Pathogenic mechanism of chronic inflammatory diseases : linking genotype, immune cell function and pathology in Spondyloarthritis

par Surya Koturan

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie. Immunologie

Sous la direction de Elisabetta Bianchi.

Soutenue le 25-11-2020

à l'Université Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Unité d'Immunorégulation (Paris) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Mécanismes pathogéniques des maladies inflammatoires chroniques : relier génotype, fonctions immunitaires et pathologie dans les spondylarthrites


  • Résumé

    La spondylarthrite (SpA) est une famille de maladies inflammatoires chroniques apparentées (CID), et se caractérise par une inflammation de la colonne vertébrale et des articulations sacro-iliaques, caractéristiques de la forme axiale de cette maladie (AxSpA). Des études d'association pangénomique (GWAS) ont identifié des locus génétiques associés à la susceptibilité à la maladie de la SpA. GWAS a également fourni la preuve d'un rôle clé pour les voies de signalisation immunitaire dans la pathogenèse de la SpA, car de nombreux loci identifiés sont associés à des gènes immunitaires. En particulier, les GWAS ont suggéré un rôle pour l'axe interleukine-23 / interleukine-17 (IL-23 / IL-17) dans la pathogenèse de plusieurs CID. Cependant, pour la plupart des loci associés, le mécanisme par lequel ils affectent la pathogenèse et les populations de cellules immunitaires dans lesquelles ils agissent ne sont toujours pas connus. L’objectif de ce projet est de comprendre les mécanismes moléculaires de la pathogenèse de la maladie en étudiant la fonction des cellules immunitaires et la réponse aux traitement biologique dans la SpA.Pour comprendre le rôle des loci de susceptibilité dans les CID, nous avons conçu un panel d'expression génique nCounter® (NanoString Technologies): le panel Autoimmune Discovery Consortium. Ce panel a été créé en utilisant les loci rapportés de GWAS dans 9 CID, avec l'ajout de plusieurs gènes immunitaires, tels que les gènes de cytokine et de chimiokine. Nous avons utilisé ce panel pour déterminer le modèle d'expression des «gènes GWAS» dans les populations de cellules immunitaires isolées de 50 patients SpA axiaux (AxSpA). Les profils d'expression génique spécifiques au type de cellule ont ensuite été corrélés avec le génotype du patient pour identifier les locus de caractères quantitatifs d'expression (eQTL). L'analyse de l'expression génique a montré qu'environ 80% des gènes associés aux CID étaient exprimés dans des sous-ensembles de cellules T (CD4+ et CD8+, à l'état de repos et activé), ce qui implique leur rôle dans la maladie. L'étude eQTL a révélé un cluster sur le chromosome 11, y compris des SNP qui affectent l'expression de la CTSW (cathepsin W), une peptidase lysosomale impliquée dans l'activité cytotoxique des cellules T CD8+. En outre, nous avons démontré que le facteur de transcription NFATC2 (Nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic 2) se lie de manière allélique spécifique à l'eQTL rs12225345, soutenant son rôle dans la régulation CTSW dans les lymphocytes T. Ces données illustrent comment la liaison allélique spécifique des facteurs de transcription pourrait contribuer à la régulation des gènes associés à la maladie et jouer un rôle dans la pathogenèse de la maladie.Dans la deuxième partie de ce projet, nous avons étudié le mécanisme moléculaire de la pathogenèse AxSpA et l'impact des traitement biologiques (inhibiteurs du TNF, TNFi) sur les réponses immunitaires des patients axSpA. Pour étudier le rôle de l'axe IL-23 / IL-17 dans la pathogenèse de AxSpA, nous avons caractérisé les cellules immunitaires qui produisent l'IL-17A chez les patients AxSpA. Nous avons comparé la capacité de production d'IL-17 de sous-ensembles cellulaires des bras innés (MAIT, γδT et polynucléaires neutrophiles) et adaptatifs (cellules T CD4+ et CD8+) du système immunitaire. Nous avons identifié les cellules MAIT comme les principaux producteurs d'IL-17 dans AxSpA. Nous avons également observé que les lymphocytes innés et adaptatifs expriment des gènes appartenant à la voie IL-23 / IL-17 et des gènes précédemment associés à la sensibilité SpA.


  • Résumé

    Spondyloarthritis (SpA) is a family of related chronic inflammatory diseases (CID), and is characterised by inflammation of the spine and sacroiliac joints, the hallmarks of the axial form of this disease (AxSpA). Genome-wide association studies (GWAS) have identified genetic loci associated to SpA disease susceptibility. GWAS also have provided evidence of a key role for immune signalling pathways in the pathogenesis of SpA, as many of the identified loci map to immune genes. In particular, GWAS have suggested a role for the interleukin-23/interleukin-17 (IL-23/IL-17) axis in the pathogenesis of several CIDs. However, for most associated loci, the mechanism by which they affect pathogenesis and the immune cell populations in which they act are still not known. The goal of this project is to understand the molecular mechanisms of the disease pathogenesis by studying immune cell function and response to biologics in SpA.To understand the role of susceptibility loci in CIDs we designed an nCounter® gene expression panel (NanoString Technologies): the Autoimmune Discovery Consortium Panel. This panel was created utilising the reported loci from GWAS in 9 CIDs, with the addition of several immune genes, such as cytokine and chemokine genes. We used this panel to determine the expression pattern of “GWAS genes” in immune cell populations isolated from 50 axial SpA (AxSpA) patients. The cell-type-specific gene expression profiles were then correlated with the patient genotype to identify expression quantitative trait loci (eQTLs). Gene expression analysis showed that ~80% of genes associated with CIDs were expressed in T cell subsets (CD4+ and CD8+, under resting and activated states), implicating their role in disease. The eQTL study revealed a genomic region on chromosome 11, including SNPs that affect the expression of cathepsin W (CTSW), a lysosomal peptidase implicated in cytotoxic activity in CD8+ T cells. Furthermore, we demonstrated that transcription factor NFATC2 (Nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic 2) binds in an allele-specific manner to the eQTL rs12225345, supporting its role in CTSW regulation in T cells. These data illustrate how allele-specific binding of transcription factors could contribute to the regulation of disease-associated genes, and may play a role in the pathogenesis of the disease.In the second part of this project, we studied the molecular mechanism of AxSpA pathogenesis and the impact of biologics (TNF inhibitors, TNFi) on immune responses of AxSpA patients. To study the role for the IL-23/IL-17 axis in the pathogenesis of AxSpA, we have characterised the immune cells that produce IL-17A in AxSpA patients. We compared the IL-17 production capacity of cell subsets of the innate (MAIT, γδT, and neutrophils) and adaptive (CD4+ and CD8+ T-cells) arms of the immune system. We identified MAIT cells as the main producers of IL-17 in AxSpA. We also observed that both innate and adaptive lymphocytes express genes belonging to the IL-23/IL-17 pathway and genes previously associated with SpA susceptibility. To understand the mechanism of action of TNF blockade in axSpA patients, we investigated the effect of TNFi on immune responses to microbial and pathway-related stimuli. We demonstrated that anti-TNF therapy induced profound changes in patients’ innate immune responses, but has minor effects on Th1/Th17 immunity. Additionally, we observed that TNFi affect the NFκB transcriptional network – an important regulatory network for innate immune response genes. We also reported that TNFi steers monocytes/macrophages towards an M2-like profile, which may be an important factor in the regulation of inflammatory responses.


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