The imprint of autoimmunity in the T-cell receptor repertoire
L'empreinte de l'auto-immunité dans le repertoire des récepteurs des lymphocytes T
Résumé
Our immune system has evolved sophisticated mechanisms that ensure a stable internal environment. The primary mediators of this peripheral tolerance are a population of suppressor T lymphocytes, namely regulatory T-cells (Tregs), that are capable of taming threatening lymphocytes, mainly pro-inflammatory effector T-cells (Teffs). Any failure to accomplish this role leads to the development of autoimmune diseases.
T lymphocyte activation relies on their surface T-cell receptors (TCRs), a heterodimer protein composed of an alpha (TRA) and a beta (TRB) chain, and which bind matching antigenic peptides embedded in the major histocompatibility complex (MHC) molecules. The TCR is generated during thymic T-cell development by a random somatic rearrangement process. This process is the first step in the shaping of the so-called “TCR repertoire”, which defines the set of TCRs expressed by all T-cells in the body.
Given the tight functional reliance of T lymphocytes on their TCRs, the study of TCR repertoires would help discover specificities (i) in Teffs involved in autoimmune pathogenesis, and (ii) in Tregs that could be used in preventive therapies.
Thus, I investigated the contribution to diabetes development in non-obese diabetic (NOD) mice of the TRB repertoire of two sub-populations of Tregs; naive (nTregs) and activated/memory (amTregs) Tregs. Results revealed the presence of an alteration in the peripheral TCR repertoire diversity of amTregs in NOD compared to healthy C57BL/6 mice. This alteration was normalized following interleukin-2 (IL-2) administration, a molecule that is mandatory for Treg survival and expansion, and which achieves protection from diabetes development in NOD mice (Mhanna et al., 2021). Nevertheless, the hypothesis of a potential enrichment of diabetogenic Teffs in NOD mice peripheral repertoire, that take the lead in a Treg-impoverished environment, is not excluded. In this regard, the purging of self-reactive T-cells through thymic selection has been previously described as impaired in this murine model. I thus analysed the TRA and TRB repertoires of pre- and post-selection T-cell subsets and identified NOD-specific signatures that were more enriched in TRA than in TRB sequences. In addition, I tracked these sequences in pancreatic islets of NOD mice where they were found in higher proportions than in the spleen. Finally, machine learning-based classification revealed the presence of shared amino acid motifs in signature sequences, which together with the previous observation, suggests their potential implication in the disease.
Overall, my project highlights the power of the TCR repertoire as a predictive biomarker of disease in the periphery, as well as in the thymus, the home for T-cell development and TCR generation.
Le système immunitaire a développé au cours de l’évolution des mécanismes sophistiqués afin d’assurer un environnement interne stable. Un médiateur principal de cette tolérance périphérique est une population de lymphocytes T suppresseurs, les lymphocytes T régulateurs (Tregs), capables d’apprivoiser les lymphocytes menaçants, principalement les lymphocytes T effecteurs pro- inflammatoires (Teffs). Tout échec à accomplir ce rôle conduit au développement de maladies auto- immunes.
L’activation des lymphocytes T repose sur leur récepteur de surface (TCR), un hétérodimère composé d’une chaîne alpha (TRA) et d’une chaîne beta (TRB), capable de reconnaître des peptides antigéniques présentés par les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH). Le TCR est généré durant le développement des lymphocytes T dans le thymus par un processus de réarrangements somatiques aléatoires. Ce processus est la première étape de l’établissement du « répertoire TCR », définissant l’ensemble des TCR exprimés par toutes les cellules T d’un organisme. Compte tenu de la dépendance fonctionnelle des lymphocytes T pour leurs TCR, l’étude des répertoires TCR permettrait de découvrir des spécificités (i) dans les Teffs, potentiellement impliqués dans la pathogenèse auto-immune, et (ii) dans les Tregs, qui pourraient être utilisés dans les thérapies préventives.
Dans ce but, j’ai étudié la contribution du répertoire TCR dans le développement du diabète chez les souris diabétiques non obèses (NOD) dans deux sous-populations de Treg: les Tregs naïfs (nTregs) et les Tregs activés/mémoire (amTregs). Les résultats ont révélé une altération de la diversité du répertoire TCR périphérique des amTregs chez la NOD par rapport aux souris saines C57BL/6. Cette altération a été corrigée après l’administration d’interleukine-2 (IL-2), une cytokine indispensable à la survie et à l’expansion des Treg, et qui protège la NOD du diabète (Mhanna et al., 2021). Néanmoins, l’hypothèse d’un enrichissement potentiel des Teffs diabétogènes chez ces souris, majoritaires dans un environnement appauvri en Treg, n’est pas exclue. En effet, l’élimination des cellules T auto-réactives par sélection thymique a été précédemment décrite comme étant défective dans ce modèle murin. Pour cela, j’ai analysé le répertoire des lymphocytes T avant et après sélection, et identifié des signatures spécifiques à NOD. Ces signatures, enrichies en séquences TRA, sont retrouvées dans les ganglions pancréatiques à une fréquence plus élevée que dans la rate chez la NOD. Enfin, la classification basée sur des modèles d’apprentissage automatique a révélé la présence de motifs d’acides aminés partagés par les séquences des signatures. Ces résultats suggèrent leur implication potentielle dans la maladie.
Dans l’ensemble, mon projet met en évidence le potentiel du répertoire du TCR en tant que biomarqueur prédictif de la maladie dans la périphérie, ainsi que dans le thymus, le siège du développement des lymphocytes T et de la génération des TCR.