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) 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.