue dans le thymus.

Une seconde expérience a permis de démontrer que le tissu responsable de la sélection positive était le stroma thymique. La souris receveuse était une souris athymique (nude) greffée avec un thymus de génotype MHCa. Lors du transfert de moelle de donneur MHC axb, les cellules lymphoïdes de l’animal étaient porteuses à la fois du CMHa et du CMHb. Là encore, seules les cellules T reconnaissant l’antigène dans le contexte du MHCa porté par le thymus, étaient capables de se développer. Les souris chimères utilisées pour démontrer le rôle de la sélection positive thymique étaient capables de répondre à l’antigène. A contrario, si on injecte de la moelle MHCa à un receveur irradié CMHb, le receveur ne pourra pas répondre à une stimulation antigénique puisque les cellules T seront sélectionnées dans le thymus pour reconnaître des antigènes que dans le contexte MHCb et qu’elles ne rencontreront en périphérie que des peptides présentés par des APC dérivant de la moelle donc dans le contexte MHCa. Les cellules T ne pourront plus reconnaître les antigènes présentés par leurs propres cellules présentatrices. Les cellules T ne pourront être activées que si l’on injecte en même temps que l’antigène, des APC d’haplotype MHCb. Ainsi, pour qu’une greffe de moelle puisse reconstituer le statut immunitaire de l’animal, il doit y avoir au moins une molécule de CMH commune entre le donneur et le receveur. De telles considérations sont particulièrement importantes lors de greffes allogéniques utilisées dans le traitement des hémopathies malignes.

Si les expériences précédentes ont permis de mettre en évidence le rôle crucial du thymus dans la sélection positive, des études plus détaillées ont nécessité l’utilisation d’animaux transgéniques exprimant un TcR particulier. L’introduction de ce transgène chez des souris ayant un fond génétique CMH déterminé a permis d’établir le rôle des molécules du CMH dans la maturation des thymocytes reconnaissant tous le même antigène. Ces études ont confirmé que les cellules T se développent seulement si elles sont restreintes au CMH autologue.

Elles ont aussi permis d’étudier le devenir des cellules T non sélectionnées positivement. Un transgène codant un TcR spécifique d’un complexe CMH – peptide a été introduit chez une souris ayant un haplotype CMH différent. Le devenir des cellules T a été suivi grâce à un anticorps clonotypique spécifique du TcR transgénique. On a pu ainsi montrer que les cellules qui ne reconnaissent pas le CMH du soi, ne maturent pas après le stade double positif et meurent en trois ou quatre jours dans le thymus. Dans un thymus normal, le devenir de chaque thymocyte dépend de la spécificité de son TcR. La spécificité du TcR peut varier dans la mesure où les chaînes α continuent de se réarranger. La capacité d’un thymocyte d’exprimer plusieurs réarrangements de sa chaîne a augmente le nombre de thymocytes ayant un TcR susceptible de réagir avec le CMH du soi. Les réarrangements continus des chaînes a rendent possible l’expression par un nombre non négligeable de lymphocytes de deux récepteurs T ayant une chaîne β commune mais une chaîne a distincte. Ces cellules T exprimant deux récepteurs spécifiques peuvent induire une réponse immunitaire inappropriée. La régulation de l’expression des chaînes a par la sélection positive fait que seul un des récepteurs est restreint par le CMH et est donc fonctionnel sur la cellule T.

 

B – 1 - Rôle des co-récepteurs CD4 et CD8 dans la sélection positive

Lors de la sélection positive, les thymocytes expriment à la fois les co-récepteurs CD4 et CD8. A la fin du processus sélectif, les thymocytes matures, avant leur départ du thymus vers la périphérie, n’expriment plus qu’un seul des deux co-récepteurs. De plus, toutes les cellules matures qui expriment le CD4 reconnaissent des peptides liés aux molécules de classe II du CMH et sont programmées pour devenir des cellules T auxiliaires, sécrétrices de cytokines, alors que les cellules T exprimant le CD8 reconnaissent des peptides liés aux molécules de classe I du CMH et sont programmées pour devenir des lymphocytes T cytotoxiques. De ce fait, la sélection positive détermine le phénotype de surface ainsi que le potentiel fonctionnel des cellules T matures en sélectionnant le co-récepteur approprié. Ainsi, c’est la spécificité du TcR pour la molécule de MHC du soi qui détermine quel co-récepteur la cellule T doit exprimer. Si le TcR reconnaît un peptide présenté par les molécules de classe I du CMH, les cellules exprimeront le co-récepteur CD8 alors que si le TcR reconnaît un peptide présenté par les molécules de classe II du CMH, les cellules exprimeront le co-récepteur CD4.

Le rôle de la molécule de CMH dans ce processus sélectif peut être observé chez les individus ayant des mutations dans les gènes codant les molécules de classe II du CMH. Chez ces individus qui n’expriment pas les molécules de classe II sur leur épithélium thymique, toutes les cellules T produites, possèdent le co-récepteur CD8. De même, l’absence de molécule de classe I du CMH se traduit par l’absence de cellule T exprimant le CD8.

Deux modèles sont proposés pour expliquer l’intervention des co-récepteurs CD4 et CD8 dans la sélection positive.

B – 1 – 1 - Modèle instructif

Les deux co-récepteurs induisent des signaux intra-cellulaires distincts. L’engagement du TcR et de l’un ou l’autre des co-récepteurs exprimés par le thymocyte double positif induit un signal qui réprime la synthèse du co-récepteur non initialement engagé.

B – 1 – 2 - Modèle stochastique / sélectif

La sélection du co-récepteur se fait en deux étapes. La première correspond à l’engagement initial du TcR et de la modulation au hasard de l’un ou l’autre des co-récepteurs. Puis une étape de sélection conduit à l’élimination des thymocytes ayant modulé le co-recepteur inadéquat.

 

Figure 10 : Intervention des co-récepteurs dans la sélection positive

 


 


B – 2 - Rôle des cellules du cortex épithélial thymique dans la sélection positive

Le rôle des cellules thymiques dans la modulation des co-récepteurs a été mis à profit pour déterminer la nature des cellules impliquées dans la sélection positive. Le rôle des cellules épithéliales corticales thymiques dans ce processus sélectif a été mis en évidence dans une série d’expériences utilisant des souris génétiquement modifiées n’exprimant plus de molécules de classe II sur leur épithélium thymique.

Ces souris ne peuvent pas produire de lymphocytes T CD4 alors que les lymphocytes T CD8 se développent normalement. Si on introduit chez ces animaux un transgène codant une molécule de classe II du CMH dont l’expression est restreinte à l’aide d’un promoteur spécifique des cellules épithéliales thymiques, les cellules T CD4 maturent normalement. Une seconde expérience a montré que la molécule de CMH de classe II devait pouvoir interagir avec le co-récepteur CD4 pour permettre la bonne maturation des lymphocytes T CD4. En effet, lorsque le transgène codant la molécule de classe II dans le thymus comporte une mutation qui empêche sa fixation sur la molécule de CD4, aucune cellule T CD4 ne se développe. Des expériences similaires ont été réalisées pour les CD8 et les molécules de classe I.

Figure 11 : Rôle des cellules du cortex épithélial thymique dans la sélection positive.

 

C - Sélection négative

Lorsqu’un lymphocyte T mature reconnaît en périphérie un complexe CMH-peptide à la surface d’une CPA, il s’active et prolifère. Au contraire, la même interaction au niveau thymique entre un thymocyte sélectionné positivement et un complexe CMH-peptide conduit à l’apoptose du thymocyte.

Cette réponse à l’antigène au niveau central est la base de la sélection négative. Ce phénomène a été démontré chez des souris exprimant un récepteur T transgénique spécifique d’un peptide de l’ovalbumine présenté dans le contexte des molécules de classe II du CMH. L’injection d’ovalbumine aux animaux induit l’activation et la prolifération des lymphocytes T périphériques alors que la plupart des thymocytes meurent dans le même temps par apoptose. Chez une souris normale, les thymocytes rencontrent dans le thymus un large éventail de peptides du soi fixés sur les molécules du CMH à la surface des cellules thymiques. La reconnaissance d’un tel complexe par le TcR du thymocyte conduit à l’élimination de la cellule.

La délétion des cellules T qui reconnaissent des peptides du soi dans le thymus peut être démontrée expérimentalement chez des souris transgéniques exprimant un TcR spécifique d’un peptide présent seulement chez les animaux mâles (antigène H-Y). Les thymocytes exprimant le récepteur tansgénique sont éliminés au stade double positif chez les mâles alors que ces mêmes cellules se développent normalement chez les femelles.

Ces expériences illustrent le principe que les complexes CMH-peptides du soi présents dans le thymus purgent le répertoire T des cellules ayant un récepteur autoréactif. Toutefois, toutes les protéines du soi ne sont pas exprimées dans le thymus. Des protéines du soi exprimées seulement en périphérie ou à partir d’un certain stade du développement (à la puberté par exemple) peuvent rencontrer en périphérie des cellules susceptibles de réagir avec ces constituants. L’absence de réponse vis à vis de ces protéines suggère qu’il existe d’autres mécanismes en périphérie qui préviennent l’induction d’une réponse T vis à vis de tels antigènes.

Figure 11 : sélection négative.

 

 

                C – 1 - Cellules responsables de la sélection négative

Alors que les cellules épithéliales du cortex thymique sont responsables de la sélection positive, la sélection négative peut être médiée par de nombreux types cellulaires. Les macrophages et les cellules dendritiques dérivées de la moelle semblent être les cellules les plus impliquées dans la sélection négative.

Leur rôle a été mis en évidence dans des expériences de greffe de moelle de souris MHC a b chez des receveurs d’haplotype MHC a. Chez les animaux receveurs, les cellules T qui maturent dans le thymus reconnaissent les cellules épithéliales thymiques exprimant le MHC a et les macrophages et les cellules dendritiques dérivant de la moelle exprimant le MHC axb. La greffe d’un tissu exprimant le MHC b sur les souris chimères reconstituées avec de la moelle MHC a b n’est pas rejetée. Ce résultat implique que les cellules T dont le récepteur reconnaît le MHC b ont été délétées dans le thymus. Comme les cellules MHC axb dérivées de la moelle sont les seules sources de molécules de MHC b dans le thymus, les cellules dérivées de la moelle doivent être capables d’induire la sélection négative. Bien que les CPA dérivées de la moelle soient les principales cellules responsables de la sélection négative, les cellules épithéliales et les thymocytes eux-mêmes peuvent induire la délétion des thymocytes auto-réactifs.

        D – Couplage de la sélection positive et de la sélection négative

Les cellules T sont sélectionnées dans le thymus sur leur restriction au CMH et sur leur capacité de reconnaître des antigènes étrangers. Les cellules T immatures sont positivement sélectionnées de sorte que seuls les thymocytes dont les récepteurs reconnaissent un complexe CMH-peptide du soi présent sur les cellules du cortex épithélial thymique poursuivent leur maturation. La sélection négative élimine les thymocytes dont les récepteurs reconnaissent un complexe CMH-peptide du soi présenté par des CPA professionnelles. On peut se demander pourquoi, au cours de la sélection positive, les lymphocytes survivent grâce à l'engagement de leur TcR, alors qu'ils en meurent au cours de la sélection négative. La réponse à cette question n’est pas formellement tranchée mais deux mécanismes ont été proposés pour expliquer ce phénomène.

La première hypothèse repose sur la différence d’avidité des récepteurs. Le devenir d’une cellule T reconnaissant un complexe CMH-peptide via son TcR dépend de l’intensité du signal délivré par le TcR. L’intensité du signal dépend de l’affinité du TcR pour le complexe CMH-peptide et de la densité du complexe sur les cellules épithéliales du cortex thymique. Les thymocytes dont le signal est faible sont sauvés de la mort cellulaire et sont ainsi positivement sélectionnés, les thymocytes dont le signal est fort sont éliminés et donc sélectionnés négativement. La proportion des thymocytes reconnaissant des complexes CMH-peptide avec une avidité faible étant plus élevée que la proportion des thymocytes reconnaissant les complexes avec une avidité forte, il en résulte que le répertoire sélectionné positivement est plus large que celui sélectionné négativement.

La deuxième hypothèse est celle du signal différentiel. Dans ce cas, c’est la nature du signal délivré par le récepteur plutôt que le nombre de récepteurs engagés qui distingue la sélection positive de la sélection négative. Dans l’hypothèse de l’avidité, un même complexe CMH-peptide peut être sélectionné positivement ou négativement en fonction de sa densité à la surface des cellules thymiques. Cet aspect quantitatif n’est pas pris en compte dans l’hypothèse du signal différentiel où au contraire, la sélection dépend de la qualité des signaux induits par le TcR.

La découverte du caractère antagoniste de certains peptides a permis de tester cette hypothèse. Les peptides antagonistes sont des variants des peptides naturellement présentés dans un contexte CMH particulier. La différence entre les peptides naturels et antagonistes réside dans la substitution d’un acide aminé. Si l’interaction du TcR avec le complexe CMH-peptide naturel induit l’activation de la cellule T, la même interaction avec le complexe CMH-peptide antagoniste conduit au blocage de la cellule T. Les peptides antagonistes délivrent en fait un signal partiel à la cellule T. L’activation cellulaire qui en découle est donc limitée. Ces signaux pourraient s’apparenter à ceux observés au cours de la sélection positive. Cette hypothèse a pu être testée en utilisant des lobes thymiques de souris transgéniques pour un TcR particulier. L’incubation des lobes thymiques avec un peptide non reconnu par le TcR prévient la sélection positive et conduit à l’élimination des thymocytes. L’utilisation du peptide naturel induit la délétion des thymocytes par sélection négative. L’utilisation d’un peptide antagoniste, reconnu par la cellule T transgénique mais ne délivrant qu’un signal partiel, permet la sélection et le développement des thymocytes. Toutefois, ces expériences suggèrent qu’il existe des différences dans la sélection des lymphocytes T CD4+ et CD8+. En effet, dans ce système, l’utilisation de peptides antagonistes permet la sélection des lymphocytes T CD8+ alors que dans les mêmes conditions, les lymphocytes T CD4+ ne sont pas sélectionnés. D’autres expériences ont montré que le seuil d’activation nécessaire à la sélection des lymphocytes T CD4+ était plus élevé que celui nécessaire à la sélection des lymphocytes T CD8+ et qu’un tel seuil ne pouvait être atteint que si le TcR était engagé en même temps que son co-récepteur. Ces expériences impliquent donc que la sélection des lymphocytes T CD8+ peut être opérée lorsque le TcR des thymocytes se fixe sur un complexe CMH-peptide produisant un signal faible ou partiel alors que la sélection des lymphocytes T CD4+ nécessite la fixation concomitante du TcR et de l’un ou l’autre des co-récepteurs présents à la surface du thymocyte double positif.

IV - Tolérance périphérique

         A – Définitions et principes de base du contrôle de la réponse immune en périphérie

Les lymphocytes B et T générés au niveau des organes lymphoïdes primaires gagnent ensuite les ganglions périphériques. Le processus de sélection centrale a éliminé la très grande majorité des lymphocytes auto-réactifs. Toutefois malgré ce processus, on retrouve en périphérie un certain nombre de cellules potentiellement autoréactives. Ainsi, dans les ganglions périphériques coexistent deux populations lymphocytaires :

·         ·        Des lymphocytes B et T reconnaissant des Ag étrangers

·         ·        Des lymphocytes B et T reconnaissant des Ag du soi

En périphérie, seuls les premiers peuvent réagir, les lymphocytes autoréactifs sont quant à eux contrôlés par différents mécanismes. L’ensemble de ces mécanismes est appelé : tolérance périphérique.

Le déclenchement de la réponse immune en périphérie est un phénomène qui procède par étape. A chacune de ces étapes il existe des points de contrôle qui permettent ou non à la réponse immune de ce produire.

 

 

B – La théorie des co-signaux

L’activation du lymphocyte T spécifique de l’antigène nécessite deux signaux membranaires.

1.      1.     La reconnaissance TcR/CMH-peptide

2.      2.     L’intervention de co-signaux de stimulation (co-signaux)

C’est cette interaction qui induit la spécificité de la réponse T.

B –1 Signaux de costimulation

Le récepteur T a comme fonction de convertir un événement extracellulaire en une série de signaux intracellulaires activateur. Le TcR n’a qu’une très courte région intracytoplasmique incapable de générer ces signaux activateurs. Ce rôle de transduction du signal est assuré par le CD3. Les chaînes intracellulaires du CD3 vont ainsi subir des phosphorylations qui vont finalement conduire à l’activation du lymphocyte T. Cette activation se traduit par des mouvements de calcium intracellulaire, l’activation de facteurs de transcription (NF-KB, AP-1 par exemple) et donc à la synthèse de protéines impliquées dans la croissance et la maturation de la cellule.

                    B –1 - 1 La molécule B-7

B-7 est présent sur les cellules présentatrices de l’antigène.

Seules les cellules dendritiques expriment B-7 à leur membrane de façon constitutive. Les autres CPA expriment B-7 lorsqu’elles sont activées. Le rôle de B-7 s’étend donc à l’ensemble des CPA. B-7 a un rôle essentiel dans l’activation de la réponse T. B-7 existe sous deux formes B-7.1 et B-7.2.

Il existe sur le lymphocyte T deux ligands de B-7.

1.      1.     CD28

Rôle dans la régulation positive de l’activation du lymphocyte T:

Activation B-7/CD28 : synthèse d’IL-2.

Rôle dans la différenciation Th1/Th2.

Interaction CD28/B-7.1 : différenciation du lymphocyte T en Th1.

Interaction CD28/B-7.2 : différenciation du lymphocyte T en Th2.

2.      2.     CTLA-4

Se fixe aussi bien sur B-7.1 et B-7.2.

Homologue de CD28 mais différences dans la région intracytoplasmique.

CTLA-4 délivre un signal inhibiteur sur l’activation du lymphocyte T.

                            B –1– 2 CD40/CD40 Ligand

Expression et structure

1.      1.     CD40

Exprimé de façon constitutive par les lymphocytes B, CD40 est aussi retrouvé sur les macrophages, les cellules dendritiques, les cellules épithéliales et endothéliales.

CD40 est une protéine trans-membranaire de la famille du TNF.

2.      2.     CD40 Ligand

Exprimé sur les lymphocyte T 2 à 4 heures après leur activation. Diminue 48 heures après l’activation.

Exprimé par les Th1 et les Th2.

Fait aussi partie de la famille du TNF

Peut être exprimé sur d’autres types cellulaire selon les circonstances : Lymphocytes B, Mastocytes, Basophiles, Eosinophiles.

Rôle :

Transduction de signaux activateurs au lymphocyte B.

Induction des molécules de co-stimulation B-7.1 et B-7.2.

Formation des centres germinatifs.

Sélection de mutants de haute affinité pour l’Ag.

Rôle dans la commutation isotypique.

 

                B –2 Contrôle de la réponse immunitaire

                        B –2 –1 Défaut de costimulation : rôle de B-7 : ANERGIE

La reconnaissance en périphérie d’un complexe CMH/peptide/TcR ou d’un complexe Ig de surface/Ag en l’absence de co-signaux de stimulation induit l’anergie du lymphocyte. Cette anergie se traduit par un état de non réponse du lymphocyte concerné. Le lymphocyte ne prolifère pas ni ne sécrète de l’IL-2 en présence de l’Ag. On dit que son récepteur de l’antigène est désensibilisé. On peut même observer dans certains cas une diminution de l’expression des récepteurs de l’antigène à la surface du lymphocyte.

Ainsi, le déclenchement ou non de la réponse immune dépend de l’expression à la surface des cellules présentatrices de l’Ag de l’expression de molécules de costimulation ainsi que de la synthèse par les CPA activées de cytokines immunostimulantes. On comprend donc que le déclenchement de la réponse immune est intimement lié à l’activation de la cellule présentatrice de l’antigène.

Dans le cas d’une agression du système immunitaire par un pathogène, il se produit une inflammation locale propice à l’activation de la cellule présentatrice. Dans ces conditions, celle-ci exprime des molécules de co-stimulation à sa surface et synthétise des cytokines immunostimulantes comme l’IL-12.

Dans le cas d’un auto-antigène, les peptides sont présentés associés aux molécules de classe I et II du CMH à la surface de très nombreuses APC. Toutefois, cette présentation a lieu en l’absence de toute activation de la cellule présentatrice. Les lymphocytes T auto-réactifs reconnaîtront donc bien des complexes CMH/peptide via leur TcR mais cette reconnaissance s’effectuera en l’absence de co-stimulation. L’anergie des lymphocytes T induite par ce mécanisme explique aussi l’état de non réponse observé au niveau des lymphocytes B. En effet une réponse B à un antigène thymo-dépendant implique la coopération d’un lymphocyte T spécifique de l’antigène. Ce lymphocyte T autoréactif étant dans un état d’anergie, il ne peut plus fournir au lymphocyte B les cosignaux nécessaires au développement de la réponse B.

 

Figure 12 : Théorie des co-signaux, mécanisme de l’anergie.

 

 

                            B –2 –2 Elimination des lymphocytes B autoréactifs : rôle de CD40

Les interactions entre CD40, Fas et les signaux induits par l’activation du BcR déterminent le devenir du lymphocyte B: l’activation ou la mort. (a) l’engagement de CD40 sur la cellule B par CD40L présent sur la cellule T activée conduit à l’activation de la cellule B, et par l’induction de l’expression de Fas à la surface du lymphocyte B. (b) l’interaction entre Fas et  FasL présent sur la cellule T activée induit l’apoptose de la cellule B permettant ainsi l’arrêt de la réponse immune. (c) Lorsque le BcR est activé simultanément avec CD40 et Fas, l’apoptose médiée par Fas est inhibée (d) de plus (e) l’activation de la cellule B via CD40 est augmentée. (f) cette augmentation d’activation en présence de cytokines, conduit à la différenciation de la cellule B. (g) Des interactions membranaires en l’absence de cytokines aboutit à la mort de la cellule par apoptose. Dans ce modèle, on comprend bien qu’une cellule B est normalement programmée pour mourir, seul l’engagement du BcR fournit les signaux nécessaires à la survie du lymphocyte B. Dans le cas de cellules B auto-réactives, la désensibilisation du BcR ne peut permettre, lorsque celui-ci se lie à son antigène, l’activation optimale du lymphocytes B. Les signaux produits dans ce cas sont trop faibles pour sauver le lymphocytes B de l’apoptose. Ce mécanisme permet dons d’éliminer en périphérie les lymphocytes B auto-réactifs.

Figure 12 : Elimination des lymphocytes B auto-réactifs, rôle de CD40.

 


 


C - Théorie géographique

Cette théorie admet le principe suivant : La réponse immune est régulée par l’antigène seul. La réponse dépend donc uniquement

·         De la localisation de l’Ag

·         De la dose d’Ag présent

                C –1 Localisation de l’antigène

Les cellules immuno-compétentes accomplissent leurs fonctions individuellement, toutefois, leur activation dépend de leurs rencontres et de leurs coopérations au sein de structures particulières : les organes lymphoïdes.

Ces structures anatomiques définissent

·         La localisation de l’Ag

·         Les contacts intercellulaires

·         L’environnement cytokinique

Dans ces conditions, les CPA captent et présentent l’Ag de façon optimale à des lymphocytes T. Les chances de trouver un lymphocyte T spécifique sont élevées.

·         Les ganglions périphériques accueillent des Ag transportés par des cellules dendritiques via la circulation afférente des organes solides

·         La rate fonctionne comme un filtre ou des Ag solubles ou particulaires sont captés à partir du sang circulant.

·         Les organes solides périphériques sont des tissus dont l’organisation diffère de celle des organes lymphoïdes secondaires. Les cellules dendritiques présentes au sein de l’organe ne font pas partie de celui-ci. Elles migrent du tissu vers les organes lymphoïdes transportant les Ag du soi et du non-soi.

A l’intérieur de ce système, les lymphocytes migrent en fonction de leur état d’activation.

·         Les lymphocytes T naïfs circulent dans le sang, la rate, les ganglions mais ne migrent jamais en périphérie.

·         Les lymphocytes T activés peuvent eux migrer dans les tissus et notamment au niveau des sites inflammatoires.

         Lors d’une infection, la porte d’entrée est périphérique. Les antigènes infectieux gagnent le ganglion afférent en 1 à 3 jours et là, après un délai de quelques jours, se disséminent dans tout l’organisme. L’antigène peut être localisé soit dans un ganglion soit dans un organe périphérique mais dans ce cas, il doit migrer vers le ganglion transporté par une cellule présentatrice de l’Ag .

         Les antigènes présents hors des organes lymphoïdes sont immunologiquement ignorés. Cette règle s'applique aussi aux antigènes qui sont présents trop peu de temps ou en trop faible quantité. On peut retrouver ce phénomène dans certaines situations pathologiques

         Virus

o        Rage dans les neurones

o        Papilloma virus dans les kératinocytes

o        Tumeurs épithéliales

 

Figure 13 : Ignorance immunitaire.

 

 

Expériences illustrant le rôle de la localisation de l’Ag

1) Cas du virus de la rage

Le virus de la rage infecte les neurones. Lorsque ceux-ci sont détruits, l’antigène est pris en charge par les CPA qui le conduisent vers les organes lymphoïdes secondaires où va se déclencher une réponse immune B et T. Naturellement, cette induction est trop lente pour sauver l’hôte (virus trop peu cytopathogène). On peut toutefois stimuler l’immunité en vaccinant par un virus tué après l’innoculation.

2) Rôle du transport de l’antigène : expérience des "skin flaps"

La réponse immunitaire vis à vis de l’antigène se développe si les vaisseaux lymphatiques drainant sont intacts : Les CPA chargées en antigène doivent migrer dans le ganglion afférent afin de sensibiliser les lymphocytes T.

 

La réponse immunitaire vis à vis de l’antigène se développe même sans vaisseaux lymphatiques. Une fois sensibilisés, les lymphocytes T recirculent par la grande circulation et migrent dans les tissus.

 

3) Modèle des souris RIP-LCMV

 

                C –2 Dose et persistance de l’antigène

L’antigène doit persister assez longtemps (3à 6 jours) dans le ganglion pour induire une réponse.

Les antigènes présents en permanence dans les organes lymphoïdes délètent la réponse T spécifique. Ceci vaut aussi pour les Ag transportés de façon continue dans les organes lymphoïdes par les CPA.

         Cette règle s’applique:

1.      Aux Ag du soi (tolérance au soi)

2.      Aux Ag étranger si

o      Ils pénètrent rapidement dans les organes lymphoïdes

o      En quantité abondante

o      Ils persistent

Expériences illustrant le rôle de la dose et de la persistance de l’Ag

1) Modèle RIP-LCMV

 

2) Réponse immunitaire contre un antigène soluble : injection IV d’albumine bovine

De tels antigènes ne peuvent induire de réponse car même s'ils sont donnés à des doses élevées et qu’ils gagnent les ganglions périphériques, leur demi-vie est trop courte pour induire une réponse.

3) Induction totale et élimination de la réponse T (AICD)

L’infection de souris par un Ag présent partout dans l’organisme, à forte dose et pendant assez longtemps (1 à 3 jours) induit la délétion de la réponse T.

Exemple : infection de souris déficientes en IFN par des doses massives de LCMV. On observe dans ce cas une dissémination massive du virus dans tout l’organisme. Il s’ensuit une induction rapide de tous les précurseurs qui une fois activés vont mourir en deux à trois jours. Cette mort va causer une délétion clonale des cellules T spécifiques de l’antigène. La réponse restera délétée si le virus persiste et gagne le thymus. Ce mécanisme d’induction totale puis de la mort des précurseurs lymphocytaire est appelé AICD pour " antigen induced cell death ".

Ce mécanisme explique la tolérance du système immunitaire aux antigènes du soi. En effet, Ils sont eux aussi présent en grande quantité et persistent dans l’organisme.

C – 3 Privilège immunitaire

Certains organes sont dits « immunologiquement privilégiés » parce qu’ils sont protégés de l’inflammation et des dommages colatéraux associés à une réponse immunitaire forte. Parmi les sites immunologiquement privilégiés, on trouve les cellules de la chambre antérieure de l’œil, les cellules de Sertoli et, dans une moindre mesure, le cerveau. Si le concept d’organe immunologiquement privilégié a plus de 100 ans, les mécanismes moléculaires expliquant les caractéristiques particulières de ces sites ont été mis à jour récemment. Definis à l’origine comme des sites où des greffes tissulaires allo- ou xénogéniques étaient tolérées, ces sites étaient considérés comme protégés du système immunitaire par des barrières physiques limitant la diffusion des antigènes du site vers les organes lymphoïdes secondaires et empêchant l’accès au site des cellules effectrices activées. Bien que ces obstacles physiques jouent un rôle non négligeable dans la protection de ces organes contre une agression du système immunitaire, d’autres mécanismes plus actifs comme la production locale de cytokines et de neuropeptides immunomodulateurs, l’expression faible des molécules de classe I et II du CMH, la synthèse de protéines inhibitrices du complément, peuvent conférer aussi à certains organes leur statut privilégié. Des études récentes, montrant que ces sites exprimaient constitutivement FasL, ont apporté une dimension nouvelle à ce concept de privilège immunitaire. Dans l’œil, l’expression constitutive de FasL permet le contrôle de la prolifération des cellules lymphoïdes exprimant Fas qui pénètrent dans cet organe au cours d’une infection virale. L’expression de FasL protège les cellules de Sertoli des rejets allo- et xénogéniques lorsqu’elles sont transplantées sous la capsule rénale du receveur.

Figure 13 : Privilège immunitaire.