Role of polysialic acid in the innate immune response : a focus on macrophages, monocytes and eosinophils

Toutes les cellules de notre corps sont recouvertes d’un réseau dense de sucres complexes ou glycannes. Ces derniers participent à de nombreux processus biologiques clés incluant la communication cellulaire, la migration et l'adhésion des cellules, le trafic et l'élimination des protéines, l'activation et l'endocytose des récepteurs ainsi que la transduction des signaux. L’implication des glycannes dans ces divers processus biologiques s’explique par leur remarquable complexité et diversité et par le fait que les informations portées par les glycannes peuvent être décodées par des familles de protéines appelées lectines. Mes travaux de thèse s’inscrivent dans un ensemble de recherches en glycoimmunologie visant à comprendre le rôle des glycannes dans la régulation du développement et des fonctions effectrices des cellules de l’immunité. Au sein de mon laboratoire, nous étudions plus particulièrement la réponse immunitaire induite suite à une infection par Mycobacterium tuberculosis (Mtb), l’agent étiologique de la tuberculose. Cette dernière est la maladie causée par un agent pathogène unique la plus meurtrière dans le monde. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé au rôle d’un polymère de sucre particulier nommé acide polysialique (PolySia) qui est synthétisé par la polysialyltransférase ST8SIA4 dans les cellules de l’immunité innée. Dans un premier temps, j’ai exploré in vitro le rôle de ST8SIA4 et du PolySia dans la régulation des fonctions effectrices du macrophage, un acteur de premier plan dans la réponse immunitaire antituberculeuse. Cependant, mes résultats n’ont pas permis de mettre en évidence un impact de l’expression de ST8SIA4 et du PolySia sur la différenciation des macrophages, sur la production de médiateurs inflammatoires suite à une stimulation par des composés bactériens, ou encore sur la capacité de ces cellules à répondre à l’infection par Mtb. Dans un deuxième temps, j’ai étudié in vivo le rôle de ST8SIA4 et du PolySia dans le développement, l'homéostasie et les fonctions effectrices des cellules immunitaires innées en comparant le phénotype de souris sauvages ou déficientes en ST8SIA4 (St8sia4-KO), à l’état basal et au cours d’une infection par Mtb. Ainsi, j’ai pu montrer que les souris St8sia4-KO présentent de nombreuses perturbations dans leur réponse immunitaire en comparaison avec les souris sauvages. En particulier, deux phénotypes majeurs ont été observés dans les souris St8sia4-KO, à savoir un nombre anormalement faible de monocytes classiques dans le sang et une accumulation d’éosinophiles au niveau de la moelle osseuse. Ces deux phénotypes présents à l’état basal se traduisent au cours de l’infection par Mtb, par un défaut de recrutement des monocytes classiques et une augmentation du nombre d’éosinophiles au niveau du tissu pulmonaire. De plus, les souris St8sia4-KO semblent mieux contenir Mtb durant les premières semaines de l’infection. D’un point de vue mécanistique, mes résultats indiquent que ST8SIA4 et le PolySia jouent un rôle essentiel pour i) la migration dépendante des chimiokines des monocytes classiques de la moelle osseuse vers le sang et le maintien d’un nombre physiologique de monocytes dans la circulation sanguine et ii) le développement des éosinophiles dans la moelle osseuse des souris. Cette étude montre pour la première fois un rôle majeur de ST8SIA4 et du PolySia dans la régulation de la réponse immunitaire innée, notamment au cours d’une infection, et ouvre la voie au développement de nouvelles thérapies ciblant le PolySia afin de moduler l’immunité et lutter contre des maladies infectieuses dévastatrices telles que la tuberculose.Every cell in our body is covered with a dense network of complex sugars or “glycans”. Glycans are involved in many key biological processes including cell communication, cell migration and adhesion, protein trafficking and removal, receptor activation and endocytosis, and signal transduction. The involvement of glycans in these various biological processes is explained by their remarkable complexity and diversity and by the fact that the information carried by glycans can be decoded by families of proteins called lectins. My thesis work belongs to the field of glycoimmunology, which aims to understand the role played by glycans in regulating the development and effector functions of immune cells. In my laboratory, we study the immune response induced upon infection with Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the etiological agent of tuberculosis. Tuberculosis is the deadliest disease worldwide caused by a single pathogen. During my thesis, I focused on the role of a particular sugar polymer named polysialic acid (PolySia) which is synthesized by the polysialyltransferase ST8SIA4 in innate immunity cells. First, I explored in vitro the role of ST8SIA4 and PolySia in the regulation of the effector functions of the macrophage, a key player in the anti-tuberculosis immune response. However, my results failed to demonstrate an impact of ST8SIA4 and PolySia on macrophage differentiation, on the production of inflammatory mediators following stimulation by bacterial compounds, or on their ability of these cells to respond to Mtb infection. Second, I studied in vivo the role of ST8SIA4 and PolySia in the development, homeostasis and effector functions of innate immune cells by comparing the phenotype of wild-type (WT) and St8sia4-KO mice at steady state and during Mtb infection. I found that St8sia4-KO mice have many alterations in their immune response compared to WT mice. In particular, two major phenotypes were observed in St8sia4-KO mice, namely an abnormally low number of classical monocytes in the blood and an accumulation of eosinophils in the bone marrow. Both of these phenotypes, present under basal conditions, are reflected during Mtb infection by a defect in the recruitment of classical monocytes and an increase in the number of eosinophils in the lung tissue. In addition, St8sia4-KO mice appear to better contain Mtb during the first weeks of infection. Mechanistically, my results indicate that ST8SIA4 and PolySia play a critical role in (i) chemokine-dependent migration of classical monocytes from the bone marrow into the blood and maintenance of physiological numbers of circulating classical monocytes and (ii) eosinopoiesis in the bone marrow of mice. This study shows for the first time a major role of ST8SIA4 and PolySia in the regulation of the innate immune response, especially during infection, and paves the way for the development of new therapies targeting PolySia to modulate immunity and fight devastating infectious diseases such as tuberculosis