Contribution du foie et des cellules dendritiques
plasmacytoïdes dans la réponse humorale à
Immunoglobines A

LES IMMUNOGLOBULINES (Ig) A, STRUCTURE ET FONCTIONS

STRUCTURE ET DISTRIBUTION DES IGA

Les immunoglobulines A (IgA) représentent la sous-classe d’immunoglobulines la plus représentée chez l’homme et constituent un élément majeur de l’immunité adaptative. La production d’IgA est quasiment limitée aux interfaces muqueuses, particulièrement à l’intestin qui regroupe plus de 80% des cellules sécrétrices d’IgA (Fagarasan and Honjo, 2003), appelées plasmocytes à IgA. Chaque jour, la sécrétion d’IgA dans le tube digestif représente plus de 70% de la production totale d’immunoglobulines dans l’organisme entier (Macpherson and Uhr, 2004). La muqueuse intestinale, qui constitue l’interface de contact avec le milieu extérieur la plus importante en surface, en est ainsi largement recouverte. De plus, si les IgA sont fortement majoritaires dans les sécrétions muqueuses, elles sont aussi abondantes dans le sang (Woof and Kerr, 2006), mais sous une forme moléculaire majoritairement différente de celle observée dans les sécrétions muqueuses. En effet, contrairement aux autres isotypes d’immunoglobulines exclusivement sous forme monomérique (IgG, IgD) ou polymérique (IgM, IgE), les IgA ont la particularité de pouvoir présenter les formes monomérique (forme majoritaire dans le sérum humain) et dimérique ou polymérique (muqueuses).

Les IgA monomériques

Les IgA monomériques (mIgA) possèdent une structure classique d’immunoglobuline comprenant deux chaines lourdes et deux chaines légères, identiques deux à deux, arrangées en deux régions Fab (comprenant les domaines variables permettant la reconnaissance de l’antigène) et un fragment Fc permettant notamment les interactions avec des récepteurs cellulaires (Figure 1). Chez la souris, un seul isotype d’IgA existe, alors qu’il se distingue deux sous-classes chez l’Homme : les IgA1 et les IgA2. Ces deux IgA vont se différencier par des variabilités de séquence dans leurs chaines lourdes, dont la plus marquée se situe au niveau de la région charnière, très étendue pour les IgA1, et réduite pour les IgA2 (Figure 1a et c). Cette caractéristique confère aux IgA1 une 11 meilleure capacité de fixation simultanée de plusieurs antigènes, favorisant la création de complexes immuns (Woof and Kerr, 2006), tandis que les IgA2 sont plus résistantes aux protéases bactériennes fortement produites par la flore commensale intestinale (Kornfeld and Plaut, 1981). Les IgA1 et les IgA2 se différencient également par leurs glycosylations, qui représentent environ 6- 7% de la masse moléculaire totale des IgA1, et atteint les 10% de la masse des IgA2. Ainsi, les 2 sous-classes présentent diverses N-glycosylations au niveau de leurs chaines lourdes, dont la composition oligosaccharidique et la taille semblent pouvoir varier d’une molécule d’IgA à une autre. La région charnière des IgA1 comporte quand à elle entre 3 et 5 O-glycosylations, dont la structure peut également être variable. Ces N et O-glycosylations jouent un rôle majeur dans la biologie des IgA : elles permettent la fixation de la pièce J pour former des IgA polymériques (cf paragraphe 1.1.2), peuvent interagir avec certains motifs antigéniques bactériens, participant ainsi à la fonction de neutralisation des IgA (Woof and Mestecky, 2005), et permettre leur fixation à certains récepteurs aux IgA. Les mIgA sont retrouvées principalement dans le sérum, représentant un peu plus de 50% des IgA sériques totales chez la souris (Delacroix et al., 1985) contre plus de 80% chez l’Homme (Delacroix et al., 1982a). Elles constituent ainsi les principales immunoglobulines sériques après les IgG, et sont représentées à 80-90% d’IgA1 (Woof and Mestecky, 2005). Le lieu de production des ces mIgA1 n’a pas encore été clairement établi, cependant il apparaît que la la population de plasmocytes médullaires constitue la source majoritaire de ces IgA (Crago et al., 1984; Kutteh et al., 1982a). Le rôle des mIgA sériques reste encore sujet à débat et n’a pas été totalement établi. Les IgA engendrent la formation de complexes immuns pouvant notamment inhiber l’activation du complément par les IgG ou les IgM par compétition (Griffiss and Goroff, 1983), et peuvent Figure 1. Structure des IgA monomériques. Structure schématique des mIgA1 (a) et des mIgA2 (c). Structure cristallographique des mIgA1 (b) et des mIgA2 (d). Rose : chaines lourdes Bleu : chaines légères Cα1-3 : régions constantes des chaines lourdes VH : région variable des chaines lourdes CL : région constante des chaines légères VL : région variable des chaines légères Hinge : région charnière (adapté de Woof & Russel, 2011) a b c d mIgA1 mIgA2 12 également interagir avec différentes cellules myéloïdes via le récepteur spécifique au fragment Fc des IgA (FcαRI) (van Egmond et al., 2001). Nous aborderons ce mécanisme plus en détail dans la partie suivante. En outre, lors de la formation de complexes immuns, le fragment Fc des IgA, contrairement aux IgM et aux IgG, ne peut pas interagir avec le C1q, ainsi les IgA ne peuvent pas activer la voie classique du complément. Néanmoins, quelques études ont proposé que, via leurs glycosylations, les IgA peuvent recruter des enzymes de type MBLASP (Mannose-Binding Lectin Associated Serine Protease) et ainsi activer le complément par la voie des lectines (Roos et al., 2001).

Des IgA polymériques aux IgA sécrétoires

La grande majorité des IgA présentes dans les sécrétions muqueuses est polymérique (principalement dimérique), et est constituées de monomères d’IgA joints grâce à la pièce J (Joining chain), également responsable de la polymérisation des IgM (Figure 2a). Les IgA polymériques (pIgA) produites par les plasmocytes de la Lamina Propria ont la capacité d’interagir de façon spécifique avec un récepteur exprimé sur la membrane basale des cellules épithéliales : le récepteur aux immunoglobulines polymériques (ou pIgR), encore appelé SC (Secretory Component) (Figure 2b). L’interaction entre le pIgR et les pIgA va mener à l’internalisation des IgA dans une vésicule d’endocytose qui sera transportée jusqu’à la membrane apicale de la cellule épithéliale : c’est la transcytose (Figure 3). Lorsque la transcytose est effectuée, le domaine extra-cellulaire du pIgR est clivé pour libérer les IgA dans la lumière des muqueuses. Les IgA libérées portent le nom d’IgA sécrétoires (SIgA), caractérisées par la présence d’un SC associé (fragment clivé du pIgR) favorisant la stabilité stérique des IgA et leur résistance aux protéases (Brandtzaeg and Johansen, 2005). mIgA1 dIgA1 SIgA1 a b Figure 2. Structure des IgA dimériques et sécrétoires. Structure schématique des dIgA1 (a) et des SIgA1 (b). (a) Les monomères d’IgA sont liés par la pièce J (jaune) via la formation de ponts disulfure au niveau terminal des chaines Cα3 du fragment Fc. (b) L’interaction des dIgA avec le pIgR entraine la fixation du composant sécrétoire (bleu foncé), lié de façon non-covalente à la pièce J et aux chaines Cα3 des deux fragments Fc. (Adapté de Woof & Russel, 2011) 13 Chez l’Homme, la distribution des IgA1 et IgA2 diffère grandement selon le type de muqueuse : les IgA1 sont largement prédominantes au niveau du tractus respiratoire et des voies digestives supérieures (amygdales, estomac, duodénum), tandis que le ratio IgA1/IgA2 tend à s’équilibrer au fur et à mesure du tube digestif (Figure 4). Les IgA2 ne sont réellement dominantes qu’au niveau du colon (environ 2/3 des IgA produites) et de la muqueuse utérine (Brandtzaeg, 1999; Brandtzaeg and Johansen, 2005). Les deux sous-classes d’IgA possédant la même capacité de liaison au pIgR donc de transcytose, leur distribution différentielle dans les différentes muqueuses est une conséquence directe de la proportion de plasmocytes à IgA1 versus IgA2 dans ces différents tissus. Aujourd’hui encore les mécanismes à l’origine de cette distribution différentielle restent obscurs. Néanmoins la nature des antigènes présents dans ces zones semble impacter directement la classe des IgA produites : les antigènes protéiques favorisent préférentiellement la production d’IgA1, alors que les IgA2 sont plutôt produites en réponse à une stimulation par des antigènes polysaccharidiques (Lue et al., 1988; Mestecky and Russell, 1986). Des études menées sur des IgA de colostrum et de salive proposent d’ailleurs que les IgA1 possèdent une capacité plus importante à fixer les antigènes protéiques, alors que les IgA2 complexent plus efficacement les antigènes polysaccharidiques (Brown and Mestecky, 1985; Ladjeva et al., 1989). Fixation des pIgA au pIgR Endocytose Transcytose Clivage du pIgR et libération des SIgA mucus jonction serrée lumière intestinale cellule épithéliale pIgR pièce J IgA Plasmocyte à IgA Lamina Propria SIgA SC Figure 3. Le mécanisme de transcytose des IgA polymériques. Les IgA polymériques, produites au niveau de la sous-muqueuse (Lamina Propria) par les plasmocytes, sont prises en charge par le récepteur aux immunoglobulines polymériques (pIgR) exprimé sur la membrane basale des cellules épithéliales. Leur interaction mène à la formation d’une vésicule de transcytose permettant le transport des IgA jusqu’à la membrane apicale des entérocytes. Le pIgR va alors être clivé pour relacher dans la lumière intestinale les IgA sécrétoires (SIgA) portant le composant sécrétoire (SC). (source : Janeway’s Immunobiology 8th, 2012) Figure 4. Distribution relative des IgA1 et IgA2 dans différents tissus. Pourcentage relatif des sousclasses d’IgA produites par les plasmocytes et plasmablastes. (d’après Brandtzaeg & Johansen, 2005) d t c 7% 93% 75% 25% 83% 17% 71% 29% 60% 40% 36% 64% spleen, peripheral lymph nodes bronchial mucosa gastric mucosa duodenum, jejunum ileum colon IgA1 IgA2

LES IGA PARTICIPENT ACTIVEMENT AU MAINTIEN DE L’HOMEOSTASIE

Les muqueuses constituent une surface de contact considérable avec l’environnement extérieur. La muqueuse intestinale, qui représente à elle seule une surface deux cent fois supérieure à la peau (Brandtzaeg, 2009) est exposée de façon chronique à une quantité massive d’antigènes issue de l’alimentation ou du microbiote et occasionnellement à des agents infectieux. En outre, le mutualisme établi entre l’hôte et les micro-organismes de sa flore commensale confère des avantages nutritionnels et métaboliques favorables aux deux partenaires (Bäckhed et al., 2005; Chorny and Cerutti, 2011). De surcroit, la flore commensale permet de limiter l’implantation de germes pathogènes par compétition (Sonnenburg et al., 2004). Cependant, les germes commensaux doivent être confinés à la lumière intestinale car leur translocation inappropriée dans la sous-muqueuse est susceptible d’engendrer l’émergence de pathobiontes pouvant entrainer des réactions inflammatoires fortement délétères pour l’hôte. Ainsi, une diversité de mécanismes immunitaires permettent à la fois de développer une défense efficace contre les pathogènes, tout en limitant les réponses contre les antigènes inoffensifs. Une rupture/altération de la tolérance contre des antigènes issus de la flore commensale ou d’origine alimentaire, caractérisée par la mise en place d’une réponse inflammatoire, mène à des pathologies inflammatoires chroniques de l’intestin telles que la maladie de Crohn, la rectocolite hémorragique (Abraham and Cho, 2009) ou encore la maladie cœliaque (Dieterich et al., 1997). La réponse IgA est aujourd’hui considérée comme un mécanisme finement adapté aux contraintes antigéniques liées aux muqueuses, et évoquées ci-dessus. Les premières découvertes majeures prouvant cette adaptation montraient que le contingent de plasmocytes à IgA intestinal était très fortement diminué chez les souris axéniques, et quasiment inexistant chez les nouveau-nés avant la colonisation par la flore commensale (Benveniste et al., 1971a; 1971b; Moreau et al., 1978). Ainsi, dans les différents compartiments des muqueuses (Lamina Propria, épithélium, lumière) les IgA contribuent à préserver l’homéostasie locale et systémique, en association avec les mécanismes de suppression des réponses T pro-inflammatoires (tolérance orale). 

L’exclusion antigénique permet d’éviter les réponses pro-inflammatoires contre la flore intestinale

Le tube digestif des mammifères est colonisé dès la naissance par une flore bactérienne commensale composée de plusieurs milliards d’individus, représentés par plus de mille espèces (Eckburg et al., 2005). Cette flore est essentielle à la physiologie de son hôte en lui permettant la digestion de molécules qui ne pourraient pas être assimilées autrement et en apportant des 15 vitamines et autres nutriments absents de notre régime alimentaire. Mais elle est également indispensable au bon développement du système immunitaire muqueux, voire général, de l’hôte (Kato et al., 2014). Pour que ce mutualisme fonctionne, l’hôte doit mettre en place différentes stratégies limitant l’accès des germes commensaux à la circulation sanguine. Un des premiers obstacles à la pénétration des micro-organismes dans la muqueuse intestinale est la barrière physique constituée par l’épithélium monostratifié, dont les cellules sont fortement liées par la formation de jonctions serrées. La majorité des entérocytes a un rôle d’absorption, mais certaines cellules (goblet cells) sont spécialisées dans la production du mucus épais contenant des composés antimicrobiens non-spécifiques (mucines, défensines) dont le rôle dans le maintien de l’homéostasie intestinale a été récemment illustré (Shan et al., 2013). De plus, les cellules épithéliales arborent une panoplie de récepteurs de l’immunité innée de type PRR (Pathogen Recognition Receptors), dont l’engagement par des ligands exprimés par la flore commensale (composés bactériens dérivés de la paroi, des flagelles ou acides nucléiques) induit la production de médiateurs immunologiques responsables du recrutement de cellules immunitaires et de la régulation de la réponse immunitaire locale (Izadpanah et al., 2001; Kagnoff and Eckmann, 1997). Ainsi, outre son rôle de barrière physique, l’épithélium est capable de moduler la conversation complexe qui est établie en le système immunitaire de l’hôte et la flore (Kato et al., 2014), permettant le développement de réponses immunitaires adaptées. Plusieurs mécanismes immunitaires adaptatifs sont mis en place afin d’assurer la plasticité et l’efficacité de cette relation symbiotique, dont un des principaux est directement lié aux IgA : l’exclusion antigénique. Les IgA sont omniprésentes dans la lumière intestinale et, grâce à leur structure polymérique, ont une forte capacité à complexer certains épitopes bactériens créant ainsi un véritable réseau (phénomène d’agglutination), qui empèche les bactéries d’adhérer à l’épithélium (Figure 5a). Il a d’ailleurs été montré que la plupart des bactéries commensales sont recouvertes par des IgA (Palm et al., 2014; van der Waaij et al., 1996).