INFECTIOUS DISEASE

CHAPITRE ONZE
REPONSE A L’ANTIGENE: APPRETEMENT ET PRESENTATION
RESTRICTION AU CMH ET ROLE DU THYMUS
 

Gene Mayer, Ph.D.
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Denis Hudrisier, Ph.D.
Centre national de la recherche scientifique (CNRS) · Institute of Pharmacology and Structural Biology
Université de Toulouse

 

OBJECTIFS DU COURS

Comparer les antigènes reconnus par le TCR et le BCR.
Décrire les mécanismes impliqués dans l’apprêtement des antigènes endogènes et exogènes.
Discuter la restriction au CMH du soi dans la présentation antigènes aux cellules T.
Décrire les principales cellules présentatrices d’antigène.
Comparer la présentation des antigènes conventionnels et des superantigènes.
Discuter le rôle de la sélection positive et négative thymique dans la génération des cellules T restreintes au CMH du soi.
 

MOTS-CLÉS
Antigène endogène
Apprêtement des antigènes présentés par le CMH I
Protéasome
Transporteurs
Antigène exogène
Apprêtement des antigènes présentés par le CMH II
Chaîne invariante
Restriction au CMH du soi
Sélection positive
Sélection négative
 

Figure 1
Apprêtement des antigènes synthétisés de façon endogène en vue de leur présentation par les molécules du CMH de classe I. Exemple : un tel antigène pourrait provenir d’une protéine virale synthétisé dans une cellule infectée.
 

Les cellules B et les cellules T reconnaissent des substances différentes comme antigène et, de plus, ces antigènes sont reconnus sous des formes différentes. La cellule B utilise comme récepteur des immunoglobulines de surface dont la spécificité est identique à celle de l’immunoglobuline qui sera secrétée par la cellule B après activation. Les cellules B reconnaissent les substances suivantes comme antigènes sous forme soluble :

• Protéines (des déterminants conformationnels ou des déterminants exposés par dénaturation ou protéolyse).
• Acides nucléiques
• Polysaccharides
• Certains lipides
• Petites molécules chimiques (haptènes)

Au contraire, la vaste majorité des antigènes reconnus par les cellules T sont des protéines qui doivent être fragmentées avant d’être reconnues en association avec les molécules du CMH à la surface des cellules nucléées : ces antigènes sont donc présentés sous une forme non soluble. Les cellules T sont regroupées fonctionnellement selon la classe de molécule du CMH qui s’associe aux fragments peptidiques : les cellules T auxiliaires reconnaissent les peptides associés aux molécules du CMH de classe II alors que les cellules T cytotoxiques reconnaissent les peptides associés aux molécules du CMH de classe I.

APPRETEMENT DE L’ANTIGENE ET PRÉSENTATION

L’apprêtement de l'antigène et sa présentation sont des processus qui se produisent dans une cellule et qui conduisent à la fragmentation (protéolyse) de protéines, à l'association des fragments générés à des molécules du CMH, et à l'expression des complexes peptide-CMH à la surface des cellules où ils peuvent être reconnus par le récepteur de la cellule T. Toutefois, le cheminement menant à l'association de fragments de protéines avec des molécules du CMH différent pour les molécules du CMH de classe I et de classe II. Les molécules du CMH de classe I présentent des produits de dégradation de protéines intracellulaires (endogènes) générés dans le cytosol. Les molécules du CMH de classe II présentent des fragments dérivés de protéines extracellulaires (exogènes) qui sont générés dans un compartiment intracellulaire.

Apprêtement de l’antigène et présentation dans les cellules exprimant le CMH de classe I

Toutes les cellules nucléées expriment le CMH de classe I. Comme le montre la Figure 1, les protéines sont fragmentées dans le cytosol par le protéasome (un complexe de protéines ayant une activité protéolytique) ou par d'autres protéases. Les fragments sont ensuite transportés à travers la membrane du réticulum endoplasmique par des protéines de transport (les protéines de transport et certains composants du protéasome sont codés par des gènes localisé dans le complexe du CMH). La synthèse et l'assemblage de la chaîne lourde et de la beta-2-microglobuline du CMH de classe I se produisent dans le réticulum endoplasmique. Dans le réticulum endoplasmique, la chaîne lourde et la beta-2-microglobulin du CMH de classe I et le peptide forment un complexe stable qui sera transporté à la surface cellulaire.
 

Apprêtement de l’antigène et présentation dans les cellules exprimant le CMH de classe II

Alors que toutes les cellules nucléées expriment le CMH de classe I, seul un groupe restreint de cellules expriment le CMH de classe II. Ce groupe comprend les cellules présentatrices d'antigènes (APC ou CPA). Les APC principales sont les macrophages, les cellules dendritiques (comme les cellules de Langerhans), et les cellules B. L'expression des molécules du CMH de classe II sur ces cellules est soit constitutive soit inductible, en particulier par l'interféron-gamma dans le cas des macrophages.

Comme le montre la Figure 2, les protéines exogènes internalisées par endocytose sont fragmentées par des protéases dans un endosome. Les chaînes alpha et bêta du CMH de classe II, ainsi qu’une chaîne invariante, sont synthétisées, assemblées dans le réticulum endoplasmique, et transportées à travers l’appareil de Golgi pour atteindre l'endosome. Là, la chaîne invariante est digérée, et le fragment peptidique produit à partir de la protéine exogène peut s'associer avec les molécules de classe II du CMH pour former un complexe qui est finalement transporté à la surface cellulaire.
 

Aspects importants de l’apprêtement de l’antigène et de sa présentation

• Une façon finaliste d’envisager le développement de deux voies différentes de présentation repose que la notion que chacune de ces deux voies stimule in fine la population de cellules T qui est la plus efficace pour éliminer ce type d'antigène.

Les virus se répliquent dans le cytosol des cellules nucléées et produisent des antigènes endogènes qui s’associent aux CMH de classe I. En tuant ces cellules, les lymphocytes T cytotoxiques permettent ainsi de contrôler la dissémination du virus.

Les bactéries résident et se répliquent souvent dans les milieux extracellulaires. Leur ingestion puis leur fragmentation à l’intérieur d’une cellule conduit à la formation d’antigènes exogènes présentés par les molécules du CMH de classe II. Ces complexes pourront alors activer des cellules T auxiliaires capables d’assister les cellules B pour permettre la production d’anticorps actifs pour limiter la croissance de ces bactéries.

Certaines bactéries se multiplient dans des cellules comme les macrophages, à l’intérieur de vésicules. Les cellules T auxiliaires inflammatoires de type Th1 favorisent l’activation des macrophages, leur permettant ainis de tuer les bactéries intracellulaires.

• Les fragments de protéines du soi mais aussi du non soi s’associent au molécules de CMH des deux types de classes et sont exprimées à la surface cellulaire.

• Le fait qu’un fragment de protéine pourra se lier à une molécule de CMH dépendra de la nature chimique des acides aminés composant le site de liaison de la molécule du CMH spécifique.
   

RESTRICTION AU CMH DU SOI

Pour qu’une cellule T reconnaisse et réponde à un antigène protéique étranger, elle doit reconnaître le CMH de la cellule présentatrice comme CMH du soi. C'est ce qu'on appelle la restriction au CMH. Les lymphocytes T auxiliaires reconnaissent l'antigène dans le contexte de molécules du CMH de classe II du soi. Les lymphocytes T cytolytiques reconnaissent l'antigène dans le contexte des molécules du CMH de classe I du soi. Le processus par lequel les cellules T deviennent restreintes au molécules du CMH du soi se produit dans le thymus.

Les systèmes expérimentaux ayant permis de démontrer la restriction au CMH du soi pour les cellules T auxiliaires et pour les cellules T cytotoxiques sont présentés dans les Figures 3 et 4, respectivement.
 

 

Figure 5
Différences entre antigène et superantigène. Les peptides antigéniques sont apprêtés dans la cellule et sont présentés à la surface cellulaire en association à une molécule du CMH de classe II. Ils activent alors le TCR présent sur le lymphocyte T. Les superantigènes ne sont pas apprêtés mais se lient au CMH de classe II et à un type donné de chaîne Vbeta du TCR. Un superantigène activera ainsi une classe de cellule T exprimant un V beta donné.

Note: Dans le cas de l’interaction CMH II-TCR avec un peptide normalement apprêté, la reconnaissance du peptide sur la molécule de CMH met en jeu les produits des gènes V alpha, J alpha, V beta, D beta et J beta du TCR. Cette interaction se produit à une fréquence faible. Dans le cas de l’interaction CMH II-TCR avec un superantigène, seule une région Vbeta donnée est reconnue. Cela conduit clairement à un reconnaissance plus fréquente.
 

CELLULES PRÉSENTATRICES D’ANTIGÈNES

Les trois principaux types de cellules présentatrices d'antigène sont les cellules dendritiques, les macrophages et les cellules B. Il existe d'autres cellules qui expriment des molécules du CMH de classe II (comme par exemple les cellules épithéliales thymiques) et qui peuvent agir en tant que cellules présentatrices d'antigène dans certains cas. Les cellules dendritiques, qui se trouvent dans les tissus comme la peau ou autres, peuvent ingérer des antigènes par pinocytose et les transporter vers les ganglions lymphatiques et la rate. Dans les ganglions lymphatiques et la rate, ces cellules se retrouvent principalement dans les zones où sont présentes les cellules T. Les cellules dendritiques sont les cellules présentatrices d'antigènes les plus efficaces et peuvent présenter les antigènes à des cellules T naïves (ou vierges). En outre, elles peuvent présenter des antigènes internalisés en association soit avec les molécules du CMH de classe I (phénomène appelé « présentation croisée ») ou du CMH de classe II, et ce, bien que la voie prédominante de présentation d’antigènes internalisés est la voie du CMH de classe II. Le second type de cellule présentant l'antigène est le macrophage. Ces cellules ingèrent l’antigène par phagocytose ou pinocytose. Les macrophages ne sont pas aussi efficaces dans la présentation de l'antigène aux lymphocytes T naïfs, mais ils sont très efficaces dans l'activation des cellules T mémoires. Le troisième type de cellule présentant l'antigène est la cellule B. Ces cellules se lient à l’antigène via leur immunoglobuline de surface et ingèrent ainsi l’antigène par pinocytose. Comme les macrophages, ces cellules ne sont pas aussi efficaces que les cellules dendritiques dans la présentation de l'antigène aux lymphocytes T naïfs. Les lymphocytes B sont par contre très efficaces pour la présentation de l'antigène aux cellules T mémoires, en particulier lorsque la concentration de l'antigène est faible, car l'immunoglobuline de surface sur les cellules B se lie à l'antigène avec une affinité élevée.

PRESENTATION DES SUPERANTIGENES

Les superantigènes sont des antigènes qui peuvent activer des lymphocytes T (voir le chapitre « antigènes ») de façon polyclonale pour leur permettre de produire de grandes quantités de cytokines (ce qui peuvent avoir des effets pathologiques). Ces antigènes doivent être présentés aux lymphocytes T en association avec des molécules du CMH de classe II, mais, dans ce cas, l'antigène n'a pas besoin d'être apprêté. La Figure 5 compare la façon dont les antigènes classiques et les superantigènes sont présentés aux cellules T. Dans le cas d'un superantigène, la protéine antigénique intacte se lie à des molécules du CMH de classe II et à une ou plusieurs régions Vbeta du TCR. L'antigène n'est pas lié à l’intérieur du site de liaison peptidique de la molécule de CMH ni au site de liaison d'antigène du TCR. Ainsi, toute cellule T qui utilise une chaîne Vbeta particulière du TCR sera activé par un superantigène donné, ce qui entraîne l'activation d'un grand nombre de cellules T. Chaque superantigène va se lier à un ensemble différent de régions Vbeta.
 

EDUCATION THYMIQUE

Les deux types de cellules T, Thelper et Tcytotoxiques sont restreintes au CMH du soi. Par ailleurs, les cellules T ne reconnaissent normalement pas les auto-antigènes. Comment les cellules T deviennent-elles restreintes au CMH du soi et pourquoi les cellules T auto-réactives ne sont-elles pas produites? On s'attend à ce que des réarrangements VDJ faits au hasard dans les cellules T puissent générer des cellules T capables de reconnaître des molécules du CMH du non soi et aussi à ce que certains lymphocytes T soient capables de reconnaître les antigènes du soi. C'est le rôle du thymus de garantir que les seules cellules T qui arrivent en périphérie sont restreintes au CMH du soi et sont incapables de réagir avec des auto-antigènes. Les cellules T fonctionnelles présentes en périphérie doivent reconnaître les antigènes étrangers associés au CMH du soi : en effet, les APC ou les cellules cibles présentent l’antigène étranger associé au CMH du soi. Cependant, on n'a pas besoin de cellules T fonctionnelles en périphérie qui reconnaissent des antigènes (du soi ou étrangers) associé à un CMH étranger. On n’a pas non plus besoin de cellules T fonctionnelles en périphérie qui peuvent reconnaître les antigènes du soi associés aux CMH du soi parce que ces cellules pourraient infliger des dommages à nos tissus normaux sains.

À la suite des événements de recombinaison VDJ aléatoires qui se produisent dans les cellules T immatures du thymus, des TCR de toutes sortes de spécificités sont produits. Il existe des processus dans le thymus qui déterminent quelles spécificités du TCR vont, au final, être conservées. Il y a deux étapes successives illustrées dans la Figure 6. Tout d'abord, les cellules T qui ont la capacité de se lier à des molécules du CMH du soi exprimées par des cellules épithéliales thymiques corticales sont conservées. Ceci est connu comme étant la sélection positive. Les cellules T qui ne se lient pas au CMH du soi exprimé par les cellules épithéliales corticales du thymus meurent par apoptose. Ainsi, les cellules T ayant un TCR qui reconnaît le CMH du soi vont survivre. Par la suite, les cellules T ayant la capacité de se lier à des molécules du CMH du soi associés aux peptides du soi exprimés par les cellules épithéliales du thymus, les cellules dendritiques ou les macrophages sont tuées. Ceci est connu comme étant la sélection négative. Les cellules T qui ne se lient pas à ces ligands sont conservées. A la suite de ces deux étapes, les cellules T ayant un TCR qui reconnait le CMH du soi présentant des antigènes étrangers vont ainsi survivre. Chaque cellule T qui survit à une sélection positive et négative dans le thymus et est libérée dans la périphérie conserve son récepteur T spécifique.

Initialement, la cellule pré-T qui entre dans le thymus est CD4-CD8-. Dans le thymus, cette cellule devient CD4 + CD8 +, puis, à la suite de la sélection positive et négative, la cellule devient soit un T CD4 + ou un T CD8 +. L'engagement vers la lignée T CD4 + ou T CD8 + dépend de la classe de molécule du CMH que rencontre la cellule T. Si une cellule T CD4 + CD8 + reconnaît une molécule de classe I, l’expression de CD4 va être perdue et la cellule va devenir une cellule T CD8. Si une cellule T CD4 + CD8 + reconnaît une molécule de classe II, l’expression de CD8 va être perdue et la cellule va devenir une cellule T CD4+ (Figure 7).


SELECTION NÉGATIVE EN PERIPHÉRIE

La sélection positive et négative dans le thymus n'est pas un procédé efficace à 100%. En outre, tous les antigènes du soi ne peuvent être exprimés dans le thymus. Ainsi, certaines cellules T auto-réactives peuvent se rendre en périphérie. Il existe des mécanismes supplémentaires qui sont conçus pour éliminer les cellules T auto-réactives de la périphérie. Ces questions seront abordées dans le chapitre sur la tolérance.

SELECTION DES CELLULES B

Comme les cellules B ne sont pas restreintes au CMH, il n'est pas nécessaire d’avoir une sélection positive des cellules B. Toutefois, la sélection négative (élimination des clones auto-réactifs) des cellules B est nécessaire. Cela se produit au cours du développement des lymphocytes B dans la moelle osseuse. Toutefois, la sélection négative des cellules B n'est pas aussi critique que pour les cellules T, puisque, dans la plupart des cas, les cellules B nécessitent l'aide des lymphocytes T afin de devenir actif. Ainsi, si une cellule B auto-réactive rejoint la périphérie, elle ne sera pas activée en raison du manque d'aide de cellules T.