IMMUNITÉ INNÉE............................................... Laurence Guglielmi Institut de Recherche en Cancérologie (IRCM INSERM U1194) laurence.guglielmi@inserm.fr 04/02/2015 1
Micro-organismes parasites bactéries champignons virus Invertébrés ~ 2 000 000 espèces Vertébrés ~ 45 000 espèces Holométaboles Hétérométaboles Poissons Amphibiens Reptiles Oiseaux Mammifères Mollusques Insectes 95% Inné 5% Inné et Adaptatif - 450 Ma Gnathostomes Placodermes Agnathes Annélides Echinodermes Urochordés - 800 Ma
Immunité innée (ou naturelle) - Non spécifique - Immédiate - Sans mémoire Immunité adaptative (ou acquise) - Spécifique d Ag - Non Immédiate - Douée de mémoire - Barrières Naturelles - Réaction Inflammatoire - Immunité Humorale - Immunité à Médiation Cellulaire - Phagocytose - Facteurs du complément Coopération - contact cellulaire direct - médiateurs solubles (chimiokines, cytokines, ) - FcR
Immunité Innée Ubiquitaire : récepteur de l immunité innée (PRR) Sécrétoire : complément, ficolines, collectines Hématopoïétique : cellules phagocytaires
BARRIERES Barrières physiques : peau ( 1,7 m 2 ) muqueuses ( 400 m 2 ) (respiratoire, digestive, uro-génitale) Barrières biologiques / biochimiques : ph : acidité locale (estomac, urine, vagin) acides gras toxiques (peau) peptides antimicrobiens enzymes : lysozymes (salive, sueur, larmes) pepsine (intestin) Barrière écologique : flore bactérienne
Symbiose hôte-microbes ~ 10 13 cellules ~ 22.000 gènes ~ 10 14 germes ~ 3.10 6 gènes ~ 1000 espèces bactériennes (mais aussi virus, champignons, parasites) Colonisation dès la naissance Évolution parallèle chez les mammifères depuis des millions d années
Microbiote = Flore bactérienne Rôles : Bactéries Commensales Pathogènes Métabolisme : destinée à augmenter la digestion en dégradant les polysaccharides, à produire des vitamines et des acides gras à chaîne légère Protection contre les bactéries pathogènes - compétition avec les pathogènes (nutriments, captation du fer) - blocage d'accès pour l'épithélium - production de substances antibiotiques (colicine) Développement du système immunitaire
Homéostasie intestinale Limitation du contact direct entre bactérie et épithélium : Microbiote = flore intestinale Bactéries commensales ( 10 14 ) Mucus + IgA sécrétoires (IgAs) + peptides anti-microbiens Cellules épithéliales
Les récepteurs de l immunité innée
Mécanismes de reconnaissance des micro-organismes : Récepteurs de l immunité innée Récepteurs de l immunité adaptative Expression : cellules susceptibles d entrer en contact avec des microorganismes (cellules endothéliales et épithéliales, DC, monocytes/macrophages, ) Expression : lymphocytes B et T Spécificité non variable Spécificité extrêmement variable (chaque cellule T ou B subit des recombinaisons génomiques aléatoires) 100-200 récepteurs différents / espèces Immense répertoire : 10 12 récepteurs des cellules B 10 15 récepteurs des cellules T Reconnaissance de motifs moléculaires microbiens (LPS, peptidoglycane, ) Reconnaissance illimitée (antigène infectieux, de l environnement, soi, non soi )
Notion de DANGER Comment distinguer le soi et le non-soi (les microbes)? Récepteur Toll chez la drosophile : - intervient dans le développement dorso-ventral, - intervient dans la défense anti-infectieuse. Prix Nobel 2011 : Jules Hoffmann (Strasbourg), Bruce Beutler (La Jolla), Ralph Steinman (NY) 1997 : Charles Janeway et al. découvrent l équivalent chez l homme : les Toll-like-receptors (TLR).
Notion de DANGER Microorganismes Récepteurs PAMPs Pathogen-Associated Molecular Patterns PRR Pattern-Recognition Receptor MAMPs Microbe-Associated Molecular Patterns
Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs) Caractéristiques : Produits uniquement par les micro-organismes, Motifs structuraux très conservés entre micro-organismes d'une classe donnée, (motifs répandus, invariants et communs à de nombreux micro-organismes) Rôle essentiel dans la physiologie et la survie des micro-organismes (mutations importantes improbables peu de possibilités d'échappement au système immunitaire)
Pattern Recognition Receptor (PRR) MILIEU EXTRA- CELLULAIRE PGN (Gram+) Zymosan (levure) LPS "atypique" Lipoprotéines Lipoprotéines LPS HSP60 Flagelline levure bactérie CYTOPLASME TLR2 TLR2 TLR6 TLR2 TLR1 TOLL-LIKE RECEPTOR : TLR TLR4 TLR5 DC-SIGN NKG2D Dectin-2 C-TYPE LECTIN RECEPTOR : CLR TLR3 ARN db TLR7/8 ARN sb RIG-LIKE RECEPTOR : RLR NOD-LIKE RECEPTOR : NLR ADN CpG RIG-1 NOD1 ENDOSOME TLR9 ARN viral MDA-5 LGP2 Peptidoglycane NOD2 NLRP1 NLRP3
Toll Like Receptor (TLR) 13 TLR identifiés chez le mammifère
Activation des TLR Production de cytokines et chimiokines inflammatoires (TNF-a, IL-6, IL-12, IL-8, IL-1) Réponse anti-virale : production d'ifn de type I (IFN-a, IFN-b)
Toll Like Receptor (TLR)
DAMPs : Danger-Associated Molecular Patterns dommage / stress/ nécrose tissue Signaux d alarme Heat shock proteins (HSP) Acide urique ATP extracellulaire High mobility group 1 (HMGB1) IL-1a F-actine Dérivé oxygéné ROS Dissolution de la matrice extra-cellulaire APC T
DAMPs : Danger-Associated Molecular Patterns inflammation inflammation Adapté de Kawai & Akira, Nat. Immunol., 2010, 11(5):373
MyD88 -/- Forte susceptibilité à un spectre large de pathogène (virus, bactéries, champignons, protozoaires) Déficits immunitaires chez l homme (rares) MyD88 ou IRAK4 (infection invasives à S. pneumoniae et S. aureus) TLR3, TRIF, TRAF3, (encéphalite à virus Herpès) TLR5 (asymptomatique, redondance?)
Inflammasome Deganais M et al. 2012. Cell Death Differ
Inflammasome pro-il-1b IL-1b IL-1b
Activation de la réponse immunitaire adaptative par la réponse immunitaire innée Cytokines (IL-1, IL6, IL12, ) PRR NF-kB CD80/CD86 CD28 T lymphocyte T naïf CMH TCR cellule présentatrice d'antigène ENDOCYTOSE Microorganismes pathogènes L activation des PRR induit : Maturation des CPA Augmentation de l'expression des molécules de co-stimulation (CD80/CD86)
Ex : Burnet 1969 Janeway 1989 Matzinger 2002 Pradeu & Cooper, Frontiers in Immunology, 2012
Expl : immunité des muqueuses «Ménage à trois» : Microbiote résident - hôte - pathogène pathogène Microbiote résident Microbiote Microbiote résident Microbiote résident Microbiote résident résident pathogène Microbiote Microbiote résident Microbiote résident résident Epithélium intestinal à Epithélium intestinal l homéostasie inflammatoire «Switch» commensalisme - pathogénicité
Bactéries commensales Pathogènes IL-10 TGF- b Signaux de danger IL-1, IL-6, IL-8, CCL5 INFLAMMATION DC «tolérogène» DC T4 DC T4 PNN DC «immunogène» TOLERANCE IMMUNITE Th17 Tr1 Th1 Treg Treg Th17 Th1 Treg Treg Th2 Th2 Tr1
Les cellules phagocytaires Cellules circulantes : PNN Cellules immobiles : macrophages
Phagocytose 1. CHIMIOTACTISME 2 catégories de récepteurs phagocytaires : - récepteurs liant des particules opsonisées (i.e. marquées par des molécules solubles qui les enrobent) - récepteurs liant directement les microbes : récepteur du mannose, dectine-1, récepteurs éboueurs ("scavenger receptors") CD14 R Fc Récepteur des fragments Fc des Ig R C3b Récepteur du complément Macrophage Neutrophile DC Récepteurs phagocytaires opsonisation 2. CAPTURE
Phagocytose Rôle de la phagocytose : 3. INTERNALISATION - destruction des agents pathogènes polymérisation d actine - élimination des cellules apoptotiques - évacuation de particules exogènes lysosomes inertes fusion du phagosome avec des granules et des lysosomes = phagolysosome 4. DESTRUCTION (enzymes, O 2-, H 2 O 2, dérivés NO)
Neutrophiles : destruction extracellulaire de pathogènes Resting neutrophils Activated neutrophils PMA IL-8 Analyse par microscopie électronique Bars = 10 µm Brinkmann et al. Science 2004
Neutrophiles : destruction extracellulaire de pathogènes Elastase ADN complexe ADN-H2A-H2B Activation des neutrophiles : Traitement IL-8 pendant 30 min Marquage en immunofluorescence les neutrophiles émettent dans le milieu extra-cellulaire des filaments composés d ADN et de protéines Filaments de 15 nm de diamètre Brinkmann et al. Science 2004
Neutrophiles : destruction extracellulaire de pathogènes S. aureus (gram +) S. typhimurium (gram -) S. flexneri (gram -) Microscopie électronique à balayage Les filaments d ADN et de protéines forment un filet, qui piègent les envahisseurs. NET (Neutrophil Extracellular Traps) Brinkmann et al. Science 2004
Neutrophiles : destruction extracellulaire de pathogènes Les neutrophiles sont également traités avec de la cytochalasine D (inhibiteur de la polymération d actine => inhibe la phagocytose) Les NET détruisent les micro-organismes Brinkmann et al. Science 2004
NETosis Induction de la NETosis Activation de Récepteurs membranaires : Microbes, produits microbiens, Complexes immuns Cytokines et autres stimulus (IL-8, TNF, IFN, ) Production de dérivés oxygénés (ROS et NO) par la NADPH Oxydase NET ADN Histones Myeloperoxidase Enzymes bactéricides : Gélatinase Elastase Lactoferrine Kaplan & Radic, J. Immunol., 2012
Les lymphocytes de la réponse innée (innate-like lymphocytes) Cellules NK Lymphocytes T gd Cellules NKT Lymphocytes B1 Lymphocytes B MZ
Cellules NK Famille des grands lymphocytes granuleux (LGL) Absence d expression de récepteur pour l antigène CD16 NK Récepteurs Inhibiteurs Récepteurs Activateurs Récepteur de basse affinité pour le fragment Fc des IgG CD56 (NCAM) 2 populations distinctes CD56 + CD16 + CD56 +++ CD16 - ~ 90% des cellules NK circulantes activité cytotoxique Organes lymphoïdes secondaires sécrétion de cytokines/chimiokines
Récepteurs activateurs / inhibiteurs Récepteur Inhibiteur NK ligands = molécules du CMH classe I signal OFF Récepteur Activateur nombreux ligands (protéines de stress, marqueurs d infections, ) signal ON Récepteurs Inhibiteurs Récepteurs Activateurs - +
CYTOTOXICITE Immunosurveillance Cellule normale "Soi manquant" Cellule tumorale ou infectée "Soi modifié" Cellule tumorale ou infectée Alloréactivité Cellule étrangère molécules CMH classe I incompatibles Récepteur inhibiteur Récepteur activateur HLA Classe I Ligand activateur
Modes d action 1. Cytotoxicité naturelle Exocytose perforine/granzyme Récepteur inhibiteur NK Perforine Granzymes Récepteur activateur cellules infectées ou tumorales nécrose FasL Fas (CD95) Récepteurs de mort NK NK cellules infectées ou tumorales TRAIL TRAILR apoptose TNF-a Sécrétion de TNF-a NK TNF-R cellules infectées ou tumorales apoptose
Modes d action 2. Cytotoxicité cellulaire dépendante des anticorps (ADCC) TNF perforine NK Cellule cible CD16 Fc-récepteur Anticorps IgG Antigène
Modes d action 3. Production de cytokines pathogènes Mφ macrophage Cellule stromale IL-12 TNF-a IL-15 IFN-a/b NK IFN-g TNF-a IL-10 Chimiokines Régulation de la réponse inflammatoire : recrutement et activation de macrophages et cellules dendritiques Contrôle de la réplication virale par la production d IFN-g Orientation de la réponse adaptative (humorale / cellulaire / régulatrice)
Lymphocytes T gd Distribution Sang : 1 à 5% des lymphocytes circulants (DN CD4 - CD8 - ) Epithéliums (intestin, peau) : 50% des cellules T (CD8aa dans l'intestin) Fonction Production de cytokines/chimiokines Cytotoxicité Le répertoire de TCR gd est très limité Pas de restriction aux molécules de CMH classiques Reconnaissent des épitopes conservés au sein de pathogènes
Lymphocytes NKT Distribution Sang : 0,001 % à 3 % des lymphocytes circulants organes lymphoïdes (rate thymus, OL2aire) : 2,5% des LT foie : 30% des LT Expriment des marqueurs de cellules NK (CD56 et CD16) et de cellules T (TCR et CD3). TCR très conservé (semi-invariant): chaîne a du TCR : Va14-Ja18 CD16 TCR Va14-Ja18 associé préférentiellement à la chaîne b du TCR : Vb11 CD56
Natural Killer T lymphocytes semi-invariant (inkt) CD161 IFN-g TCR Va14-Ja18 CD1d APC IL-4 IL-17 Reconnaissance d Ag (glyco)lipides endogènes ou exogènes (paroi de bactéries Gram- n exprimant pas de LPS) présentés par la molécule CD1d exprimée par les CPA telles que les DC et MΦ. Production massive de cytokines
Sous-populations lymphocytaires B
Lymphocytes B conventionnels : B2 antigène IgM IgG IgE IgA Plasmocytes à durée de vie courte IgM CENTRE GERMINATIF Production d Ac par les cellules B folliculaires
Lymphocytes B conventionnels : B2 Centre germinatif Prolifération et mutations B Cellule mémoire IgM Sélection et commutation isotypique Survie dans MO IgG IgA IgE Semaine 1 Semaine 2 Semaine 3
Cellules B transitionnelles de la rate Moelle osseuse IgM bright IgD - CD21 - CD23 - Pro-B T1 Réarrangement chaîne lourde Réarrangement chaîne légère Pré-B B immature Rate MZ T2/3 IgM bright IgD bright CD21 bright CD23 bright Fo B mature naïve Adapté de Jacobi AM & Diamond B, J Exp Med 2005;202:341-344
La rate
Lymphocytes B MZ MZ IgM IgM IgG IgA Production rapide d Ac (~3 jours) contre les agents infectieux (polysaccharides des bactéries encapsulées) présents dans le sang Cellules MZ Nombre peu élevé chez le nouveau-né, effectif significatif ~ 1-2 ans Localisation : zone marginale (MZ) de la rate Phénotype de cellules activées Production d Ac indépendante des LT après stimulation antigénique : IgM, IgG, IgA diversité moyenne absence d HMS???
Lymphocytes B1 IgM B1 Ac naturels et IgA Présence d Ac "naturels" préexistants à une infection, sécrétés par les cellules B1 protection précoce, rapide contre les infections virales et bactériennes Cellules B1 Développement durant la vie fœtale et post-natale, puis maintient par auto-renouvellement. localisation : cavités péritonéale et pleurale, lamina propria de l intestin Production d Ac indépendante des LT, sans stimulation antigénique : IgM "naturels" et IgA diversité très limitée (utilisation exclusive des segments VH les plus proches de D, absence de diversité jonctionnelle) absence d HMS
Homéostasie tissulaire Protection lors d une infection Elimination des cellules apoptotiques, des protéines mal repliées et des cellules altérées par les macrophages et DC Régulation de l inflammation et de l autoimmunité Neutralisation des pathogènes Activation de la voie classique du complément Opsonisation des pathogènes et phagocytose Transport des pathogènes vers les tissus lymphoïdes Kaveri SV, et al. J Immunol 2012 188:939-945
3 sous-populations de lymphocytes B B1 Ac naturels et IgA "innate-like" MZ IgM IgG IgA apoptose Centre germinatif Prolifération et mutations B2 Cellule mémoire adaptatif Adapté de Shapiro-Shelef & Calame, Nat Rev Immunol. 2005; 5:230-242. Cellule folliculaire IgM Sélection et commutation isotypique Semaine 1 Semaine 2 Survie dans MO Semaine 3 IgG IgA IgE