Le thymus subit un vieillissement précoce, appelé involution thymique, qui cause une perte de fonction du thymus avec l’âge. À ce jour, les mécanismes de renouvellement des cellules épithéliales thymiques (TECs) sont encore mal compris, c’est pourquoi nous avons voulu identifier les cellules souches de l’épithélium thymique. Comme les cellules souches sont quiescentes dans plusieurs tissus, les objectifs de notre étude étaient de déterminer si l’épithélium thymique contenait des cellules quiescentes et d’étudier la cinétique de prolifération des TECs chez les souris jeunes et adultes. Pour ce faire, nous avons utilisé une souris transgénique (H2B-GFP Tet-On) nous permettant d’identifier les cellules ne se divisant pas sur une longue période de temps (LRC, label-retaining cells¬). Nous avons d’abord montré que les TECs proliféraient plus rapidement chez les femelles que les mâles. De plus, nous avons trouvé plusieurs différences entre l’épithélium thymique post-natal et adulte : (1) les TECs corticales (cTECs) et médullaires (mTECs) ont un taux de prolifération similaire chez les jeunes souris, mais chez l’adulte, les cTECs prolifèrent plus lentement que les mTECs; (2) les TECs prolifèrent plus rapidement chez les souris jeunes que adultes; (3) des LRC sont détectées chez l’adulte, mais pas chez les jeunes souris. Les LRC, retrouvées dans le compartiment cTEC, sous-expriment des gènes associés à la sénescence et surexpriment des gènes importants pour le développement et le renouvellement des TECs. Ces résultats montrent que ces cellules sont quiescentes et suggèrent qu’elles pourraient bel et bien être les progéniteurs thymiques responsables du renouvellement des TECs adultes. / The thymus undergoes a rapid degeneration with age termed thymic involution that causes a loss of function of the thymus with age. To this day, mechanisms of thymic maintenance are still unknown. This is why we aimed to identify thymic epithelial stem cells. Since stem cells are quiescent in many tissues in adults, our main objectives were to determine whether the thymic epithelium contains quiescent cells and study the proliferation kinetics of thymic epithelial cells in neonatal and adult mice. To this end, we used the transgenic mouse model H2B-GFP Tet-On, a label-retaining assay allowing us to identify cells that have not divided for a prolonged period of time, which are called label-retaining cells (LRC). First, we showed that in the adult thymus, females’ thymic epithelial cells (TECs) proliferated more actively than males’ TECs. We observed three main differences between neonatal and adult thymi: (1) cTECs and mTECs have similar proliferation rates in young, but mTECs cycled more actively in adult mice; (2) neonatal TECs have a higher turnover rate than adult’s TECs, and (3) we were able to detect LRC in adult mice, but not in neonatal mice. These LRC are contained in the cTEC compartment and express very low levels of senescence-associated proteins and show a high expression of genes important for thymic development and. These results show that the LRC identified in adult thymi are not senescent cells and therefore might represent the elusive thymic progenitor cells responsible for thymic maintenance and regeneration in adult mice.

Les tumeurs épithéliales thymiques (TET) humaines sont rares (250 - 300 cas/an en France). On distingue les thymomes de type A, AB ou B d'évolution lente avec une survie actuarielle > 95% à 5 ans pour les stades précoces et les carcinomes thymiques d'évolution plus sévère avec une survie actuarielle à 5 ans < 20% pour les stades IV. La pierre angulaire du traitement des TET est l'exérèse chirurgicale complète, facteur pronostique le plus significatif identifié à ce jour. Les récidives des TET, essentiellement pleurales pour les thymomes et générales pour les carcinomes thymiques, sont de prise en charge complexe. Les avancées thérapeutiques sont limitées notamment par l'absence de modèles d'étude de la cellule épithéliale thymique tumorale. Dans le cadre d'une prise en charge multidisciplinaire des récidives pleurales métastatiques, nous avons développé la pleurectomie de cytoréduction associée à une chimio hyperthermie (cisplatine/ mitomycine ; 42°C) intra thoracique (CHIT) pour la prise en charge des métastases pleurales de thymome. Chez des patients sélectionnés (n=19), la médiane de survie sans récidive était de 53 mois et les survies actuarielles à 1 an et 5 ans étaient respectivement de 93% et 86%. Cette technique chirurgicale innovante a permis de développer une alternative à la morbide pleuro pneumonectomie. L'efficacité de la CHIT pose des questions sur le rôle de l'hyperthermie et sur le type de chimiothérapie à associer. Avec pour objectif d'améliorer la prise en charge des patients, la connaissance de la biologie tumorale thymique et l'identification de potentielles cibles thérapeutiques sont des voies de recherche importantes pour améliorer la survie des patients. Nous avons développé des cultures de cellules épithéliales thymiques dérivées in vitro de 12 TET (11 thymomes A, AB ou B et un carcinome thymique), caractérisées par leur potentiel prolifératif et leur expression de cytokératine. La voie PI3K / Akt / mTOR joue un rôle clé dans de nombreux cancers ; plusieurs études de phases I / II ont rapporté un effet positif des inhibiteurs de mTOR pour le contrôle de l'évolution du thymome chez les patients. Nous avons mis en évidence l'expression et l'activation des effecteurs mTOR, Akt et P70S6K dans les thymomes et dans les cellules épithéliales thymiques dérivées in vitro. Nous avons montré l'efficacité de la rapamycine, inhibiteur de mTOR, à réduire la prolifération cellulaire (30%) sans induire de mort cellulaire. Nos résultats suggèrent que l'activation de la voie Akt / mTOR participe à la prolifération cellulaire associée à la croissance tumorale. Nous avons établi un nouvel outil permettant l'étude de la dérégulation cellulaire au cours des thymomes. Dans un contexte de tumeurs rares, ces cellules permettront d'aborder des études mécanistiques in vitro et de tester l'efficacité de drogues anti tumorales / Human thymic epithelial tumors (TETs) are rare (250 – 300 cases/ year in France). We distinguish thymomas (A, AB and B subtypes) with indolent evolution (5 years actuarial survival in early stages >95%) and more aggressive thymic carcinomas (5 years actuarial survival <20% in stage IV). Surgical complete resection when feasible is the corner stone of a multimodal therapy and the most significant factor on survival. Relapse of TETs principally in pleura for thymomas (75%) and general for thymic carcinomas are difficult to treat. Therapeutics advances are limited given the lack of studies models of tumoral thymic epithelial cell. In a multidisciplinary approach for the treatment of metastatic pleural relapse of thymomas we developed an innovative surgical technique: cytoreductive pleurectomy associated with hyper thermic intra pleural chemotherapy (Cysplatin/ Mitomycin; 42°C) (ITCH). In selected patient (n=19), ITCH provides an efficient alternative to the morbid pleuro pneumonectomy. The median of free disease survival was 53 months, one year and five years actuarial survival were respectively 93% and 86%. However, the effectiveness of ITCH procedure questions on the played role ok hyperthermia, on the choice of chemotherapy association. With the aim to improve TETs therapies, the knowledge of TETs biology to identify potential target therapies is currently challenging. We developed an in vitro study model of tumoral thymic epithelial cells derived from 12 TETs (11 A, AB and B thymomas and one thymic carcinoma) characterized by their proliferative abilities and the cytokeratin expression. The PIK3 / Akt / mTOR pathway is implicated in numerous cancers. Several phase I, II studies advocate the potential role of mTOR inhibitors in the control of the metastatic disease. We highlighted the expression and the activation of mTOR, Akt and P70S6K effectors in TETs and in thymic epithelial cells in vitro derived. We showed the efficacy of rapamycin (mTOR inhibitor) in the inhibition (-30%) of in vitro cell proliferation without cell death induction. Our results suggest the implication of the PIK3 / Akt / mTOR pathway in the tumoral cell growth. We established a new tool to study cell dysregulation in TETs. In the context of rare tumors, these cells could allow in vitro mechanistic studies and test the efficacy of new anti tumoral therapies

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) assurent la génération de toutes les lignées sanguines. Leur différenciation en cellules T matures se déroule dans un microenvironnement spécialisé, le thymus, orchestrée par des interactions complexes entre cytokines, chimiokines et cellules stromales. Les mutations bloquant la différenciation des cellules T ont un impact sur l'architecture du thymus, soulignant l’importance des interactions entre cellules T en développement et cellules stromales thymiques.Les déficits immunitaires combinés sévères sont généralement traités, avec succès, par transplantation de CSH allogénique par voie intraveineuse. Cependant, des complications peuvent survenir notamment en cas de greffe non compatible. Pour pallier à cela, la thérapie génique a été développée mais son efficacité et son innocuité restent à améliorer. Dans ce but, notre groupe a développé une approche par correction génique des progéniteurs T directement in vivo, via un vecteur lentiviral. Bien qu’efficace, là encore, l’efficacité de traitement reste insuffisante voire extrêmement limitée chez les macaques.Lors de ma thèse, j'ai donc évalué le potentiel de différents sérotypes de vecteur viraux adéno-associés (AAV) pour la transduction des thymocytes. L'administration IT de plusieurs sérotypes de AAV2 engendre une transduction des thymocytes >10 fois plus élevée que celle des vecteurs lentiviraux. Le sérotype AAV2/8 induit la transduction des thymocytes la plus efficace et les cellules transduites représentent jusqu'à 1% des cellules T périphériques d’une souris immunocompétente. En utilisant des souris immunodéficientes ZAP-70-/- comme paradigme, j'ai découvert que l'injection IT de l’AAV2/8-ZAP-70 entraîne une transduction et différentiation lymphocytaire T rapide, associée à la génération d’une medulla thymique. En effet, des cellules épithéliales thymiques de la médulla (mTEC) exprimant le régulateur auto-immun AIRE sont détectées en <2 semaines. Bien que cette reconstitution soit transitoire, les mTECs AIRE+ diminuant 10 semaines post-injection, les cellules T périphériques corrigées persistent >40 semaines et présentent environ 1 copie du vecteur AAV/cellule. Ces cellules T effectrices peuvent sécréter des niveaux élevés de cytokines et un nombre important de cellules T régulatrices est également généré. Ainsi, une seule vague de thymopoïèse à partir de progéniteurs transduits par l’AAV-ZAP-70, permet une restauration, rapide et transitoire de l'architecture thymique mais, à long terme de cellules T périphériques fonctionnelles.Pour évaluer les diverses populations de TEC régissant le développement et la sélection des cellules T, j'ai collaboré avec les groupes de P Jay/J Abramson/I Amit pour établir une cartographie de novo du compartiment stromal thymique. Nos analyses ont mis en évidence quatre populations majeures de mTEC (I-IV) avec des fonctions distinctes. Notamment, les mTEC-IV constituent une population unique présentant des similarités moléculaires et morphologiques avec les cellules tuft intestinales. Comme nous avions précédemment identifié la sécrétion d'IL-25 par les cellules tufts comme un régulateur des interactions entre compartiment épithélial et hématopoïétique dans l'intestin, nous avons évalué ce potentiel dans le thymus. Ainsi, des souris déficientes en cellules tuft intestinales présentent également une déficience spécifique en mTEC-IV et une homéostasie perturbée de diverses populations exprimant l'IL-25R dans le thymus. Notre recherche a donc permis d'identifier une nouvelle population de TEC tuft avec un rôle critique dans la formation de la niche immunitaire du thymus.L’ensemble de mes résultats montrent le potentiel thérapeutique de stratégie intrathymique de thérapie génique pour des patients ayant besoin d’une reconstitution rapide en cellules T et fournissent de nouvelles perspectives sur les populations stromales thymique et leur rôle dans l’équilibre de la niche immunitaire. / Hematopoietic stem cells (HSC) ensure the generation of all blood lineages. Their differentiation to mature T lymphocytes occurs in the specialized microenvironment of the thymus, orchestrated by complex interactions between cytokines, chemokines, and stromal cells. Mutations resulting in a block in T cell differentiation impact on the architecture of the thymus, pointing to the critical crosstalk between developing T cells and thymic stromal components.Genetic severe combined immunodeficiencies (SCID) are generally treated by the intravenous transplantation of healthy allogeneic HSCs. Although this therapy is often successful, complications can occur, especially for patients receiving non-histocompatible HSC transplants. To circumvent these problems , significant efforts have gone into developing gene therapy strategies but adverse events indicate the necessity of exploring other avenues. Our group hypothesized that in situ gene correction of T lymphoid progenitors in the thymus itself may overcome some of the drawbacks of ex vivo gene therapy. While intrathymic (IT) lentiviral vector administration corrected immunodeficient thymocyte precursors in mice, thymus transduction was inefficient and efficacy in macaques was limited.During my PhD, I assessed the in vivo potential of adeno-associated vectors (AAV) to transduce thymocyte precursors. Intrathymic administration of several different scAAV2 serotypes resulted in a >10-fold higher transduction of thymocytes (3-5%) as compared to lentiviral vectors. scAAV2/8 promoted the highest level of gene transfer and strikingly, transduced cells represented up to 1% of peripheral T lymphocytes in immunocompetent mice. Using ZAP-70-/- immunodeficient mice as a paradigm, I found that IT injection of an AAV2/8-ZAP-70 vector resulted in a rapid transduction and T cell differentiation, correlating with a dramatic generation of the thymus medulla. Indeed, medullary thymic epithelial cells (mTEC) expressing the AIRE autoimmune regulator were detected within <2 weeks. While this reconstitution was transient––AIRE+ mTECs decreased by 10 weeks post gene transfer––gene-corrected peripheral T cells, harboring approximately 1 AAV genome/ cell, persisted for >40 weeks. Effector T cells had the potential to secrete high levels of cytokines and significant numbers of gene-corrected regulatory T cells were also generated. Thus, a single wave of thymopoiesis, from intrathymic AAV-ZAP-70-transduced progenitors, allows for a rapid but transient restoration of the thymic architecture and long-term peripheral T cell function.To better assess the diverse TEC populations that orchestrate T cell development and selection, I collaborated with the groups of P. Jay/J. Abramson/I. Amit to combine single cell analysis and in-vivo fate-mapping to de novo characterize the entire stromal compartment of the thymus. Our analyses highlighted four major medullary TEC (mTEC I-IV) populations with distinct lineage regulator function and specifically, we found that mTEC-IV constitutes a highly divergent TEC subset that bears strong molecular and morphological characteristics to intestinal tuft cells. As we previously identified tuft cell secretion of IL-25 as a regulator of the crosstalk between the epithelial and hematopoietic compartments in the gut, we assessed the potential immune-modulatory function of mTEC-IV. Notably, mice deficient in intestinal tuft cells exhibited a specific depletion of mTEC-IV and a perturbed homeostasis of various IL25-R-expressing populations in the thymus. Taken together, our data identify a new tuft TEC population critical for shaping the thymus immune niche.In conclusion, the data generated during my PhD advance the therapeutic potential of intrathymic-based vector strategies for the treatment of patients requiring a rapid T cell reconstitution and provide new insights into thymic stromal subsets that are critical for shaping the thymus immune niche.

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Le complexe majeur d’histocompatibilité de type I (CMH I) est une glycoprotéine dont le rôle est de présenter des peptides endogènes au récepteur de cellules T (TCR) des cellules T CD8. La régulation de l’expression du CMH I a été exclusivement étudiée chez les cellules hématolymphoïdes. Cependant, ce processus reste peu élucidé chez les cellules épithéliales (ECs) malgré leur rôle important dans la défense de l’hôte contre divers pathogènes. Dans ce présent travail, nous avons effectué une analyse approfondie de l’expression du CMH I dans les ECs primaires fraîchement prélevées du thymus, de la peau, du colon et des poumons. Nos analyses de cytométrie en flux révèlent une grande variabilité de l’expression du CMH I à la surface des ECs primaires. Nous avons démontré que l’expression du CMH I est 10 à 100 fois plus élevée à la surface des ECs thymiques (TECs) que les ECs extrathymiques. Nous avons également observé aussi que l’expression élevée du CMH I à la surface des TECs est principalement due à l’interféron lambda (IFN-λ), produit en conditions physiologiques dans le thymus. Nous avons révélé aussi que l’absence de la voie d’IFN-λ induit de l’auto-immunité chez la souris. En effet notre étude ouvre la voie vers une exploration plus approfondie de l’impact de l’IFN-λ dans les fonctions thymiques. D’autre part, les ECs subissent continuellement de l’apoptose afin d’éliminer les cellules endommagées et restaurer l’intégrité de l’épithélium. Cependant, les ECs apoptotiques représentent une source majeure d’auto-antigènes (AAg) ce qui en fait une cible indéniable des maladies auto-immunes. Dans ce présent travail, nous avons évalué dans quelle mesure les cellules présentatrices d’antigènes (APCs) thymiques (TEC médullaires (mTECs) et les cellules dendritiques thymiques (tDCs)) contribuent dans la tolérance centrale à l’égard des antigènes exprimés par les ECs extrathymiques. Nous avons trouvé que les APCs thymiques expriment environ 93% des gènes exprimés dans les ECs extrathymiques. Cependant, nous avons révélé une fraction des gènes (environ 7%) dans le transcriptome des ECs extrathymiques qui n’est pas exprimé par les APCs thymiques. Ces gènes sont capables de générer des peptides associés au CMH I (MAPs) quoique dans une moindre mesure que les gènes partagés avec les APCs thymiques. Dans l’ensemble, cette étude fournit la première tentative de caractérisation du transcriptome des ECs extrathymiques et les APCs thymiques, capables de générer des MAPs. / The major histocompatibility complex class I (MHC I) is a cell surface glycoprotein involved in the presentation of endogenously derived peptides, to the T-cell receptor TCR of CD8 T cells. However, the regulation of the MHC I expression has been studied almost exclusively in hematolymphoid cells and very little is known about this process in epithelial cells (ECs). In the present work, we performed a deep analysis of MHC I expression in primary ECs freshly harvested from the thymus, skin, gut, and lung. In fact, we found that the superior MHC I expression in TECs is driven mainly by interferon lambda (IFN-λ) produced under steady-state conditions in the thymus. Moreover, Ifnlr1−/− mice present autoimmune manifestations. Our study paves the way for a more detailed exploration of the impact of IFN-λ signaling in thymic functions. On the other hand, ECs continually undergo apoptosis to delete damaged cells while restoring the epithelium integrity. However, apoptotic ECs are a major source of autoantigens (AAgs) which makes them an undeniable target for autoimmune attacks. In the present study, we evaluated the extent to which thymic antigen presenting cells APCs (medullary TECs (mTEC) and thymic dendritic cells (tDCs)) contribute to central tolerance against extrathymic ECs-antigens. We report that thymic APCs express about 93.5% of genes expressed in extrathymic ECs whereas 7 % of genes expressed in extrathymic ECs are silent in thymic APCs. We found that these extrathymic ECs- unique genes are efficiently able to produce MHC I-associated peptides (MAPs), albeit to a lower extent than the genes expressed by thymic APCs. In summary, this study provides the first characterization of the self-transcriptome expressed by extrathymic ECs and thymic APCs (mTECs and tDCs), and able to generate MAPs.