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International audience; The bone marrow is a complex ecosystem in which hematopoietic and non-hematopoietic cells reside. In this review, we discuss the bone marrow niches in mice that facilitate the survival, maintenance, and differentiation of cells of hematopoietic origin based on the recent literature. Our review places a special focus on the hematopoietic multipotent progenitors and on plasma cells, corresponding to the last stage of the B-cell lineage, that play a key role in the humoral memory response. We highlight the similarities between the microenvironments necessary for the establishment and the maintenance of these two immune cell subsets, and how the chemokine CXCL12/CXCR4 signaling axis contributes to these processes. Finally, we bring elements to address the following question: are multipotent progenitors and plasma cells neighbors or roommates within the bone marrow?

Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), including the multipotent progenitors (MPPs), are responsible for replenishing immune cells. They reside in bone marrow (BM) endosteal and (peri)-vascular niches, which provide all cellular and molecular components required for their lifelong maintenance and fate. Among them, the CXCL12 chemokine and one of its receptor, CXCR4, exert a dominant role in promoting HSPC retention and quiescence. These processes are deregulated in the WHIM Syndrome (WS), a rare immunodeficiency caused by inherited heterozygous autosomal gain-of-function CXCR4 mutations that affect homologous desensitization of the receptor. Clinically, WS is notably characterized by severe, chronic circulating lymphopenia whose mechanisms remain to be elucidated. Using a mouse model carrying a naturally occurring WS-linked Cxcr4 mutation as well as human BM and blood samples, we explored the possibility that the lymphopenia in WS originates from defects at the HSPC level in BM. We reported that Cxcr4 desensitization is required for lymphoid differentiation of HSPCs and further identified the MPP stage as defective in mutant mice. The divergence between lymphoid and myeloid lineages occurs at the MPP stage, which is composed of distinct subpopulations, i.e., MPP2 and MPP3 are reported as distinct myeloid-biased MPP subsets that operate together with lymphoid-primed MPP4 to control blood leukocyte production. Our understanding of how cell-extrinsic niche-related and cell-intrinsic cues drive the lymphoid versus myeloid fate decision of MPPs is still fragmentary. Therefore, my PhD project aimed at determining whether and how CXCR4 signaling regulates bioenergetics demands of MPPs and at understanding how these metabolic pathways shape the lympho-myeloid fate of MPPs. We unraveled a myeloid skewing of the HSPC compartment in BM of WS mice and patients. In mutant mice, this partly relied on the contraction of the MPP4 pool and on cell-autonomous molecular and metabolic changes that reprogramed MPP4 away from lymphoid differentiation. Interestingly, chronic treatment with the CXCR4 antagonist AMD3100 normalized mitochondrial metabolism and fate of MPP4, while correcting circulating lymphopenia in WS mice. This study provides evidence that CXCR4 signaling acts as an essential gatekeeper for integrity of the mitochondrial machinery, which in turn controls lymphoid potential of MPP4.; Les cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs), incluant les progéniteurs multipotents (MPPs), sont responsables de la production des cellules immunes circulantes. Ils résident dans la moelle osseuse (MO) au sein de structures spécialisées, les niches endostéale et (péri)-vasculaire, qui régulent la spécification et l'engagement lymphoïde versus myéloïde des CSPHs. Dans la MO, le couple formé par la chimiokine CXCL12 et l’un de ses récepteurs, CXCR4, exerce un rôle clé dans la régulation de la rétention et la quiescence des CSPHs. Ces processus sont dérégulés dans le Syndrome WHIM (SW), une maladie immuno-hématologique rare liée à des mutations autosomiques dominantes du gène codant CXCR4, qui altèrent la désensibilisation du récepteur et conduisent à un gain de fonction en réponse à CXCL12. Cliniquement, le SW se caractérise notamment par une profonde leucopénie circulante qui affecte les lignages lymphoïde et myéloïde et dont les mécanismes restent à déterminer. Grâce à un modèle murin génétiquement modifié du SW et à l'accès à des prélèvements biologiques de patients atteints du SW, nous avons testé l'hypothèse que la lymphopénie circulante associée au SW résultait de défauts hématopoïétiques dans la MO. Nous avons révélé un rôle clé de la désensibilisation de CXCR4 dans la différenciation lymphoïde des CSPHs et identifié les MPPs comme étant le stade défectueux dans le SW. La divergence entre les lignages lymphoïde et myeloïde se produit précisément à ce stade au sein duquel règne une hétérogénéité : les MPP2/3 sont biaisés myéloïde et les MPP4 sont orientés lymphoïde. Notre compréhension de la façon dont les signaux extrinsèques (niches) et intrinsèques aux MPPs déterminent leur devenir lymphoïde versus myéloïde est encore parcellaire. Dans ce contexte, l’objectif de ma thèse a été de déterminer si et comment la signalisation de CXCR4 régule la dépendance énergétique des MPPs et à comprendre comment les voies métaboliques façonnent leur spécification lympho-myéloïde. Dans la MO des souris porteuses de la mutation gain de fonction de Cxcr4, nous avons observé une diminution du nombre de MPP4 qui contrastait avec l'augmentation des MPP2/3. L’analyse de prélèvements médullaires de patients a également permis de rapporter une diminution de la fréquence des progéniteurs lymphoïdes et une augmentation de celle des progéniteurs myéloïdes. Chez la souris mutantes, ce biais myéloïde du compartiment de MPPs s'avèrait associé à une expansion anormale et une reprogrammation moléculaire et métabolique des MPP4. Fait marquant, un traitement chronique par l’AMD3100, un antagoniste de CXCR4, permettait de normaliser le nombre de MPP4 dans la MO, de restaurer leurs propriétés métaboliques, et de corriger la lymphopénie des souris mutantes. Par conséquent, nos résultats suggèrent que l’axe CXCL12/CXCR4 est requis au maintien du potentiel lymphoïde des MPP4 au travers de la modulation de leur activité métabolique mitochondriale.

The CXCL12/CXCR4 signaling axis plays an essential role in the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) homeostasis and constitutes a key pathway through which the niches and HSPCs communicate in the bone marrow (BM). Heterozygous gain-of-function mutations of CXCR4, which engender a truncated receptor and affect its homologous desensitization in response to CXCL12, have been reported in the WHIM Syndrome (WS); a rare immunodeficiency notably characterized by lymphopenia. The mechanisms underpinning this remain obscure. Using a mouse model harboring a naturally occurring WS-linked Cxcr4 gain-of-function mutation, we explored the possibility that the lymphopenia in WS arise from defects at the HSPC level in the BM. We showed that Cxcr4 desensitization is required for proper quiescence/cycling balance of short-term HSCs as well as their differentiation into multipotent progenitors and downstream lymphoid-biased progenitors. Thus, our results suggest that efficient Cxcr4 desensitization is critical for lymphoid differentiation of HSPCs, and its impairment is a key mechanism underpinning the lymphopenia observed in WS mice. The role of Cxcr4 desensitization in regulating such lympho-hematopoiesis process implicated both intrinsic and extrinsic properties, thus raising the question of the impact of a gain-of-Cxcr4-function mutation on BM stroma. Therefore, the main part of my PhD project was dedicated to evaluate using this relevant knock-in model the impact of Cxcr4 desensitization on maintenance of BM mesenchymal elements. We have found unexpectedly that such regulatory mechanism is intrinsically required for regulating quiescence/cycling balance of mesenchymal stem cells (MSCs) and preserving their osteogenic potential through the control of Cxcl12 expression and availability in an autocrine manner. Therefore, these findings support autocrine and paracrine actions of the Cxcl12/Cxcr4 signaling axis within MSCs to regulate osteoblast differentiation while contributing to HSPC niches and hematopoiesis., Le couple CXCL12/CXCR4 joue un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs) et constitue un axe clé par lequel les niches et les CSPHs communiquent au sein de la moelle osseuse (MO). Des mutations hétérozygotes du gène CXCR4, qui tronquent le domaine C-terminal de la protéine et entraînent un défaut de désensibilisation homologue de CXCR4 et une hypersensibilité à CXCL12, ont été identifiées dans le Syndrome WHIM (SW), une immunodéficience rare caractérisée notamment par une lymphopénie. Les mécanismes sous-jacents de cette anomalie restaient inconnus. Grâce à un modèle murin porteur d’une mutation gain de fonction de Cxcr4 identifiée chez certains patients et phénocopiant la lymphopénie du SW, nous avons exploré la possibilité qu’un défaut de domiciliation, de différenciation ou d’expansion des CSPHs dans la MO soit à l’origine de la lymphopénie circulante. Nous avons mis en évidence que la désensibilisation de Cxcr4 régule la balance quiescence/cycle des CSHs à court terme ainsi que leur différenciation en progéniteurs multipotents et progéniteurs engagés vers le lignage lymphoïde. Nos travaux révèlent donc que la désensibilisation de Cxcr4 est requise à la différenciation lymphoïde des CSPHs et suggèrent que l’absence de ce processus soit à l’origine de la lymphopénie observée chez les souris mutantes et, par extrapolation, chez les patients. Ces altérations lymphoïdes impliquaient à la fois des défauts intrinsèques (CSPHs) et extrinsèques (stroma), ce qui nous a conduit à considérer l’impact de la mutation gain de fonction de Cxcr4 sur le stroma médullaire. Dans ce contexte, l’objectif principal de mon projet de thèse a consisté à investiguer à l’aide du modèle murin du SW le rôle de la désensibilisation de Cxcr4 dans le maintien des composantes mésenchymateuses au sein de la MO. Nos données ont permis de mettre en lumière que la désensibilisation de Cxcr4 est intrinsèquement requise à la régulation de l’équilibre quiescence/cycle des cellules souches mésenchymateuses (CSMs), ainsi qu’à la préservation de leur potentiel ostéogénique en contrôlant l'expression et la biodisponibilité de Cxcl12 de manière autocrine. Par conséquent, nos travaux suggèrent que les actions autocrines et paracrines de l’axe de signalisation Cxcl12/Cxcr4 au sein des CSMs régulent leur différenciation en ostéoblastes tout en contribuant au maintien des niches des CSPHs et au processus d’hématopoïèse.

International audience; CXCR4 plays a central role in B cell immune response, notably by promoting plasma cell (PC) migration and maintenance in the bone marrow (BM). Gain-of-function mutations in CXCR4 affecting receptor desensitization have been reported in the rare immunodeficiency called WHIM syndrome (WS). Despite lymphopenia, patients mount an immune response but fail to maintain it over time. Using a knockin mouse model phenocopying WS, we showed that, counter-intuitively, a gain of Cxcr4 function inhibited the maintenance of antibody titers after immunization. Although the Cxcr4 mutation intrinsically and locally promoted germinal center response and PC differentiation, antigen-specific PCs were barely detected in the BM, a defect mirrored by early accumulation of immature plasmablasts potentially occupying the survival niches for long-lived PCs. Therefore, fine-tuning of Cxcr4 desensitization is critically required for efficient PC differentiation and maintenance, and absence of such a regulatory process may account for the defective humoral immunity observed in WS patients.

The WHIM Syndrome (WS) is a rare combined immuno-hematological disorder caused by inherited heterozygous autosomal dominant mutations in CXCR4, which result in most cases in the distal truncation of the receptor’s Carboxyl-terminal tail (C-Tail). Mutants of CXCR4 associated with WS display impaired desensitization and internalization of the receptor upon CXCL12 exposure, leading to enhanced migratory response. Because CXCR4 is expressed on leukocytes, we hypothesized that circulating pan-leukopenia could arise from altered CXCR4-mediated signalling that would skew tissue distribution and differentiation of leukocytes. This assumption was obviously difficult to address in patients. By generating a knock-in mouse strain (Cxcr4+/1013) that harbors a WS-linked gain-of-Cxcr4-function mutation, we establish that the C-tail domain in Cxcr4-mediated signalling is a pivotal regulator of lymphocyte development, peripheral trafficking and humoral immunity. The essential findings of our work, obtained by combining biochemical, bone marrow (BM)-mixed chimeras, in vivo labelling, adoptive co-transfers and functional approaches, are: 1) the C-tail truncating Cxcr41013 mutation caused differential signalling capacities depending on its heterozygous versus homozygous status and inhibited double-negative (DN) 2-to-DN3 and pro-B-to-pre-B developmental transitions during lymphopoiesis. In contrast, it had no effect on NK lymphopoiesis and granulopoiesis; 2) the resulting circulating B and T lymphopenia was due to hematopoietic cell-intrinsic defects and followed a mutated allele dose-dependent pattern; 3) impaired Cxcr41013 desensitization prevented the release of immature BM NK and B cells and mature lymph node (LN) B and T lymphocytes into the blood. Conversely, it forced homing and retention of mature recirculating B and T cells in the BM parenchyma; and 4) despite the absence of primary B-cell follicles in LNs, mutant mice produced efficient humoral responses upon immunization as illustrated by increased antigen-specific germinal center B cells and isotype-switched plasma cells. Collectively, our findings demonstrate that fine-tuning of Cxcr4 signal strength is required for optimal trafficking, egress and fitness of lymphocytes.; Le syndrome WHIM (SW) est un déficit immuno-hématologique rare causé principalement par des mutations autosomales dominantes du gène CXCR4 qui entrainent une troncation du domaine C-terminal (C-Ter) du récepteur. Les formes mutantes de CXCR4 associées au SW génèrent des altérations de la désensibilisation et de l’internalisation du récepteur en réponse à CXCL12, qui se traduisent par une hypersensibilité à l’action chimiotactique du ligand. CXCR4 est un récepteur de chimiokine exprimé sur les leucocytes dont le rôle dans l’hématopoïèse et le trafic leucocytaire à l’état basal suggère que la lympho-neutropénie des patients atteints du SW est due à des défauts de production et/ou de domiciliation périphérique des leucocytes causés par le gain de fonction de CXCR4. Néanmoins, la validation de cette hypothèse est difficile chez les patients. En générant une souche de souris (Cxcr4+/1013), porteuse d’une mutation rapportée chez une famille de patients par une stratégie de knock-in, nous avons mis en évidence le rôle du domaine C-Ter de Cxcr4 dans le développement, la domiciliation périphérique des lymphocytes et l’immunité adaptative à médiation humorale.Les principaux résultats issus de notre travail, obtenus en combinant des approches biochimiques, fonctionnelles, de reconstitution de l’hématopoïèse par compétition, de transferts adoptifs et d’injection d’anticorps anti-CD45 in vivo, sont : 1) La mutation Cxcr41013 tronquant le domaine C-Ter se comporte différemment en terme de signalisation, selon qu’elle soit présente à l’état hétérozygote ou homozygote, et perturbe respectivement les transitions double-négatif (DN) 2-DN3 et proB-preB de la lymphopoïèse dans le thymus et la moelle osseuse (MO). Au contraire, elle ne génère pas d’effets sur le développement des cellules NK et la myélopoïèse ; 2) La lymphopénie qui touche les lymphocytes B (LB) et T (LT) est un processus intrinsèque aux cellules porteuses de la mutation Cxcr41013 et suit un modèle allèle-dose-dépendant ; 3) Le défaut de désensibilisation de Cxcr41013 empêche le relargage des lymphocytes NK et B immatures de la MO et celui des LB et LT matures des ganglions lymphatiques dans le sang. A l’inverse, le gain de fonction exacerbe la migration des LB recirculants et LT matures et leur rétention dans le parenchyme médullaire ; et 4) malgré l’absence de follicules primaires dans les ganglions lymphatiques, les souris mutantes sont capables de mettre en place une réponse immunitaire humorale efficace et spécifique d’un antigène T-dépendant, comme en témoigne l’augmentation des LB du centre germinatif et des plasmocytes ayant effectué une commutation isotypique. En conclusion, nous démontrons que la signalisation fine médiée par Cxcr4 est nécessaire pour le développement, la compartimentalisation périphérique et la fonction des lymphocytes.

The WHIM Syndrome (WS) is a rare combined immuno-hematological disorder caused by inherited heterozygous autosomal dominant mutations in CXCR4, which result in most cases in the distal truncation of the receptor’s Carboxyl-terminal tail (C-Tail). Mutants of CXCR4 associated with WS display impaired desensitization and internalization of the receptor upon CXCL12 exposure, leading to enhanced migratory response. Because CXCR4 is expressed on leukocytes, we hypothesized that circulating pan-leukopenia could arise from altered CXCR4-mediated signalling that would skew tissue distribution and differentiation of leukocytes. This assumption was obviously difficult to address in patients. By generating a knock-in mouse strain (Cxcr4+/1013) that harbors a WS-linked gain-of-Cxcr4-function mutation, we establish that the C-tail domain in Cxcr4-mediated signalling is a pivotal regulator of lymphocyte development, peripheral trafficking and humoral immunity. The essential findings of our work, obtained by combining biochemical, bone marrow (BM)-mixed chimeras, in vivo labelling, adoptive co-transfers and functional approaches, are: 1) the C-tail truncating Cxcr41013 mutation caused differential signalling capacities depending on its heterozygous versus homozygous status and inhibited double-negative (DN) 2-to-DN3 and pro-B-to-pre-B developmental transitions during lymphopoiesis. In contrast, it had no effect on NK lymphopoiesis and granulopoiesis; 2) the resulting circulating B and T lymphopenia was due to hematopoietic cell-intrinsic defects and followed a mutated allele dose-dependent pattern; 3) impaired Cxcr41013 desensitization prevented the release of immature BM NK and B cells and mature lymph node (LN) B and T lymphocytes into the blood. Conversely, it forced homing and retention of mature recirculating B and T cells in the BM parenchyma; and 4) despite the absence of primary B-cell follicles in LNs, mutant mice produced efficient humoral responses upon immunization as illustrated by increased antigen-specific germinal center B cells and isotype-switched plasma cells. Collectively, our findings demonstrate that fine-tuning of Cxcr4 signal strength is required for optimal trafficking, egress and fitness of lymphocytes.; Le syndrome WHIM (SW) est un déficit immuno-hématologique rare causé principalement par des mutations autosomales dominantes du gène CXCR4 qui entrainent une troncation du domaine C-terminal (C-Ter) du récepteur. Les formes mutantes de CXCR4 associées au SW génèrent des altérations de la désensibilisation et de l’internalisation du récepteur en réponse à CXCL12, qui se traduisent par une hypersensibilité à l’action chimiotactique du ligand. CXCR4 est un récepteur de chimiokine exprimé sur les leucocytes dont le rôle dans l’hématopoïèse et le trafic leucocytaire à l’état basal suggère que la lympho-neutropénie des patients atteints du SW est due à des défauts de production et/ou de domiciliation périphérique des leucocytes causés par le gain de fonction de CXCR4. Néanmoins, la validation de cette hypothèse est difficile chez les patients. En générant une souche de souris (Cxcr4+/1013), porteuse d’une mutation rapportée chez une famille de patients par une stratégie de knock-in, nous avons mis en évidence le rôle du domaine C-Ter de Cxcr4 dans le développement, la domiciliation périphérique des lymphocytes et l’immunité adaptative à médiation humorale.Les principaux résultats issus de notre travail, obtenus en combinant des approches biochimiques, fonctionnelles, de reconstitution de l’hématopoïèse par compétition, de transferts adoptifs et d’injection d’anticorps anti-CD45 in vivo, sont : 1) La mutation Cxcr41013 tronquant le domaine C-Ter se comporte différemment en terme de signalisation, selon qu’elle soit présente à l’état hétérozygote ou homozygote, et perturbe respectivement les transitions double-négatif (DN) 2-DN3 et proB-preB de la lymphopoïèse dans le thymus et la moelle osseuse (MO). Au contraire, elle ne génère pas d’effets sur le développement des cellules NK et la myélopoïèse ; 2) La lymphopénie qui touche les lymphocytes B (LB) et T (LT) est un processus intrinsèque aux cellules porteuses de la mutation Cxcr41013 et suit un modèle allèle-dose-dépendant ; 3) Le défaut de désensibilisation de Cxcr41013 empêche le relargage des lymphocytes NK et B immatures de la MO et celui des LB et LT matures des ganglions lymphatiques dans le sang. A l’inverse, le gain de fonction exacerbe la migration des LB recirculants et LT matures et leur rétention dans le parenchyme médullaire ; et 4) malgré l’absence de follicules primaires dans les ganglions lymphatiques, les souris mutantes sont capables de mettre en place une réponse immunitaire humorale efficace et spécifique d’un antigène T-dépendant, comme en témoigne l’augmentation des LB du centre germinatif et des plasmocytes ayant effectué une commutation isotypique. En conclusion, nous démontrons que la signalisation fine médiée par Cxcr4 est nécessaire pour le développement, la compartimentalisation périphérique et la fonction des lymphocytes.

BackgroundWHIM syndrome (WS), a rare congenital neutropenia due to mutations of the CXCR4 chemokine receptor, is associated with Human Papillomavirus (HPV)-induced Warts, Hypogammaglobulinemia, bacterial Infections and Myelokathexis. The long term follow up of eight patients highlights the clinical heterogeneity of this disease as well as the main therapeutic approaches and remaining challenges in the light of the recent development of new CXCR4 inhibitors.ObjectiveThis study aims to describe the natural history of WS based on a French cohort of 8 patients.MethodsWe have reviewed the clinical, biological and immunological features of patients with WS enrolled into the French Severe Chronic Neutropenia Registry.ResultsWe identified four pedigrees with WS comprised of eight patients and one foetus. Estimated incidence for WS was of 0.23 per million births. Median age at the last visit was 29 years. Three pedigrees encompassing seven patients and the fetus displayed autosomal dominant heterozygous mutations of theCXCR4gene, while one patient presented a wild-typeCXCR4gene. Two subjects exhibited congenital conotruncal heart malformations. In addition to neutropenia and myelokathexis, all patients presented deep monocytopenia and lymphopenia. Seven patients presented repeated bacterial Ears Nose Throat as well as severe bacterial infections that were curable with antibiotics. Four patients with late onset prophylaxis developed chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Two patients reported atypical mycobacteria infections which in one case may have been responsible for one patient’s death due to liver failure at the age of 40.6 years. HPV-related disease manifested in five subjects and progressed as invasive vulvar carcinoma with a fatal course in one patient at the age of 39.5 years. In addition, two patients developed T cell lymphoma skin cancer and basal cell carcinoma at the age of 38 and 65 years.ConclusionsContinuous prophylactic anti-infective measures, when started in early childhood, seem to effectively prevent further bacterial infections and the consequent development of COPD. Long-term follow up is needed to evaluate the effect of early anti-HPV targeted prophylaxis on the development of skin and genital warts.

International audience; Disseminated Mycobacterium avium complex (MAC) infection is a rare but severe disease mostly seen in patients with AIDS. It has been previously described in patients suffering from other kinds of immunodeficiency (e.g. primary immunodeficiency diseases in children or hairy cell leukaemia). We report two cases of disseminated MAC disease in young women with extended granulomatosis that revealed a new form of severe immunodeficiency syndrome. Both clinical observations initially appeared to be very similar to WHIM syndrome (Warts, Hypogammaglobulinemia, Infection, Myelokathexis), a rare immunodeficiency disease correlated with CXC chemokine receptor 4 (CXCR4) mutation leading to an impaired internalization of the receptor upon its ligand CXCL12. We investigated the CXCR4 status of the lymphocytes in both patients and found a severe defect in CXCL12-promoted internalization but no mutation of its gene. Moreover, myelokathexis was not noted in bone marrow biopsies and therefore a diagnosis of WHIM syndrome could not be assessed. This immunodeficiency syndrome associated with CXCR4 dysfunction was responsible for severe MAC infection in our patients, with a fatal outcome in one case. It may be possible that these patients would have benefited from early antimycobacterial infection or azythromycin prophylaxis.

International audience; The WHIM syndrome, which features high susceptibility to human papillomavirus (HPV) infection, is a rare immunodeficiency associated with autosomal dominant heterozygous mutations of the CXCR4 che-mokine receptor. CXCL12 and its receptors, CXCR4 and CXCR7, are linked to tumorigenesis, and we reported that abnormal expression of CXCL12 in epidermal keratinocytes correlates with HPV infection. However, the HPV-related pathologies observed in WHIM patients remain mechanistically unexplained. We show that keratinocytes immortalized by oncogenic HPV16 or HPV18 upregulate CXCL12 and its receptors in a manner dependent upon expression of the viral proteins E6 and E7. Autocrine signaling activated by CXCL12-engagement of its receptors controls motility and survival of the infected cells. Strikingly, expression of a WHIM syndrome-related gain-of-function CXCR4 mutant confers transforming capacity to HPV18-immortalized keratinocytes. These results establish a pivotal role for CXCL12 signaling in HPV-mediated transformation and provide a mechanistic basis for understanding HPV pathogenesis in WHIM syndrome.

WHIM (warts, hypogammaglobulinemia, infections, and myelokathexis) syndrome is an immune deficiency linked in many cases to heterozygous mutations causing truncations in the cytoplasmic tail of CXC chemokine receptor 4 (CXCR4). Leukocytes expressing truncated CXCR4 display enhanced responses to the receptor ligand CXCL12, including chemotaxis, which likely impair their trafficking and contribute to the immunohematologic clinical manifestations of the syndrome. CXCR4 desensitization and endocytosis are dependent on β-arrestin (βarr) recruitment to the cytoplasmic tail, so that the truncated CXCR4 are refractory to these processes and so have enhanced G protein–dependent signaling. Here, we show that the augmented responsiveness of WHIM leukocytes is also accounted for by enhanced βarr2-dependent signaling downstream of the truncated CXCR4 receptor. Indeed, the WHIM-associated receptor CXCR41013 maintains association with βarr2 and triggers augmented and prolonged βarr2-dependent signaling, as revealed by ERK1/2 phosphorylation kinetics. Evidence is also provided that CXCR41013-mediated chemotaxis critically requires βarr2, and disrupting the SHSK motif in the third intracellular loop of CXCR41013 abrogates βarr2-mediated signaling, but not coupling to G proteins, and normalizes chemotaxis. We also demonstrate that CXCR41013 spontaneously forms heterodimers with wild-type CXCR4. Accordingly, we propose a model where enhanced functional interactions between βarr2 and receptor dimers account for the altered responsiveness of WHIM leukocytes to CXCL12.

International audience; The WHIM syndrome is a rare immunodeficiency disorder characterized by warts, hypogammaglobulinemia, infections, and myelokathexis. Dominant heterozygous mutations of the gene encoding CXCR4, a G-protein-coupled receptor with a unique ligand, CXCL12, have been associated with this pathology. We studied patients belonging to 3 different pedigrees. Two siblings inherited a CXCR4 mutation encoding a novel C-terminally truncated receptor. Two unrelated patients were found to bear a wild-type CXCR4 open reading frame. Circulating lymphocytes and neutrophils from all patients displayed similar functional alterations of CXCR4-mediated responses featured by a marked enhancement of G-protein-dependent responses. This phenomenon relies on the refractoriness of CXCR4 to be both desensitized and internalized in response to CXCL12. Therefore, the aberrant dysfunction of the CXCR4-mediated signaling constitutes a common biologic trait of WHIM syndromes with different causative genetic anomalies. Responses to other chemokines, namely CCL4, CCL5, and CCL21, were preserved, suggesting that, in clinical forms associated with a wild-type CXCR4 open reading frame, the genetic anomaly might target an effector with some degree of selectivity for the CXCL12/CXCR4 axis. We propose that the sustained CXCR4 activity in patient cells accounts for the immune-hematologic clinical manifestations and the profusion of warts characteristic of the WHIM syndrome.