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Fonction thymique et auto-immunité
La revue de médecine interne 25 (2004) 562–572 www.elsevier.com/locate/revmed
Mise au point
Fonction thymique et auto-immunité Thymus function and autoimmunity B. Puissant Laboratoire d’immunologie, hôpital Rangueil, 1, avenue Jean-Poulhès, TSA 50032, 31059 Toulouse cedex 9, France Reçu le 26 août 2003 ; accepté le 22 décembre 2003 Disponible sur internet le 03 février 2004
Résumé Propos. – Le thymus est l’organe de maturation des lymphocytes T. Il joue un rôle fondamental dans l’induction de la tolérance au soi, en permettant la destruction intrathymique des lymphocytes T autoréactifs (sélection négative) et la maturation de lymphocytes T régulateurs. Des anomalies de la sélection thymique de ces deux types de lymphocytes T sont responsables de la survenue de maladies auto-immunes. Actualités et points forts. – La délétion thymique des lymphocytes T autoréactifs nécessite l’expression thymique des antigènes du soi, que ceux-ci soient ubiquitaires ou spécifiques d’organes. L’expression thymique de certains antigènes est sous la dépendance du gène AIRE. Des mutations de ce gène sont associées à des troubles d’expression des autoantigènes au niveau thymique, à un défaut de présentation des peptides antigéniques par les cellules présentatrices ou encore à des troubles de l’apoptose. Ces mutations peuvent être à l’origine d’une sélection négative défectueuse des lymphocytes T autoréactifs et sont associées à la survenue de maladies auto-immunes. Des données récentes permettent de mieux comprendre les mécanismes de la maturation thymique des lymphocytes T régulateurs qui ont une spécificité autoréactive. Ces lymphocytes T régulateurs ont été caractérisés récemment par l’expression du gène Foxp3, qui serait un marqueur plus spécifique que les marqueurs phénotypiques utilisés jusqu’alors. Perspectives. – Des modèles animaux montrent que l’administration de lymphocytes T régulateurs ou l’injection intrathymique d’antigène permettent d’induire une tolérance immunologique dans le cadre de la greffe de moelle, de la transplantation d’organes et de maladies auto-immunes. De telles stratégies thérapeutiques pourraient être envisagées chez l’homme. © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. Abstract Purpose. – Thymus is the site of T-cell development and is essential for the induction of self-tolerance, by deletion of autoreactive T lymphocytes (negative selection) and by generation of regulatory T cells. Defect of the selection mechanism of both types of lymphocytes lead to autoimmune diseases. Current knowledge and key points. – Elimination of potentially self-reactive T cells in the thymus requires the intrathymic expression of ubiquitous and “tissue-specific” antigens. Some thymic antigen expressions are dependant on AIRE expression. Mutations in the AIRE gene that are associated with the absence of autoantigen expression in the thymus, defects in the peptide presentation or in apoptosis can allow autoreactive T cells to escape negative selection, and are associated with autoimmune diseases. Recent data are now available concerning the thymic selection of autoreactive regulatory T cells. The Foxp3 gene was recently shown to be predominantly expressed in regulatory T cells and could be a more specific marker of regulatory T cells than phenotypic markers. Future prospects and projects. – Animal models show that regulatory T cells injection or intrathymic inoculation of antigen lead to immunological tolerance in autoimmunity and transplantation. These novel strategies could be used in human. © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. Mots clés : Thymus ; Lymphocytes T ; Lymphocytes T régulateurs ; Sélection ; Auto-immunité Keywords: Thymus; T lymphocytes; Regulatory T cells; Selection; Autoimmunity
Adresse e-mail : [email protected] (B. Puissant). © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.revmed.2003.12.017
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1. Introduction Le thymus est un organe lymphoépithélial siège de la maturation et de la sélection des lymphocytes T. C’est un organe lymphoïde central, où la prolifération lymphocytaire est indépendante des stimulations antigéniques exogènes et qui est dépourvu de follicules lymphoïdes chez l’individu sain. Il est colonisé par les précurseurs des lymphocytes T, mais aussi par d’autres cellules d’origine hématopoïétique telles que les macrophages et les cellules dendritiques. Les cellules épithéliales forment, avec le tissu conjonctif, le stroma thymique, qui joue un rôle fondamental dans le développement des lymphocytes T. Le thymus est également un organe endocrine dont les cellules épithéliales sécrètent des hormones telles que la thymosine, la thymuline et la thymopoïétine, qui participent à la maturation fonctionnelle des lymphocytes T. Le thymus involue dès les premières années de la vie. Ses fonctions dans la maturation des lymphocytes T déclinent lentement mais elles persistent jusqu’à un âge avancé [1]. Le rôle déterminant du thymus dans la maturation des lymphocytes T a été mis en évidence par des expériences de thymectomie néonatale chez la souris. L’exploration des athymies congénitales chez l’animal (mutation nude chez la souris et le rat) et chez l’homme (syndrome de Di-George), au cours desquelles on observe une absence de lymphocytes T dans le sang et les organes périphériques, a permis de confirmer ce rôle. Néanmoins, une maturation extrathymique de lymphocytes T a été caractérisée chez la souris, notamment dans le foie et l’intestin [2], elle existe chez l’homme à un stade fœtal ou embryonnaire [3]. Il a fallu attendre les expériences de Zinkernagel et Doherty en 1975 pour comprendre le rôle du thymus dans l’induction de la restriction allogénique par la sélection positive [4]. Son implication dans les phénomènes de tolérance naturelle au soi par l’élimination des lymphocytes immatures autoréactifs par sélection négative a été décrite plus tardivement par Marrack en 1987 [5]. Ce n’est que tout récemment que le thymus a été reconnu également comme siège de la maturation des lymphocytes T régulateurs [6,7]. En réponse à leur antigène spécifique, ces lymphocytes inhibent les réponses immunitaires, et en particulier celle des lymphocytes autoréactifs qui n’ont pas été éliminés par la sélection négative.
2. La maturation intrathymique des lymphocytes T effecteurs Les précurseurs des lymphocytes T sont à un stade très immature lorsqu’ils colonisent le thymus : ils n’expriment pas le récepteur T à l’antigène (TCR) ni les marqueurs membranaires CD3, CD4, CD8 [8]. Leur maturation s’effectue en plusieurs étapes.
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2.1. Le réarrangement des gènes du récepteur T (TCR) et l’expression du TCR Les thymocytes réarrangent les gènes de leur récepteur T pour constituer des séquences protéiques très variables dont dépend la spécificité antigénique du TCR [9]. Ce mécanisme de diversification combinatoire permet de générer un répertoire très diversifié de lymphocytes T exprimant chacun un TCR particulier. Le TCR est constitué de deux chaînes protéiques, soit a et b, soit c et d. La majorité des thymocytes (80–95 %) s’engage dans la lignée ab et, au cours du réarrangement des gènes du TCR, va déléter le locus codant pour les chaînes d sous forme d’ADN circulaire. Cet ADN circulaire est appelé TREC (TCR rearrangment excision circle) et sa structure est identique dans plus de 70 % des lymphocytes T ab [10]. Douek et al. ont exploité ce phénomène en décrivant une technique d’amplification en chaîne (PCR) quantitative en temps réel permettant la quantification des TRECs [11]. La fréquence des lymphocytes T périphériques possédant des TRECs dépend de la quantité de cellules ab provenant du thymus mais aussi de la division des lymphocytes en périphérie [10]. En effet, cet ADN circulaire, incapable de se répliquer, n’est transmis qu’à une seule cellule fille sur les deux générées et chaque division cellulaire dilue le signal [10,11]. Les TRECs ont été largement étudiés dans le cadre de l’infection par le VIH et de la greffe de cellules souches hématopoïétiques, mais également dans les pathologies autoimmunes. Ces études mettent en évidence une diminution des TRECs en périphérie chez les patients atteints de polyarthrite rhumatoïde (PR), de sclérose en plaques (SEP) et de myasthénie en l’absence de thymome [12–15]. Cette diminution des TRECs est associée à une prolifération accrue des lymphocytes T dans la PR [15] mais pas dans la SEP [13]. Cela laisse à penser que dans la SEP, la diminution des TRECs en périphérie est due davantage à une diminution de la production thymique qu’à une prolifération cellulaire en périphérie. Les patients atteints de myasthénie avec thymome présentent en périphérie une quantité accrue de lymphocytes T TREC+ par rapport aux sujets sains et aux sujets présentant une myasthénie sans thymome [12]. 2.2. La sélection des lymphocytes T effecteurs Après le réarrangement des gènes du TCR, les thymocytes sont capables d’exprimer à leur membrane ce TCR et vont subir une double sélection fondée sur l’interaction de leur TCR avec les complexes CMH–peptide (complexe majeur d’histocompatibilité) des cellules les entourant [8]. Le TCR se lie à la fois au peptide antigénique et au CMH qui le présente. Pour des raisons didactiques, les sélections positive et négative sont présentées séparément mais elles ont vraisemblablement lieu simultanément. Les mécanismes de sélection des lymphocytes T régulateurs sont complexes et encore controversés.
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2.2.1. La sélection positive des lymphocytes T effecteurs La sélection positive assure la restriction au CMH et repose sur l’interaction du TCR avec les complexes CMH– peptide des cellules épithéliales du cortex thymique. Seuls les thymocytes reconnaissant les molécules du CMH du soi reçoivent un signal de survie et poursuivent leur maturation, alors que les autres ne reçoivent pas ce signal et meurent par « négligence » (Fig. 1). Il faut noter que la nature des peptides présentés par le CMH dans le cortex au cours de la sélection positive est différente de celle des peptides présentés dans la médullaire au cours de la sélection négative : ce sont principalement des peptides du soi qui ont une forte homologie structurale avec des peptides étrangers et présentent une faible affinité pour le CMH [8]. Les complexes CMH–peptides ont donc une faible stabilité, et la reconnaissance de tels complexes ne pourra se faire que par des thymocytes dont le TCR présente une forte affinité pour le complexe. Ces propriétés permettent la sélection de lymphocytes T dont le TCR présente une affinité suffisante pour le complexe CMH– peptide [8]. 2.2.2. La sélection négative des lymphocytes T effecteurs La sélection négative élimine les lymphocytes T autoréactifs présentant une trop forte affinité pour les antigènes du soi. Elle repose sur l’interaction du TCR avec les complexes CMH–peptide des CPA (cellules présentatrices d’antigène)
de la jonction corticomédullaire du thymus (cellules endothéliales, cellules dendritiques, macrophages mais aussi cellules épithéliales médullaires). Cette tolérance centrale nécessite l’expression thymique des antigènes du soi (les antigènes d’expression ubiquitaire mais aussi les antigènes spécifiques d’organes) ou l’entrée de ces antigènes par le sang ou la lymphe [16]. La majorité des autoantigènes est ainsi exprimée dans le thymus [17]. En conclusion, les thymocytes qui interagissent de manière efficace avec le CMH (sélection positive), mais qui ne reconnaissent pas les complexes CMH–peptide avec une trop forte affinité (sélection négative si c’est le cas), poursuivent leur maturation et se différencient en lymphocytes T CD4+ ou en lymphocytes T CD8+ (selon qu’ils ont interagi respectivement avec une molécule CMH de classe II ou de classe I), qui migreront dans la circulation périphérique et les organes lymphoïdes secondaires. La sélection négative n’est cependant pas efficace à 100 %, et des lymphocytes T autoréactifs sont présents dans le sang circulant chez l’homme et les animaux sains, sans pour autant qu’il y ait développement de pathologies autoimmunes. L’activité de ces lymphocytes T autoréactifs est en effet contrôlée en périphérie par plusieurs mécanismes [16], dont certains reposent sur l’action de lymphocytes T dits régulateurs [7] qui préviennent l’apparition de pathologies auto-immunes.
Fig. 1. Devenir des thymocytes en fonction de l’affinité de leur TCR pour le complexe CMH–peptide. Les thymocytes 2, 3 et 4 sont sélectionnés positivement dans le cortex car leurs TCR reconnaissent les complexes CMH–peptide des CPA. Ils subiront (thymocyte 4) ou pas (thymocyte 2) une sélection négative dans la médullaire. Le cas des lymphocytes T régulateurs (3) est encore à l’étude [23].
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3. Les lymphocytes T régulateurs Le concept de lymphocytes T régulateurs, initialement baptisés suppresseurs, a émergé dans les années 1970, mais ce n’est que récemment que le phénotype, les fonctions et la sélection de ces cellules ont été décrits, à la lumière des technologies disponibles [18]. Différentes populations de lymphocytes T régulateurs ont été identifiées. Deux populations de lymphocytes T régulateurs peuvent être générées par diverses stimulations du système immunitaire en périphérie (indépendamment du thymus) : les lymphocytes TR1 et les lymphocytes TH3 [19,20]. Une autre population exprimant spontanément la molécule CD25 (chaîne a du récepteur à l’IL-2, qui n’est exprimée sur les lymphocytes T effecteurs qu’après leur activation) jouerait un rôle prédominant dans la fonction régulatrice. Ces lymphocytes T sont CD4+CD25+ et dépendent du thymus pour leur maturation [6,7]. On ignore actuellement s’il existe une filiation entre les lymphocytes T régulateurs issus du thymus et ceux issus de manipulation du système immunitaire. Nous nous intéresserons ici aux lymphocytes T régulateurs d’origine thymique. 3.1. Propriétés des lymphocytes T régulateurs Ils présentent un phénotype de lymphocytes T activés (CD4+CD25+), mais s’en distinguent par leurs fonctions et par le caractère constitutif de l’expression de CD25 [21]. L’expression de Foxp3, un gène découvert récemment, cons-
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tituerait un marqueur spécifique des lymphocytes T régulateurs [22]. Le lymphocyte T régulateur CD4+CD25+ exerce son activité suppressive après reconnaissance par son TCR de l’antigène dont il est spécifique (fréquemment un autoantigène). Contrairement aux lymphocytes T effecteurs, les lymphocytes T régulateurs ont un répertoire principalement autoréactif et ne prolifèrent pas après stimulation par leur antigène spécifique (ils sont anergiques) [23,24]. Une fois activés, ils inhibent la prolifération de lymphocytes T effecteurs dans leur environnement immédiat, et ce, que la spécificité antigénique de ces lymphocytes T effecteurs soit ou non la même que celle du lymphocyte T régulateur (Fig. 2). Cet effet suppresseur–régulateur s’exerce à la fois sur les lymphocytes T CD4+ et les lymphocytes T CD8+, y compris après stimulation allogénique [21]. Le modèle de la tolérance infectieuse (Infectious tolerance) fait l’hypothèse que la tolérance pourrait être transférée en périphérie d’un lymphocyte T régulateur à un lymphocyte T effecteur, qui deviendrait lui-même régulateur [7]. Les lymphocytes T régulateurs pourraient également inhiber la surexpression de molécules de costimulation par les CPA, qui est nécessaire à l’activation des lymphocytes T effecteurs [25]. La forte affinité de leur TCR et l’expression de nombreuses molécules accessoires d’adhésion et de costimulation (CD5, CD11a/CD18, CD54, CD62L et CTLA-4) par les lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+, leur permet d’être activés en présence d’une concentration d’antigène plus fai-
Fig. 2. Mécanisme d’action des lymphocytes T régulateurs. Après activation par l’antigène dont il est spécifique, le lymphocyte T régulateur (TR) inhibe la prolifération d’un lymphocyte T effecteur de même spécificité antigénique (T eff a), mais aussi de lymphocytes T effecteurs de spécificité antigénique différente (T eff b). Le lymphocyte T régulateur pourrait également inhiber la surexpression de molécules de costimulation par la CPA.
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ble que celle stimulant la prolifération des lymphocytes effecteurs [21]. Ces molécules favorisent le contact du lymphocyte T régulateur CD4+CD25+ avec le lymphocyte T effecteur autoréactif et la CPA qui présente l’autoantigène. Ce contact est indispensable à la fonction régulatrice (Fig. 2) [20]. Les lymphocytes T régulateurs expriment constitutivement le CTLA-4 qui transmet un signal inhibiteur aux lymphocytes T effecteurs activés (atténuant ainsi les réponses T), mais qui transmettrait un signal activateur aux lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [21]. CTLA-4 est nécessaire à la fonction suppressive des lymphocytes T régulateurs et son blocage in vitro abolit cette fonction et induit l’apparition de pathologies autoimmunes [21]. En conclusion, les caractéristiques principales des lymphocytes T régulateurs d’origine thymique sont : la fonction suppressive, l’anergie, l’expression constitutive des molécules CD25 et CTLA-4, l’expression de Foxp3. 3.2. Rôle du thymus dans la maturation des lymphocytes T régulateurs Plusieurs éléments sont en faveur de la localisation thymique de la maturation des lymphocytes T régulateurs. Chez l’homme et la souris, les thymocytes matures CD4+ CD25+CD8– sont anergiques, exercent une activité suppressive in vitro et ont une expression membranaire de molécules « accessoires » identique à celle des lymphocytes T régulateurs isolés en périphérie [21,26,27]. De plus, le transfert de thymocytes immatures CD4+CD8+ déplétés en CD25 entraîne des pathologies auto-immunes chez la souris nude [18,21]. La quasi-totalité des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs sont ainsi issus d’une différenciation intrathymique et apparaissent à la périphérie dès le 3e jour après la naissance chez une souris normale. En conséquence, ces lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs sont considérablement diminués après thymectomie à j3 et cette diminution est associée à l’apparition de pathologies auto-immunes (thyroïdite, diabète...). Les molécules telles que CD28 et CTLA-4, et leurs ligands B7-1 et B7-2 (CD80, CD86), contribuent à la sélection des lymphocytes T régulateurs au niveau du thymus et à leur survie en périphérie [20,21]. Nous avons vu que les lymphocytes T régulateurs présentaient un répertoire autoréactif, ce qui soulève la question de leur développement dans le thymus en échappant à la sélection négative [23]. Plusieurs théories sont actuellement proposées. Une chose semble certaine : la sélection thymique des lymphocytes T régulateurs est fondée sur une affinité importante de leur TCR pour les complexes CMH–peptide ; cette affinité serait différente de celle des lymphocytes T effecteurs autoréactifs (Fig. 1) [18,19,28]. Pour certains auteurs, les lymphocytes T régulateurs représentent une lignée distincte des autres lymphocytes T, et maturent selon un processus différent de la sélection positive et négative [29].
Pour d’autres auteurs, la sélection thymique des lymphocytes régulateurs et effecteurs se fonderait sur des mécanismes identiques. Le développement thymique des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs requiert une plus forte affinité de leur TCR pour le complexe CMH–peptide que celle des lymphocytes T effecteurs (Fig. 1) [19,29]. Cette forte affinité se situe toutefois juste en dessous du seuil induisant une sélection négative, et conduit à l’anergie de ces cellules et non pas à leur délétion [23]. Cependant, la sensibilité des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs à la sélection négative n’est pas claire. Pour certains auteurs, les lymphocytes T régulateurs sont résistants à la délétion induite par des superantigènes [30,31] mais sensibles à la délétion médiée par les complexes CMH de classe II–peptide [30]. Dans ce dernier cas, le superantigène est un superantigène viral exprimé seulement dans la médullaire alors que le complexe antigène–peptide est exprimé à la fois dans la médullaire et le cortex. L’hypothèse avancée est que l’orientation vers le phénotype régulateur se ferait dans le cortex [30]. Pour d’autres auteurs, les lymphocytes T régulateurs sont potentiellement sensibles à la délétion induite par un large panel de superantigènes ainsi que par des peptides du soi présentés par des CPA professionnelles (cellules dendritiques ou macrophages). Leur génération dans le thymus serait fondée sur leur interaction avec des cellules présentant des peptides du soi et qui n’ont pas la capacité d’induire de délétion (cellules épithéliales corticales et médullaires) (Fig. 1) [23,32]. Ces différents travaux sont donc en faveur d’une orientation vers le phénotype régulateur au niveau du cortex thymique, où le rôle des cellules épithéliales dans la différenciation des lymphocytes T régulateurs a été établi [32,33]. 3.3. Maintien en périphérie des lymphocytes T régulateurs Les lymphocytes T régulateurs se maintiennent en périphérie tout au long de la vie où ils représentent 4 à 10 % des lymphocytes T CD4+ [19]. Ce maintien requiert une stimulation antigénique permanente [19]. Des travaux suggèrent également que leur expansion en périphérie implique les lymphocytes B, qui pourraient interagir avec les lymphocytes T régulateurs par l’intermédiaire des couples de molécules B7–CD28 ou CD40–CD40L [28]. L’IL-2 participe également à l’homéostasie des lymphocytes T régulateurs. Les souris déficientes en IL-2 ou en chaîne a (CD25) ou b du récepteur à l’IL-2 développent des pathologies autoimmunes létales [19].
4. Perturbations des fonctions thymiques et auto-immunité Les phénomènes auto-immuns peuvent résulter de la défaillance de la tolérance centrale et/ou périphérique. Nous n’envisagerons ici que les phénomènes impliquant le thymus et nous ne détaillerons pas les anomalies des lymphocytes T régulateurs à la périphérie. Nous évoquerons des pathologies
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auto-immunes impliquant deux gènes fondamentaux dans la physiopathologie thymique : Foxp3 et AIRE, puis nous nous concentrerons sur le cas particulier de la myasthénie. Enfin, nous nous intéresserons aux sélections positive et négative qui impliquent la reconnaissance par le TCR du complexe CMH–peptide, et dont la perturbation peut résulter d’anomalies touchant le TCR ou la formation du complexe CMH– peptide. 4.1. Maladies auto-immunes héréditaires monofactorielles Deux maladies autoimmunes mettent en jeu des déficits impliquant deux gènes fondamentaux dans la physiopathologie thymique : Foxp3 et AIRE. 4.1.1. Fox p3 Le gène Foxp3 est localisé sur le chromosome X et code un facteur de transcription. Il semble jouer un rôle fondamental dans le contrôle des phénomènes auto-immuns. Plusieurs mutations sur le gène Foxp3 ont été identifiées chez des patients atteints de troubles dysimmunitaires complexes, tel que l’IPEX (immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome), encore appelé XLAAD (X-linked autoimmunity-allergic dysregulation syndrome) [34]. Les sujets atteints sont des enfants de sexe masculin qui présentent une sensibilité particulière aux maladies autoimmunes et allergiques [35]. Le tableau clinique peut associer diarrhée, eczéma, anémie hémolytique, thrombopénie, diabète de type 1 ou hypothyroïdie. On note une infiltration des lymphocytes T dans la peau et le tractus gastro-intestinal [36]. Malgré un léger bénéfice des traitements substitutifs et immunosuppresseurs (corticoïdes et ciclosporine) chez les patients, le pronostic reste mauvais et la mort survient dans la majorité des cas dans les premières années de la vie [36]. Les souris dites « scurfy » souffrent de pathologies analogues et présentent également une lymphoprolifération associée avec une activation anormalement élevée des lymphocytes T CD4+ [34]. L’étude de ce modèle animal a permis de mettre en évidence le rôle essentiel de Foxp3 dans l’orientation et le développement thymique des lymphocytes T régulateurs. En effet, chez l’homme et la souris, l’expression de Foxp3 est quasiment restreinte aux populations lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+, à la fois dans le thymus et dans le sang périphérique. Les cellules CD4+CD25+ Foxp3+ exercent un pouvoir suppresseur sur la prolifération de cellules CD4+CD25–. La transfection de Foxp3 dans des cellules CD4+ naïves les transforment en cellules présentant le phénotype et les fonctions des lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [22,34]. L’expression de Foxp3 constitue donc un marqueur spécifique des lymphocytes T régulateurs, mais son rôle dans la survenue de pathologies auto-immunes reste à éclaircir. Un polymorphisme de microsatellite de Foxp3 (dit GT 15) est associé à une augmentation du niveau d’expression de Foxp3 et à une incidence accrue du diabète chez des Japonais
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[37]. Ce résultat est paradoxal et l’impact de Foxp3 doit être précisé. Il est possible que l’augmentation de l’expression de Foxp3 soit associée à une anomalie qualitative des lymphocytes T régulateurs. Cet anomalie qualitative, en association avec d’autres facteurs génétiques et environnementaux, pourrait induire un diabète [37]. 4.1.2. AIRE Des mutations du gène AIRE (AutoImmune REgulator) sont associées à une maladie autosomale récessive, la polyendocrinopathie–candidose–dystrophie ectodermale autoimmune (ou APECED pour autoimmune polyendocrinopathy–candidiasis–ectodermal dystrophy). La maladie débute habituellement par une candidose apparaissant dans l’enfance, associée à différentes maladies auto-immunes telles que la maladie d’Addison, l’hypoparathyroïdie, le diabète de type 1 et un dysfonctionnement des gonades. Le gène AIRE code un facteur de transcription qui est exprimé au niveau thymique, plus particulièrement dans les cellules impliquées dans la sélection négative (cellules épithéliales médullaires), mais aussi par des cellules dérivées des monocytes dans le thymus, et une sous-population cellulaire dans la rate, les ganglions et le foie fœtal [38]. La protéine AIRE est impliquée physiologiquement dans les mécanismes de sélection thymique et plus particulièrement dans la sélection négative des lymphocytes T autoréactifs. En effet, chez des souris transgéniques pour un TCR (spécifique d’un antigène pancréatique) et déficientes en AIRE, les lymphocytes T CD4+ spécifiques de l’antigène pancréatique échappent à la sélection négative. Cela n’est pas le cas chez les souris TCR-transgéniques et non déficientes en AIRE [39]. Anderson a montré, dans un modèle de souris déficiente en AIRE, que AIRE induit l’expression, par les cellules présentatrices thymiques, de protéines spécifiques de tissus de l’organisme. AIRE n’est cependant pas indispensable à l’expression thymique ectopique de toutes les protéines et l’expression thymique du GAD (glutamic acid decarboxylase) et de la protéine C réactive est maintenue chez les souris déficientes en AIRE. Au contraire, AIRE est nécessaire à l’expression thymique de l’insuline, de l’acide gras binding protein et de la protéine salivaire 1 [17]. Ainsi, l’impact de AIRE sur la sélection négative pourrait être en partie expliqué par son rôle dans l’expression thymique des antigènes spécifiques d’organes, qui permettent la délétion des lymphocytes T autoréactifs reconnaissant ces antigènes. Pitkanen a également émis l’hypothèse que AIRE interviendrait dans la sélection thymique en activant l’expression des molécules de costimulation, telles CD40, CD80 et CD86, qui sont indispensables à la maturation thymique des lymphocytes T [38]. L’implication de AIRE dans la production de lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ a également été évoquée puisque le déficit en AIRE et en lymphocytes T régulateurs provoque des manifestations auto-mmunes proches [38]. Cette hypothèse n’a pas été vérifiée et il ne semble pas y avoir de
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différence entre le taux circulant de lymphocytes T CD4+CD25+ chez les patients APECED et des témoins [38]. 4.2. Cas particuliers : myasthénie, lupus érythémateux disséminé et syndrome de Good La myasthénie représente un cas particulier en raison de sa fréquente association avec des anomalies thymiques et du rôle important du thymus dans sa pathogenèse. La myasthénie est due à la production d’autoanticorps dirigés contre le récepteur de l’acétylcholine, qui bloquent la transmission neuromusculaire. C’est une des rares maladies autoimmunes où le rôle pathogène des autoanticorps a été démontré. Le principal autoantigène, le récepteur de l’acétylcholine, est exprimé normalement dans le thymus par les cellules stromales et hématopoïétiques. Le rôle du thymus dans la pathogenèse de cette maladie à lymphocytes B autoréactifs semble avéré. L’architecture du thymus est perturbée chez les patients atteints de myasthénie : les cellules épithéliales médullaires sont hypertrophiées et infiltrées par des zones contenant des lymphocytes T matures, dont la structure évoque les zones T des ganglions lymphatiques, et par des centres germinatifs contenant des lymphocytes B [40]. Des lymphocytes T autoréactifs ainsi que des lymphocytes B sécrétant des autoanticorps sont présents dans le thymus [41]. Leur génération pourrait être due à l’expression du récepteur de l’acétylcholine par des cellules dans ces structures « aberrantes » mais aussi par des cellules myoïdes, qui sont des cellules stromales présentant une différenciation musculaire [40]. Des anomalies de sélection pourraient être impliquées dans la pathogenèse de la myasthénie, car des troubles de l’apoptose thymique sont décrits chez les patients et sont corrélés à la progression clinique de la maladie [42]. Les anomalies thymiques qui peuvent être associées à la myasthénie sont l’hyperplasie folliculaire thymique dans 65 % des cas, ou le thymome (tumeur épithéliale) dans 10–15% des cas. Bien que le récepteur de l’acétylcholine soit exprimé dans le thymus hyperplasique et au sein du thymome [16], la thymectomie induit souvent une rémission de la maladie dans le cas de l’hyperplasie folliculaire thymique, mais pas dans le cas du thymome [43]. Dans le cas de l’hyperplasie folliculaire thymique, des lymphocytes T autoréactifs sont présents dans le thymus, ainsi que des lymphocytes B sécréteurs d’autoanticorps regroupés dans les follicules. Cela n’est pas le cas pour le thymome qui ne semble pas contenir de lymphocytes B sécréteurs d’autoanticorps : le titre d’autoanticorps ne diminue pas après thymectomie, ce qui expliquerait l’absence de bénéfice systématique de la thymectomie [43]. La pathogenèse est donc différente de celle de l’hyperplasie folliculaire et requiert une activation des lymphocytes B en périphérie : le thymome conserve ses propriétés fonctionnelles en ce qui concerne la maturation des lymphocytes T et le passage de lymphocytes T autoréac-
tifs intratumoraux en périphérie est une étape nécessaire permettant leur interaction avec les lymphocytes B autoréactifs. Une fois que la réaction auto-immune est initiée en périphérie, elle s’autoentretient [43]. Cependant, pour certains auteurs, au moins au début de la maladie, les cellules produisant les anticorps antirécepteur de l’acétylcholine sont localisées dans le thymome [44]. D’autres pathologies, telles que le lupus érythémateux disséminé ou l’hypogammaglobulinémie, peuvent également être associées à des anomalies thymiques. Ainsi, le thymome peut être associé à un lupus dans environ 2 % des cas, selon les séries étudiées. Une quarantaine d’associations ont ainsi été rapportées dans la littérature [45]. Dans 80 % des cas, la découverte du thymome précède ou est associée à celle du lupus [45]. Le plus souvent, comme pour la myasthénie associée à un thymome, la thymectomie n’a aucun effet chez ces patients, voire parfois un effet délétère avec une aggravation du lupus [45]. Le lupus peut également apparaître après la thymectomie. Historiquement, l’hypothèse que la thymectomie diminue le nombre de lymphocytes T régulateurs a été posée [46]. Cependant, la relation physiopathologique entre ces anomalies n’est pas claire, et on ne sait pas si le thymome constitue l’anomalie primaire ou l’inverse. Les altérations thymiques associées au thymome pourraient être responsables d’un défaut de lymphocytes T régulateurs et donc d’une augmentation de lymphocytes autoréactifs et d’autoanticorps en périphérie. Le syndrome de Good, qui a été décrit dès 1954, associe un thymome et une hypogammaglobulinémie entraînant des infections respiratoires récurrentes. Dix pour cent des hypogammaglobulinémies de l’âge adulte sont associées à un thymome, et 5 % des patients présentant un thymome développeront une hypogammaglobulinémie [47]. La physiopathologie de cette association reste encore méconnue. La présence de lymphocytes T autoréactifs dirigés contre les lymphocytes B a été décrite [48]. Des expériences « historiques » (menées dans les années 1970 et au début des années 1980) de coculture de lymphocytes normaux et de lymphocytes T de sujets atteints de syndrome de Good ont montré que chez certains patients, l’hypogammaglobulinémie est due à une anomalie des lymphocytes T régulateurs qui bloqueraient la maturation des lymphocytes B [49,50]. La thymectomie ne semble pas avoir d’effet sur l’hypogammaglobulinémie [47,51] et n’est indiquée que quand la prolifération du thymome devient plus menaçante pour le patient que son hypogammaglobulinémie [51]. Le traitement par immunoglobulines intraveineuses est préconisé le plus couramment. 4.3. Altération du répertoire affectant la sélection positive Certaines anomalies de la sélection positive sont étroitement liées au CMH des individus. On les observe notamment dans le diabète de type 1. Parmi les nombreux facteurs génétiques et environnementaux associés au diabète, on peut
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citer les molécules du CMH comme DQ2 et DQ8. Chez les sujets exprimant l’haplotype DQ8, les cellules épithéliales thymiques permettent la sélection de lymphocytes T de forte affinité pour les autoantigènes. Des perturbations de la présentation de certains peptides du soi par DQ8 aboutiraient d’une part à une anomalie de la sélection de lymphocytes T autoréactifs en trop grand nombre et, d’autre part, à un défaut de sélection des lymphocytes T régulateurs [52]. 4.4. Défaut de sélection négative Les causes d’échappement des thymocytes autoréactifs à la sélection négative peuvent être de plusieurs natures, qui ont été particulièrement explorées dans le cadre du diabète et de la sclérose en plaques (SEP) [53]. 4.4.1. Le faible niveau d’expression thymique de l’autoantigène Il est maintenant admis que la majorité des antigènes y compris des antigènes spécifiques d’organes sont exprimés dans le thymus chez l’homme, par exemple le GAD et l’insuline impliqués dans le diabète, l’antigène S de la rétine dans l’uvéite, les composants de la myéline PLP (Proteolipid protein) et MBP (Myelin basic protein) dans la SEP. Les mécanismes diminuant l’expression de ces antigènes prédisposent au développement de l’auto-immunité en altérant la sélection négative et en favorisant le passage de lymphocytes T autoréactifs en périphérie. On observe ainsi des corrélations entre le niveau d’expression des autoantigènes dans le thymus et la susceptibilité aux pathologies auto-immunes, chez l’homme et les rongeurs [16]. Par exemple, chez l’homme, la susceptibilité au diabète de type 1 est associée à un polymorphisme au niveau de la région 5’ du gène de l’insuline, qui influence le niveau d’expression des peptides dérivés de l’insuline par les CPA dans le thymus. L’allèle « protecteur » est associé à un haut niveau d’expression thymique de l’insuline et l’allèle de « susceptibilité » à un faible niveau [16]. Dans ce dernier cas, les lymphocytes T autoréactifs ne sont pas soumis à une sélection négative efficace. Les souris Non-Obese-Diabetic (NOD) qui n’expriment pas la pro-insuline 2 dans le pancréas ni dans le thymus développent rapidement un diabète [54]. De même, la susceptibilité à l’uvéite auto-immune chez des primates non humains est corrélée au niveau d’expression thymique de deux antigènes rétiniens : l’antigène S et l’interphotoreceptor retinoid binding protein [16]. L’expression thymique des antigènes potentiellement impliqués dans la pathogenèse de la SEP chez l’homme est variable. L’aB crystallin (une heat shock protéine) et le S100b (protéine liant le calcium) sont exprimés dans le thymus. La PLP chez l’homme existe sous deux isoformes générées par épissage alternatif du gène : l’isoforme « complète » et une isoforme délétée au niveau des acides aminés 116-150 appelée DM20 [55]. Ces deux isoformes sont exprimées dans le cerveau mais le niveau d’expression thymique de l’isoforme « complète » est variable d’un individu à
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l’autre. Chez certains individus, c’est l’isoforme DM20 qui est exclusivement exprimée dans le thymus. Chez ces derniers, l’épitope immunodominant pourrait être sous-exprimé et il y aurait échappement à la sélection négative des lymphocytes T spécifiques de cet épitope. C’est le cas de la souris SJL/J où l’épitope immunodominant (résidus 139-151) n’est pas exprimé dans le thymus et où l’on retrouve des lymphocytes T spécifiques de cet épitope en périphérie. De la même façon, la MBP présente plusieurs isoformes, dont certaines ont une expression restreinte au système nerveux central, contrairement à l’isoforme golli-MBP qui est principalement exprimée hors du système nerveux central dans le thymus. Seul l’antigène MOG (Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein) est un antigène « séquestré » c’est-à-dire exprimé exclusivement dans le système nerveux central [55]. Il n’y a donc pas de sélection négative vis-à-vis des lymphocytes T spécifiques de cet autoantigène dans le thymus, et cet antigène pourrait jouer un rôle majeur dans le développement de la SEP. 4.4.2. Le défaut de présentation du peptide 4.4.2.1. En raison de la faible affınité du TCR pour les complexes CMH–peptide. Le système du CMH est très polymorphe et un peptide se liera avec une plus ou moins grande efficacité à différentes molécules du CMH. Quand des molécules du CMH lient faiblement un peptide, le complexe CMH–peptide est instable et très faiblement exprimé à la membrane cellulaire, ce qui ne permet pas la délétion des lymphocytes T autoréactifs spécifiques de ce peptide. Ainsi, dans le cadre du modèle murin de la SEP, l’EAE (encéphalomyélite allergique expérimentale), l’épitope immunodominant de la MBP correspond à la partie aminoterminale de la MBP et se fixe très faiblement aux molécules CMH de classe II Au , [53]. Chez les souris Au, les lymphocytes T spécifiques de la MBP échappent à la sélection négative et passent en périphérie. 4.4.2.2. En raison d’un défaut dans « l’apprêtement » de l’antigène. L’efficacité de « l’apprêtement » et de la présentation de l’antigène par les cellules présentatrices thymiques est un facteur limitant la reconnaissance des complexes « CMH–peptide » par le TCR et donc la sélection négative. En particulier, les protéases qui coupent les protéines en peptides jouent un rôle important. Chez l’homme, la région incluant les acides aminés 80 à 100 de la MBP est immunodominante et l’épitope MBP85-99 est reconnu par les sujets CMH DR2. L’asparagine endopeptidase (AEP) clive la MBP après l’asparagine 94, détruisant donc l’épitope MBP85-99. L’AEP, exprimée à haut niveau par les cellules dendritiques thymiques, diminue de ce fait la présentation de l’épitope MBP85-99 par ces cellules. La faible densité de l’antigène consécutive à sa destruction pendant son « apprêtement » ne permettrait pas aux lymphocytes T spécifiques de la MBP85-99 d’être sélectionnés négativement [53]. L’AEP est moins exprimée dans
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les CPA en périphérie que dans le thymus, l’épitope MBP85-99 y est donc présenté. Les lymphocytes T autoréactifs non délétés dans le thymus peuvent reconnaître cet antigène en périphérie, en raison de la différence d’activité de l’AEP entre les CPA thymiques et périphériques. 4.4.3. L’architecture du stroma thymique Elle intervient également dans l’efficacité de la sélection négative. Chez la souris NOD, cette architecture est perturbée et des cellules épithéliales médullaires sont présentes dans le cortex. Cette localisation anormale perturbe le mécanisme de sélection négative [52]. 4.4.4. Défaut d’apoptose La sélection négative est fondée sur l’apoptose des lymphocytes T autoréactifs, et on comprend qu’un défaut de facteurs apoptotiques est associé à une anomalie de cette sélection. TRAIL (Tumor necrosis factor Related Apoptosis Inducing Ligand) est une cytokine appartenant à la famille du TNF (Tumor Necrosis Factor) mais qui, contrairement à FasL et au TNF, n’induit l’apoptose que dans les thymocytes, les cellules neurales et les hépatocytes. Nous ne parlerons pas des mutations de Fas et Fas ligand qui sont inductrices de maladies auto-immunes, mais qui n’interviennent pas dans la physiologie thymique [56]. Au contraire, TRAIL intervient dans la sélection négative thymique. Une étude récente a montré que des souris déficientes en TRAIL ont une susceptibilité accrue aux pathologies auto-immunes. Le mécanisme causal de la survenue de ces pathologies reste à éclaircir [57]. Il existe des polymorphismes du gène TRAIL chez l’homme et on ne connaît pas encore leurs conséquences sur la survenue de pathologies auto-immunes [58].
5. Rôle du thymus en thérapeutique dans les maladies auto-immunes Peu d’interventions thérapeutiques au niveau du thymus ont été envisagées dans le cadre de l’auto-immunité (en dehors de la thymectomie chez les patients présentant une hyperplasie thymique ou un thymome associés à la myasthénie), en raison des difficultés d’abord de cet organe et de son involution chez l’adulte. Son rôle dans le maintien des lymphocytes T régulateurs chez l’adulte n’est pas éclairci. De plus, l’exploration fonctionnelle du thymus reste limitée. L’exploration « classique » fait intervenir des techniques immunologiques telles que l’histochimie et l’immunohistologie après autopsie ou exérèse chirurgicale, en particulier dans le cadre de la chirurgie cardiaque [1], mais également des techniques d’imagerie telles la radiologie, le scanner (tomographie) et la résonance magnétique. L’étude de l’expression de différents antigènes spécifiques d’organes dans le thymus a été effectuée sur des thymus sains obtenus après une chirurgie thoracique [16]. Peu de paramètres biologiques permettent de juger de la fonction thymique en clinique
humaine. Cependant, la quantification des TRECs dans les lymphocytes T périphériques a permis d’affirmer la persistance d’une activité thymique chez le sujet âgé [11]. Malgré ces progrès, la cause physiologique de l’involution programmée du thymus est inconnue. En dehors de son rôle dans l’induction de la tolérance centrale, le thymus pourrait jouer un rôle important dans la tolérance acquise chez l’homme. En effet, l’administration intrathymique d’antigènes induit un état de tolérance dans des modèles animaux de transplantation et d’auto-immunité, en augmentant la sélection négative des lymphocytes T autoréactifs et la production de lymphocytes T régulateurs. Par exemple, dans un modèle de greffe de peau chez la souris, une souris transgénique pour un TCR spécifique d’un peptide dérivé de l’hémagglutinine du virus influenza (HA), rejette un greffon de peau exprimant ce peptide. L’administration intrathymique de HA induit une tolérance transitoire au greffon, ainsi que l’apparition de lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [59]. Il en est de même chez le rat où l’injection intrathymique d’antigène spécifique du foie prévient le rejet du foie transplanté [60]. L’injection intrathymique de MBP prévient également la survenue d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale chez le rat [61]. Chen et al. ont précisé les mécanismes de cette tolérance qui passerait par une apoptose accrue des thymocytes double positifs CD4+CD8+ et de quelques thymocytes CD4+ spécifiques de l’antigène administré, ainsi qu’une anergie en périphérie des lymphocytes T spécifiques de cet antigène [26]. L’injection intrathymique d’antigènes pourrait constituer une nouvelle stratégie pour induire la tolérance dans le cadre de l’autoimmunité et de la transplantation chez l’homme. Le rôle des lymphocytes T régulateurs dans le contrôle de l’auto-immunité a été largement étudié. Comme nous l’avons vu, l’administration de lymphocytes T régulateurs prévient la survenue de pathologies auto-immunes dans des modèles animaux après thymectomie ou irradiation [6,18]. Leur administration prévient également le transfert du diabète (par des cellules de souris NOD) à un receveur irradié [6,18]. L’impact des lymphocytes T régulateurs dans la réponse allogénique a été moins étudié. Dans des modèles murins de greffe de cellules souches hématopoïétiques, l’administration de lymphocytes T régulateurs du donneur au moment de la greffe, prévient ou retarde l’apparition de la maladie du greffon contre l’hôte (qui avec les infections, est une des principales causes de morbidité et de mortalité en post greffe) [62,63]. Des protocoles de thérapie cellulaire avec administration de lymphocytes T régulateurs à l’homme pourraient être envisagés, chez les patients bénéficiant d’une greffe ou chez les patients atteints de maladies auto-immunes. Avant d’envisager une telle application, il convient de préciser l’efficacité et l’innocuité de ce type de thérapie chez l’homme ou dans des modèles proches comme les primates. De plus, cette application nécessite l’expansion ex vivo des lymphocytes T régulateurs, afin d’en obtenir une quantité suffisante. Les modalités de l’expansion des lymphocytes T régulateurs ont
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déjà été étudiées. Les lymphocytes T régulateurs peuvent être expansés à partir de lymphocytes T CD4+ périphériques naïfs in vitro sans perdre leur propriété suppressive ni leur anergie [64]. On pourrait également envisager de produire des cellules transfectées par Foxp3 afin de leur faire acquérir des propriétés suppressives. Le thymus joue également un rôle majeur dans la reconstitution immunitaire après greffe de cellules souches hématopoïétiques [65,66]. Une stimulation de l’activité thymique chez le malade greffé, et en particulier chez le sujet âgé, permettrait de restaurer plus rapidement un large répertoire de lymphocytes T et de limiter les pathologies dysimmunitaires (infectieuses, auto-immunes ou réactions du greffon contre l’hôte) observées au cours de la reconstitution postgreffe [67]. L’impact thérapeutique potentiel des hormones thymiques est à l’étude dans diverses pathologies auto-immunes et cancéreuses [68].
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6. Conclusion
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Le thymus est un organe indispensable à la maturation des lymphocytes T, qu’ils soient effecteurs ou régulateurs. Il joue un rôle fondamental dans l’induction de la tolérance au soi, par deux mécanismes de sélection qui nécessitent la rencontre de lymphocytes T immatures avec les antigènes de l’organisme qui les abritent. Ces deux mécanismes aboutissent à la destruction intrathymique des lymphocytes T autoréactifs (sélection négative) et à la maturation de lymphocytes T régulateurs autoréactifs. Ces derniers exercent un rôle de sentinelle en réprimant toute réponse de la part des lymphocytes T autoréactifs ayant survécu à la sélection négative.
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Remerciements L’auteur remercie les professeurs M. Abbal, A. Blancher et R. Liblau pour la relecture du manuscrit et leurs précieux conseils.
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Mise au point
Fonction thymique et auto-immunité Thymus function and autoimmunity B. Puissant Laboratoire d’immunologie, hôpital Rangueil, 1, avenue Jean-Poulhès, TSA 50032, 31059 Toulouse cedex 9, France Reçu le 26 août 2003 ; accepté le 22 décembre 2003 Disponible sur internet le 03 février 2004
Résumé Propos. – Le thymus est l’organe de maturation des lymphocytes T. Il joue un rôle fondamental dans l’induction de la tolérance au soi, en permettant la destruction intrathymique des lymphocytes T autoréactifs (sélection négative) et la maturation de lymphocytes T régulateurs. Des anomalies de la sélection thymique de ces deux types de lymphocytes T sont responsables de la survenue de maladies auto-immunes. Actualités et points forts. – La délétion thymique des lymphocytes T autoréactifs nécessite l’expression thymique des antigènes du soi, que ceux-ci soient ubiquitaires ou spécifiques d’organes. L’expression thymique de certains antigènes est sous la dépendance du gène AIRE. Des mutations de ce gène sont associées à des troubles d’expression des autoantigènes au niveau thymique, à un défaut de présentation des peptides antigéniques par les cellules présentatrices ou encore à des troubles de l’apoptose. Ces mutations peuvent être à l’origine d’une sélection négative défectueuse des lymphocytes T autoréactifs et sont associées à la survenue de maladies auto-immunes. Des données récentes permettent de mieux comprendre les mécanismes de la maturation thymique des lymphocytes T régulateurs qui ont une spécificité autoréactive. Ces lymphocytes T régulateurs ont été caractérisés récemment par l’expression du gène Foxp3, qui serait un marqueur plus spécifique que les marqueurs phénotypiques utilisés jusqu’alors. Perspectives. – Des modèles animaux montrent que l’administration de lymphocytes T régulateurs ou l’injection intrathymique d’antigène permettent d’induire une tolérance immunologique dans le cadre de la greffe de moelle, de la transplantation d’organes et de maladies auto-immunes. De telles stratégies thérapeutiques pourraient être envisagées chez l’homme. © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. Abstract Purpose. – Thymus is the site of T-cell development and is essential for the induction of self-tolerance, by deletion of autoreactive T lymphocytes (negative selection) and by generation of regulatory T cells. Defect of the selection mechanism of both types of lymphocytes lead to autoimmune diseases. Current knowledge and key points. – Elimination of potentially self-reactive T cells in the thymus requires the intrathymic expression of ubiquitous and “tissue-specific” antigens. Some thymic antigen expressions are dependant on AIRE expression. Mutations in the AIRE gene that are associated with the absence of autoantigen expression in the thymus, defects in the peptide presentation or in apoptosis can allow autoreactive T cells to escape negative selection, and are associated with autoimmune diseases. Recent data are now available concerning the thymic selection of autoreactive regulatory T cells. The Foxp3 gene was recently shown to be predominantly expressed in regulatory T cells and could be a more specific marker of regulatory T cells than phenotypic markers. Future prospects and projects. – Animal models show that regulatory T cells injection or intrathymic inoculation of antigen lead to immunological tolerance in autoimmunity and transplantation. These novel strategies could be used in human. © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. Mots clés : Thymus ; Lymphocytes T ; Lymphocytes T régulateurs ; Sélection ; Auto-immunité Keywords: Thymus; T lymphocytes; Regulatory T cells; Selection; Autoimmunity
Adresse e-mail : [email protected] (B. Puissant). © 2003 Elsevier SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.revmed.2003.12.017
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1. Introduction Le thymus est un organe lymphoépithélial siège de la maturation et de la sélection des lymphocytes T. C’est un organe lymphoïde central, où la prolifération lymphocytaire est indépendante des stimulations antigéniques exogènes et qui est dépourvu de follicules lymphoïdes chez l’individu sain. Il est colonisé par les précurseurs des lymphocytes T, mais aussi par d’autres cellules d’origine hématopoïétique telles que les macrophages et les cellules dendritiques. Les cellules épithéliales forment, avec le tissu conjonctif, le stroma thymique, qui joue un rôle fondamental dans le développement des lymphocytes T. Le thymus est également un organe endocrine dont les cellules épithéliales sécrètent des hormones telles que la thymosine, la thymuline et la thymopoïétine, qui participent à la maturation fonctionnelle des lymphocytes T. Le thymus involue dès les premières années de la vie. Ses fonctions dans la maturation des lymphocytes T déclinent lentement mais elles persistent jusqu’à un âge avancé [1]. Le rôle déterminant du thymus dans la maturation des lymphocytes T a été mis en évidence par des expériences de thymectomie néonatale chez la souris. L’exploration des athymies congénitales chez l’animal (mutation nude chez la souris et le rat) et chez l’homme (syndrome de Di-George), au cours desquelles on observe une absence de lymphocytes T dans le sang et les organes périphériques, a permis de confirmer ce rôle. Néanmoins, une maturation extrathymique de lymphocytes T a été caractérisée chez la souris, notamment dans le foie et l’intestin [2], elle existe chez l’homme à un stade fœtal ou embryonnaire [3]. Il a fallu attendre les expériences de Zinkernagel et Doherty en 1975 pour comprendre le rôle du thymus dans l’induction de la restriction allogénique par la sélection positive [4]. Son implication dans les phénomènes de tolérance naturelle au soi par l’élimination des lymphocytes immatures autoréactifs par sélection négative a été décrite plus tardivement par Marrack en 1987 [5]. Ce n’est que tout récemment que le thymus a été reconnu également comme siège de la maturation des lymphocytes T régulateurs [6,7]. En réponse à leur antigène spécifique, ces lymphocytes inhibent les réponses immunitaires, et en particulier celle des lymphocytes autoréactifs qui n’ont pas été éliminés par la sélection négative.
2. La maturation intrathymique des lymphocytes T effecteurs Les précurseurs des lymphocytes T sont à un stade très immature lorsqu’ils colonisent le thymus : ils n’expriment pas le récepteur T à l’antigène (TCR) ni les marqueurs membranaires CD3, CD4, CD8 [8]. Leur maturation s’effectue en plusieurs étapes.
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2.1. Le réarrangement des gènes du récepteur T (TCR) et l’expression du TCR Les thymocytes réarrangent les gènes de leur récepteur T pour constituer des séquences protéiques très variables dont dépend la spécificité antigénique du TCR [9]. Ce mécanisme de diversification combinatoire permet de générer un répertoire très diversifié de lymphocytes T exprimant chacun un TCR particulier. Le TCR est constitué de deux chaînes protéiques, soit a et b, soit c et d. La majorité des thymocytes (80–95 %) s’engage dans la lignée ab et, au cours du réarrangement des gènes du TCR, va déléter le locus codant pour les chaînes d sous forme d’ADN circulaire. Cet ADN circulaire est appelé TREC (TCR rearrangment excision circle) et sa structure est identique dans plus de 70 % des lymphocytes T ab [10]. Douek et al. ont exploité ce phénomène en décrivant une technique d’amplification en chaîne (PCR) quantitative en temps réel permettant la quantification des TRECs [11]. La fréquence des lymphocytes T périphériques possédant des TRECs dépend de la quantité de cellules ab provenant du thymus mais aussi de la division des lymphocytes en périphérie [10]. En effet, cet ADN circulaire, incapable de se répliquer, n’est transmis qu’à une seule cellule fille sur les deux générées et chaque division cellulaire dilue le signal [10,11]. Les TRECs ont été largement étudiés dans le cadre de l’infection par le VIH et de la greffe de cellules souches hématopoïétiques, mais également dans les pathologies autoimmunes. Ces études mettent en évidence une diminution des TRECs en périphérie chez les patients atteints de polyarthrite rhumatoïde (PR), de sclérose en plaques (SEP) et de myasthénie en l’absence de thymome [12–15]. Cette diminution des TRECs est associée à une prolifération accrue des lymphocytes T dans la PR [15] mais pas dans la SEP [13]. Cela laisse à penser que dans la SEP, la diminution des TRECs en périphérie est due davantage à une diminution de la production thymique qu’à une prolifération cellulaire en périphérie. Les patients atteints de myasthénie avec thymome présentent en périphérie une quantité accrue de lymphocytes T TREC+ par rapport aux sujets sains et aux sujets présentant une myasthénie sans thymome [12]. 2.2. La sélection des lymphocytes T effecteurs Après le réarrangement des gènes du TCR, les thymocytes sont capables d’exprimer à leur membrane ce TCR et vont subir une double sélection fondée sur l’interaction de leur TCR avec les complexes CMH–peptide (complexe majeur d’histocompatibilité) des cellules les entourant [8]. Le TCR se lie à la fois au peptide antigénique et au CMH qui le présente. Pour des raisons didactiques, les sélections positive et négative sont présentées séparément mais elles ont vraisemblablement lieu simultanément. Les mécanismes de sélection des lymphocytes T régulateurs sont complexes et encore controversés.
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2.2.1. La sélection positive des lymphocytes T effecteurs La sélection positive assure la restriction au CMH et repose sur l’interaction du TCR avec les complexes CMH– peptide des cellules épithéliales du cortex thymique. Seuls les thymocytes reconnaissant les molécules du CMH du soi reçoivent un signal de survie et poursuivent leur maturation, alors que les autres ne reçoivent pas ce signal et meurent par « négligence » (Fig. 1). Il faut noter que la nature des peptides présentés par le CMH dans le cortex au cours de la sélection positive est différente de celle des peptides présentés dans la médullaire au cours de la sélection négative : ce sont principalement des peptides du soi qui ont une forte homologie structurale avec des peptides étrangers et présentent une faible affinité pour le CMH [8]. Les complexes CMH–peptides ont donc une faible stabilité, et la reconnaissance de tels complexes ne pourra se faire que par des thymocytes dont le TCR présente une forte affinité pour le complexe. Ces propriétés permettent la sélection de lymphocytes T dont le TCR présente une affinité suffisante pour le complexe CMH– peptide [8]. 2.2.2. La sélection négative des lymphocytes T effecteurs La sélection négative élimine les lymphocytes T autoréactifs présentant une trop forte affinité pour les antigènes du soi. Elle repose sur l’interaction du TCR avec les complexes CMH–peptide des CPA (cellules présentatrices d’antigène)
de la jonction corticomédullaire du thymus (cellules endothéliales, cellules dendritiques, macrophages mais aussi cellules épithéliales médullaires). Cette tolérance centrale nécessite l’expression thymique des antigènes du soi (les antigènes d’expression ubiquitaire mais aussi les antigènes spécifiques d’organes) ou l’entrée de ces antigènes par le sang ou la lymphe [16]. La majorité des autoantigènes est ainsi exprimée dans le thymus [17]. En conclusion, les thymocytes qui interagissent de manière efficace avec le CMH (sélection positive), mais qui ne reconnaissent pas les complexes CMH–peptide avec une trop forte affinité (sélection négative si c’est le cas), poursuivent leur maturation et se différencient en lymphocytes T CD4+ ou en lymphocytes T CD8+ (selon qu’ils ont interagi respectivement avec une molécule CMH de classe II ou de classe I), qui migreront dans la circulation périphérique et les organes lymphoïdes secondaires. La sélection négative n’est cependant pas efficace à 100 %, et des lymphocytes T autoréactifs sont présents dans le sang circulant chez l’homme et les animaux sains, sans pour autant qu’il y ait développement de pathologies autoimmunes. L’activité de ces lymphocytes T autoréactifs est en effet contrôlée en périphérie par plusieurs mécanismes [16], dont certains reposent sur l’action de lymphocytes T dits régulateurs [7] qui préviennent l’apparition de pathologies auto-immunes.
Fig. 1. Devenir des thymocytes en fonction de l’affinité de leur TCR pour le complexe CMH–peptide. Les thymocytes 2, 3 et 4 sont sélectionnés positivement dans le cortex car leurs TCR reconnaissent les complexes CMH–peptide des CPA. Ils subiront (thymocyte 4) ou pas (thymocyte 2) une sélection négative dans la médullaire. Le cas des lymphocytes T régulateurs (3) est encore à l’étude [23].
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3. Les lymphocytes T régulateurs Le concept de lymphocytes T régulateurs, initialement baptisés suppresseurs, a émergé dans les années 1970, mais ce n’est que récemment que le phénotype, les fonctions et la sélection de ces cellules ont été décrits, à la lumière des technologies disponibles [18]. Différentes populations de lymphocytes T régulateurs ont été identifiées. Deux populations de lymphocytes T régulateurs peuvent être générées par diverses stimulations du système immunitaire en périphérie (indépendamment du thymus) : les lymphocytes TR1 et les lymphocytes TH3 [19,20]. Une autre population exprimant spontanément la molécule CD25 (chaîne a du récepteur à l’IL-2, qui n’est exprimée sur les lymphocytes T effecteurs qu’après leur activation) jouerait un rôle prédominant dans la fonction régulatrice. Ces lymphocytes T sont CD4+CD25+ et dépendent du thymus pour leur maturation [6,7]. On ignore actuellement s’il existe une filiation entre les lymphocytes T régulateurs issus du thymus et ceux issus de manipulation du système immunitaire. Nous nous intéresserons ici aux lymphocytes T régulateurs d’origine thymique. 3.1. Propriétés des lymphocytes T régulateurs Ils présentent un phénotype de lymphocytes T activés (CD4+CD25+), mais s’en distinguent par leurs fonctions et par le caractère constitutif de l’expression de CD25 [21]. L’expression de Foxp3, un gène découvert récemment, cons-
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tituerait un marqueur spécifique des lymphocytes T régulateurs [22]. Le lymphocyte T régulateur CD4+CD25+ exerce son activité suppressive après reconnaissance par son TCR de l’antigène dont il est spécifique (fréquemment un autoantigène). Contrairement aux lymphocytes T effecteurs, les lymphocytes T régulateurs ont un répertoire principalement autoréactif et ne prolifèrent pas après stimulation par leur antigène spécifique (ils sont anergiques) [23,24]. Une fois activés, ils inhibent la prolifération de lymphocytes T effecteurs dans leur environnement immédiat, et ce, que la spécificité antigénique de ces lymphocytes T effecteurs soit ou non la même que celle du lymphocyte T régulateur (Fig. 2). Cet effet suppresseur–régulateur s’exerce à la fois sur les lymphocytes T CD4+ et les lymphocytes T CD8+, y compris après stimulation allogénique [21]. Le modèle de la tolérance infectieuse (Infectious tolerance) fait l’hypothèse que la tolérance pourrait être transférée en périphérie d’un lymphocyte T régulateur à un lymphocyte T effecteur, qui deviendrait lui-même régulateur [7]. Les lymphocytes T régulateurs pourraient également inhiber la surexpression de molécules de costimulation par les CPA, qui est nécessaire à l’activation des lymphocytes T effecteurs [25]. La forte affinité de leur TCR et l’expression de nombreuses molécules accessoires d’adhésion et de costimulation (CD5, CD11a/CD18, CD54, CD62L et CTLA-4) par les lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+, leur permet d’être activés en présence d’une concentration d’antigène plus fai-
Fig. 2. Mécanisme d’action des lymphocytes T régulateurs. Après activation par l’antigène dont il est spécifique, le lymphocyte T régulateur (TR) inhibe la prolifération d’un lymphocyte T effecteur de même spécificité antigénique (T eff a), mais aussi de lymphocytes T effecteurs de spécificité antigénique différente (T eff b). Le lymphocyte T régulateur pourrait également inhiber la surexpression de molécules de costimulation par la CPA.
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ble que celle stimulant la prolifération des lymphocytes effecteurs [21]. Ces molécules favorisent le contact du lymphocyte T régulateur CD4+CD25+ avec le lymphocyte T effecteur autoréactif et la CPA qui présente l’autoantigène. Ce contact est indispensable à la fonction régulatrice (Fig. 2) [20]. Les lymphocytes T régulateurs expriment constitutivement le CTLA-4 qui transmet un signal inhibiteur aux lymphocytes T effecteurs activés (atténuant ainsi les réponses T), mais qui transmettrait un signal activateur aux lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [21]. CTLA-4 est nécessaire à la fonction suppressive des lymphocytes T régulateurs et son blocage in vitro abolit cette fonction et induit l’apparition de pathologies autoimmunes [21]. En conclusion, les caractéristiques principales des lymphocytes T régulateurs d’origine thymique sont : la fonction suppressive, l’anergie, l’expression constitutive des molécules CD25 et CTLA-4, l’expression de Foxp3. 3.2. Rôle du thymus dans la maturation des lymphocytes T régulateurs Plusieurs éléments sont en faveur de la localisation thymique de la maturation des lymphocytes T régulateurs. Chez l’homme et la souris, les thymocytes matures CD4+ CD25+CD8– sont anergiques, exercent une activité suppressive in vitro et ont une expression membranaire de molécules « accessoires » identique à celle des lymphocytes T régulateurs isolés en périphérie [21,26,27]. De plus, le transfert de thymocytes immatures CD4+CD8+ déplétés en CD25 entraîne des pathologies auto-immunes chez la souris nude [18,21]. La quasi-totalité des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs sont ainsi issus d’une différenciation intrathymique et apparaissent à la périphérie dès le 3e jour après la naissance chez une souris normale. En conséquence, ces lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs sont considérablement diminués après thymectomie à j3 et cette diminution est associée à l’apparition de pathologies auto-immunes (thyroïdite, diabète...). Les molécules telles que CD28 et CTLA-4, et leurs ligands B7-1 et B7-2 (CD80, CD86), contribuent à la sélection des lymphocytes T régulateurs au niveau du thymus et à leur survie en périphérie [20,21]. Nous avons vu que les lymphocytes T régulateurs présentaient un répertoire autoréactif, ce qui soulève la question de leur développement dans le thymus en échappant à la sélection négative [23]. Plusieurs théories sont actuellement proposées. Une chose semble certaine : la sélection thymique des lymphocytes T régulateurs est fondée sur une affinité importante de leur TCR pour les complexes CMH–peptide ; cette affinité serait différente de celle des lymphocytes T effecteurs autoréactifs (Fig. 1) [18,19,28]. Pour certains auteurs, les lymphocytes T régulateurs représentent une lignée distincte des autres lymphocytes T, et maturent selon un processus différent de la sélection positive et négative [29].
Pour d’autres auteurs, la sélection thymique des lymphocytes régulateurs et effecteurs se fonderait sur des mécanismes identiques. Le développement thymique des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs requiert une plus forte affinité de leur TCR pour le complexe CMH–peptide que celle des lymphocytes T effecteurs (Fig. 1) [19,29]. Cette forte affinité se situe toutefois juste en dessous du seuil induisant une sélection négative, et conduit à l’anergie de ces cellules et non pas à leur délétion [23]. Cependant, la sensibilité des lymphocytes T CD4+CD25+ régulateurs à la sélection négative n’est pas claire. Pour certains auteurs, les lymphocytes T régulateurs sont résistants à la délétion induite par des superantigènes [30,31] mais sensibles à la délétion médiée par les complexes CMH de classe II–peptide [30]. Dans ce dernier cas, le superantigène est un superantigène viral exprimé seulement dans la médullaire alors que le complexe antigène–peptide est exprimé à la fois dans la médullaire et le cortex. L’hypothèse avancée est que l’orientation vers le phénotype régulateur se ferait dans le cortex [30]. Pour d’autres auteurs, les lymphocytes T régulateurs sont potentiellement sensibles à la délétion induite par un large panel de superantigènes ainsi que par des peptides du soi présentés par des CPA professionnelles (cellules dendritiques ou macrophages). Leur génération dans le thymus serait fondée sur leur interaction avec des cellules présentant des peptides du soi et qui n’ont pas la capacité d’induire de délétion (cellules épithéliales corticales et médullaires) (Fig. 1) [23,32]. Ces différents travaux sont donc en faveur d’une orientation vers le phénotype régulateur au niveau du cortex thymique, où le rôle des cellules épithéliales dans la différenciation des lymphocytes T régulateurs a été établi [32,33]. 3.3. Maintien en périphérie des lymphocytes T régulateurs Les lymphocytes T régulateurs se maintiennent en périphérie tout au long de la vie où ils représentent 4 à 10 % des lymphocytes T CD4+ [19]. Ce maintien requiert une stimulation antigénique permanente [19]. Des travaux suggèrent également que leur expansion en périphérie implique les lymphocytes B, qui pourraient interagir avec les lymphocytes T régulateurs par l’intermédiaire des couples de molécules B7–CD28 ou CD40–CD40L [28]. L’IL-2 participe également à l’homéostasie des lymphocytes T régulateurs. Les souris déficientes en IL-2 ou en chaîne a (CD25) ou b du récepteur à l’IL-2 développent des pathologies autoimmunes létales [19].
4. Perturbations des fonctions thymiques et auto-immunité Les phénomènes auto-immuns peuvent résulter de la défaillance de la tolérance centrale et/ou périphérique. Nous n’envisagerons ici que les phénomènes impliquant le thymus et nous ne détaillerons pas les anomalies des lymphocytes T régulateurs à la périphérie. Nous évoquerons des pathologies
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auto-immunes impliquant deux gènes fondamentaux dans la physiopathologie thymique : Foxp3 et AIRE, puis nous nous concentrerons sur le cas particulier de la myasthénie. Enfin, nous nous intéresserons aux sélections positive et négative qui impliquent la reconnaissance par le TCR du complexe CMH–peptide, et dont la perturbation peut résulter d’anomalies touchant le TCR ou la formation du complexe CMH– peptide. 4.1. Maladies auto-immunes héréditaires monofactorielles Deux maladies autoimmunes mettent en jeu des déficits impliquant deux gènes fondamentaux dans la physiopathologie thymique : Foxp3 et AIRE. 4.1.1. Fox p3 Le gène Foxp3 est localisé sur le chromosome X et code un facteur de transcription. Il semble jouer un rôle fondamental dans le contrôle des phénomènes auto-immuns. Plusieurs mutations sur le gène Foxp3 ont été identifiées chez des patients atteints de troubles dysimmunitaires complexes, tel que l’IPEX (immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome), encore appelé XLAAD (X-linked autoimmunity-allergic dysregulation syndrome) [34]. Les sujets atteints sont des enfants de sexe masculin qui présentent une sensibilité particulière aux maladies autoimmunes et allergiques [35]. Le tableau clinique peut associer diarrhée, eczéma, anémie hémolytique, thrombopénie, diabète de type 1 ou hypothyroïdie. On note une infiltration des lymphocytes T dans la peau et le tractus gastro-intestinal [36]. Malgré un léger bénéfice des traitements substitutifs et immunosuppresseurs (corticoïdes et ciclosporine) chez les patients, le pronostic reste mauvais et la mort survient dans la majorité des cas dans les premières années de la vie [36]. Les souris dites « scurfy » souffrent de pathologies analogues et présentent également une lymphoprolifération associée avec une activation anormalement élevée des lymphocytes T CD4+ [34]. L’étude de ce modèle animal a permis de mettre en évidence le rôle essentiel de Foxp3 dans l’orientation et le développement thymique des lymphocytes T régulateurs. En effet, chez l’homme et la souris, l’expression de Foxp3 est quasiment restreinte aux populations lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+, à la fois dans le thymus et dans le sang périphérique. Les cellules CD4+CD25+ Foxp3+ exercent un pouvoir suppresseur sur la prolifération de cellules CD4+CD25–. La transfection de Foxp3 dans des cellules CD4+ naïves les transforment en cellules présentant le phénotype et les fonctions des lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [22,34]. L’expression de Foxp3 constitue donc un marqueur spécifique des lymphocytes T régulateurs, mais son rôle dans la survenue de pathologies auto-immunes reste à éclaircir. Un polymorphisme de microsatellite de Foxp3 (dit GT 15) est associé à une augmentation du niveau d’expression de Foxp3 et à une incidence accrue du diabète chez des Japonais
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[37]. Ce résultat est paradoxal et l’impact de Foxp3 doit être précisé. Il est possible que l’augmentation de l’expression de Foxp3 soit associée à une anomalie qualitative des lymphocytes T régulateurs. Cet anomalie qualitative, en association avec d’autres facteurs génétiques et environnementaux, pourrait induire un diabète [37]. 4.1.2. AIRE Des mutations du gène AIRE (AutoImmune REgulator) sont associées à une maladie autosomale récessive, la polyendocrinopathie–candidose–dystrophie ectodermale autoimmune (ou APECED pour autoimmune polyendocrinopathy–candidiasis–ectodermal dystrophy). La maladie débute habituellement par une candidose apparaissant dans l’enfance, associée à différentes maladies auto-immunes telles que la maladie d’Addison, l’hypoparathyroïdie, le diabète de type 1 et un dysfonctionnement des gonades. Le gène AIRE code un facteur de transcription qui est exprimé au niveau thymique, plus particulièrement dans les cellules impliquées dans la sélection négative (cellules épithéliales médullaires), mais aussi par des cellules dérivées des monocytes dans le thymus, et une sous-population cellulaire dans la rate, les ganglions et le foie fœtal [38]. La protéine AIRE est impliquée physiologiquement dans les mécanismes de sélection thymique et plus particulièrement dans la sélection négative des lymphocytes T autoréactifs. En effet, chez des souris transgéniques pour un TCR (spécifique d’un antigène pancréatique) et déficientes en AIRE, les lymphocytes T CD4+ spécifiques de l’antigène pancréatique échappent à la sélection négative. Cela n’est pas le cas chez les souris TCR-transgéniques et non déficientes en AIRE [39]. Anderson a montré, dans un modèle de souris déficiente en AIRE, que AIRE induit l’expression, par les cellules présentatrices thymiques, de protéines spécifiques de tissus de l’organisme. AIRE n’est cependant pas indispensable à l’expression thymique ectopique de toutes les protéines et l’expression thymique du GAD (glutamic acid decarboxylase) et de la protéine C réactive est maintenue chez les souris déficientes en AIRE. Au contraire, AIRE est nécessaire à l’expression thymique de l’insuline, de l’acide gras binding protein et de la protéine salivaire 1 [17]. Ainsi, l’impact de AIRE sur la sélection négative pourrait être en partie expliqué par son rôle dans l’expression thymique des antigènes spécifiques d’organes, qui permettent la délétion des lymphocytes T autoréactifs reconnaissant ces antigènes. Pitkanen a également émis l’hypothèse que AIRE interviendrait dans la sélection thymique en activant l’expression des molécules de costimulation, telles CD40, CD80 et CD86, qui sont indispensables à la maturation thymique des lymphocytes T [38]. L’implication de AIRE dans la production de lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ a également été évoquée puisque le déficit en AIRE et en lymphocytes T régulateurs provoque des manifestations auto-mmunes proches [38]. Cette hypothèse n’a pas été vérifiée et il ne semble pas y avoir de
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différence entre le taux circulant de lymphocytes T CD4+CD25+ chez les patients APECED et des témoins [38]. 4.2. Cas particuliers : myasthénie, lupus érythémateux disséminé et syndrome de Good La myasthénie représente un cas particulier en raison de sa fréquente association avec des anomalies thymiques et du rôle important du thymus dans sa pathogenèse. La myasthénie est due à la production d’autoanticorps dirigés contre le récepteur de l’acétylcholine, qui bloquent la transmission neuromusculaire. C’est une des rares maladies autoimmunes où le rôle pathogène des autoanticorps a été démontré. Le principal autoantigène, le récepteur de l’acétylcholine, est exprimé normalement dans le thymus par les cellules stromales et hématopoïétiques. Le rôle du thymus dans la pathogenèse de cette maladie à lymphocytes B autoréactifs semble avéré. L’architecture du thymus est perturbée chez les patients atteints de myasthénie : les cellules épithéliales médullaires sont hypertrophiées et infiltrées par des zones contenant des lymphocytes T matures, dont la structure évoque les zones T des ganglions lymphatiques, et par des centres germinatifs contenant des lymphocytes B [40]. Des lymphocytes T autoréactifs ainsi que des lymphocytes B sécrétant des autoanticorps sont présents dans le thymus [41]. Leur génération pourrait être due à l’expression du récepteur de l’acétylcholine par des cellules dans ces structures « aberrantes » mais aussi par des cellules myoïdes, qui sont des cellules stromales présentant une différenciation musculaire [40]. Des anomalies de sélection pourraient être impliquées dans la pathogenèse de la myasthénie, car des troubles de l’apoptose thymique sont décrits chez les patients et sont corrélés à la progression clinique de la maladie [42]. Les anomalies thymiques qui peuvent être associées à la myasthénie sont l’hyperplasie folliculaire thymique dans 65 % des cas, ou le thymome (tumeur épithéliale) dans 10–15% des cas. Bien que le récepteur de l’acétylcholine soit exprimé dans le thymus hyperplasique et au sein du thymome [16], la thymectomie induit souvent une rémission de la maladie dans le cas de l’hyperplasie folliculaire thymique, mais pas dans le cas du thymome [43]. Dans le cas de l’hyperplasie folliculaire thymique, des lymphocytes T autoréactifs sont présents dans le thymus, ainsi que des lymphocytes B sécréteurs d’autoanticorps regroupés dans les follicules. Cela n’est pas le cas pour le thymome qui ne semble pas contenir de lymphocytes B sécréteurs d’autoanticorps : le titre d’autoanticorps ne diminue pas après thymectomie, ce qui expliquerait l’absence de bénéfice systématique de la thymectomie [43]. La pathogenèse est donc différente de celle de l’hyperplasie folliculaire et requiert une activation des lymphocytes B en périphérie : le thymome conserve ses propriétés fonctionnelles en ce qui concerne la maturation des lymphocytes T et le passage de lymphocytes T autoréac-
tifs intratumoraux en périphérie est une étape nécessaire permettant leur interaction avec les lymphocytes B autoréactifs. Une fois que la réaction auto-immune est initiée en périphérie, elle s’autoentretient [43]. Cependant, pour certains auteurs, au moins au début de la maladie, les cellules produisant les anticorps antirécepteur de l’acétylcholine sont localisées dans le thymome [44]. D’autres pathologies, telles que le lupus érythémateux disséminé ou l’hypogammaglobulinémie, peuvent également être associées à des anomalies thymiques. Ainsi, le thymome peut être associé à un lupus dans environ 2 % des cas, selon les séries étudiées. Une quarantaine d’associations ont ainsi été rapportées dans la littérature [45]. Dans 80 % des cas, la découverte du thymome précède ou est associée à celle du lupus [45]. Le plus souvent, comme pour la myasthénie associée à un thymome, la thymectomie n’a aucun effet chez ces patients, voire parfois un effet délétère avec une aggravation du lupus [45]. Le lupus peut également apparaître après la thymectomie. Historiquement, l’hypothèse que la thymectomie diminue le nombre de lymphocytes T régulateurs a été posée [46]. Cependant, la relation physiopathologique entre ces anomalies n’est pas claire, et on ne sait pas si le thymome constitue l’anomalie primaire ou l’inverse. Les altérations thymiques associées au thymome pourraient être responsables d’un défaut de lymphocytes T régulateurs et donc d’une augmentation de lymphocytes autoréactifs et d’autoanticorps en périphérie. Le syndrome de Good, qui a été décrit dès 1954, associe un thymome et une hypogammaglobulinémie entraînant des infections respiratoires récurrentes. Dix pour cent des hypogammaglobulinémies de l’âge adulte sont associées à un thymome, et 5 % des patients présentant un thymome développeront une hypogammaglobulinémie [47]. La physiopathologie de cette association reste encore méconnue. La présence de lymphocytes T autoréactifs dirigés contre les lymphocytes B a été décrite [48]. Des expériences « historiques » (menées dans les années 1970 et au début des années 1980) de coculture de lymphocytes normaux et de lymphocytes T de sujets atteints de syndrome de Good ont montré que chez certains patients, l’hypogammaglobulinémie est due à une anomalie des lymphocytes T régulateurs qui bloqueraient la maturation des lymphocytes B [49,50]. La thymectomie ne semble pas avoir d’effet sur l’hypogammaglobulinémie [47,51] et n’est indiquée que quand la prolifération du thymome devient plus menaçante pour le patient que son hypogammaglobulinémie [51]. Le traitement par immunoglobulines intraveineuses est préconisé le plus couramment. 4.3. Altération du répertoire affectant la sélection positive Certaines anomalies de la sélection positive sont étroitement liées au CMH des individus. On les observe notamment dans le diabète de type 1. Parmi les nombreux facteurs génétiques et environnementaux associés au diabète, on peut
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citer les molécules du CMH comme DQ2 et DQ8. Chez les sujets exprimant l’haplotype DQ8, les cellules épithéliales thymiques permettent la sélection de lymphocytes T de forte affinité pour les autoantigènes. Des perturbations de la présentation de certains peptides du soi par DQ8 aboutiraient d’une part à une anomalie de la sélection de lymphocytes T autoréactifs en trop grand nombre et, d’autre part, à un défaut de sélection des lymphocytes T régulateurs [52]. 4.4. Défaut de sélection négative Les causes d’échappement des thymocytes autoréactifs à la sélection négative peuvent être de plusieurs natures, qui ont été particulièrement explorées dans le cadre du diabète et de la sclérose en plaques (SEP) [53]. 4.4.1. Le faible niveau d’expression thymique de l’autoantigène Il est maintenant admis que la majorité des antigènes y compris des antigènes spécifiques d’organes sont exprimés dans le thymus chez l’homme, par exemple le GAD et l’insuline impliqués dans le diabète, l’antigène S de la rétine dans l’uvéite, les composants de la myéline PLP (Proteolipid protein) et MBP (Myelin basic protein) dans la SEP. Les mécanismes diminuant l’expression de ces antigènes prédisposent au développement de l’auto-immunité en altérant la sélection négative et en favorisant le passage de lymphocytes T autoréactifs en périphérie. On observe ainsi des corrélations entre le niveau d’expression des autoantigènes dans le thymus et la susceptibilité aux pathologies auto-immunes, chez l’homme et les rongeurs [16]. Par exemple, chez l’homme, la susceptibilité au diabète de type 1 est associée à un polymorphisme au niveau de la région 5’ du gène de l’insuline, qui influence le niveau d’expression des peptides dérivés de l’insuline par les CPA dans le thymus. L’allèle « protecteur » est associé à un haut niveau d’expression thymique de l’insuline et l’allèle de « susceptibilité » à un faible niveau [16]. Dans ce dernier cas, les lymphocytes T autoréactifs ne sont pas soumis à une sélection négative efficace. Les souris Non-Obese-Diabetic (NOD) qui n’expriment pas la pro-insuline 2 dans le pancréas ni dans le thymus développent rapidement un diabète [54]. De même, la susceptibilité à l’uvéite auto-immune chez des primates non humains est corrélée au niveau d’expression thymique de deux antigènes rétiniens : l’antigène S et l’interphotoreceptor retinoid binding protein [16]. L’expression thymique des antigènes potentiellement impliqués dans la pathogenèse de la SEP chez l’homme est variable. L’aB crystallin (une heat shock protéine) et le S100b (protéine liant le calcium) sont exprimés dans le thymus. La PLP chez l’homme existe sous deux isoformes générées par épissage alternatif du gène : l’isoforme « complète » et une isoforme délétée au niveau des acides aminés 116-150 appelée DM20 [55]. Ces deux isoformes sont exprimées dans le cerveau mais le niveau d’expression thymique de l’isoforme « complète » est variable d’un individu à
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l’autre. Chez certains individus, c’est l’isoforme DM20 qui est exclusivement exprimée dans le thymus. Chez ces derniers, l’épitope immunodominant pourrait être sous-exprimé et il y aurait échappement à la sélection négative des lymphocytes T spécifiques de cet épitope. C’est le cas de la souris SJL/J où l’épitope immunodominant (résidus 139-151) n’est pas exprimé dans le thymus et où l’on retrouve des lymphocytes T spécifiques de cet épitope en périphérie. De la même façon, la MBP présente plusieurs isoformes, dont certaines ont une expression restreinte au système nerveux central, contrairement à l’isoforme golli-MBP qui est principalement exprimée hors du système nerveux central dans le thymus. Seul l’antigène MOG (Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein) est un antigène « séquestré » c’est-à-dire exprimé exclusivement dans le système nerveux central [55]. Il n’y a donc pas de sélection négative vis-à-vis des lymphocytes T spécifiques de cet autoantigène dans le thymus, et cet antigène pourrait jouer un rôle majeur dans le développement de la SEP. 4.4.2. Le défaut de présentation du peptide 4.4.2.1. En raison de la faible affınité du TCR pour les complexes CMH–peptide. Le système du CMH est très polymorphe et un peptide se liera avec une plus ou moins grande efficacité à différentes molécules du CMH. Quand des molécules du CMH lient faiblement un peptide, le complexe CMH–peptide est instable et très faiblement exprimé à la membrane cellulaire, ce qui ne permet pas la délétion des lymphocytes T autoréactifs spécifiques de ce peptide. Ainsi, dans le cadre du modèle murin de la SEP, l’EAE (encéphalomyélite allergique expérimentale), l’épitope immunodominant de la MBP correspond à la partie aminoterminale de la MBP et se fixe très faiblement aux molécules CMH de classe II Au , [53]. Chez les souris Au, les lymphocytes T spécifiques de la MBP échappent à la sélection négative et passent en périphérie. 4.4.2.2. En raison d’un défaut dans « l’apprêtement » de l’antigène. L’efficacité de « l’apprêtement » et de la présentation de l’antigène par les cellules présentatrices thymiques est un facteur limitant la reconnaissance des complexes « CMH–peptide » par le TCR et donc la sélection négative. En particulier, les protéases qui coupent les protéines en peptides jouent un rôle important. Chez l’homme, la région incluant les acides aminés 80 à 100 de la MBP est immunodominante et l’épitope MBP85-99 est reconnu par les sujets CMH DR2. L’asparagine endopeptidase (AEP) clive la MBP après l’asparagine 94, détruisant donc l’épitope MBP85-99. L’AEP, exprimée à haut niveau par les cellules dendritiques thymiques, diminue de ce fait la présentation de l’épitope MBP85-99 par ces cellules. La faible densité de l’antigène consécutive à sa destruction pendant son « apprêtement » ne permettrait pas aux lymphocytes T spécifiques de la MBP85-99 d’être sélectionnés négativement [53]. L’AEP est moins exprimée dans
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les CPA en périphérie que dans le thymus, l’épitope MBP85-99 y est donc présenté. Les lymphocytes T autoréactifs non délétés dans le thymus peuvent reconnaître cet antigène en périphérie, en raison de la différence d’activité de l’AEP entre les CPA thymiques et périphériques. 4.4.3. L’architecture du stroma thymique Elle intervient également dans l’efficacité de la sélection négative. Chez la souris NOD, cette architecture est perturbée et des cellules épithéliales médullaires sont présentes dans le cortex. Cette localisation anormale perturbe le mécanisme de sélection négative [52]. 4.4.4. Défaut d’apoptose La sélection négative est fondée sur l’apoptose des lymphocytes T autoréactifs, et on comprend qu’un défaut de facteurs apoptotiques est associé à une anomalie de cette sélection. TRAIL (Tumor necrosis factor Related Apoptosis Inducing Ligand) est une cytokine appartenant à la famille du TNF (Tumor Necrosis Factor) mais qui, contrairement à FasL et au TNF, n’induit l’apoptose que dans les thymocytes, les cellules neurales et les hépatocytes. Nous ne parlerons pas des mutations de Fas et Fas ligand qui sont inductrices de maladies auto-immunes, mais qui n’interviennent pas dans la physiologie thymique [56]. Au contraire, TRAIL intervient dans la sélection négative thymique. Une étude récente a montré que des souris déficientes en TRAIL ont une susceptibilité accrue aux pathologies auto-immunes. Le mécanisme causal de la survenue de ces pathologies reste à éclaircir [57]. Il existe des polymorphismes du gène TRAIL chez l’homme et on ne connaît pas encore leurs conséquences sur la survenue de pathologies auto-immunes [58].
5. Rôle du thymus en thérapeutique dans les maladies auto-immunes Peu d’interventions thérapeutiques au niveau du thymus ont été envisagées dans le cadre de l’auto-immunité (en dehors de la thymectomie chez les patients présentant une hyperplasie thymique ou un thymome associés à la myasthénie), en raison des difficultés d’abord de cet organe et de son involution chez l’adulte. Son rôle dans le maintien des lymphocytes T régulateurs chez l’adulte n’est pas éclairci. De plus, l’exploration fonctionnelle du thymus reste limitée. L’exploration « classique » fait intervenir des techniques immunologiques telles que l’histochimie et l’immunohistologie après autopsie ou exérèse chirurgicale, en particulier dans le cadre de la chirurgie cardiaque [1], mais également des techniques d’imagerie telles la radiologie, le scanner (tomographie) et la résonance magnétique. L’étude de l’expression de différents antigènes spécifiques d’organes dans le thymus a été effectuée sur des thymus sains obtenus après une chirurgie thoracique [16]. Peu de paramètres biologiques permettent de juger de la fonction thymique en clinique
humaine. Cependant, la quantification des TRECs dans les lymphocytes T périphériques a permis d’affirmer la persistance d’une activité thymique chez le sujet âgé [11]. Malgré ces progrès, la cause physiologique de l’involution programmée du thymus est inconnue. En dehors de son rôle dans l’induction de la tolérance centrale, le thymus pourrait jouer un rôle important dans la tolérance acquise chez l’homme. En effet, l’administration intrathymique d’antigènes induit un état de tolérance dans des modèles animaux de transplantation et d’auto-immunité, en augmentant la sélection négative des lymphocytes T autoréactifs et la production de lymphocytes T régulateurs. Par exemple, dans un modèle de greffe de peau chez la souris, une souris transgénique pour un TCR spécifique d’un peptide dérivé de l’hémagglutinine du virus influenza (HA), rejette un greffon de peau exprimant ce peptide. L’administration intrathymique de HA induit une tolérance transitoire au greffon, ainsi que l’apparition de lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+ [59]. Il en est de même chez le rat où l’injection intrathymique d’antigène spécifique du foie prévient le rejet du foie transplanté [60]. L’injection intrathymique de MBP prévient également la survenue d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale chez le rat [61]. Chen et al. ont précisé les mécanismes de cette tolérance qui passerait par une apoptose accrue des thymocytes double positifs CD4+CD8+ et de quelques thymocytes CD4+ spécifiques de l’antigène administré, ainsi qu’une anergie en périphérie des lymphocytes T spécifiques de cet antigène [26]. L’injection intrathymique d’antigènes pourrait constituer une nouvelle stratégie pour induire la tolérance dans le cadre de l’autoimmunité et de la transplantation chez l’homme. Le rôle des lymphocytes T régulateurs dans le contrôle de l’auto-immunité a été largement étudié. Comme nous l’avons vu, l’administration de lymphocytes T régulateurs prévient la survenue de pathologies auto-immunes dans des modèles animaux après thymectomie ou irradiation [6,18]. Leur administration prévient également le transfert du diabète (par des cellules de souris NOD) à un receveur irradié [6,18]. L’impact des lymphocytes T régulateurs dans la réponse allogénique a été moins étudié. Dans des modèles murins de greffe de cellules souches hématopoïétiques, l’administration de lymphocytes T régulateurs du donneur au moment de la greffe, prévient ou retarde l’apparition de la maladie du greffon contre l’hôte (qui avec les infections, est une des principales causes de morbidité et de mortalité en post greffe) [62,63]. Des protocoles de thérapie cellulaire avec administration de lymphocytes T régulateurs à l’homme pourraient être envisagés, chez les patients bénéficiant d’une greffe ou chez les patients atteints de maladies auto-immunes. Avant d’envisager une telle application, il convient de préciser l’efficacité et l’innocuité de ce type de thérapie chez l’homme ou dans des modèles proches comme les primates. De plus, cette application nécessite l’expansion ex vivo des lymphocytes T régulateurs, afin d’en obtenir une quantité suffisante. Les modalités de l’expansion des lymphocytes T régulateurs ont
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déjà été étudiées. Les lymphocytes T régulateurs peuvent être expansés à partir de lymphocytes T CD4+ périphériques naïfs in vitro sans perdre leur propriété suppressive ni leur anergie [64]. On pourrait également envisager de produire des cellules transfectées par Foxp3 afin de leur faire acquérir des propriétés suppressives. Le thymus joue également un rôle majeur dans la reconstitution immunitaire après greffe de cellules souches hématopoïétiques [65,66]. Une stimulation de l’activité thymique chez le malade greffé, et en particulier chez le sujet âgé, permettrait de restaurer plus rapidement un large répertoire de lymphocytes T et de limiter les pathologies dysimmunitaires (infectieuses, auto-immunes ou réactions du greffon contre l’hôte) observées au cours de la reconstitution postgreffe [67]. L’impact thérapeutique potentiel des hormones thymiques est à l’étude dans diverses pathologies auto-immunes et cancéreuses [68].
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6. Conclusion
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Le thymus est un organe indispensable à la maturation des lymphocytes T, qu’ils soient effecteurs ou régulateurs. Il joue un rôle fondamental dans l’induction de la tolérance au soi, par deux mécanismes de sélection qui nécessitent la rencontre de lymphocytes T immatures avec les antigènes de l’organisme qui les abritent. Ces deux mécanismes aboutissent à la destruction intrathymique des lymphocytes T autoréactifs (sélection négative) et à la maturation de lymphocytes T régulateurs autoréactifs. Ces derniers exercent un rôle de sentinelle en réprimant toute réponse de la part des lymphocytes T autoréactifs ayant survécu à la sélection négative.
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Remerciements L’auteur remercie les professeurs M. Abbal, A. Blancher et R. Liblau pour la relecture du manuscrit et leurs précieux conseils.
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