Implication of IL-2 and IL-15 in the exhaustion of CD8+ T cells during a chronic viral infection

Abstract

L’épuisement des lymphocytes T CD8+ (LT CD8) est une voie de différentiation unique survenant lors de contextes pathologiques particuliers ayant en commun la persistance d’antigènes dans l’hôte, tel que les infections virales chroniques (expl : VIH, hépatites B et C) et différents types de cancers. Il apparait aujourd’hui très clairement que ce mécanisme est à l’origine de l’échec de l’immunité adaptative face à ces pathologies particulièrement néfastes pour l’homme. L’étude de ce processus a mené à la découverte de cible thérapeutiques d’un grand intérêt (« immune checkpoints ») pouvant être ciblées pour corriger et/ou reverser l’épuisement. Les essais thérapeutiques ayant découlés de ces découvertes ont donné des résultats extrêmement prometteurs dans le traitement de plusieurs cancers. Cependant, bien que ces thérapies ciblées permettent un regain temporaire de la fonction des LT CD8+, elles ne permettent pas d’inverser le processus d’épuisement. Il est donc crucial aujourd’hui de se tourner vers les agents causateurs de cet état d’épuisement qui restent très méconnues à ce jour.

La famille de cytokines partageant la chaine commune gamma (cytokines gamma c) comprenant l’IL-2 -4 -7 -9 -15 et -21 sont des acteurs solubles clés de l’immunité adaptative. Ces cytokines sont intimement liées aux processus de développement, d’homéostasie, de différenciation et de maintenance des lymphocytes T. Parmi elles, l’IL-2 et l’IL-15 ont un rôle majeur dans le processus de différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue. Malgré cela, l’implication de ces cytokines dans l’épuisement des LT CD8+ dans un contexte d’infection virale chronique n’a jamais été investiguée. En se basant sur les connaissances actuelles des rôles de l’IL-2 et de l’IL-15 sur la différenciation des LT CD8+ au cours d’une infection virale aigue, nous avons émis l’hypothèse que ces cytokines pourraient promouvoir l’épuisement dans un contexte d’infection virale chronique.

Dans un premier temps, nous avons démontré chez l’homme (patients atteints d’hépatite C chronique) et la souris (modèle LCMV Clone 13) que la chaîne beta du récepteur à l’IL-2 (IL2R beta[CD122]) qui se lie à l’IL-2 et l’IL-15 reste sélectivement exprimée à la surface des LT CD8+ épuisés au cours d’une infection virale chronique. De plus, une expression élevée de cette chaîne de récepteur corrèle avec un épuisement plus sévère des LT CD8+ chez l’homme et la souris. En développant un modèle murin dans lequel les LT CD8+ sont déficients pour cette chaîne, nous avons démontré que l’IL-2 et IL-15 contrôlent plusieurs aspects clés du processus d’épuisement. Ces cytokines augmentent l’expression de plusieurs récepteurs inhibiteurs (caractéristiques de l’épuisement) et contrôlent même directement l’expression de certains d’entre eux (notamment 2B4 et TIM-3). L’IL-2 et l’IL-15 dirigent également la différenciation terminale des LT CD8+ vers un état d’épuisement extrême et abrogent de manière irréversible leur potentiel de différenciation en cellules mémoires. Nous montrons donc pour la première fois un rôle clé de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique.

Dans un deuxième temps nous avons investigué les fonctions individuelles et redondantes de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+. Nous avons également déterminé les fenêtres d’actions déterminantes de ces cytokines et les mécanismes intracellulaires clés par lesquels elles contrôlent le processus d’épuisement. L’IL-2 et l’IL-15 coopèrent pour promouvoir l’expression de 2B4 et TIM-3 à la surface des LT CD8+ et ces cytokines semblent collaborer pour diriger leur différenciation terminale. En revanche, les signaux médiés par l’IL-2 pendant la phase de « priming » abrogent sélectivement leur potentiel de différenciation en cellules T centrales mémoires (Tcm) alors que l’IL-15 semble plutôt supprimer celle des T effecteurs mémoires (Tem) pendant la phase chronique. Pour finir, nous avons identifié la voie JAK3/STAT5 comme étant la principale voie intracellulaire par laquelle l’IL-2 et l’IL-15 dirigent l’épuisement des LT CD8+.

Au cours de cette thèse, nous avons donc mis en évidence un nouveau rôle de l’IL-2 et l’IL-15 dans l’épuisement des LT CD8+ au cours d’une infection virale chronique. Nos résultats apportent une meilleure compréhension du processus d’épuisement des LT CD8+ et démontrent pour la première fois une implication des cytokines. Nous espérons que ces travaux contribueront à améliorer les stratégies thérapeutiques actuelles contre le cancer et les infections virales chroniques.

CD8+ T cell exhaustion is a unique differentiation pathway which occurs during particular pathological contexts such as chronic viral infections (i.e. HIV, HCV and HBV) and cancers in which antigen (Ag) persists in the host. It appears clear now that this mechanism provokes the failure of adaptive responses against these pathologies and is particularly harmful to humans. The study of this process has led to the discovery of relevant molecules (“immune checkpoints”) that can be targeted to prevent and/or reverse exhaustion. Ensuing clinical trials have provided extremely promising results in the treatment of several cancers. However, although these targeted therapies allow a temporary regain of CD8+ T cell functions they still fail at reversing the exhaustion process. It is thus crucial to investigate the causative factors of such process that remain to be identified.

The common gamma-chain (gamma c) family of cytokines which includes IL-2, -4, -7, -9, -15, and -21 are key soluble mediators involved in the development of adaptive immunity. These cytokines are intimately linked to T cell development, homeostasis, differentiation and maintenance. Among them, IL-2 and IL-15 display important functions on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection. However, impact of these cytokines on CD8+ T cell responses during a chronic viral infection remains to be investigated. Based on current knowledge of the functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell differentiation during an acute viral infection, we hypothesized that these cytokines promote CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection.

We first demonstrate in a mouse model of chronic viral infection (LCMV clone 13) and patients with chronic HCV that the IL-2-receptor beta chain (IL2R beta [CD122]) a cytokine receptor chain which binds to both IL-2 and IL-15 is selectively expressed on exhausted CD8+ T cells during a chronic viral infection. The intensity of CD122 expression positively correlates with severe exhaustion of CD8+ T cells in mice and humans. Using a mouse model in which CD8+ T cells lack the expression of the IL2R beta-chain, we demonstrate that IL-2 and IL-15 control several aspects of exhaustion. IL-2 and IL-15-dependent signals sustain the expression of several inhibitory receptors (characteristic of exhaustion) on CD8+ T cells and directly control the expression of some of them (e.g. 2B4 and TIM-3). IL-2 and IL-15 also direct the terminal exhaustion of CD8+ T cells and irreversibly abrogate their developmental plasticity toward memory T cell development. Together, we show for the first time key functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection.

Next, we investigated the unique and redundant functions of IL-2 and IL-15 on CD8+ T cell exhaustion. We also determined individual time-frames of these cytokines and intracellular pathways by which they control CD8+ T cell exhaustion. IL-2 and IL-15 cooperate to promote 2B4 and TIM-3 expression on CD8+ T cells, and these cytokines likely collaborate to direct terminal exhaustion. In contrast, IL-2-dependent signals during priming preclude subsequent differentiation into central memory cells (Tcm) while prolonged exposure to IL-15 upon viral persistence likely suppresses effector memory cell (Tem) developmental potential. Finally, we demonstrate that the JAK3/STAT5 pathway is the dominant pathway by which IL-2 and IL-15 direct CD8+ T cell exhaustion.

This thesis provides evidence of novel functions of IL-2 and IL-15 in directing CD8+ T cell exhaustion during a chronic viral infection. These results increase our understanding of the CD8+ T cell exhaustion process and demonstrate for the first time the involvement of cytokines. We hope that this work will contribute to the improvement of actual therapeutic strategies against chronic viral infections and cancers.