INFECTIOUS DISEASE

IMMUNOLOGIE – CHAPITRE TREIZE
CYTOKINES ET IMMUNOREGULATION
 

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

 

Edité et illustré par Richard Hunt

LECTURES SUGGÉRÉES
Male et al. Immunology
7ème édition Chapîtres 6 et 11
 

OBJECTIFS DU COURS
Mettre en évidence les cytokines majeures responsables de: (i) l’immunité naturelle, (ii) l’immunité adaptative et (iii) l’hématopoïèse

Discuter la régulation des réponses immunes.


MOTS CLES

Monokines, Lymphokines, Interleukines, Chimiokines, Redondance, TNF-α, IL-1, IL-10, IL-12, Interférons, IFN-γ, IL-2, IL-4, IL-5, TGF-β, GM-CSF, M-CSF, G-CSF, Tregs

Figure 1A Récepteurs pour diverses cytokines montrant les sous-unités communes.

Figure 1B Famille des récepteurs aux interférons.

SURVOL

Les cytokines représentent un groupe diversifié de protéines qui agissent en tant que médiateurs entre cellules. Elles ont été initialement identifiées comme des produits des cellules immunitaires qui agissent comme médiateurs et régulateurs de processus immunitaires. Toutefois, de nombreuses cytokines sont maintenant connues pour être produites par des cellules autres que les cellules immunitaires et peuvent avoir des effets sur des cellules hors système immunitaire. Les cytokines sont actuellement utilisées en clinique pour moduler la réponse biologique dans le cadre du traitement de divers troubles. Le terme cytokine est un terme général utilisé pour décrire ce groupe important de protéines, mais il y a d'autres termes qui sont couramment utilisés pour décrire certains types de cytokines. Il s'agit notamment de:

• Monokines: cytokines produites par les phagocytes mononucléés (monocytes, macrophages)

• Lymphokines : cytokines produites par des lymphocytes activés, notamment les cellules Th

• Interleukines : cytokines agissant comme médiateurs entre leucocytes

• Chimiokines : petites cytokines responsables de la migration des leucocytes

Les cytokines agissent comme des éléments d'un système de protéines en connexion les unes avec les autres et de cascades de signalisation : le réseau des cytokines. Ce système met en jeu des interactions complexes dans lesquelles les différentes cellules peuvent réagir différemment à la même cytokine selon les autres signaux reçus par la cellule. La signalisation des cytokines est très flexible et peut induire des réponses protectrices ou dommageables. Une cytokine influence souvent la synthèse d'autres cytokines. Elles peuvent produire des cascades, ou améliorer ou supprimer la production d'autres cytokines. En outre, elles peuvent souvent influencer l'action d'autres cytokines. Les effets peuvent être antagonistes, additifs ou synergiques.

Les cytokines ne sont généralement pas stockées sous forme de protéines préformées. Leur synthèse est davantage initiée par la transcription de novo des gènes et leurs ARNm sont de courte durée de vie. Elles sont produites selon les besoins des réponses immunitaires. Les gènes codant pour les cytokines peuvent produire des variants obtenus par épissage alternatif et possédant des bio-activités légèrement différentes, tout en restant biologiquement significatives.
De nombreuses cytokines sont produites par plusieurs types cellulaires impliqués à la fois dans la réponse immunitaire innée et adaptative. Des cytokines données peuvent agir également sur de nombreux types de cellules (c'est à dire qu’elles sont pléiotropes) et, souvent, des cytokines différentes ont des actions similaires (elles sont redondantes). La redondance est due à la nature des récepteurs de cytokines.

Les récepteurs de cytokines sont des hétérodimères (parfois hétérotrimères) que l'on peut regrouper en familles sur la base de caractéristiques structurales communes : une sous-unité du récepteur est commune à tous les membres d'une même famille. Quelques exemples sont présentés dans la Figure 1.

• Les récepteurs aux cytokines de type 1 (famille de l’IL-2R) forment la plus grande famille de récepteurs de cytokines. Cette famille est divisée en 3 sous-groupes basés sur la présence de composants communs : IL2Rγ, chaîne β commune et gp130 (Figure 1A). Ces récepteurs ne possèdent pas d’activité tyrosine kinase intrinsèque. La liaison du ligand (cytokine) déclenche la dimérisation du récepteur et initie la cascade de signalisation intracellulaire.

• Les récepteurs aux cytokines de type 2 (famille IFNR) possèdent des cystéines conservées dans les domaines extracellulaires de leurs sous-unités. Les domaines extracellulaires ont également des domaines de type immunoglobuline placés en tandem ce qui constitue une caractéristique de cette famille de récepteurs. Ces récepteurs possèdent une activité tyrosine kinase intrinsèque (indiquée par le signe * dans la Figure 1B).
  Les récepteurs de chimiokines ont tous sept segments transmembranaires associés aux protéines liant le GTP. Ils sont sélectivement exprimés sur certaines populations lymphocytaires et sont nommés sur la base de la famille des chimiokines à laquelle ils se lient : CCR (le récepteur CC) lie les chimiokines CC comme ligand tandis que CXCR lie les chimiokines CXC comme ligand (la nomenclature officielle des chimiokines sera discuté plus loin).

Dans la mesure où la sous-unité commune à tous les membres d’une famille de cytokine participe à la fois à liaison de la cytokine et à la transduction du signal, un récepteur pour une cytokine peut souvent répondre à une autre cytokine de la même famille. Ainsi, un individu dépourvu d'IL-2, par exemple, n'est pas affecté outre mesure car d'autres cytokines (IL-15, IL-7, IL-9, etc..) peuvent remplacer l’IL-2 pour assurer ses fonctions. De même, une mutation dans une sous-unité de récepteur de cytokine autre que celle en commun a souvent peu d'effets. En revanche, une mutation dans la sous-unité commune a des effets profonds. Par exemple, une mutation dans le gène codant pour la sous-unité gamma de l’IL-2R provoque un déficit immunitaire combiné sévère (XSCID) humain lié à l'X, caractérisé par des défauts complets ou quasi-complets des cellules T et B.

Les cytokines se lient à des récepteurs spécifiques sur les cellules cibles avec une haute affinité et les cellules qui répondent à la cytokine sont soit :

• La même cellule qui a sécrété la cytokine (mode autocrine)

• Une cellule voisine (mode paracrine)

• Une cellule à distance atteinte grâce à la the circulation (mode endocrine). Les réponse s cellulaires aux cytokines sont en général assez lentes (en heurs) car elles nécessitent une synthèse d’ARNm et de protéines de novo.
   

CATEGORIES DE CYTOKINES

Les cytokines peuvent être regroupées en différentes catégories selon leurs fonctions ou leur origine mais il est important de se souvenir que comme elles peuvent être produites par et agir sur de nombreuses cellules, toute velléité de classification se heurte à des limitations.

Médiateurs de l’immunité naturelle (réponse immunitaire innée)

Les cytokines qui jouent des rôles majeurs dans le système immunitaire innée incluent: TNF-α, IL-1, IL-10, IL-12, interférons de type I (IFN-α and IFN-β), IFN-γ et chimiokines.

TNF-α
Le facteur alpha de nécrose tumorale est produit par les macrophages activés en réponse aux microbes, en particulier en réponse au lipopolysaccharide (LPS) de bactéries à Gram négatif. C’est un médiateur important de l'inflammation aiguë. Il permet le recrutement des neutrophiles et des macrophages vers les sites infectieux en stimulant la production des molécules d'adhésion et des chimiokines (des cytokines chimiotactiques) par les cellules endothéliales. Le TNF-α agit également sur l'hypothalamus pour déclencher la fièvre et favorise également la production des protéines de la phase aiguë.

IL-1
L'interleukine 1 est une autre cytokine inflammatoire produite par les macrophages activés. Ses effets sont similaires à ceux du TNF-α et elle contribue aussi à activer les cellules T.

IL-10
L'interleukine 10 est produite par les macrophages activés et les cellules Th2. C'est principalement une cytokine inhibitrice. Elle inhibe la production d'IFN-γ par les cellules Th1, ce qui oriente les réponses immunitaires vers un type Th2. Elle inhibe également la production de cytokines par les macrophages activés ainsi que l'expression du CMH de classe II et des molécules de co-stimulation par ces mêmes macrophages, ce qui entraîne un diminution des réponses immunitaires.

IL-12
L'interleukine 12 est produite par les macrophages activés et les cellules dendritiques. Elle stimule la production d'IFN-γ et induit la différenciation des cellules Th en cellules Th1. En outre, elle améliore les fonctions cytolytiques des cellules NK et T cytotoxiques.

Interférons de type I
Les interférons de type I (IFN-α et IFN-β) sont produits par de nombreux types cellulaires et agissent en inhibant la réplication virale dans les cellules infectées. Ils augmentent également l'expression des molécules du CMH de classe I sur les cellules ce qui les rend plus sensibles à la destruction par les CTL. Les interférons de type I activent également les cellules NK.

INF-γ
L’interféron gamma est une cytokine importante produite majoritairement par les cellules Th1, bien qu’il puisse également être produit, dans une moindre mesure, par les cellules T cytotoxiques et les cellules NK. Il a de nombreux effets à la fois sur l’immunité innée et sur l’immunité adaptative comme illustré dans la Figure 2.

Chimiokines
Les chimiokines sont des cytokines chimiotactiques produites par de nombreux types de leucocytes ainsi que par d'autres types de cellules. Elles représentent une grande famille de molécules qui agissent pour recruter des leucocytes sur les sites infectieux et pour jouer un rôle dans la recirculation des lymphocytes en déterminant quelles cellules vont traverser l'épithélium et où elles vont être dirigées. Il existe quatre familles de chimiokines identifiées sur la base de l'espacement entre leurs cystéines conservées. Deux exemples sont les α-chimiokines qui ont une structure en CXC (deux cystéines avec un acide aminé autre entre les deux) et les β-chimiokines qui ont une structure en CC (deux cystéines voisines). Des chimiokines individuelles (au sein d’une même famille) se lient souvent à plus d'un récepteur.

 

Figure 3
Activités immunorégulatrices de l’interleukine-2
 

Figure 4
Prolifération des cellules T et cytokines. Lorsque les cellules T sont au repos, elles ne produisant pas de cytokines telles que les interleukines 2, 4 ou 7. Elles n’expriment pas non plus beaucoup leurs récepteurs. Les récepteurs à l’IL-2 sont absents. L’activation des cellules T conduit à l’expression de récepteurs de haute affinité pour l’IL-2 ainsi qu’à l’induction de la synthèse et la sécrétion d’IL-2 et d’IL-4. Ces cytokines se lient à leurs récepteurs et les cellules prolifèrent alors. Quand la stimulation par les interleukines diminue (par exemple lorsque la stimulation antigénique diminue), les récepteurs sont moins exprimés et la phase proliférative s’achève. Remarque: la stimulation par les cytokines peut être paracrine ou autocrine.
 

Médiateurs de l’immunité adaptative

Les cytokines qui jouent des rôles majeurs dans le système immunitaire adaptatif incluent IL-2, IL-4, IL-5, TGF-β, IL-10 et IFN-γ.

IL-2
L'interleukine 2 est produite par les cellules Th, mais peut aussi être produite, dans une moindre mesure, par les cellules T cytotoxiques. C’est le principal facteur de croissance des cellules T. Elle favorise également la croissance des cellules B et peut activer les cellules NK et les monocytes comme le montre la Figure 3. L’IL-2 agit sur les cellules T sur un mode autocrine. L'activation des cellules T se traduit par l'expression de l'IL-2R, et la production d'IL-2. L'IL-2 se lie à l'IL-2R et favorise la division cellulaire. Lorsque les cellules T ne sont plus stimulés par l'antigène, l'IL-2R finira par être dégradé et la phase de prolifération se terminera (voir Figure 4).

IL-4
L’interleukine 4 est produite par les macrophages et les cellules Th2. Elle stimule le développement des cellules Th2 à partir des cellules Th naïves et favorise la croissance des cellules Th2 différenciées conduisant à la production d'une réponse d'anticorps. Elle stimule également la commutation de classe des Ig vers l'isotype IgE.

IL-5
L’interleukine 5 est produite par les cellules Th2 et agit en promouvant la croissance et la différenciation des lymphocytes B et des éosinophiles. Elle active également les éosinophiles matures.

TGF-β
Le facteur beta de croissance et de transformation est produit par les cellules T et de nombreux autres types de cellules. C'est, avant tout, une cytokine inhibitrice. Elle inhibe la prolifération des cellules T et l'activation des macrophages. Elle agit également sur les neutrophiles et les cellules endothéliales pour bloquer les effets des cytokines pro-inflammatoires.

Stimulateurs de l’hématopoïèse
Certaines cytokines stimulent la différenciation des cellules hématopoïétiques. Il s'agit notamment du GM-CSF qui favorise la différenciation des progéniteurs de la moelle osseuse, du M-CSF, qui favorise la croissance et la différenciation des progéniteurs en monocytes et macrophages et du G-CSF, qui favorise la production de neutrophiles.

Interleukine 17
L’IL-17 est une cytokine pro-inflammatoire d'environ 150 acides aminés. La famille de l’IL-17 comprend six membres qui partagent une homologie de séquence mais ont une expression tissulaire différentielle. L’IL-17 est produite par les cellules Th17 et sa surexpression est associée à des maladies auto-immunes telles que la sclérose en plaques, l'arthrite rhumatoïde et la maladie inflammatoire de l'intestin

 

Figure 5a Réseau de cytokines. La communication entre les lymphocytes et les macrophages et avec l’hypothalamus, les surrénales et le foie.

Figure 5b
Réseau de cytokines. La communication entre lymphocytes et les macrophages et avec d’autres cellules et tissus.

Figure 6
Régulation par les anticorps. Les anticorps solubles entrent en compétition avec les anticorps de surface pour la liaison à l’antigène (à gauche) ou se lient aux récepteurs Fc conduisant à des signaux inhibiteurs (à droite).
 

IMMUNOREGULATION

L'ampleur de la réponse immunitaire est déterminée par l'équilibre entre l'activation des lymphocytes déclenchée par l’antigène et l’influence de régulations négatives qui empêchent ou freinent la réponse. Les mécanismes de régulation peuvent agir sur les phases de reconnaissance, d'activation ou effectrices d'une réponse immunitaire. Des exemples de régulation qui ont déjà été discutés incluent:

• La reconnaissance de l’antigène en absence de co-stimulation conduisant à l’anergie
• La reconnaissance de l’antigène concomitante à l’interaction de CTLA-4 avec B7 conduisant à une régulation négative de l’activation des cellules T
• Les activités stimulatrices ou inhibitrices de cytokines sur les cellules immunitaires
• Les interactions idiotype/anti-idiotype menant à la stimulation ou l’inhibition des réponses immunes
• La dose et la voie d’entrée de l’antigène qui peuvent induire des réponses différentielles des cellules Th, pouvant être associées à de la protection ou de la tolérance

En plus de ces exemples, il existe de nombreuses autres voies par lesquelles la réponse immunitaire peut être régulée.

Régulation par les anticorps (Figure 6)

Les anticorps solubles peuvent entre en compétition avec les récepteurs à l’antigène des cellules B et bloquer ou empêcher l'activation des lymphocytes B. De plus, des complexes antigène-anticorps peuvent se lier aux récepteurs Fc présents sur les cellules B, ce qui conduit à l'émission d'un signal inhibiteur pour les cellules B. Dans ce cas, la régulation intervient au niveau même de la reconnaissance et de l'activation.

Les anticorps peuvent également réguler l’activation (dans le sens d’une augmentation cette fois) en permettant le maintien d’une source d'antigène pour les APC. Dans cet exemple, l'anticorps se lie à l'antigène pour former un complexe immun, lequel se lie à et active le système du complément. L'activation du complément permet alors la liaison au récepteur du complément sur l'APC.

Régulation par les cytokines

Les cytokines sont des régulateurs positifs ou négatifs. Elles agissent à de nombreux stades de la réponse immunitaire, mais leur activité est dépendante des autres cytokines présentes dans le microenvironnement, ainsi que de l'expression des récepteurs sur les cellules effectrices. Les cytokines régulent ainsi le type et l'ampleur de la réponse immunitaire générée.


Régulation par les cellules T régulatrices (Tregs)

Les cellules T régulatrices (Treg) constituent une population récemment décrite de cellules qui peuvent réguler les réponses immunitaires. Elles n'empêchent généralement pas l’activation initiale des lymphocytes T, mais inhibent plutôt le maintien de la réponse et empêchent les réponses chroniques et potentiellement dommageables. Elles n'ont pas les caractéristiques des cellules Th1, Th2 ou Th17 mais peuvent supprimer les réponses Th1 et Th2.

Tregs naturels
Le thymus donne naissance à des cellules CD4+ Foxp3+ CD25+ qui agissent comme des Tregs. Ces Tregs vont inhiber les réponses immunitaires par un mode d’action nécessitant des contacts cellulaires directs, mais le mécanisme de suppression n'a pas été clairement établi.

Tregs induits
En périphérie, certaines cellules T sont amenées à devenir des Tregs lorsqu’elles sont stimulées par l’antigène en présence d’IL-10 ou de TGF-β. Les Tregs induits par l'IL-10 sont CD4+ CD25+ Foxp3- et sont appelées cellules Tr1. Ces cellules inhibent la réponse immunitaire par le biais de la sécrétion d'IL10. Les Tregs induits par le TGF-β sont CD4+ CD25+ Foxp3+ et sont appelés iTregs. Ces cellules répriment la réponse immune par le biais de la sécrétion de TGF-β

Tregs CD8+
Certaines cellules CD8 + peuvent aussi être induites par l'antigène et en présence d'IL-10 pour devenir des cellulse Treg. Ces cellules sont CD8+ Foxp3+ et inhibent les réponses immunes par un mécanisme mettant en jeu des contacts cellulaires directs ou par le biais de la sécrétion de cytokines. Ces cellules ont été mises en évidence in vitro, mais on ne sait pas si elles existent in vivo.

Facteurs génétiques influençant l’immunorégulation

Les produits de gènes du CMH participent aux réponses permettant le contrôle de l'infection. Certains haplotypes du système HLA sont associés à des personnes qui sont répondeurs ou non-répondeurs vis-à-vis d’un stimulus immunitaire, ou à ceux qui sont sensibles ou résistants à une infection donnée.

Les produits de gènes non liés au CMH sont également impliqués dans l’immunorégulation. Un exemple bien connu est un gène lié à l'activité des macrophages codant pour une protéine de transport impliquée dans le transport de nitrite (NO2-) dans le phagolysosome : il s’agit de la « natural resistance-associated macrophage protein-1 » (Nramp1). Des polymorphismes de ce gène pourraient modifier l'activité des macrophages.

Des cytokines, des chimiokines et leurs récepteurs sont impliqués dans la régulation immunitaire comme discuté plus haut. Des polymorphismes dans les gènes codant pour ces molécules ou leurs récepteurs, ont également pu être corrélés avec la susceptibilité à l'infection ou la génération d'une maladie auto-immune.