L’actualité scientifique vue par les étudiants du Master Biologie Santé, module physiopathologie de la signalisation, Université Paris-Saclay

Série coordonnée par Sophie Sibéril.

Les macrophages sont des cellules du système immunitaire dont une des fonctions est de détecter les pathogènes et de les éliminer. Certains pathogènes, tels que des virus [ 1 ], peuvent néanmoins infecter ces cellules et s’y multiplier, permettant alors leur dissémination dans l’organisme. Afin d’éviter cette dissémination, des mécanismes de capture du virus et de production de médiateurs de l’inflammation doivent être stimulés. L’un des mécanismes conduisant à la production de cytokines pro-inflammatoires en réponse à ces pathogènes met en jeu des complexes multi-protéiques : les inflammasomes [ 2 ] ( → ).

(→) Voir la Synthèse de M. Groslambert et B.F. Py, m/s n° 1, janvier 2018, page 47

L’inflammasome, assemblé via le récepteur NLRP3 ( NOD-, LRR- and pyrin domain-containing protein 3 ), induit la maturation de la pro-caspase 1 en caspase 1 qui est responsable du clivage de pro-cytokines en cytokines pro-inflammatoires matures, telles l’IL(interleukine)-1β et l’IL-18, et de l’induction d’une mort cellulaire [ 2 , 3 ] ( Figure 1 ) . Une activation de l’inflammasome NLRP3 a été mise en évidence lors de l’infection par des adénovirus humains de type 5 (Ad5) [ 4 ], un des sérotypes les plus étudiés, et fait l’objet de l’article analysé dans cette Nouvelle [ 5 ].

Figure 1. 1. Nouveau mécanisme d’activation de l’inflammasome dans le macrophage humain en réponse à des complexes adénovirus-anticorps. Les adénovirus (Ad), complexés à une quantité faible d’immunoglobulines de sérum humains ou en présence d’un anticorps (Ac) monoclonal, entrent dans les macrophages par endocytose. Ces complexes échappent ensuite de l’endosome. Dans le cytosol, le complexe Ad-Ac est alors reconnu par le récepteur TRIM21. Après ubiquitinylation de TRIM21, le complexe est dégradé par le protéasome, exposant l’ADN viral double brin dans le cytosol. Celui-ci est alors reconnu par cGAS (cGMP-AMP synthase), qui catalyse la formation de cGAMP ( cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate ) en présence d’ATP, de GTP et d’ADN. Ce nucléotide cyclique se fixe alors sur STING qui, par un mécanisme non élucidé, active l’inflammasome NLRP3. L’oligomérisation de ce complexe protéique permet l’activation des pro-caspases-1 qui vont alors cliver la pro-IL-1β en IL-1β, qui est ensuite sécrétée, sans mort cellulaire concomitante. 2. Mort cellulaire et sécrétion de cytokines pro-inflammatoires dues à une activation de l’inflammasome suite à une infection virale. Les adénovirus (AdV), complexés à une quantité importante d’immunoglobulines sériques, entrent dans les macrophages par endocytose. Ils se retrouvent alors à l’intérieur d’un endosome puis d’un lysosome. Les Ad vont alors induire la rupture du lysosome, ce qui entraîne l’activation de l’inflammasome NLRP3, permettant son oligomérisation et l’activation des pro-caspases-1. Celles-ci, sous forme de caspase-1, vont cliver la pro-IL-1β en IL-1β qui sera libérée du macrophage, suite à sa mort cellulaire par pyroptose.

Figure 1. 1. Nouveau mécanisme d’activation de l’inflammasome dans le macrophage humain en réponse à des complexes adénovirus-anticorps. Les adénovirus (Ad), complexés à une quantité faible d’immunoglobulines de sérum humains ou en présence d’un anticorps (Ac) monoclonal, entrent dans les macrophages par endocytose. Ces complexes échappent ensuite de l’endosome. Dans le cytosol, le complexe Ad-Ac est alors reconnu par le récepteur TRIM21. Après ubiquitinylation de TRIM21, le complexe est dégradé par le protéasome, exposant l’ADN viral double brin dans le cytosol. Celui-ci est alors reconnu par cGAS (cGMP-AMP synthase), qui catalyse la formation de cGAMP ( cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate ) en présence d’ATP, de GTP et d’ADN. Ce nucléotide cyclique se fixe alors sur STING qui, par un mécanisme non élucidé, active l’inflammasome NLRP3. L’oligomérisation de ce complexe protéique permet l’activation des pro-caspases-1 qui vont alors cliver la pro-IL-1β en IL-1β, qui est ensuite sécrétée, sans mort cellulaire concomitante. 2. Mort cellulaire et sécrétion de cytokines pro-inflammatoires dues à une activation de l’inflammasome suite à une infection virale. Les adénovirus (AdV), complexés à une quantité importante d’immunoglobulines sériques, entrent dans les macrophages par endocytose. Ils se retrouvent alors à l’intérieur d’un endosome puis d’un lysosome. Les Ad vont alors induire la rupture du lysosome, ce qui entraîne l’activation de l’inflammasome NLRP3, permettant son oligomérisation et l’activation des pro-caspases-1. Celles-ci, sous forme de caspase-1, vont cliver la pro-IL-1β en IL-1β qui sera libérée du macrophage, suite à sa mort cellulaire par pyroptose.

Les adénovirus sont des virus non enveloppés à ADN double brin linéaire, peu pathogènes chez l’homme. Ces virus sont utilisés sous la forme de vecteurs recombinants dans le cadre de thérapies anti-tumorales et pour la vaccination [ 6 , 7 ]. La présence d’anticorps (Ac) anti-Ad5 dans le sérum est fréquente dans la population. L’internalisation d’Ad5 opsonisés, c’est-à-dire recouverts d’Ac spécifiques, dans les macrophages augmente la production par ces cellules de cytokines, notamment d’IL-1β via l’inflammasome NLRP3 [ 8 ]. Dans leur étude [ 5 ], Labzin et al. ont cherché à comprendre les voies d’activation de l’inflammasome induites par ces virus opsonisés.

Afin d’examiner le rôle des Ac dans l’induction de la réponse inflammatoire des macrophages suite à une infection par l’Ad5, les auteurs ont évalué, par ELISA, une méthode immunoenzymatique, la sécrétion des cytokines IL-1β et TNF-α ( tumor necrosis factor α), dans le milieu de culture des cellules infectées. Deux types de cellules ont été utilisés : des monocytes humains différenciés en macrophages ¹ (qui seront appelés macrophages humains) et les cellules d’une lignée monocytaire (les cellules THP-1) différenciées en macrophages sous l’effet d’un agent pharmacologique. Ces deux types cellulaires ont été infectés par des Ad5 en l’absence ou en la présence d’Ac. Les Ac utilisés étaient des immunoglobulines G (IgG) provenant d’un pool de sérums humains, ou des Ac monoclonaux dirigés contre la protéine de capside hexon de l’Ad5 humain. Dans les deux types cellulaires, la sécrétion des cytokines a nécessité la présence des complexes formé entre les Ac et le virus Ad5. Activées par l’inflammasome, les caspases induisent le clivage de la pro-IL-1β, mais elles peuvent aussi induire une forme de mort cellulaire appelée pyroptose. Les auteurs ont donc examiné si ces deux processus étaient liés en détectant dans le milieu de culture cellulaire, la production d’IL-1β, mais aussi la libération d’une enzyme cytoplasmique, la lactate déshydrogénase (LDH), un marqueur de la mort cellulaire. Les complexes formés entre l’Ad5 et les Ac monoclonaux anti-hexon induisent effectivement une sécrétion d’IL-1β par les macrophages humains. Mais ils n’induisent pas de libération de LDH (signe de la mort cellulaire). Il en est de même lorsque les Ad5 ont été opsonisés avec une faible concentration (0,8 mg/ml) d’IgG humaines.

Les auteurs ont ensuite examiné si l’activation de l’inflammasome dans les macrophages était due à une augmentation de la pénétration des Ad5 dans ces cellules. L’opsonisation des Ad5 par une faible concentration d’IgG ou d’Ac monoclonal anti-hexon, n’augmente pas l’internalisation des particules virales. En revanche, en présence d’une forte concentration d’IgG (supérieure à 0,8 mg/ml), l’opsonisation des Ad5 conduit à une augmentation de l’entrée du virus dans les cellules, déterminé par le nombre de particules virales par cellule. Les auteurs montrent cependant que les anticorps du sérum ou l’anticorps monoclonal anti-hexon inhibent, de façon dose dépendante, l’expression génique des virus, à l’aide d’un gène rapporteur inséré dans le génome viral, suggérant que ce mode d’entrée dans la cellule n’est pas productif pour le virus. Des travaux précédents, utilisant les cellules THP-1, avaient montré que les Ac favorisaient l’adressage des Ad5 dans les lysosomes [ 9 ] et que les Ad5 étaient capables d’induire la rupture des lysosomes. Cela entraînait la libération de cathepsine B, une enzyme qui active l’inflammasome NLRP3 et qui est responsable de la mort cellulaire [ 9 ]. Les auteurs ont effectivement constaté, en utilisant des marqueurs fluorescents et la cytométrie en flux, une corrélation entre le nombre de cellules mortes et le nombre de cellules ayant subi d’importants dommages lysosomaux, mais cela uniquement lors de l’infection des macrophages humains avec des Ad5 opsonisés par une forte concentration d’IgG sériques. En revanche, en présence d’une faible concentration d’IgG (0,8 mg/ml) ou d’Ac anti-hexon, les Ad5 pénètrent dans les cellules, induisent l’activation de l’inflammasome, mais ne provoquent ni rupture des lysosomes, ni mort cellulaire.

Afin de comprendre le mécanisme d’activation de l’inflammasome sans qu’il y ait rupture lysosomale, les auteurs ont analysé l’implication des RFc, les récepteurs de la région Fc des immunoglobulines qui sont exprimés à la surface des macrophages, et celle d’un récepteur des immunoglobulines qui est cytoplasmique, TRIM21 (tripartite motif-containing 21) . TRIM21 est impliqué dans la neutralisation des Ad5 en présence d’Ac. En se fixant sur les Ac, il induit la dégradation des complexes Ad5-Ac par le protéasome et la production de médiateurs de l’inflammation [ 10 ]. L’utilisation d’Ac anti-hexon mutés ne pouvant se fixer à TRIM21 (mutation H433A), ou aux RFc (série de mutations dans la région Fc nommée LALA) a permis de montrer que la libération d’IL-1β et de TNF-α impliquait le récepteur TRIM21 mais pas les RFc. Labzin et al. ont également observé que seule l’étape de clivage de la pro-IL-1β en IL-1β était induite par ces complexes Ad5-Ac anti-hexon dans les macrophages humains ; TRIM21 intervient donc lors de cette étape et pas lors de la synthèse de pro- IL-1β.

Les chercheurs ont ensuite voulu valider leurs observations in vivo , en analysant le recrutement des neutrophiles dans la rate, recrutement dépendant de la production d’IL-1β suite à l’activation de l’inflammasome. Après infection de souris par des Ad5 ou par des Ad5 opsonisés par les Ac anti-hexon parentaux ou mutés (H433A), ils ont pu observer que le recrutement des neutrophiles suite à l’infection était plus important en présence des Ac anti-hexon parentaux. Ces résultats indiquent que TRIM21 est un acteur important pour la production d’IL-1β in vivo.

La production d’IL-1β nécessite le clivage de la forme inactive pro-IL-1β en IL-1β mature par la caspase 1 qui est activée par l’inflammasome. Les auteurs ont montré que l’inflammasome impliqué était l’inflammasome NLRP3. Ce dernier est composé du récepteur NLRP3, de la protéine adaptatrice ASC ( apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD domain , aussi appelée PYCARD, CARD5, TMS1, Q9ULZ3) et de la pro-caspase 1. Labzin et al. ont cherché à comprendre comment TRIM21 activait NLRP3. Ils ont observé, par western blot, qu’en présence d’Ac anti-hexon, que les hexons de la capside d’Ad5 étaient dégradés. Ce résultat est en accord avec les précédentes publications montrant que TRIM21 recrute le protéasome pour dégrader la capside virale [ 10 ]. L’ADN viral, ainsi exposé, peut alors être reconnu par les senseurs d’ADN cytosoliques de la cellule infectée. L’inflammasome NLRP3 peut être activé par ces senseurs cytosoliques, comme cGAS (cGMP-AMP synthase) associés à la protéine adaptatrice STING [ 3 ]. Les auteurs ont effectivement montré que la sécrétion d’IL-1β en réponse aux complexes Ad5-Ac était réduite dans des cellules THP-1 déficientes pour le senseur cGAS ou pour la protéine STING. Pour compléter ces observations, les auteurs ont étudié, par immunofluorescence et microscopie confocale, l’oligomérisation d’ASC, induite lors de l’activation de l’inflammasome, et ils ont montré qu’un inhibiteur de STING empêchait l’oligomérisation d’ASC, indiquant que cGAS-STING est bien impliqué dans l’activation de NLRP3.

Cet article met en évidence l’existence d’une nouvelle voie d’activation de l’inflammasome suite à une présentation d’Ad opsonisés, qui implique TRIM21. En effet, Labzin et al. ont montré que des Ad opsonisés par des Ac monoclonaux ou par de faibles concentrations d’Ac sériques humains sont reconnus par TRIM21 dans les macrophages. La liaison de TRIM21 aux complexes Ac-Ad5 entraîne la dégradation de la capside virale et l’ADN des Ad est alors reconnu par le senseur cGAS/STING. Ce senseur active, par un mécanisme non encore élucidé, l’inflammasome NLRP3, ce qui entraîne le clivage de la pro-IL-1β en IL-1β, cette dernière étant ensuite sécrétée ( Figure 1 ) . Ce mécanisme permet la neutralisation de l’Ad5, bloquant les mécanismes d’expression de son génome, mais ne conduit pas à la mort des macrophages, comme cela est le cas lorsque les Ad5 sont opsonisés par de fortes concentrations d’IgG ( Figure 1 ) . Cet article permet ainsi de mieux comprendre les voies de signalisation activées par les complexes Ad5-Ac et met en évidence le rôle du récepteur intracellulaire des Ac, TRIM21, dans la défense anti-virale.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.