CD4+ T cell homeostasis: the thymus, the cells and the environment - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2002

CD4+ T cell homeostasis: the thymus, the cells and the environment

Résumé

The peripheral T cell number is under homeostatic control. Although T cells are produced daily in the thymus in significant numbers, and antigenic stimulation induces further T cell production through division, the peripheral T cell numbers are maintained constant. Thus, any newly produced T cell will only integrate the peripheral T cell pools if another T cell dies. In this way, the selection of the peripheral T cell repertoires is not only dependent on the interaction between each cell and its antigen but it is also dependent on interactions between different sub-populations of cells (Freitas and Rocha, 2000). In order to understand how peripheral T cell homeostasis is achieved, and to understand why is homeostasis attained at the observed equilibrium level, each of the contributing agents must be identified and the contribution of each determined.
T cells are originated in the thymus, resulting from a complex series of events. The thymic T cell production will be responsible throughout the lifetime of the organism for the daily export of newly generated T cells. However, the thymus involutes with age. This may have consequences for peripheral T cell homeostasis. Thus, the central T cell compartment should not be left out when peripheral T cell homeostasis is studied.
The peripheral T cell compartment comprises a number of smaller compartments, as not all T cells are born equal and many differentiate in the peripheral T cell pools into specific sub-populations with distinct proprieties and functions. The CD4+ and the CD8+ T cell subsets and the naïve, effector and memory compartments within the CD4+ and the CD8+ T cell compartments contribute differently for the individual's immunocompetence. Mechanisms involved in the control of the relative proportions of these sub-populations are also relevant for total T cell homeostasis.
The purpose of this thesis was to make advances in the understanding of the mechanisms responsible for peripheral T cell homeostasis in general and for peripheral CD4+ T cell homeostasis in particular. The studies were divided into three parts.
In the first part, the Thymus and its role in the maintenance of T cell numbers were evaluated. We developed a novel experimental system that allowed us to obtain a quantitative assessment of the fraction of competent pre-T cell precursors required to restore thymus function and also to evaluate the contribution of the thymus to the peripheral T cell pools. With the help of a mathematical model we were able to interpret the data obtained in order to demonstrate that there are no compensatory homeostatic mechanisms during thymic development and that the size of the peripheral total T cell pool is fairly independent of thymic output. Thus, peripheral mechanisms compensate for a lack of thymic output. When the naïve and activated/memory T cell compartments were analysed separately, we found that the naïve T cell compartment was more prone to reflect the size of the thymic SP compartment. Thus, we concluded that these compensatory mechanisms are more efficient in the generation of activated/memory T cells.
In the second part, the subject of research was the importance of peripheral T cell interactions for the establishment of peripheral T cell homeostasis. We have studied the interactions between the CD4+CD25+CD45RBlow T cells (the regulatory/suppressor CD4+ T cells) and CD4+CD25-CD45RBhigh T cells (naïve CD4+ T cells). We transferred these populations into immunodeficient hosts. We have observed that the ratio CD4+CD25+CD45RBlow to CD4+CD25-CD45RBhigh T cells present in the cells transferred was determinant for the numbers of cells recovered, and thus this interaction potentially determinant for peripheral T cell homeostasis. We have demonstrated this, re-introducing the CD4+CD25+ T cells in a mouse system (the CD25-/- BM chimeras) were the peripheral homeostasis is disturbed and this sub-population is absent. As we observed, the re-introduction of the CD4+CD25+ T cells in these BM chimeras had as a consequence the normalisation of the peripheral T cell pools. We have found proof that the presence of this sub-population is essential for the existence of homeostasis of the peripheral T cell numbers and thus, that peripheral T cell homeostasis is achieved also through sub-population structure.
In the third part of these studies, the importance of resources for the maintenance of the peripheral T cell sub-population structure was examined. Immediate candidates as resources are interleukins. The IL2-/- mice have reduced numbers of CD4+CD25+ T cells and develop autoimmune manifestations We postulated that the lack of IL2 was responsible for the decreased survival of the CD4+CD25+ regulatory T cells in the peripheral T cell pools, and thus that the autoimmune manifestations were again the consequence of a disruption in the peripheral sub-population structure, as these mice are devoid of this specific sub-population. We tested this hypothesis, by sorting the few CD4+CD25+ T cells present in the IL2-/- mice and testing these cells as suppressors in vivo. These cells proved to exert suppressor functions, suggesting that the IL2-/- mice are able to generate the CD4+CD25+ regulatory T cells. We confirmed this, by establishing BM chimeras using as donor BM cells a mixture of BM cells from IL2-/- and CD25-/- cells. These chimeras do not develop autoimmune manifestations and the peripheral T cell pools have the normal representation of the CD4+ T cell sub-populations, including the CD4+CD25+ T cells. Thus, the IL2-/- BM precursors were able to generate a viable population of regulatory T cells, as long as IL2 was present in the periphery. This illustrates the role of cytokines as resources with a major importance for the establishment of the observed peripheral sub-population structure.
Returning to the main subject of this thesis, our results allow us to state that the observed peripheral T cell homeostasis reflects not only the thymic production but also peripheral phenomena, and that these include interactions between different sub-popoulations. Underrepresented peripheral sub-populations, like the CD4+CD25+ regulatory T cells, play a major role in the maintenance of peripheral T cell homeostasis.
Chez les vertébrés adultes, le nombre de cellules T périphériques est soumis à un contrôle strict. Bien qu'un grand nombre de cellules T soient produites chaque jour, le nombre de cellules T à la périphérie reste constant. Chaque nouveau lymphocyte T produit ne pourra donc s'établir à la périphérie qu'après la mort d'un lymphocyte déjà établi. Dans cette optique, la sélection du répertoire des cellules T périphériques n'est pas uniquement dépendant des interactions entre une cellule et son antigène, mais elle est également dépendante d'interactions entre différentes sous-populations cellulaires (Freitas and Rocha, 2000). Dans le but de comprendre comment l'homéostasie des cellules T périphériques est atteinte, et afin de comprendre pourquoi l'homéostasie parvient à un certain niveau d'équilibre, il est important de déterminer chaque facteur intervenant dans ce processus et la contribution de chacun d'entre eux.
Les cellules T sont générées dans le thymus. La production thymique de cellules T est responsable, chaque jour, de l'export de nouvelles cellules T. Cependant la taille du thymus n'est pas constante, puisque le thymus involue avec l'âge, ce qui peut avoir des conséquences sur l'homéostasie des cellules T périphériques. Il faut donc tenir compte du compartiment T central, le thymus, lorsque l'on étudie l'homéostasie des compartiments périphériques.
Le compartiment T périphérique est composé d'un certain nombre de sous-compartiments, puisque chaque cellule T n'est pas identique, et de nombreuses cellules vont se différencier à la périphérie en des sous-populations spécifiques, possédant des fonctions et des propriétés différentes. Par exemple, les sous-populations CD4+ et CD8+ devront être considérées séparément puisqu'elles sont impliquées dans différents types de réponses immunitaires et ont des mécanismes d'action différents. De la même façon, les compartiments naïfs, effecteurs et mémoires contribuent différemment à l'immuno-compétence de chaque individu. Les mécanismes impliqués dans le contrôle du nombre de chacune de ces sous-populations sont également importants pour la compréhension de l'homéostasie cellulaire T totale.
L'objectif de cette thèse a été de comprendre les mécanismes responsables de l'homéostasie périphérique T en général, et de l'homéostasie des cellules T CD4+ périphériques en particulier. Ce travail a été divisé en trois parties.
Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué le rôle du thymus dans la maintenance du nombre de cellules T. Nous avons développé un nouveau système expérimental nous permettant d'obtenir une estimation quantitative de la fraction des cellules précurseures pré-T compétentes, nécessaire pour assurer la fonction thymique mais aussi d'évaluer la contribution thymique à l'établissement du compartiment T périphérique. Nous avons montré qu'il n'existe pas de mécanismes homéostatiques compensatoires au cours du développement thymique. Ce résultat nous a ensuite conduit à évaluer l'effet d'un export thymique réduit sur l'établissement du compartiment T périphérique. Nous avons montré que la taille du compartiment T périphérique est indépendante du thymus, suggérant que des mécanismes compensatoires se mettent en place à la périphérie. Lorsque nous avons étudié les compartiments naïfs et activées/mémoires séparément, nous avons observé que les mécanismes compensatoires sont plus efficaces pour les sous-populations activées/mémoires.
Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons étudié le rôle des interactions entre les cellules T périphériques dans l'établissement de l'homéostasie T périphérique. Nous avons analysé l'interaction entre les cellules T CD4+CD25+CD45RBlow (également appelées cellules T CD4+ régulatrices) et les cellules CD4+CD25-CD45RBhigh, dans des expériences de transfert chez la souris. Nous avons observé que le ratio entre les cellules CD4+CD25+CD45RBlow et les cellules CD4+CD25-CD45RBhigh transférées était déterminant pour le nombre de cellules recouvrées suggérant donc que l'interaction entre ces deux populations pourrait être déterminante pour l'homéostasie périphérique T. Nous avons testé cette hypothèse en transférant des cellules T CD4+CD25+ dans un modèle murin (les chimères de moelle osseuse CD25-/-) où l'homéostasie périphérique est perturbée et où cette sous-population CD25+ est absente. Nous avons observé que la présence de ces cellules T CD4+CD25+ dans ces chimères de moelle osseuse a pour conséquence la normalisation du compartiment T périphérique. Nous avons montré donc que l'homéostasie des cellules T périphériques est atteinte aussi grâce à la structure des sous-populations qui la constitue.
Dans la troisiéme partie de cette thèse, nous avons étudié l'importance des ressources pour la maintenance de la structure des sous-populations T périphériques. Il a été montré que le nombre de cellules T CD4+CD25+ est réduit chez les souris invalidées pour le gène de l'IL-2. Il a aussi été montré que ces souris développent des maladies auto-immunes avec des caractéristiques communes à celles développées par les souris CD25-/-. Nous avons fait l'hypothèse que le manque d'IL-2 serait responsable de la diminution de la survie des cellules T régulatrices CD4+CD25+ dans le compartiment T périphérique, et que donc les manifestations auto-immunes seraient la conséquence de la perturbation de la structure des sous-populations périphériques, puisque ces animaux ne contiennent pas cette sous-population spécifique. Nous avons testé cette hypothèse en triant les quelques cellules T CD4+CD25+ présentes chez les animaux IL2-/- et en testant leur fonction de cellules suppressives in vivo. Ces cellules ont montré leur capacité à exercer une fonction suppressive, suggérant que les souris IL-2-/- sont capable de produire des cellules régulatrices T CD4+CD25+. Nous avons confirmé ces résultats en établissant des chimères de moelle osseuse, avec des cellules provenant de la moelle osseuse d'animaux IL-2-/- et d'animaux CD25-/-. Ces animaux chimériques ne développent pas de maladies auto-immunes et le compartiment T périphérique est constitué d'une proportion normale des différentes sous-populations CD4+, notamment les CD4+CD25+. Les précurseurs issus de la moelle osseuse des animaux IL-2-/- ont donc été capables de générer une population viable de cellules T régulatrices, capable d'utiliser pour leur survie l'IL-2 produite de façon paracrine. Ces résultats illustrent bien le rôle des cytokines comme ressources majeures, notamment pour l'établissement de la structure des populations périphériques.
L'ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse nous a conduit à formuler que l'homéostasie des cellules T périphériques est le résultat, non seulement de l'impact thymique, mais aussi de mécanismes périphériques. Les populations sous représentées, comme la population de cellules T régulatrices CD4+CD25+, pourraient exercer un rôle important dans la maintenance de l'homéostasie des cellules T à la périphérie.
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Dates et versions

tel-00002017 , version 1 (25-11-2002)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00002017 , version 1

Citer

Afonso Almeida. CD4+ T cell homeostasis: the thymus, the cells and the environment. Immunologie. Universidade do Porto, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002017⟩
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