CYTOKINES. I/ Présentation générale : Cours d immunologie UE1 18/12/07 RT : Jean-Benoît MONFORT

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1 Cours d immunologie UE1 18/12/07 Pr. Tartour RT : Jean-Benoît MONFORT CYTOKINES Plan : I/ Présentation générale 1) Propriétés communes a. Redondance b. Pleiotropie 2) Interférons 3) Interleukine 10 4) Cytokines pro-inflammatoires II/ Le concept Th1 et Th2 III/ L interleukine 17 Avant de s appeler cytokines, ces molécules ont eu différents noms : lymphokines, monokines mais ces noms ne sont plus utilisés actuellement. La première cytokine mise en évidence a été l interféron (IFN) en Dans les années 80, on a pu purifier et produire ces cytokines. En 1981, c est la première fois qu on administre une cytokine, l IFN, à l homme pour la clinique. En 2007, plus d une centaine de cytokines et molécules apparentées sont répertoriées. Classification des cytokines : - Colony-stimulating factor (facteurs de croissance) : G-CSF, GM-CSF. - Les interleukines : IL1 à IL35, famille du TNF, famille de l IFN - Chimiokines : famille Cys-Cys, famille Cys-X-Cys Ce cours ne porte que sur les interleukines. I/ Présentation générale : Ces molécules ont une caractéristique particulière : elles ont une action locale, soit autocrine (la cytokine a un effet sur la cellule qui l a produite), soit paracrine (la cytokine a une action sur une cellule voisine de celle qui l a produite). Dans certains cas, la cytokine peut agir à distance en diffusant par voie systémique, mais c est exceptionnel. Elles ne peuvent donc généralement pas être analysées sur simple prise de sang. Ceci les différencie des hormones, qui agissent à distance et qui sont produites par des cellules spécialisées, alors que les cytokines sont produites par un grand nombre de cellules. 1) PROPRIETES COMMUNES : - faible poids moléculaire : 10 à 25 kda 1

2 - elles présentent des homologies de séquence entre elles : o ex : TNF et TNFß : 28% o IL-1 et IL-1ß : 26% - Actives à très faible concentration (pg/ml) - Agissent souvent en synergie avec d autres cytokines (ex : IL12 et IL18) Il y a donc peu de caractéristiques communes. La classification des cytokines ne se fait pas à partir de leur structure mais à partir de celle de leur récepteur, avec différentes familles. Structure et mode d action : Elles peuvent être actives sous différentes formes : - Sous forme soluble : monomères (IL1, IL-6), dimères (IL8, IL-10) ou trimères (TNF). Ceci est important : elles seront inactives si on travaille en conditions dénaturantes! - Certaines sont actives sous forme membranaire : ex : TNF dont la forme soluble trimérique résulte d un clivage de la forme membranaire. - Certaines sont actives sous forme membranaire associées à leur récepteur. Ex : transprésentation de l IL-15 : l IL-15 peut être sous forme membranaire, mais également sous forme fixée à la chaîne de son récepteur. Le récepteur de l IL-15 est un trimère, avec une chaîne qui lie l IL-15, une chaîne ß, et une chaîne qui transduit le signal. Par exemple, une cellule qui n aurait que la chaîne et donc qui ne peut pas transduire le signal mais qui peut lier l IL-15, peut s associer à une cellule qui a les chaînes ß et pour reconstituer le récepteur et transduire le signal. - Certaines sont actives sous forme d un complexe soluble associées à la chaîne du récepteur. Ex : le récepteur de l IL-6 (noté IL-6R) est constitué de la chaîne (gp80) et la chaîne gp130. Une cellule peut n exprimer que la chaîne gp130 transmembranaire, et donc n a pas la chaîne gp80 pour former le récepteur complet. La chaîne gp80 est en fait soluble, se lie à l IL-6 et ce complexe se lie à la gp130, le récepteur est alors complet et activé. a) Redondance Définition : des cytokines différentes peuvent exercer la même activité. Il y a 3 raisons pour l expliquer : - Les récepteurs de certaines cytokines appartenant à la même famille peuvent avoir une chaîne transductrice commune. Lors de l activation du récepteur, les effets de la transduction de la chaîne commune vont être similaires. Ex : l IL-2, 4, 7, 9 et 15 ont une activité sur la prolifération des lymphocytes T car les récepteurs de ces cytokines ont la même chaîne transductrice. Cependant toutes les cytokines n ont pas la même action, il peut parfois y avoir transduction du signal par les chaînes et ß, qui ne sont pas communes. - Les récepteurs de certaines cytokines peuvent avoir plusieurs chaînes communes. Ex : IL-2R et IL-15R : ils ont la même chaîne ß et, mais la chaîne est différente. - Des monomères peuvent être communs à plusieurs cytokines, notamment les cytokines dimériques sécrétées. Ex : interleukines de la famille des IL-12 : IL-12, IL- 35, IL-23. La sous-unité p35 est commune à l IL-12 et l IL-35. La sous-unité p40 est commune à l IL-12 et l IL-23. 2

3 b) Pleitropie Définition : capacité à induire des effets différents sur des cibles cellulaires diverses, c est-àdire qu une même cytokine peut avoir des activités multiples. Cela s explique par 2 raisons : - Les récepteurs d une même cytokine sont présents dans de nombreux endroits de l organisme. Ex : l IL-6R est présent au niveau du foie (protéines de la phase aiguë : CRP ), de l hypothalamus (fièvre), des cellules nerveuses, des ostéoclastes, LB, LT - La transduction peut être différente d une cellule à l autre pour une même cytokine, les voies de signalisation sont différentes (ex : JAK, STAT ). Ceci explique que les cytokines peuvent avoir des activités ambivalentes +++ : Exemple de l IL-6 : elle peut avoir un rôle : - pro-tumoral : Action anti-inflammatoire (inhibition de l activité des macrophages, des neutrophiles des lymphocytes T et des cellules NK, inhibition de la maturation des cellules dendritiques), rôle anti-apoptotique (inhibition des mécanismes d adhésion cellulaire, augmentation de l expression de métalloprotéases) - anti-tumoral : inhibition in vitro de la prolifération des tumeurs. Ceci s explique par le fait qu a un stade précoce, les voies de signalisation jouent un rôle d inhibition de la croissance tumorale. A un stade plus tardif de différenciation (métastases), les voies de signalisation préférentiellement utilisées sont celles qui inhibent l apoptose de la cellule tumorale. L IL-2 est un facteur de croissance pour les lymphocytes T. Chez des souris déficientes en IL- 2, le nombre de LT est pourtant normal.ceci est due à la redondance. Elle a aussi une activité ambivalente : - rôle des stimulation du système immunitaire : facteur de croissance, augmente la cytotoxicité. - Mais aussi rôle immunosuppresseur dans certaines circonstances : à un certain stade de différenciation des LT, elle favorise leur apoptose! 2) INTERFERONS Il en existe 2 types : - Type I (, ß,, τ) : gène sans introns, sur le chromosome 9, acidostable. o Origine : cellule dendritique plasmacytoïde (), fibroblastes (ß), lymphocytes (, ), monocytes. Les 4 types d IFN se lient tous au même récepteur hétérodimérique IFN- ßR. Toutes les cellules sont capables de produire de l IFN ß. o Inducteurs d IFN de type I : virus +++ (surtout à ARN), ARN double brin, bactéries intra-cellulaires, LPS, cytokines (IL-2, CSF1, IL-1, TNF) o Propriétés : Activité anti-virale +++: synthèse d une enzyme dégradant l ARN viral et d une autre enzyme diminuant la synthèse de protéines virales. Les souris déficientes en IFN ß sont susceptibles à tous les virus. Anti-proliférative : cellules tumorales, Modulation des antigènes de CMH I et II : augmente leur expression Stimulation de la cytotoxicité des cellules NK et des macrophages 3

4 - Type II () : gène avec 4 exons, sur le chromosome 12, labile à ph acide. o Origine : uniquement les cellules du système immunitaire : LT-CD4 Th1 ++, LT CD8, cellules NK, cellules présentatrices de l antigène. Son récepteur est l IFN- R. o Inducteurs d IFN : mitogènes (RHA, ionomycine), anti-cd3, antigènes, cytokines (IL-2, IL-12, IL-18, IFN ), infection virale. o Inhibiteurs de la production d IFN : IL-10, drogues immunosuppressives (cyclosporine A, corticoïdes). o Propriétés : Activité anti-virale Activation macrophagique ++++ : Expression des molécules de surface (RFc, CMH, ) Augmente sécrétion IL-1, TNF, complément Augmente les capacités phagocytaires et cytotoxiques Autres effets immunomodulateurs : induit production IgG2a par les LB, augmente cytotoxicité des cellules NK et des LT-CD8 Inhibition prolifération cellulaire Chez les mammifères, la plupart des cellules possèdent des récepteurs à l IFN. 3) INTERLEUKINE 10 Elle a un rôle ambivalent : - effets immunosuppresseurs : o inhibe la maturation des cellules dendritiques o inhibe la libération des cytokines pro-inflammatoires par les macrophages o inhibe la production de chimiokines - effets stimulateurs : o active les cellules NK o stimule les LB 4) CYTOKINES PRO-INFLAMMATOIRES Ce sont les cytokines IL-1, IL-6 et TNF. Les cytokines pro-inflammatoires ont un large spectre d activités biologiques qui servent à coordonner les réponses de l organisme à l infection. Elles permettent : la fièvre, la sécrétion de protéines de la phase aiguë par le foie, la mobilisation des neutrophiles et la migration des cellules dendritiques vers les ganglions. - Le TNF : le TNF est produit par de nombreux types cellulaires (macrophages) mais le TNFß (lymphotoxine) est exclusivement produit par les lymphocytes T. Le TNF est la première cytokine libérée lors d une réaction inflammatoire. Il stimule la synthèse d IL-1 et d IL-6. Il a une activité pro-coagulante et induit la formation de médiateurs de l inflammation (leucotriènes, PAF acéter). Il stimule l activité des ostéoclastes. - L IL-1 : L IL-1 joue un rôle essentiel dans la réaction inflammatoire. Elle exerce des actions à distance sur le système nerveux central (fièvre, somnolence, anorexie), les hépatocytes (synthèse des protéines de la phase aigüe de l inflammation : CRP, orosomucoide ), sur les ostéoclastes (augmentation résorption osseuse), les cellules 4

5 musculaires lisses (protéolyse), les polynucléaires neutrophiles (augmentation de la diapédèse). Elle induit la synthèse des métalloprotéinases et de PGE2 par les cellules du tissu conjonctif. L IL-1 est un signal coactivateur des lymphocytes T. Les TLR sont des récepteurs présents au niveau de la membrane cellulaire qui fixent différents composés bactériens. Leur activation engendre, via le NfkB, la synthèse de molécules de co-stimulation et de cytokines pro-inflammatoires. Ceci engendre la maturation des cellules dendritiques, qui migrent vers les ganglions et activent les LT (immunité adaptative). Les cytokines pro-inflammatoires ont donc un rôle de première barrière par la mise en jeu de l immunité innée, mais elles représentent aussi le lien entre l immunité innée et adaptative. Il existe une régulation : quand l inflammation est trop importante, des cytokines antiinflammatoires sont sécrétées pour contre-balancer : IL-10, IL-4, IL-13. Dans de nombreuses pathologies inflammatoires (polyarthrite rhumatoïde, lupus ) il y a un déséquilibre de cette balance. Un des moyens thérapeutiques utilisé est l administration d anticorps anti-tnf pour rééquilibrer la balance. La production et l activité des cytokines sont régulées par : - Les cytokines et les LT : Th1/Th2 - Les hormones : o Corticoïdes : inhibe la production de cytokines pro-inflammatoires o Oestrogènes : diminuent l activité de l IL-6. Ceci est important car lors de la ménopause, les oestrogènes diminuent et donc l activité de l IL-6 augmente. Celle-ci active les ostéoclastes qui induisent la résorption osseuse et donc ont comme conséquence l ostéoporose. - Les récepteurs solubles aux cytokines : quand la cytokine se fixe dessus, il peut y avoir 3 conséquences : o Le récepteur l empêche d exercer son activité biologique o Le récepteur la protège et donc augmente sa demi-vie o Le récepteur soluble peut avoir un effet agoniste (cf. exemple de l IL-6 avec son récepteur gp130 et gp80) - Immunosuppresseurs : cyclosporine : diminue la production d IL-2 5

6 II/ Le concept TH1 et TH2 Ce concept a été trouvé grâce aux travaux de Mosmann dans les années 80. Ce chercheur, en cultivant des LT CD4, s est rendu compte qu il obtenait 2 types de CD4 qui ne sécrétaient pas les mêmes cytokines : - Le premier groupe sécrétait de l IL-2, du TNFß et de l IFN. Il les a appelé Th1, pour lymphocytes helper 1 (ou auxiliaires). - Le 2 ème groupe sécrétait de l IL-4, 5, 6, 10 et 13. Il les a appelé Th2. Ces 2 groupes proviennent en fait du même précurseur, appelé Th0, qui est capable de sécréter de l IL-2, 4 et IFN. Puis, selon le micro-environnement en cytokines, le lymphocyte Th0 va se différencier : - Soit en Th1 s il y a beaucoup d IL-12 - Soit en Th2 s il y a beaucoup d IL-4 (et peut être aussi de l IL-25, mais ce n est pas encore prouvé). Comment l IL-12 et l IL-4 influencent-elles la différenciation vers Th1 ou Th2? - L IL-12 se fixe à son récepteur, STAT4 va être activée et induire un facteur de transcription T-Bet qui va faire augmenter la production d IFN et diminuer celle d IL-4. Le lymphocyte est alors un Th1. 6

7 - L IL-4 se fixe à son récepteur, STAT6 est activée et induit un facteur de transcription GATA3 qui va faire augmenter la production d IL-4 et diminuer celle d IFN. Le lymphocyte est alors un Th2. Rôle des Th1 et Th2 : - Th1 : o Hypersensibilité retardée o Stimule les LT, active la cytotoxicité des macrophages +++ o Elimine les pathogènes intracellulaires o Réponse humorale IgG 2a La réponse Th1 est donc impliquée dans l élimination des pathogènes intracellulaires (= immunité à médiation cellulaire). - Th2 : o Stimule les LB o Hypersensibilité immédiate : production d IgE et IgG o Active la différenciation des mastocytes et des éosinophiles. o Synthèse d IgA (muqueuses) La réponse Th2 est donc adaptée pour les réactions allergiques et les pathogènes extracellulaires (= immunité à médiation humorale). Illustrations : 2 cas 1) Cas de la leishmaniose cutanée On infecte 2 souris par Leishmania Major (parasite intracellulaire) : - La souris 1 est appelée Balb/c. Pour se défendre contre le parasite, elle produit de l IL- 4 et de l IL-10, elle a donc une réponse Th2. Cette souris décède, sa réponse n est pas adaptée au parasite qui est à développement intracellulaire. 7

8 - La souris 2 est appelée C57BL/6. Pour se défendre contre le parasite, elle produit de l IFN, elle a donc une réponse Th1. Cette souris guérit, sa réponse est adaptée. - Mais si on donne de l IL-12 à la souris Balb/c, elle guérit!!! L IL-12 a stimulé la réponse Th1 et a donc permit une réponse adaptée contre le parasite. Le parasite Leishmania est à développement intracellulaire, il faut donc une réponse Th1 pour pouvoir s en débarrasser. 2) Cas de la BCGite chez l enfant Le BCG est le vaccin utilisé contre la tuberculose. Ce vaccin est composé d une mycobactérie atténuée vivante, à développement intracellulaire. Cette mycobactérie infecte donc les macrophages, qui produisent alors pour se défendre de l IL-12. Celle-ci active la voie Th1, il y a production d IFN qui augmente la cytotoxicité des macrophages, qui peuvent alors de défendre correctement. Certains enfants ont un défaut soit au niveau du récepteur de l IFN, soit de l IL-12. La voie Th1 est donc déficiente. Il ne sont donc plus capable de se défendre contre la mycobactérie et font une BCGite, une infection généralisée qui peut être mortelle. Régulation de la balance Th1/Th2 : - Lorsque les TLR sont activés, il y a production d IL-12, donc la voie Th1 est favorisée. - Lorsqu il y a un pathogène extracellulaire, la cellule dendritique exprime le ligand du récepteur Notch. Ce récepteur est sur le Th0. Quand il est activé, il y a induction d un facteur de transcription RBPJ qui active la production d IL-4, qui agira de manière autocrine. Le Th0 se différenciera alors en Th2. Chez les souris déficientes en Notch, la voie Th2 fait défaut Il existe un déséquilibre Th1/Th2 dans certaines conditions : allergies, infection, cancer, maladies auto-immunes, immunodéficience. III/ L INTERLEUKINE 17 (IL-17A) Elle fait partie de la famille des IL-17 (IL-17B, IL-17C, D, E et F), très récemment découverte. Elle est produite par les LT CD4 mémoires. C est une cytokine pro-inflammatoire qui augmente la production de chimiokines, de facteurs de croissance hématopoïétiques et le recrutement de monocytes et neutrophiles. 8

9 Il y a donc maintenant une nouvelle voie en plus de Th1 et Th2 : Th17. Lorsque le microenvironnement est riche en IL-6, TGFß, IL-21 et IL-23, le lymphocyte Th0 se différencie en Th17 et produit de l IL-17. Cette voie de différenciation est fortement inhibée par l IL-2, l IFN (voie Th1) et l IL-4 (voie Th2). Le facteur de transcription permettant la différenciation Th17 est ROR. L IL-23 permet aussi la différenciation vers Th17. Elle est produite par les cellules dendritiques. L IL-6 induit le récepteur à l IL-23. L IL-23 n est pas directement impliquée dans la différenciation des Th17 mais dans leur survie et leur prolifération. Le lymphocyte Th17 produit de l IL-17, du TNF, de l IL-6.mais surtout 2 cytokines importantes : l IL-22 et l IL-26. L IL-22 a un rôle dans l inflammation et dans l hyperplasie de l épiderme lors du psoriasis. L IL-23 a un monomère commun avec l IL-12 (p40). Ceci est important car on a essayé de traiter des maladies auto-immunes avec un anticorps anti-p40 et on pensait qu il était dirigé contre l IL-12 qui porte ce monomère. On s est en fait rendu compte qu il était dirigé contre celui de l IL-23. L IL-17 a donc un rôle important dans les maladies auto-immunes. Les souris déficientes en IL-17 sont résistantes à certaines pathologies auto-immunes. L avenir est donc très prometteur en ce qui concerne le traitement des maladies auto-immunes en ciblant l IL-17. 9

10 IV/ CONCLUSIONS - Les cytokines agissent en cascade aboutissant à des effets pleiotropiques multiples. - Leurs récepteurs ont des similarités de structure et de mécanismes de transduction des signaux. - Ils représentent des cibles thérapeutiques potentielles d une grande précision pour la manipulation de l immunité, de l inflammation. Les anticorps anti-tnf ont révolutionné la rhumatologie. - Leurs formes solubles ou des anticorps antagonistes peuvent être des outils thérapeutiques. 10