Metabolism and IL-7-responsiveness of human thymocyte and T cell populations

Abstract

La cytokine IL-7 joue un rôle majeur dans l'homéostasie des cellules T et a été proposée comme adjuvant immunitaire pour les patients lymphopéniques. Le potentiel thérapeutique de l'IL-7 nécessite une meilleure connaissance de ses effets à court et long terme sur les populations de cellules T humaines. Au cours de ma thèse, j'ai montré que l'IL-7 induit la survie des cellules T CD4+ naïves et mémoires alors que leur cinétique d'entrée en cycle cellulaire est différente. Un arrêt de phosphorylation de STAT-5, induisant ainsi un défaut de signalisation via l'IL-7R, est associé au retour à un stade quiescent malgré une augmentation de transcription et d'expression de l'IL-7R. Ceci permet une boucle de régulation de la réponse des cellules T à l'IL-7. La réponse immune est contrôlée par une régulation fine des processus de prolifération et de mort cellulaire. Nous avons alors étudié l'influence de l'IL-7 sur différentes sous-populations de cellules T en présence ou non d'IL-2. En présence d'IL-7, les cellules récemment sorties du thymus (RTE) prolifèrent plus que les cellules naïves et mémoires d'adultes. Cet effet est même augmenté en présence d'IL-2. De plus, l'IL-2 agit en synergie avec l'IL-7 en augmentant la susceptibilité des RTE et des cellules T naïves adultes à la mort cellulaire induite par Fas. Cependant, la sous-population mémoire reste moins sensible à cette apoptose induite par Fas. Par ces mécanismes, l'IL-2 et l'IL-7 régulent l'homéostasie des sous-populations T en modulant l'équilibre entre prolifération et mort cellulaire. L'IL-7 entraîne des effets divers sur les cellules T, mais ses mécanismes d'action sont peu connus. J'ai montré que les effets distincts de l'IL-7 sur la survie et la prolifération des RTE dépendent de la dose et de la durée d'administration. Sous ces conditions, différents intermédiaires de signalisation sont activés. La phosphorylation de STAT5 ne corrèle pas avec la prolifération. Au cours de l'entrée en cycle, l'IL-7 augmente l'expression du transporteur de glucose GLUT1 et la captation de glucose. En effet, l'expression de GLUT1 est régulée par la voie PI3K et l'inhibition de cette voie bloque la prolifération mais pas la survie. GLUT1 jouant un rôle important dans la réponse des RTE à l'IL-7, j'ai donc analysé plus précisément son impact sur la différenciation des précurseurs T. Chez l'homme, au cours de la thymopoïèse, j'ai identifié une population unique de thymocytes CD4+CD8+ en cycle, basée sur l'augmentation de l'expression de GLUT1 et de la captation de glucose. Ces cellules DP GLUT1+, contrairement aux cellules DP GLUT1-, expriment des niveaux élevés de CD4 et montrent un important chimiotactisme induit par CXCR4. De plus, ces cellules DP GLUT1+, sont intrinsèquement plus susceptibles à l'infection par le VIH-1, indépendamment des récepteurs CD4 et CXCR4. Ceci réside probablement dans leur forte activité métabolique et proliférative. Ces études soulignent l'importance non seulement du métabolisme du glucose dans la thymopoïèse mais aussi de la régulation de la réponse des cellules T à l'IL-7. Elles ont de plus des implications pour l'utilisation de l'IL-7 en clinique comme un adjuvant immunitaire pour les patients lymphopéniques.The IL-7 cytokine plays a major role in T lymphocyte homeostasis and has been proposed as an immune adjuvant for lymphopenic patients. The potential for IL-7 therapy necessitates an profound understanding of the short and long-term effects of this cytokine on ex vivo cultured human T cell subsets. During my PhD, I have demonstrated that IL-7 promotes the extended survival of both naive and memory CD4+ T cells, whereas cycling of these two subsets is distinct and transient. We established that return to quiescence is associated with a cessation in IL-7R signaling as demonstrated by an abrogation of STAT5 phosphorylation, despite an up-regulation of IL-7R transcription and surface expression; thereby indicating an inhibitory feedback mechanism limiting IL-7 responsiveness. Immunological activity is, however, controlled not just by the regulation of cell cycle and proliferation, but by compensatory processes inducing T cell death. We therefore endeavoured to elucidate how IL-7 may influence this delicate equilibrium in different T cell subsets, both alone and in conjunction with another major cytokine, IL-2. IL-7 induces greater proliferation of recent thymic emigrants (RTE) than mature adult-derived naive and memory human CD4+ T cells, and we found that this effect is enhanced by IL-2. IL-2 also synergises with IL-7 to provoke high levels of Fas-induced cell death in RTE and naïve adult T cells, while the memory subset remain significantly less sensitive to Fas-mediated apoptosis. In this manner, IL-2 and IL-7 regulate homeostasis by modulating the equilibrium between proliferation and apoptotic cell death in RTE and mature naive and memory T cell subsets. IL-7 can mediate diverse effects on T cells, however, little is known about the molecular bases of these distinct effects on primary human T lymphocytes. I determined that the survival and proliferative effects of IL-7 on human RTE can be distinguished, on the basis of dose as well as duration of IL-7 administration. Distinct signaling intermediates are activated under conditions of IL-7-induced survival and proliferation: STAT5 phosphorylation does not correlate with proliferation whereas upregulation of the glucose transporter GLUT1 as well as increased glucose uptake are markers of IL-7-induced cell cycle entry. GLUT1 is regulated by PI3K and indeed, inhibiting PI3K activity abrogates IL-7-induced proliferation but not survival. Given the importance of GLUT1 in RTE responses to IL-7, I then went on to analyse the role of GLUT1 in T cell precursor differentiation. During human thymopoiesis, GLUT1 and glucose uptake are up-regulated after b-selection, and I identified a unique population of cycling CD4+CD8+DP thymocytes expressing GLUT1. The GLUT1 +DP cells express uniformly high levels of CD4, and show enhanced CXCR4-induced chemotaxis as compared to the GLUT1- DP subset. Moreover, GLUT1+DP cells are intrinsically more permissive to HIV-1 vector infection, independent of their high CD4 and CXCR4 receptor levels, likely due to their active metabolism and rapidly cycling status. These studies highlight the importance of glucose metabolism in thymopoiesis as well as the regulation of T cell responses to IL-7, and have major implications for the clinical use of IL-7 as an immunorestorative agent in lymphopenic patients.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF