Aspects biophysiques de l'activation des cellules T

par Anna Sawicka

Thèse de doctorat en Interdisciplinaire

Sous la direction de Julien Husson et de Claire Hivroz.

Thèses en préparation à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Interdisciplinaire européenne frontières du vivant .


  • Résumé

    Les cellules T jouent différents rôles dans la réponse immunitaire adaptative : elles stimulent les cellules B à produire les anticorps ; elles sécrètent les cytokines qui dirigent l'action des autres cellules immunitaires ; elles tuent les cellules du corps infectées ou porteuses de mutations ; elles assurent la mémoire immunitaire, permettant de répondre plus vite en cas de nouvelle infection avec le même pathogène. Toutes les cellules T s'activent quand elles reconnaissent leur antigène spécifique : un peptide court présenté par le complexe majeur d'histocompatibilité exprimé à la surface de la cellule présentatrice d'antigène. La liaison du récepteur de cellules T (TCR, ang. T cell receptor) à cet antigène initie la cascade de transduction de signal dans la cellule T ; ce processus mène aux modifications du cytosquelette, aux changements dans l'expression des gènes, et à la prolifération des cellules T. Récemment, il a été découvert que quand les cellules T reconnaissent l'antigène, elles poussent et tirent sur les cellules présentatrices d'antigène. Même si ces forces mécaniques ont été l'objet de recherches intenses pendant ces dernières années, leur nature et leur rôle restent toujours largement méconnus. La caractérisation des forces générées par les cellules T était l'objectif de ma recherche doctorale. J'ai mesuré les forces avec la technique appelée "micropipette force probe", qui utilise une micropipette en verre comme un cantilever de rigidité connue. Cette technique a permis de mesurer la force maximale et la vitesse de génération des forces, et, en même temps, de capturer l'image de la morphologie des cellules de profil. J'ai trouvé que les cellules T humaines, primaires, au repos, CD4+, activées avec les anticorps contre les molécules CD3 et CD28, suivent une succession de changements de morphologie, pendant laquelle elles génèrent des forces. Cette succession était qualitativement identique pour les lymphoblastes CD4+, un modèle des cellules T activées. Ensuite, j'ai étudié cette succession d'événements dans le contexte biologique de l'activation des cellules T. Les cellules T interagissent avec les cellules présentatrices d'antigène qui ont des propriétés mécaniques différentes. J'ai donc changé la rigidité de la micropipette utilisée comme sonde, afin de mesurer la réponse des cellules T à des cibles de rigidité différentes. J'ai trouvé que les forces générées par les cellules T sont mécanosensibles, car la vitesse de génération des forces de poussée et de traction changeaient avec la rigidité de la micropipette. Ensuite, j'ai étudié les conditions nécessaires à la génération des forces. Les forces étaient liées au processus d'activation, car l'attachement des anticorps aux molécules CD45 n'a pas conduit à la génération des forces. Pour étudier la contribution aux forces des différents acteurs du cytosquelette d'actine, j'ai utilisé différents inhibiteurs du remaniement du cytosquelette. L'influence la plus grande sur la génération de forces a été trouvée avec SMIFH2, un inhibiteur des formines. Ces protéines jouent donc probablement un rôle important dans le processus d'activation des cellules T. La recherche décrite dans cette thèse contribue à la compréhension des aspects biophysiques de l'activation des cellules T. Elle montre que la génération des forces est un des événements les plus précoces de l'activation des lymphocytes T, et qu'elle est modifiée par la rigidité de la cible des cellules T. Dans le futur, la recherche liant la génération des forces avec la cascade biochimique de transduction de signal induit par le TCR sera nécessaire pour décrire la base de la mécanosensibilité des cellules T. Cette recherche sera complétée par l'étude des fonctions des forces dans le processus de l'activation des lymphocytes T en conditions normales et pathologiques.

  • Titre traduit

    Biophysical aspects of T cell activation


  • Résumé

    T cells play many roles in the adaptive immune response: they stimulate B cells for the production of antibodies; they secrete cytokines, which guide the action of other immune cells; they kill infected or mutated cells of the body; they assure the immune memory, staying ready to respond upon another infection with the same pathogen. All T cells activate when they recognise their specific antigen: a short peptide presented on the major histocompatibility complex on the surface of the antigen-presenting cell. The binding of the T cell receptor (TCR) to this antigen triggers a cascade of signalling events inside the T cell, resulting in cytoskeleton modifications, changes in the expression levels of different genes, and proliferation. One of the early responses of T cells to the antigen recognition is force generation. T cells, upon TCR triggering, push and pull on the antigen-presenting cell. Although the body of research concerning these forces has been recently growing, their nature and role is still largely unknown. The goal of my PhD project was to characterise the pushing and pulling forces generated by T cells. I measured the forces with the micropipette force probe, which uses a glass micropipette as a cantilever of known bending stiffness. The technique allowed to measure the maximal force generated by T cells and the speed at which T cells generated forces (force rate), and, simultaneously, to track the morphology of cells as seen from the side. These experiments revealed that human primary resting CD4+ T cells, when activated with antibodies against CD3 and CD28 molecules, followed a sequence of morphology changes and force generation. This sequence was qualitatively the same for CD4+ T lymphoblasts, a model of effector T cells. The sequence was then studied in the biological context of T cell activation. As different antigen-presenting cells, with which T cells interact in the body, were shown to have different mechanical properties, I varied the bending stiffness of the micropipette probe, to measure the response of T cells to targets of different stiffness. The force rate changed with this bending stiffness, indicating that force generation in T cell activation is a mechanosensitive process. Next, the conditions necessary for force generation were investigated. Binding to antibodies against CD45 molecule did not result in force generation, suggesting that force generation is specific to TCR triggering. To dissect the contribution of the different components of the actin cytoskeleton to the process, T cells were treated with different cytoskeleton inhibitors. The largest influence was found with SMIFH2, an inhibitor of formins, suggesting an important role for formins in force generation in early T cell activation. This work contributes to the understanding of the biophysical aspects of T cell activation. It shows that force generation is incorporated into the early events of the activation process, and is directly influenced by the stiffness of the T cell target. Further work is needed to link the force generation with the signalling pathways induced by TCR triggering, to explain the molecular basis of T cell mechanosensitivity. This link will open the possibility of functional studies of forces in T cell activation, to answer the open questions regarding the function of T cells in physiology and pathology of the immune system.