Le gène Spatial est exprimé par des cellules hautement polarisées : les cellules épithéliales du thymus, neuronales du système nerveux central et germinales du testicule. La différenciation de ces cellules est accompagnée d'une polarisation de la distribution de Spatial, dans des structures microtubulaires hautement organisées telles que la manchette, le flagelle et la dendrite.Mon projet a porté sur l’identification de la fonction du gène Spatial au niveau du thymus et du cerveau murins. De plus, j’ai été impliquée dans la caractérisation du gène Spatial chez l’homme et l’évaluation de son impact sur la spermatogenèse et l’infertilité humaine.Nos résultats montrent qu’au niveau du thymus, Spatial est détecté tout au long de l’organogenèse thymique jusqu’aux stades adultes. Son profil d’expression correspond à un « promiscuous gene » impliqué dans l’acquisition de la tolérance des lymphocytes T. Au niveau du système nerveux central, Spatial présente une distribution somatodendritique dans les cultures de neurones hippocampiques et son expression est fortement détectée lors de la poussée dendritique. Nous avons montré que le transport de Spatial du corps cellulaire vers les dendrites est dépendant de la kinésine Kif17. De plus, Spatial semble être impliqué dans la formation des dendrites via la voie de signalisation stimulée par le Nerve Growth Factor.Chez l’homme, le gène H-Spatial est fortement exprimé au niveau du testicule et son expression est spécifique de la spermiogenèse, étape de différenciation des spermatides rondes en spermatozoïdes. Chez les patients infertiles asthéno- et/ou tératozoospermiques, présentant des anomalies de mobilité et de forme des spermatozoïdes, le niveau d’ARNm d’H-Spatial est fortement réduit. Ces résultats suggèrent qu’H-Spatial est un marqueur potentiel de l’infertilité masculine.J’ai également participé à la validation des dendrimères PAMAM (poly-amidoamine) comme vecteurs efficaces pour le transfert de siRNA et d’ADN in vitro sur différents lignées cellulaires et in vivo sur des thymus murins. Ce système pourrait être un moyen thérapeutique pour traiter des immunodéficiences liées aux lymphocytes T. / Spatial gene is expressed in highly polarized cells such as, thymic epithelial cells, testicular germ cells and neuronal cells of the central nervous system. The differentiation of these cells is accompanied by the polarized distribution of Spatial in highly organized microtubule structures such as the manchette, the flagellum and dendrites. This project aims to identify the function of Spatial gene in the thymus and in the brain. Moreover, we characterize Spatial gene in humans and evaluate its impact on spermatogenesis and human infertility.Our results showed that, in the thymus, Spatial is detected throughout the thymic development, until adulthood. Its expression profile corresponds to a ‘promiscuous gene’, implicated in the acquisition of T lymphocyte tolerance.At the level of the central nervous system, Spatial showed a somatodendritic distribution in hippocampal neuron cultures. Moreover, its expression was highly detected during dendritic growth. We have also shown that the transport of Spatial from the cell body to the dendrites is dependent on the kinesin Kif17. In addition, our results suggest that Spatial seems to be implemented in dendrite formation by the Nerve Growth Factor mediated signaling pathway.In the humans, H-Spatial is highly expressed in the testis and its expression is specific to spermiogenesis: the phase of differentiation of round spermatids to spermatozoids. In infertile astheno and/or teratozoospermic patients with sperm shape and mobility anomalies, H-Spatial levels were drastically reduced. These results propose H-Spatial as a potential marker for human male infertility.Finally, we have equally participated in the validation of PAMAM (poly-amidoamine) dendrimers as efficient vectors for the transfer of DNA and siRNA in vitro, in different cell lines; and in vivo, in murine thymi. This system could serve as a new therapeutic model for treating diseases linked to T lymphocytes.

A tolerância imunológica é a propriedade essencial do sistema imune que controla as reações patológicas contra antígenos do próprio. O timo é visto como o principal órgão envolvido com a indução de tolerância aos antígenos próprios que são expressos pelas células tímicas (tolerância central), enquanto que a indução de tolerância aos antígenos relacionados a outros tecidos (TRAs) tem sido atribuída aos mecanismos de tolerância extratímica (tolerância periférica). Entretanto, a evidência da expressão de TRAs de órgãos e tecidos parenquimais no timo pelas células medulares epiteliais (mTECs) de camundongos e de humanos a qual foi referida como expressão gênica promíscua (PGE) reforçou a concepção de tolerância central de TRAs. O controle molecular dessa expressão tem sido atribuído ao gene Aire (Auto immune regulator) que é um regulador de transcrição. No presente estudo, procurou-se retratar a expressão gênica promíscua no timo de camundongos NOD (Non Obese Diabetic) por meio da análise da expressão gênica em grande escala, ou seja, descrevendo seu transcriptoma usando a tecnologia de cDNA microarrays. Para a análise dos dados utilizamos programas de bioinformática dedicados a microarrays bem como dados de bancos para a caracterização da PGE e susceptibilidade genética ao diabetes melitus do tipo 1 (DM-1). Três conjuntos de resultados puderam ser evidenciados. No primeiro conjunto observou-se a ocorrência da PGE de antígenos tecidos/órgãos parenquimatosos (TRAs) em timos recém removidos e em in vitro em cultura ATOC de camundogos NOD pré-autoimunes e autoimunes (diabéticos). O segundo conjunto de resultados consistiu na análise do efeito da inativação do transcrito de gene Aire na expressão gênica do timo de camundongos NOD in vitro em cultura ATOC. Finalmente, no último conjunto de dados, demonstrou-se que certos genes de TRAs com expressão promíscua, se encontram em regiões cromossômicas de susceptibilidade ao DM - 1 (idds). Como três deles (Il-4, Cd4 e Cdk4) são diretamente relacionados com a patogenia do DM-1 em camundongos foi possível estabelecer um paralelo entre PGE e susceptibilidade genética. / Immunologic tolerance is an essential property of the immune system, which controls immune reactions directed against the body self components. The thymus is seen as the main organ involved with the tolerance induction to self antigens, which are expressed by the thymic cells (central tolerance), while the tolerance induction to the diverse other peripheral tissues and organs is attributed to extra thymic mechanisms (peripheral tolerance). Nevertheless, the evidence for the expression of peripheral tissue related antigens (TRAs) in the thymus by the medullary thymic epithelial cells (mTECs) of mice and humans, which have been termed to as promiscuous gene expression (PGE), has contributed to the concept of central tolerance to TRAs. The molecular control of such gene expression has been attributed to the Aire (autoimmune regulator) gene, which plays a role as a transcriptional regulator. In the present study, we searched to picture PGE in the thymus of NOD (non obese diabetic) mice by means of high throughput gene expression, analyzing the transcriptome by the cDNA microarray method. To analyzing data we used bioinformatics programs dedicated to microarrays and specialized data banks to characterize PGE and genetic susceptibility to type 1 diabetes mellitus (DM-1). Studying pre and autoimmune NOD mice, we evidentiate three sets of results. In the first set, it was observed the occurrence of PGE of parenchymal tissue/organs antigens (TRAs) in fresh thymuses and in thymuses cultured in vitro in adult thymus organ cultures (ATOC). The second set of results consisted in the analysis of the effect of in vitro (ATOC) Aire gene silencing on PGE. Finally, in the third data set, we demonstrated that certain promiscuously expressed genes are positioned in DM-1 genetic susceptibility chromosomal regions (idds). As three of such genes (IL4, Cd4 and Cdk4) are directly associated to the DM-1 pathogenesis in mice, it was possible to establishing a parallel between PGE in the thymus and genetic susceptibility to this autoimmune disease.

A tolerância imunológica é a propriedade essencial do sistema imune que controla as reações patológicas contra antígenos do próprio. O timo é visto como o principal órgão envolvido com a indução de tolerância aos antígenos próprios que são expressos pelas células tímicas (tolerância central), enquanto que a indução de tolerância aos antígenos relacionados a outros tecidos (TRAs) tem sido atribuída aos mecanismos de tolerância extratímica (tolerância periférica). Entretanto, a evidência da expressão de TRAs de órgãos e tecidos parenquimais no timo pelas células medulares epiteliais (mTECs) de camundongos e de humanos a qual foi referida como expressão gênica promíscua (PGE) reforçou a concepção de tolerância central de TRAs. O controle molecular dessa expressão tem sido atribuído ao gene Aire (Auto immune regulator) que é um regulador de transcrição. No presente estudo, procurou-se retratar a expressão gênica promíscua no timo de camundongos NOD (Non Obese Diabetic) por meio da análise da expressão gênica em grande escala, ou seja, descrevendo seu transcriptoma usando a tecnologia de cDNA microarrays. Para a análise dos dados utilizamos programas de bioinformática dedicados a microarrays bem como dados de bancos para a caracterização da PGE e susceptibilidade genética ao diabetes melitus do tipo 1 (DM-1). Três conjuntos de resultados puderam ser evidenciados. No primeiro conjunto observou-se a ocorrência da PGE de antígenos tecidos/órgãos parenquimatosos (TRAs) em timos recém removidos e em in vitro em cultura ATOC de camundogos NOD pré-autoimunes e autoimunes (diabéticos). O segundo conjunto de resultados consistiu na análise do efeito da inativação do transcrito de gene Aire na expressão gênica do timo de camundongos NOD in vitro em cultura ATOC. Finalmente, no último conjunto de dados, demonstrou-se que certos genes de TRAs com expressão promíscua, se encontram em regiões cromossômicas de susceptibilidade ao DM - 1 (idds). Como três deles (Il-4, Cd4 e Cdk4) são diretamente relacionados com a patogenia do DM-1 em camundongos foi possível estabelecer um paralelo entre PGE e susceptibilidade genética. / Immunologic tolerance is an essential property of the immune system, which controls immune reactions directed against the body self components. The thymus is seen as the main organ involved with the tolerance induction to self antigens, which are expressed by the thymic cells (central tolerance), while the tolerance induction to the diverse other peripheral tissues and organs is attributed to extra thymic mechanisms (peripheral tolerance). Nevertheless, the evidence for the expression of peripheral tissue related antigens (TRAs) in the thymus by the medullary thymic epithelial cells (mTECs) of mice and humans, which have been termed to as promiscuous gene expression (PGE), has contributed to the concept of central tolerance to TRAs. The molecular control of such gene expression has been attributed to the Aire (autoimmune regulator) gene, which plays a role as a transcriptional regulator. In the present study, we searched to picture PGE in the thymus of NOD (non obese diabetic) mice by means of high throughput gene expression, analyzing the transcriptome by the cDNA microarray method. To analyzing data we used bioinformatics programs dedicated to microarrays and specialized data banks to characterize PGE and genetic susceptibility to type 1 diabetes mellitus (DM-1). Studying pre and autoimmune NOD mice, we evidentiate three sets of results. In the first set, it was observed the occurrence of PGE of parenchymal tissue/organs antigens (TRAs) in fresh thymuses and in thymuses cultured in vitro in adult thymus organ cultures (ATOC). The second set of results consisted in the analysis of the effect of in vitro (ATOC) Aire gene silencing on PGE. Finally, in the third data set, we demonstrated that certain promiscuously expressed genes are positioned in DM-1 genetic susceptibility chromosomal regions (idds). As three of such genes (IL4, Cd4 and Cdk4) are directly associated to the DM-1 pathogenesis in mice, it was possible to establishing a parallel between PGE in the thymus and genetic susceptibility to this autoimmune disease.

O timo é um orgão linfóide primário, no qual ocorre a indução da tolerância imunológica central aos antígenos do próprio que são expressos pelos tecidos periféricos (PTAs). A medula tímica é formada por células tímicas medulares epiteliais (mTECs) que expressam centenas desses PTAs que representam virtualmente todos os órgãos e tecidos do corpo. Esse fenômeno foi denominado de expressão gênica promíscua (PGE) a qual é parcialmente regulada pelo modulador da transcrição Autoimmune regulator (Aire). Os precursores de células T oriundos da medula óssea migram para o timo (agora são denominados de timócitos) e na medula desse órgão, passam pela seleção negativa mediada pelas mTECs. As células sobreviventes evoluem para células T maduras e funcionais que migram para a periferia com capacidade de reconhecimento das moléculas de MHC e tolerantes aos PTAs. Além de controlar a transcrição de genes PTAs, Aire também controla a expressão de microRNAs (miRNAs), relacionados com a integridade e funcionalidade do microambiente tímico. A seleção negativa no timo é um processo essencial para a manutenção da autotolerância imunológica e o desbalanço desse processo está associado com o desenvolvimento de doenças autoimunes como, por exemplo, o diabetes mellitus do tipo 1 (DM1).Tendo em vista essas premissas, nosso trabalho se fundamentou em duas hipóteses: 1) Variações na expressão do gene Aire podem perturbar a expressão de genes PTAs e miRNAs no timo, causando alterações na PGE, 2) A expressão balanceada de genes como Aire e/ou PTAs nas mTECs, é fundamental para a integridade da tolerância central. O desbalanço na expressão desses genes, está associado com a emergência do diabetes mellitus tipo 1 no camundongo. Para testar nossa primeira hipótese efetuamos o silenciamento de Aire (Aire knockdown) por meio de eletrotransfeção de RNA interferente (siRNA) anti-Aire in vivo no timo de camundongos BALB/c. Análises do transcriptoma (mRNAs) e miRNoma (miRNAs) das mTECs, revelaram que silenciamento parcial e transitório de Aire foi suficiente para afetar a expressão de PTAs Aire dependentes bem como a de miRNAs. Redes de interação miRNA-mRNA, revelaram que o controle pós-transcricional da PGE também é afetado pelo silenciamento de Aire. Os resultados encontrados revelam que Aire e miRNAs podem formar uma via essencial durante a indução da tolerância central. Para testar nossa segunda hipótese comparamos o transcriptoma de mTECs de camundongos BALB/c (linhagem não-autoimune) com mTECs de camundongos non-obese diabetic NOD (modelo animal utilizado nos estudos de DM1 autoimune). Nossos resultados revelaram que a expressão transcricional de autoantígenos relacionados ao DM1 está desbalanceada em camundongos NOD já numa fase precoce, quando esses animais ainda não apresentavam a doença clínica (fase pré-diabética). Inesperadamente, os níveis transcrionais de Aire apresentaram-se equivalentes no timo dessas duas linhagens, porém os níveis da proteína AIRE estavam reduzidos no timo da linhagem NOD. Esses resultados sugerem a participação de algum mecanismo de atenuação póstrascricional de Aire nessa linhagem provavelmente envolvendo atuação de miRNAs. Isso poderia explicar o desbalanço de PTAs Aire-dependentes e a repressão autoantígenos relacionados ao DM1. Concluímos que nossos resultados, além de abrir novas perspectivas para pesquisas nesta área, contribuem com melhor compreensão dos mecanismos moleculares desencadeados por Aire e por miRNAs no controle da expressão de autoantígenos no timo o que é importante para a tolerância imunológica central. / The thymus is a primary lymphoid organ, in which occurs in the induction of central immune tolerance to self peripheral tissue antigens (PTAs). The thymic medulla is formed by medullary thymic epithelial cells (mTECs) expressing hundreds of such PTAs representing virtually all organs and tissues of the body. This phenomenon has been termed promiscuous gene expression (PGE), which is partially regulated by the Autoimmune regulator (Aire) gene. The T cell precursors derived from the bone marrow migrate to the thymus (now termed thymocytes). A part of these thymocytes are eliminated by negative selection mediated mTEC cells. The surviving cells to evolve and functional mature T cells that migrate to the periphery and are capable of recognizing MHC molecules and are tolerant to PTAs. In addition to controlling the transcription of PTA genes, Aire also controls the expression of microRNAs (miRNAs). The negative selection in the thymus is a process essential to the maintenance of immunologic self-tolerance and imbalance of this process is associated with the development of autoimmune diseases such as type 1 diabetes mellitus (DM1) . Given these assumptions, our work was based on two hypothesis: 1) Changes in the expression of the Aire gene can disrupt the expression of PTA genes and miRNAs in the thymus, causing changes in PGE, 2) The balanced expression of Aire / or PTA genes in mTECs is fundamental for central tolerance. The imbalance in the expression of these genes is associated with the emergence of type 1 diabetes in mice. To test our first hypothesis we made Aire silencing (Aire knockdown) through electrotransfection of anti - Aire interfering RNA (siRNA) in vivo in the thymus of BALB/c mice. Analysis of the transcriptome (mRNAs) and miRNome (miRNAs) of mTECs revealed that partial and transient silencing of Aire was enough to affect the expression of Aire - dependent PTAs as well as miRNAs. miRNA -mRNA interaction networks revealed that the posttranscriptional control of PGE is also affected by the silencing of Aire. The results show that Aire and can form an miRNA pathway essential for the induction of central tolerance. To test our second hypothesis we compared the transcriptome of mTECs of BALB/c mice (non-autoimmune strain) with mTECs from non - obese diabetic NOD (animal model used in studies of autoimmune DM1) . Our results indicate that the transcriptional expression of DM1-related autoantigens are unbalanced in NOD mice in an very early stage, when these animals have not had clinical disease (pre-diabetic period). Unexpectedly, the transcriptional levels of Aire in the thymus was equivalent in these two strains, but the AIRE protein levels were reduced in thymus of NOD strain. These results suggest that some mechanism of post-transcriptional attenuation of Aire is acting in this lineage probably involving action of miRNAs . This could explain the imbalance of Aire - dependent PTAs and repression autoantigens related to DM1. Our results open perspectives for research in this area, contributing to better understanding the molecular mechanisms triggered by Aire and miRNAs in control of the expression of autoantigens in the thymus, which is important for the central immune tolerance.

O timo é um orgão linfóide primário, no qual ocorre a indução da tolerância imunológica central aos antígenos do próprio que são expressos pelos tecidos periféricos (PTAs). A medula tímica é formada por células tímicas medulares epiteliais (mTECs) que expressam centenas desses PTAs que representam virtualmente todos os órgãos e tecidos do corpo. Esse fenômeno foi denominado de expressão gênica promíscua (PGE) a qual é parcialmente regulada pelo modulador da transcrição Autoimmune regulator (Aire). Os precursores de células T oriundos da medula óssea migram para o timo (agora são denominados de timócitos) e na medula desse órgão, passam pela seleção negativa mediada pelas mTECs. As células sobreviventes evoluem para células T maduras e funcionais que migram para a periferia com capacidade de reconhecimento das moléculas de MHC e tolerantes aos PTAs. Além de controlar a transcrição de genes PTAs, Aire também controla a expressão de microRNAs (miRNAs), relacionados com a integridade e funcionalidade do microambiente tímico. A seleção negativa no timo é um processo essencial para a manutenção da autotolerância imunológica e o desbalanço desse processo está associado com o desenvolvimento de doenças autoimunes como, por exemplo, o diabetes mellitus do tipo 1 (DM1).Tendo em vista essas premissas, nosso trabalho se fundamentou em duas hipóteses: 1) Variações na expressão do gene Aire podem perturbar a expressão de genes PTAs e miRNAs no timo, causando alterações na PGE, 2) A expressão balanceada de genes como Aire e/ou PTAs nas mTECs, é fundamental para a integridade da tolerância central. O desbalanço na expressão desses genes, está associado com a emergência do diabetes mellitus tipo 1 no camundongo. Para testar nossa primeira hipótese efetuamos o silenciamento de Aire (Aire knockdown) por meio de eletrotransfeção de RNA interferente (siRNA) anti-Aire in vivo no timo de camundongos BALB/c. Análises do transcriptoma (mRNAs) e miRNoma (miRNAs) das mTECs, revelaram que silenciamento parcial e transitório de Aire foi suficiente para afetar a expressão de PTAs Aire dependentes bem como a de miRNAs. Redes de interação miRNA-mRNA, revelaram que o controle pós-transcricional da PGE também é afetado pelo silenciamento de Aire. Os resultados encontrados revelam que Aire e miRNAs podem formar uma via essencial durante a indução da tolerância central. Para testar nossa segunda hipótese comparamos o transcriptoma de mTECs de camundongos BALB/c (linhagem não-autoimune) com mTECs de camundongos non-obese diabetic NOD (modelo animal utilizado nos estudos de DM1 autoimune). Nossos resultados revelaram que a expressão transcricional de autoantígenos relacionados ao DM1 está desbalanceada em camundongos NOD já numa fase precoce, quando esses animais ainda não apresentavam a doença clínica (fase pré-diabética). Inesperadamente, os níveis transcrionais de Aire apresentaram-se equivalentes no timo dessas duas linhagens, porém os níveis da proteína AIRE estavam reduzidos no timo da linhagem NOD. Esses resultados sugerem a participação de algum mecanismo de atenuação póstrascricional de Aire nessa linhagem provavelmente envolvendo atuação de miRNAs. Isso poderia explicar o desbalanço de PTAs Aire-dependentes e a repressão autoantígenos relacionados ao DM1. Concluímos que nossos resultados, além de abrir novas perspectivas para pesquisas nesta área, contribuem com melhor compreensão dos mecanismos moleculares desencadeados por Aire e por miRNAs no controle da expressão de autoantígenos no timo o que é importante para a tolerância imunológica central. / The thymus is a primary lymphoid organ, in which occurs in the induction of central immune tolerance to self peripheral tissue antigens (PTAs). The thymic medulla is formed by medullary thymic epithelial cells (mTECs) expressing hundreds of such PTAs representing virtually all organs and tissues of the body. This phenomenon has been termed promiscuous gene expression (PGE), which is partially regulated by the Autoimmune regulator (Aire) gene. The T cell precursors derived from the bone marrow migrate to the thymus (now termed thymocytes). A part of these thymocytes are eliminated by negative selection mediated mTEC cells. The surviving cells to evolve and functional mature T cells that migrate to the periphery and are capable of recognizing MHC molecules and are tolerant to PTAs. In addition to controlling the transcription of PTA genes, Aire also controls the expression of microRNAs (miRNAs). The negative selection in the thymus is a process essential to the maintenance of immunologic self-tolerance and imbalance of this process is associated with the development of autoimmune diseases such as type 1 diabetes mellitus (DM1) . Given these assumptions, our work was based on two hypothesis: 1) Changes in the expression of the Aire gene can disrupt the expression of PTA genes and miRNAs in the thymus, causing changes in PGE, 2) The balanced expression of Aire / or PTA genes in mTECs is fundamental for central tolerance. The imbalance in the expression of these genes is associated with the emergence of type 1 diabetes in mice. To test our first hypothesis we made Aire silencing (Aire knockdown) through electrotransfection of anti - Aire interfering RNA (siRNA) in vivo in the thymus of BALB/c mice. Analysis of the transcriptome (mRNAs) and miRNome (miRNAs) of mTECs revealed that partial and transient silencing of Aire was enough to affect the expression of Aire - dependent PTAs as well as miRNAs. miRNA -mRNA interaction networks revealed that the posttranscriptional control of PGE is also affected by the silencing of Aire. The results show that Aire and can form an miRNA pathway essential for the induction of central tolerance. To test our second hypothesis we compared the transcriptome of mTECs of BALB/c mice (non-autoimmune strain) with mTECs from non - obese diabetic NOD (animal model used in studies of autoimmune DM1) . Our results indicate that the transcriptional expression of DM1-related autoantigens are unbalanced in NOD mice in an very early stage, when these animals have not had clinical disease (pre-diabetic period). Unexpectedly, the transcriptional levels of Aire in the thymus was equivalent in these two strains, but the AIRE protein levels were reduced in thymus of NOD strain. These results suggest that some mechanism of post-transcriptional attenuation of Aire is acting in this lineage probably involving action of miRNAs . This could explain the imbalance of Aire - dependent PTAs and repression autoantigens related to DM1. Our results open perspectives for research in this area, contributing to better understanding the molecular mechanisms triggered by Aire and miRNAs in control of the expression of autoantigens in the thymus, which is important for the central immune tolerance.

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