Les chimiokines sont définies comme des cytokines impliquées dans le trafic cellulaire, mais cette famille de protéines participe également à de nombreux autres mécanismes physiologiques. Ainsi, la liaison de la chimiokine CXCL12 ( C-X-C motif chemokine ligand 12 ) à CXCR4 induit des signaux mitogéniques ( i.e. qui promeuvent la prolifération cellulaire) et les voies de signalisation activées par cet axe jouent un rôle essentiel dans l’homéostasie de multiples processus comme l’organogenèse et l’hématopoïèse [ 1 ]. Des modèles murins dans lesquels Cxcr4 ou Cxcl12 ne sont pas exprimés ont été générés. Ces délétions sont létales au stade périnatal, démontrant le rôle primordial de ces molécules. La lymphopoïèse B précoce est également affectée en l’absence de CXCR4 ou de son ligand [ 2 , 3 ]. En effet, de par sa capacité chimiotactique, la liaison de CXCL12 à CXCR4 au cours de la lymphopoïèse B dans la moelle osseuse (MO) permet la rétention et le bon positionnement des précurseurs des lymphocytes B (LB) au sein de cet organe et donc leur différenciation correcte en LB [ 4 ].

CXCR4 est un récepteur de chimiokine dont l’expression est ubiquitaire. Il appartient à la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) et a pour particularité de se lier à un unique ligand, la chimiokinique CXCL12, sécrétée par de nombreuses cellules, dont les cellules stromales, épithéliales et endothéliales. La liaison de CXCL12 à son récepteur CXCR4 entraîne un changement de conformation du récepteur, qui va permettre l’activation des protéines G hétérotrimériques associées, à l’origine de l’activation de plusieurs voies de signalisation ( Figure 1a ) , dont la voie PI3K (phosphoinositide 3-kinase) impliquée dans des mécanismes de migration et d’adhérence cellulaire, en phosphorylant la protéine kinase B (AKT). La liaison de CXCL12 à CXCR4 active également la voie des MAPK ( mitogen-activated protein kinases ) impliquée notamment dans la différenciation, la prolifération et la survie cellulaire, en particulier celles des LB [ 1 , 5 ]. Le système d’activation du couple CXCL12/CXCR4 est régulé par un mécanisme de rétrocontrôle négatif, appelé désensibilisation homologue ( Figure 1b ) . Celui-ci limite l’amplification du signal induit par la chimiokine et permet l’arrêt de l’activation des protéines G associées au récepteur. Ce mécanisme repose sur des kinases spécifiques des RCPG dénommées GRK ( G protein-coupled receptor kinase ). Ces dernières phosphorylent des résidus sérine/thréonine présents dans le domaine intracellulaire C-terminal du récepteur. Des β-arrestines sont alors recrutées et vont empêcher le couplage du récepteur aux protéines G conduisant, in fine , à son internalisation via les endosomes ( Figure 1c ) . Le récepteur sera finalement dégradé ou recyclé à la surface de la cellule [ 6 ].

L’activation de CXCR4 par CXCL12 peut induire des voies de signalisation impliquées dans la chimiotaxie, de façon dépendante des protéines G, mais également de façon indépendante, via les β-arrestines qui vont interagir avec la voie des MAPK [ 7 ].

Ce mécanisme de rétrocontrôle négatif est altéré dans certaines maladies. Des mutations germinales affectant le domaine C-terminal de CXCR4 ont en effet été mises en évidence dans le syndrome WHIM (SW), un déficit immuno-hématologique. Cette maladie rare, dont la prévalence est inférieure à un cas pour un million, est caractérisée par une lympho-neutropénie, une sensibilité accrue aux verrues (W pour warts , verrues en anglais) liée à des infections récurrentes par le HPV (papillomavirus humain), une hypogammaglobulinémie (H), des infections bactériennes (I) et une rétention anormale de neutrophiles hypermatures dans la moelle osseuse, appelée myélokathexis (M) [ 8 ]. L’analyse génétique des patients atteints du SW a permis de révéler l’existence de mutations récurrentes du gène CXCR4 . Celles-ci touchent principalement la région codant le domaine C-terminal du récepteur. Les récepteurs produits sont exprimés à la membrane de la cellule, mais leur domaine C-terminal est tronqué, les rendant insensibles au mécanisme de rétrocontrôle négatif du signal induit par la liaison de CXCL12. Ces évènements se traduisent, biochimiquement et fonctionnellement, par un gain de fonction de CXCR4, non constitutif mais induit par la fixation de la chimiokine.

Les LB sont générés dans la moelle osseuse par un processus finement régulé au cours duquel le réarrangement VDJ des locus des immunoglobulines (Ig) va permettre la génération de LB immatures exprimant à leur surface un récepteur antigénique (ou BCR pour B cell receptor ) unique et fonctionnel. Ces cellules vont ensuite migrer vers les organes lymphoïdes secondaires (OLS), tels que la rate, où elles vont achever leur maturation afin de générer un pool de LB naïfs capables de répondre à un antigène. Dans la MO, CXCR4 est exprimé à tous les stades de différenciation des LB, depuis les cellules souches hématopoïétiques (CSH) jusqu’au stade des LB immatures ( Figure 2 ) . La voie de signalisation induite par CXCR4 est requise pour le maintien des CSH au sein de niches spécifiques dans la moelle osseuse [ 9 ], mais aussi pour l’engagement des progéniteurs multipotents (MPP) vers la différenciation lymphoïde [ 10 , 11 ]. L’expression de CXCR4 varie en fonction des stades de différenciation des LB et les signaux induits par CXCL12 contribuent à la régulation spatio-temporelle de ce processus de différenciation. Par exemple, une balance entre les signaux induits par le récepteur de l’interleukine 7 (IL-7) et ceux induits par CXCR4 est nécessaire pour moduler la localisation et la différenciation des cellules pré-B, via une reprogrammation de leur profil épigénétique permettant le réarrangement des locus des chaînes légères d’Ig [ 12 , 13 ]. Lorsque les lymphocytes B atteignent le stade de LB immatures, l’expression de surface de CXCR4 est réduite, ce qui semble nécessaire à leur mobilisation de la moelle osseuse vers le sang et les OLS [ 14 ]. Le développement optimal des LB repose donc sur l’intégration de différentes voies de signalisation et le couple CXCL12/CXCR4 joue un rôle central dans ce processus. Cette voie est également essentielle pour l’activation des LB (voir plus loin).

À côté de CXCR4, CXCL12 peut également se lier à un second récepteur qualifié d’« atypique » : ACKR3 ( atypical chemokine receptor 3 )/CXCR7 ( C-X-C motif chemokine receptor 7 ). L’une des propriétés d’ACKR3 est de capter, d’internaliser et de dégrader CXCL12, régulant ainsi la bio-disponibilité de la chimiokine, notamment au sein de la moelle osseuse [ 15 ]. Au niveau des LB, ACKR3 est principalement exprimé par les LB matures. Il semble impliqué dans la différenciation plasmocytaire par la voie dépendant de la β-arrestine [ 16 , 17 ]. Ainsi, ACKR3 apparaît comme un récepteur régulateur de l’axe CXCL12/CXCR4, mais il présente également des fonctions importantes via la mobilisation d’autres voies de signalisation qui lui sont propres [ 18 ].

Il est généralement admis que l’activation des LB, via leur BCR, peut se faire directement de façon thymo-indépendante, en réponse à des antigènes présentant des motifs répétés, ou de façon thymo-dépendante, en réponse à des antigènes protéiques qui seront internalisés puis présentés aux lymphocytes T par les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de type II (CMH II).

Les LB peuvent également subir le processus de commutation isotypique, à l’origine de la modification de la nature de la chaîne lourde des Ac qu’ils synthétisent, entraînant le changement de l’isotype exprimé. Les cellules exprimant initialement une IgM peuvent alors exprimer d’autres isotypes d’Ig (G, A ou E). L’isotype produit confère leurs propriétés effectrices aux Ac et est donc adapté à l’agent pathogène à l’origine de la réponse immune.

Quel que soit le type d’antigène, l’activation des LB se fait selon deux phases. La première, appelée extra-folliculaire, est rapide et conduit à la génération des plasmablastes, des cellules sécrétrices d’Ac de relative faible affinité, qui vont former une première ligne de défense contre l’agent pathogène. La deuxième phase se met en place après quelques jours et se déroule dans une structure anatomique particulière, le centre germinatif (CG) qui permet la génération de plasmablastes de haute affinité vis-à-vis de l’antigène. Le CG est composé de deux zones : une zone sombre et une zone claire dans lesquelles les LB circulent de façon dynamique. Au sein de la zone sombre, les LB, appelés centroblastes, prolifèrent rapidement et subissent le phénomène d’hypermutation somatique (SHM) dans les domaines variables des gènes d’Ig. À la suite de cette phase de prolifération et de mutation, les LB migrent dans la zone claire ; ils sont alors appelés centrocytes. À ce niveau, les LB vont reconnaître l’antigène présenté par les cellules dendritiques folliculaires (FDC) et le présenter aux lymphocytes T folliculaires helper (Tfh) [ 19 , 20 ]. Les LB exprimant le BCR le plus affin pour l’antigène internaliseront et présenteront plus d’antigène aux Tfh. Suite au signal d’aide reçu des Tfh, ils se différencieront alors en LB mémoire ou en plasmablastes puis quitteront le CG. Les LB les moins affins retourneront, quant à eux, vers la zone sombre, afin de subir un nouveau cycle de prolifération et de mutation de leur BCR [ 21 , 22 ]. La circulation des LB entre la zone sombre et la zone claire est donc partie prenante de la réaction du CG. Cette dynamique dépend, notamment, de gradients de deux chimiokines : CXCL12 et CXCL13. CXCL12 est en effet présente principalement dans la zone sombre tandis que CXCL13 est retrouvée dans la zone claire [ 23 - 25 ]. La compartimentalisation du CG dépend par ailleurs de l’expression de CXCR4, qui est un marqueur des centroblastes, et son expression augmente lors de la phase de prolifération des LB. Le récepteur de CXCL13, CXCR5, est quant à lui retrouvé dans la zone claire [ 26 , 27 ]. L’absence d’expression de CXCR4 par les LB entraîne la formation d’une structure sans polarité zone sombre/zone claire [ 28 ]. L’expression de facteurs de transcription, comme Foxo1, est également nécessaire pour la formation de la zone sombre [ 29 , 30 ]. La polarisation et le fonctionnement du CG dépendent donc de plusieurs facteurs, et l’axe CXCL12/CXCR4 est fondamental dans ce processus. Une fois générés, les plasmablastes migrent ensuite vers la moelle osseuse sous l’influence de l’axe CXCL12/CXCR4. Dans la moelle osseuse, une partie de ces cellules poursuivent leur différenciation en plasmocytes, correspondant à leur stade final de maturation.

Les patients atteints du SW sont capables de générer une réponse T-dépendante suite, par exemple, à une vaccination contre le tétanos, avec une production d’Ac spécifiques retrouvés dans la circulation sanguine, mais cette réponse ne perdure pas au cours du temps, résultant en une réponse vaccinale inefficace [ 31 , 32 ].

Afin de comprendre comment un gain de fonction de CXCR4, retrouvé chez les patients présentant un SW, peut altérer cette réponse vaccinale, un modèle murin du SW a été généré. Grâce à la forte homologie de séquence de CXCR4 entre l’homme et la souris, une mutation gain de fonction, orthologue de celle retrouvée chez certains patients, a pu être insérée par une stratégie de knock-in dans le gène Cxcr4 murin, conduisant à la délétion des 15 derniers acides aminés du domaine intracellulaire C-terminal du récepteur [ 33 ]. Dans ce modèle, le mécanisme de désensibilisation de CXCR4 est altéré, comme chez les patients, ce qui entraîne une suractivation du signal transduit par CXCR4 suite à la liaison de CXCL12, associée à une leucopénie similaire à celle observée dans le SW [ 33 ]. Chez les souris porteuses de la mutation gain de fonction de Cxcr4 , la réaction du CG, suite à une immunisation thymo-dépendante, est exacerbée [ 34 ]. Malgré une réduction marquée du nombre de LB spléniques totaux, le nombre de LB du CG reste normal, avec une augmentation de la fréquence des centroblastes après immunisation. La fréquence et le nombre de plasmablastes spécifiques de l’antigène sont également plus importants chez les souris mutées comparativement aux souris sauvages. La désensibilisation de CXCR4 semble donc constituer un mécanisme régulateur de la réponse immunitaire adaptative à médiation humorale, et en son absence, la réponse du CG n’est plus contrôlée correctement ( Figure 3 ) . Comme chez certains patients atteints du SW, malgré cette augmentation de la réponse du CG, les taux d’Ac sériques spécifiques de l’antigène utilisé pour l’immunisation ne se maintiennent pas dans le temps chez les souris porteuses de la mutation.

Le maintien des taux d’Ac sériques dans le temps dépend de la survie des plasmocytes spécifiques de l’antigène utilisé pour l’immunisation au sein de niches spécialisées dans la moelle osseuse [ 35 ]. La migration des plasmablastes issus des OLS vers la MO, ainsi que leur maintien au sein de cet organe, sont en partie dépendant de l’axe de signalisation formé par CXCL12 et CXCR4 [ 36 - 38 ]. À l’opposé de ce qui est observé dans les OLS, peu de plasmocytes spécifiques de l’antigène sont détectés au cours du temps dans la moelle osseuse des souris porteuses de la mutation gain de fonction de Cxcr4 , ce qui pourrait expliquer le défaut de maintien des titres sériques d’Ac au cours du temps. Une augmentation aberrante de plasmablastes exprimant des IgM (IgM ⁺ ), non spécifiques de l’antigène utilisé pour l’immunisation et en cycle, a de plus été observée dans la moelle osseuse de ces souris ( Figure 3 ) [ 34 ]. Il semble donc qu’en l’absence du mécanisme de désensibilisation de CXCR4, le défaut de maintien des taux d’Ac spécifiques circulants ne serait pas dû à une réponse immunitaire humorale réduite, mais à un défaut du compartiment plasmocytaire au sein de la moelle osseuse.

Afin d’expliquer ce phénomène, une étude détaillée de la cinétique de la réponse immunitaire a été réalisée et a permis de mettre en évidence une génération et une migration précoce des plasmablastes des OLS vers la moelle osseuse, dès trois jours après immunisation, soit bien avant la formation du CG [ 34 ]. Cette observation suggère donc que les plasmablastes que l’on observe seraient d’origine extra-folliculaire.