Les déficits lymphocytaires T peuvent être corrigés par l'administration en intraveineuse (IV) de cellules souches hématopoiétiques (CSH) provenant d'un donneur. Dans un modèle d'immunodéficience lié à l'absence de la protéine kinase ZAP-70, notre équipe avait précédemment montré que l'injection intrathymique (IT) de CSH histocompatibles conduit à une reconstitution du compartiment T plus robuste et plus rapide que dans le cas où les CSH sont administrées par voie IV. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à l'approche IT dans un contexte non-histocompatible, où j'ai montré que l'injection de CSH semi-allogéniques directement dans le thymus permet le développement d'une thymopoièse à long-terme, même en absence de conditionnement. De plus, j'ai également montré la persistence de progéniteurs thymiques précoces (ETP) provenant du donneur dans le thymus des souris transplantées. De façon remarquable, ces ETP retiennent un potentiel de différenciation plus divers que ceux rencontrés dans le thymus d'une souris sauvage, et leur fréquence est significativement élévée après IT, ce dernier suggérant une disponibilité accrue des niches thymiques. De façon intéressante, j'ai également montré que les progéniteurs déficients en ZAP-70 pouvaient se différencier de façon importante vers le lignage CD8 lors d'une activation constante de la voie de signalisation Notch couplée à la présence d'interleukine 7 (IL-7). Après la greffe de CSH par voie IV de souris ZAP-70-/-, en absence de conditionnemt, j'ai également identifié l'accumulation d'une population de CSH présentant un phénotype particulier (Lin- Sca 1+ c-kit-), nommée LSAPT. Ces cellules LSAPT présentent un biais de différenciation vers le lignage T γδ ainsi qu'une production élevée d'IL-17, ce qui suggère que les fonctions effectrices d'une cellule T γδ sont dépendantes de leur origine progénitrices. L'ensemble de mes résultats apporte à la fois de nouveaux éléments concernant l'identification de progéniteurs T et démontrent de l'influence/coopération entre voies de signalisation et facteurs environnementaux dans la modulation de la différenciation T et de leur fonctions effectrices. / T cell deficiencies can be corrected by the intravenous (IV) injection of donor hematopoietic stem cells (HSCs). Using a murine model of ZAP-70-/- deficiency, our group previously showed that the intrathymic (IT) administration of histocompatible HSCs leads to a more robust and long-term thymopoiesis as compared to that achieved by the classical IV route. During my PhD, I found that the direct IT administration of semiallogeneic HSCs results in a sustained donor-derived thymopoiesis, overcoming histocompatibility barriers, even in the absence of conditioning. Furthermore, I found that donor-derived early thymic progenitors (ETPs) persist in the thymi of ZAP-70-/- transplanted mice, and present increased multi-lineage potential as compared to wild-type ETPs. Importantly, the frequency of donor-derived ETPs was augmented following IT transplantation, indicative of an increased progenitor niche. Interestingly, ZAP-70-deficient HSC could themselves be driven to a CD8 lineage fate in an environment where IL-7 potentiates continuous activation of the Notch pathway. Following IV transplantation of donor HSC into non-conditioned ZAP-70-/- mice, I determined that there is an accumulation of lineage-/Sca1+ donor progenitors lacking expression of the stem cell marker c-kit, termed LSAPT. These LSAPT show a biased differentiation towards the γδ T cell lineage with high IL-17-producing effector function, suggesting that progenitor origin regulates γδ T cell fate. The ensemble of my experiments provide new insights into the identity of T lineage progenitors and demonstrate how signaling pathways as well as environmental factors modulate T cell differentiation and effector function.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) possèdent deux propriétés fondamentales : l'auto-renouvellement et la capacité de se différencier en lignées hématopoïétiques de tout type. Les CSH se maintiennent dans la moelle osseuse et se renouvellent par division asymétrique. En revanche, les divisions symétriques caractérisent les cellules qui s'engagent dans la différenciation. L'environnement pauvre en oxygène de la moelle osseuse favorise la glycolyse anaérobique et l'oxydation des acides gras, préservant, respectivement, la quiescence et les divisions asymétriques. Que l'engagement des CSH vers la différenciation lymphoïde, myéloïde ou érythroïde dépende ou entraîne une reprogrammation métabolique n'est toujours pas connu. En effet, de nombreuses études ont montré que cytokines et contacts cellulaires sont indispensables pour l'engagement des CSH vers une lignée donnée, alors que l'impact potentiel des nutriments et du métabolisme sur ce processus reste très peu étudié. La différenciation est associée à une prolifération qui nécessite des besoins métaboliques accrus pouvant être supportés par diverses sources d'énergie, telles que le glucose, les acides gras, le lactate ou la glutamine. Le glucose et la glutamine sont des précurseurs de l'ATP, des lipides et des nucléotides. Toutefois, leurs contributions relatives aux voies métaboliques contrôlant l'engagement des CSH n'ont pas été évaluées. Pour autant, nos études ainsi que celles menées par d'autres laboratoires ont montré que l'expression du transporteur de glucose Glut1 n'augmente qu'au cours des dernières étapes de la différenciation érythroïde, suggérant l'implication potentiel d'autres nutriments dans la régulation des étapes précoces de l'engagement vers la voie érythroïde. Ainsi, mon travail de thèse a consisté à déterminer si la disponibilité et l'utilisation des nutriments régulent la différenciation des CSH vers la lignée érythroïde. De fait, j'ai montré que le transporteur de glutamine ASCT2 est hautement exprimé dans les CSH et que la répression d'ASCT2 ou le blocage du métabolisme de la glutamine empêche la différenciation érythroïde des CSH, les détournant vers la voie myéloïde, même en présence d'érythropoïétine. Dans ces conditions, nous avons montré que la différenciation érythroïde ne pouvait pas être restaurée par l'ajout d'intermédiaires du cycle de Krebs, alors que qu'elle était dépendante de la biosynthèse de novo de nucléotides. Étonnamment, le 2-désoxyglucose (2-DG), un analogue du glucose inhibant la glycolyse, accélérait l'érythropoïèse. Nous avons aussi mis en évidence in vivo, en condition de stress érythropoïétique, des influences différentes du catabolisme de la glutamine et celui du glucose dans la modulation de l'érythropoïèse. Afin de mieux élucider les mécanismes par lesquels la glutamine module la différenciation érythroïde des CSH, nous avons étudié les voies métaboliques qu'elle emprunte. Des expériences de suivi de la glutamine marquée ont montré que l'entrée de la glutamine dans le cycle de Krebs est requise pour une érythropoïèse efficace. Par contre, nous avons montré que la synthèse de novo des nucléotides était l'étape limitante de la différenciation érythroïde. De plus, nous avons observé que la différenciation érythroïde accélérée en présence du 2-DG était associée à une augmentation importante du niveau des pentoses phosphates, précurseurs des nucléotides. Ainsi, l'utilisation de la voie des pentoses phosphates par le glucose, plutôt que la glycolyse, était essentielle pour l'érythropoïèse. En conclusion, mon travail de thèse a montré que la production de nucléotides via le métabolisme coordonné du glucose et de la glutamine est la condition sine qua non pour l'engagement des CSH vers la lignée érythroïde. / Hematopoietic stem cells (HSCs) possess two fundamental characteristics; self-renewal capacity and the ability to give rise to all blood cell lineages. Before their commitment to a specific lineage, these cells are maintained in a quiescent state in the bone marrow. Asymmetric division is essential for the maintenance of the stem cell compartment while symmetric division results in HSC differentiation. The hypoxic environment of the bone marrow is conducive to anaerobic glycolysis and fatty acid oxidation, preserving stem cell quiescence and asymmetric division, respectively. However, it is not known whether the commitment of an HSC to a lymphoid, myeloid or erythroid lineage fate, is regulated by a metabolic switch. Indeed, while much research has shown a critical role for cytokines and cell-cell contacts in the commitment of HSCs to distinct hematopoietic lineages, the possibility that nutrient entry and metabolism may contribute to this process was not considered until very recently. Cell differentiation is associated with proliferation resulting in increased metabolic requirements that can be met by energy sources such as glucose, fatty acids, lactate, or glutamine, amongst others. While glucose and glutamine are both precursors for the production of ATP, lipids and nucleotides, their relative contributions to metabolic pathways driving HSC lineage commitment have not been evaluated. Interestingly, we and others previously found that the Glut1 glucose transporter is highly upregulated only during the final mitoses of HSC-driven erythroid differentiation, suggesting that other nutrients may regulate early stages of erythroid lineage commitment. During my PhD, I was interested in determining whether nutrient availability and utilization regulate HSC differentiation to the erythroid lineage. Interestingly, I found that the ASCT2 glutamine transporter is expressed at high levels on HSCs. Downregulation of ASCT2 or blocking glutamine metabolism abrogated erythroid differentiation of HSCs and diverted erythropoietin-signaled HSCs towards a myeloid fate. Under conditions where glutamine utilization was blocked, erythroid differentiation was not restored by directly replenishing the tricarboxylic acid cycle but rather, was dependent on de novo nucleotide biosynthesis. Surprisingly, 2-deoxyglucose, a glucose analogue that inhibits glycolysis, enhanced erythropoiesis. Glutamine and glucose catabolism also differentially modulated erythropoiesis in vivo, under stress conditions. To better elucidate the mechanism(s) via which glutamine supports the erythroid lineage specification of HSCs, we evaluated the metabolic pathways fueled by glutamine. Carbon/nitrogen-labeled glutamine tracing experiments showed that the rate-limiting step in EPO-induced erythroid differentiation is glutamine-dependent de novo nucleotide biosynthesis while glutamine entry into the TCA cycle (anaplerosis) is not required. Furthermore, the accelerated erythroid differentiation in the presence of 2-DG was associated with a striking increase in pentose phosphates, precursors of nucleotides. Notably, the shunting of glucose into the pentose phosphate pathway (PPP), rather than glycolysis, was essential for erythropoiesis. In conclusion, my research shows that the coordinated redirection of glucose and glutamine into the production of nucleotides is the sine qua non condition for the erythroid differentiation of HSCs.