CHAPITRE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
I. 2.2.1.2 Les PRR (Pattern Recognition Receptors)
L’initiation de la réponse immunitaire innée repose sur la reconnaissance des agents
pathogènes qui expriment spécifiquement des motifs moléculaires conservés, nommés
PAMPs ou MAMPS (Pathogen/Microbial Associated Molecular Patterns) [12,42]. Les
PAMPs, présents chez les micro-organismes correspondent par exemple aux acides
nucléiques, aux lipopolysaccharides (LPS) présents dans la paroi des bactéries
Gram-négatives, à l’acide lipotéichoïque (LTA) ou aux peptidoglycanes contenus dans la paroi des
bactéries Gram positives, ou encore aux glucanes et mannanes associés aux parois de
champignons. Les PAMPs sont reconnus par les phagocytes grâce un ensemble de récepteurs,
les PRRs (pour Pattern Recognition Receptors). Les PRRs sont communément exprimés par
les phagocytes et les cellules dendritiques, mais également par de nombreux types cellulaires
comme les lymphocytes, les cellules épithéliales ou endothéliales. En plus des PAMPs, les
PRRs peuvent également reconnaitre diverses molécules endogènes qui sont autant de signaux
d’alerte lors de dommages cellulaires tels que les alarmines sécrétées par la lyse des cellules
infectées ou par les leucocytes des épithéliums ainsi stimulés [43,44]. Les alarmines associées
aux PAMPs constituent les DAMPs (Damaged Associated Molecular Patterns) et jouent un
rôle important dans l’induction de la réponse inflammatoire, la survie et l’homéostasie de
l’hôte notamment grâce à leurs propriétés chimiotactiques et antimicrobiennes. Le Tableau I-2
présente une liste non exhaustive des alarmines et leurs fonctions.
Tableau I-2: Les principales alarmines et leurs propriétés fonctionnelles [43].
La présence d’un point indique que le critère est rempli, son absence indique que la donnée n’est pas connue. a Le résultat positif signifie que la molécule est produite par les cellules nécrotiques mais pas par les cellules apoptotiques. 1. A faible concentration, S100B est neurotrophe mais pro-apoptotique à forte concentration. 2. Neurotrophe. 3. Libéré par les neutrophiles lors de la dégranulation.
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Les PRRs regroupent plusieurs familles de récepteurs, notamment les récepteurs Toll-like
(TLRs), les Lectines de type C (CLRs), les récepteurs NOD-like (Nucleotide Oligomerization
Domain-like receptors ou NLRs) et les récepteurs scavenger (SR) [44].
Les récepteurs TLRs sont les premiers PRRs à avoir été identifiés. Initialement mis en
évidence chez la drosophile, le TLR4 fut d’abord décrit comme le récepteur essentiel du
développement dorso-ventral de l’embryon avant d’être identifié comme inducteur de gènes
impliqués dans la réponse inflammatoire [45–47], la déficience de TLR4 étant liée à l’absence
de réponse au LPS [48]. Les TLRs constituent actuellement le groupe de PRRs le mieux
caractérisé et sont capables de reconnaitre un large panel de PAMPs [12,44,49]. Ils
appartiennent à une grande famille de 10 récepteurs dans l’espèce humaine de TLR1 à
TLR10, et 12 récepteurs de TLR1 à TLR13 chez la souris, le TLR10 étant un pseudo-gène
[44,50]. Les TLRs sont spécifiques des agents microbiens et peuvent distinguer les PAMPs
dérivés de virus, de bactéries, de parasites, de mycobactéries ou encore de champignons
(Tableau I-3).
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Certains TLRs sont exprimés à la surface des cellules sur la membrane cytoplasmique, et sont
spécialisés dans la reconnaissance des composés des parois microbiennes (TLR1, TLR2,
TLR4, TLR5, TLR6 et probablement TLR11 et TLR12 murins, et TLR10 humain) alors que
d’autres tels que TLR3, TLR7, TLR8 et TLR9 sont exprimés sur la membrane des vésicules
intracellulaires et reconnaissent les acides nucléiques [42,49,51–53]. Plus particulièrement,
TLR1, TLR2 et TLR6 se lient aux lipoprotéines, TLR4 aux lipopolysaccharides (LPS)
bactériens (endotoxines), TLR5 à la flagelline alors que TLR3 reconnait les ARN
double-brins (ds), TLR7 et TLR8 les ARN simple-brin (ss) et TLR9 l’ADN contenant des motifs
CpG (Tableau I-3) [49]. Récemment il a été montré que TLR11, fonctionnellement similaire à
TLR5 mais exprimé à la surface des cellules, était également présent dans les compartiments
cellulaires [50]. Chez la souris, on considère que TLR13 est également exprimé dans les
endosomes, bien que son ligand n’ait pas encore été formellement identifié [52].
Les vésicules intracellulaires des macrophages et des autres cellules immunitaires sur
lesquelles les TLR3, TLR7, TLR8 et TLR9 sont exprimés, sont constituées du réticulum
endoplasmique, des endosomes, des lysosomes et endolysosomes [52]. Ces TLRs
intracellulaires, qui reconnaissent spécifiquement les acides nucléiques requièrent
l’internalisation préalable des virus et autres agents pathogènes. En revanche, les acides
nucléiques présents dans l’environnement extérieur de la cellule sont rapidement détruits et
éliminés par des nucléases de façon indépendante des TLRs et sans pénétrer dans ces
vésicules. Ainsi la localisation intracellulaire de ces TLRs relève d’une importance capitale
dans la discrimination et l’évitement des acides nucléiques de l’hôte, dont la reconnaissance
serait à l’origine de l’initiation de processus auto-immuns [42].
Les TLRs forment principalement des homodimères mais aussi quelques hétérodimères. Par
exemple, TLR2 est capable de s’associer avec TLR1 ou TLR6 et de reconnaitre ainsi une plus
grande diversité de molécules [54].
Le rôle des TLRs dans la reconnaissance des alarmines a été mis en évidence plus récemment
avec notamment l’interaction de TLR2 et TLR4, avec HMGB1, S100 ou HSP70 [49,55,56] ou
encore celle de TLR9 avec HMGB1 [57,58].
Les TLRs sont des molécules transmembranaires de type I qui possèdent un domaine
extracellulaire de reconnaissance des PAMPs, constitué de nombreux motifs riches en
leucines (LRR), un domaine transmembranaire et un domaine de transduction du signal
intra-cytoplasmique (TIR, Toll-IL-1 Receptor), qui active les voies de signalisation en aval [50,59].
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A l’issue de la liaison avec les PAMPs correspondants, les TLRs recrutent une ou plusieurs
molécules adaptatrices spécifiques qui vont engendrer un signal intracellulaire incluant des
voies de phosphorylation, d’ubiquitinylation ou d’interactions protéine-protéine (Figure I-8).
Tous les TLRs, à l’exception de TLR3 activent des voies de signalisation impliquant MyD88
(Myeloïd Differentiation Factor 88) en association avec TIRAP (TIR-domain containing
Adaptor Protein ou MAL) et IRAK (IL-1 Receptor-Associated Kinase), aboutissant à
l’activation des facteurs de transcription NFκB (Nuclear Factor-κB, après translocation de IκB
du cytoplasme vers le noyau) et AP-1 (Activator Protein-1), et des MAP kinases
(Mitogen-Activated Protein) [50,52,59–61]. Cette cascade aboutit à la production de cytokines
pro-inflammatoires telles que TNFα (Tumor Necrosis Factor α), IL-6 ou IL-1β (Interleukine-6 ou
-1β).
Cependant, TLR3 et TLR4 utilisent une voie de signalisation qui est indépendante de MyD88,
et qui repose sur le recrutement de la protéine adaptatrice TRIF (TIR-domain-containing
adaptor protein inducing interferon-β ou TICAM-1) qui induit la translocation d’IRF3
(IFN-Regulatory Factor 3) vers le noyau. Cette voie est responsable de la production d’IFN
(Interféron) de type 1 qui peut bloquer la réplication virale [62]. L’activation de cette voie
alternative a été montrée grâce à des souris déficientes pour MyD88, chez lesquelles la
stimulation via les récepteurs TLR3 et TLR4 ne modifie pas la production d’IFN-β [63].
TLR4 est le seul TLR qui recrute quatre protéines adaptatrices en activant deux voies de
signalisation distinctes : MyD88-dépendante et TRIF-dépendante, avec des cinétiques
différentes [50]. TLR4 recrute MyD88, TIRAP et IRAK (puis TRAF6) conduisant à
l’activation précoce de NFκB et des MAP kinases. TLR4 subit ensuite une endocytose et
forme un complexe avec TRAM (TICAM-2) et TRIF à la surface d’une vésicule
intracellulaire qui induit la phosphorylation d’IRF3 (par TRAF3), qui est responsable de la
synthèse d’IFN-β [64]. TRAM-TRIF recrute également TRAF6 déclenchant une activation
tardive de NFκB et des MAP kinases [65,66].
La réponse inflammatoire induite par les TLRs varie donc selon le type de TLRs engagé et les
molécules adaptatrices recrutées (Figure I-8). Par exemple, les lipoprotéines bactériennes
reconnues par TLR2 sont à l’origine de la production de TNFα via NFκB par le macrophage
[47] alors que la liaison LPS/TLR4 active à la fois NFκB et IRF3 entrainant la production
d’IFN-β [63,67].
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Figure I-8: Les voies de signalisation des TLRs [50].
L’engagement des TLRs induit des voies d’activation distinctes ou similaires dans un nombre varié de types cellulaires tels que les macrophages (MP), les cellules dendritiques conventionnelles (cDC), les DC plasmacytoïdes (pDC), les DC de la lamina propria (LPDC) ainsi que dans les monocytes inflammatoires (iMO). La reconnaisance des PAMPs engendre des changement conformationnels des TLRs qui favorisent des interactions d’homodimérisation ou d’hétérodimérisation des récepteurs puis le recrutement de protéines adaptatrices spécifiques telles que MyD88, TIRAP, TRIF ou encore TRAM. La cascade de signalisatio induite permet la translocation nucléaire d’un ou plusieurs facteurs de transcription selon différentes cinétiques, responsable de la production de cytokines inflammatoires ou d’IFN de type I. La réponse inflammatoire déclenchée par liaison TLRs/PAMPs dépend de chaque TLR engagé.
Un agent pathogène est généralement composé d’une multitude de PAMPs, qui peuvent
activer plusieurs PRRs de manière simultanée. De plus, un même PRR peut reconnaitre
plusieurs PAMPs. Il existe donc une forte redondance de ce système de reconnaissance. Il
n’est donc pas surprenant que dans une approche globale, il existe des collaborations entre les
différents TLRs mais aussi entre les TLRs et d’autres PRRs [60]. Les TLRs, en concert ou
non avec les autres PRRs orchestrent à la fois des réponses spécifiques contre les agents
pathogènes et des réponses spécifiques de chaque type cellulaire en fonction du répertoire de
PRRs exprimés [50,61].
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La collaboration entre différents récepteurs permet de diminuer la probabilité que la
reconnaissance d’un agent échappe au système immunitaire comme par exemple à la suite
d’une stratégie d’évasion parmi celles développées par les agents pathogènes, afin de
contourner la variabilité génétique de l’hôte ; elle permet également d’établir une réponse
adaptée au type pathogène rencontré [61]. Par exemple, TLR4 et TLR7 collaborent pour
induire la production d’IL-12p70 alors qu’aucun de ces récepteurs stimulés seuls n’est
capables d’activer cette production (Figure I-9) [68]. Les cellules dendritiques ainsi activées,
favorisent le développement d’une réponse T-helper-1 (T
h1) plus marquée que celle permise
par chacun des TLRs pris isolément. Cette synergie concerne également d’autres cytokines
telles que IL-23, IL-10, IL-6, TNFα, IL-1β ou encore COX2 (Cyclooxygenase-2). Des
observations similaires ont montré l’efficacité de la collaboration TLR3/TLR7 qui favorise la
différenciation des lymphocytes T cytotoxiques par les cellules dendritiques [69]. Des effets
synergiques ont également été mis en évidence suite à la co-activation de TLR2 et TLR4,
notamment sur la production de TNFα, d’IL-6 ou de MIP-1α (Macrophage Inflammatory
Protein 1α) [70–72].
Si dans la plupart des cas, la collaboration de plusieurs TLRs amplifie la réponse
inflammatoire, il existe un phénomène de tolérance lorsque que la réponse inflammatoire est
excessive. On parle d’homotolérance lorsque la réponse suite à la stimulation d’un TLR avec
un ligand donné, qui conduit à la production de cytokine(s), est diminuée à la suite d’une
première stimulation avec le même ligand. L’hétérotolérance repose sur le même principe
excepté que la seconde stimulation est opérée avec un ligand de nature différente du premier
utilisé [60,73]. Par exemple, la co-activation de TLR3/TLR2 entraine une baisse de la
production de CXCL10 et d’IL-12p35 [74].
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Figure I-9: La collaboration entre les différents TLRs [61].
Alors que tous les TLRs stimulent la production de cytokines et de chimiokines inflammatoires via l’activation de NFκB, ils utilisent différentes protéines adaptatrices ce qui permet de promouvoir diverses réponses inflammatoires. La combinaison spécifique des TLRs (i.e. TLR4 + TLR7) favorise la production de cytokines (IL-12p70) alors que la stimulation individuelle de chaque récepteur n’induit que faiblement sa synthèse.
Les Lectines de type C (CLRs) sont une famille de plus de 1000 récepteurs solubles ou
transmembranaires divisés en 17 groupes selon leur phylogénie et leur structure, possédant un
ou plusieurs domaines lectine de type-C (CTLDs) caractéristiques [75]. Présents à la surface
des cellules, les CLRs participent comme les TLRs à la reconnaissance directe et indirecte des
composés microbiens [76]. En revanche, les CLRs (et certains TLRs) et leurs voies de
signalisation sont essentiels à l’immunité antifongique [77,78]. Bien qu’initialement décrits
comme ayant une activité calcium-dépendante, tous les membres de cette superfamille des
CLRs ne nécessitent pas de calcium ni même de ligand poly-osidique pour fonctionner [78].
Différents CLRs extracellulaires et transmembranaires incluant le récepteur mannose (MR,
MRC1 ou CD206), Dectin-1 (CLEC7A ou CD369), Dectin-2 (CLEC6A ou CLECSF10),
DC-SIGN (Dendritic cell specific ICAM-3-grabbing non integrin ou CD209 ou DC-SIGNR1 et
SIGNR3, leurs homologues murins) ainsi que les collectines (MBL pour Mannose-binding
lectin, SP-A pour surfactant protein A et SP-D pour surfactant protein D), représentés dans la
Figure I-10, sont impliqués dans la reconnaissance d’un large panel de poly-osides d’origine
fongique issus de nombreuses espèces causant des maladies chez l’homme (Tableau I-3).
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Figure I-10: Représentation structurale des CLRs [78].
La structure de Dectin-1, DC-SIGN, Mannose receptor, SP-D, MBL, SP-A, Dectin-2 et Fcγ est présentée sans échelle. MBL, SP-A et SP-D sont exprimés sous forme d’homo-oligomères. C, C terminal ; N, NH2 terminal ; Y, ITAM (immunoreceptor tyrosine-based activation motif).
Malgré la présence d’un domaine très conservé, les 1000 membres de la famille des CLRs
sont fonctionnellement très diversifiés et sont impliqués dans l’immunité innée mais aussi de
nombreux processus biologiques tels que l’adhésion cellulaire, la modélisation et la réparation
tissulaire, l’activation plaquettaire et celle du complément, l’endocytose et la phagocytose, la
régulation des cellules NK et l’homéostasie [75,78–80]. Cette grande variabilité fonctionnelle
repose probablement sur la capacité des CLRs à reconnaitre aussi bien des ligands exogènes
qu’endogènes, à l’origine de nombreuses interrogations quant à l’évolution de ces récepteurs
[81].
Les récepteurs Mannose (MR) et Dectin-1 sont particulièrement impliqués dans la défense
antifongique. Les mécanismes d’action en aval de ces récepteurs seront plus largement
abordés dans la section Interaction spécifique des BG et autres composants de la paroi de
levure avec le macrophage.
Brièvement, Dectin-1 possède un seul domaine lectin-like de type C en position
extracellulaire qui permet la reconnaissance des résidus osidiques (CTLD) et reconnait
essentiellement les β(1,3)-glucanes présents dans les parois cellulaires des plantes, des
champignons, des bactéries et des levures comme Candida albicans [82].
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Son domaine cytoplasmique contient un motif de type ITAM (ITAM-like motif ou
hem-ITAM pour immunoreceptor tyrosine-based activation) qui est capable d’induire un signal
médié par Syk et CARD9 (Spleen tyrosine kinase et CAspase Recruitment Domain 9) [76,83]
(Figure I-11). L’engagement de Dectin-1 par C. albicans ou le Zymosan extrait de
Saccharomyces cerevisiae (Sc) déclenche une multitude de réponses qui incluent la
maturation des DC, la phagocytose, l’explosion respiratoire (ou « burst oxydatif ») et la
production de cytokines pro- et anti-inflammatoires (TNFα, IL6, IL-23, CXCL2 et IL-10).
Dans les macrophages, il semblerait que la capacité de Dectin-1 à produire ce genre de
réponse requiert la co-stimulation par un des TLRs [84].
Le MR est caractérisé par la présence de huit CTLD qui reconnaissent les résidus mannose,
fucose et Nacétylglucosamide [85]. Etant donné sa complexité, il n’est pas surprenant que le
MR conduise à une grande variété de réponses cellulaires. Il est capable de favoriser la
reconnaissance de certains agents pathogènes en liant les antigènes mannosylés, tout comme
d’induire des processus homéostatiques comme par exemple la clairance de composés
endogènes ou l’adhésion cellulaire. En effet, en réponse à Pneumocystis et Cryptococcus
neoformans, MR active NFκB et la production de cytokines inflammatoires telles que
GM-CSF, IL-12, IL-6, ou IL1β alors qu’il peut également inhiber la synthèse de TNFα en réponse
à Pneumocystis [86]. MR peut ainsi être à l’origine de signaux opposés mais ne semble pas
jouer un rôle prépondérant dans la résistance aux infections fongiques [85].
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Les récepteurs NOD-like (NLRs) regroupent principalement 2 sous-familles de récepteurs
présents dans le cytoplasme : les récepteurs NOD (Nucleotide-binding Oligomerization
Domain) et les récepteurs NLRP ou NALP (NLRP : NOD, leucine rich repeat and pyrin
domain containing ; NALP : NACHT, LRR and PYD domains-containing protein), capables
de reconnaitre des PAMPS intracellulaires [87]. A ce jour, 32 membres de cette famille sont
répertoriés chez l’homme et au minimum 33 chez la souris. Bien que majoritairement
exprimés dans les cellules immunitaires, les NLR sont également présents dans les cellules
non immunitaires notamment les cellules épithéliales et les cellules mésothéliales. Les NLRs
sont caractérisés par leurs trois domaines :
- un domaine N-terminal d’interaction protéine-protéine qui peut être un domaine de
recrutement caspase (CARD : Caspase Recruitment Domain) pour les protéines NODs ou un
domaine de liaison à la pyrine (PYD : Pyrine Domain) pour les NLRPs,
- un domaine central NACHT nécessaire à l’oligomérisation
- et un domaine C-terminal LRR riche en leucine, comme pour les TLRs, capable de
reconnaitre les ligands microbiens ou les alarmines.
Bien que présentant une forte homologie de séquence, les NLRPs se distinguent par leur
signal de transduction qui active soit la voie NFκB (pour les récepteurs NODs) soit la
caspase-1, l’enzyme de maturation de l’IL-1β (pour les récepteurs NLRPs). Parmi les
récepteurs NODs, NOD1 et NOD2 furent découverts les premiers et sont donc les NLRs les
mieux décrits. Alors que NOD1 est exprimé quasi-universellement, l’expression de NOD2
reste réservée à certains types cellulaires, notamment les macrophages [88], les cellules
dendritiques [89], les kératinocytes et les cellules épithéliales de l’intestin. NOD1 et NOD2
sont activés par certains résidus de la dégradation des peptidoglycanes provenant des bactéries
Gram-positives et -négatives, dont le MDP (muramyl dipeptide) reconnu comme le ligand
spécifique de NOD2 [42,90]. NLPR3, également appelé NALP3 est le récepteur le plus décrit
de la famille des NALPs. La maturation de la pro-IL-1β cytoplasmique et inactive, synthétisée
en réponse aux signaux TLR requiert la formation d’un complexe protéique appelé
inflammasome, identifié en 2002 [91]. Ce complexe formé de la pro-caspase-1 (forme
inactive de la caspase-1), de NLRP3 (ou NLRP1) et de la protéine ASC (Apoptosis associated
Speck-like protein containing a CARD) est responsable de la maturation de la caspase-1,
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impliquée dans le clivage de la pro-IL-1β (et de la pro-IL-18) et donc dans la sécrétion de la
forme active de ces cytokines [92].
Bien que le MDP per se soit relativement peu activateur de la production de cytokines par le
macrophage, il s’avère que cette molécule amplifie significativement la production de
cytokine médiée par le LPS, de façon dépendante de CARD9, et en raison de l’activation de
NFκB [93] (Figure I-12).
Cette réponse synergique entre NOD2 et TLR4 a été bien montrée pour la synthèse protéique
de TNFα, IL-6 et IL-12. L’amplification du signal NOD/TLR ne concerne pas seulement
TLR4 mais peut être étendue à d’autres TLRs, et notamment à TLR2 et TLR3. En effet,
plusieurs études utilisant des monocytes humains, ont mis en évidence les effets synergiques
de NOD1 avec TLR2, 6, 5, 7/8 pour la production de TNFα, IL-6, IL-10, GM-CSF [94], et
NOD2 avec TLR2 et TLR3 pour l’induction de TNFα, IL-10 et IL-1β [95].
Figure I-12: La collaboration NOD/TLRs [61].
Tout comme les TLRs, les protéines NODs activent la production de cytokines/chimiokines pro-inflammatoires grâce à l’activation de NFκB et suite à l’activation de RIP2 (ou RICK). La co-activation TLR/NOD induit une production de cytokine et de chimiokine plus intense que celle permise par l’activation d’un seul récepteur. NOD2 active les MAPKs grâce à l’interaction avec CARD9, nécessaire à l’induction d’une sécrétion cytokinique efficiente médiée par NOD2.