La différenciation des lymphocytes T dans le thymus est strictement contrôlée par le réarrangement des gènes codants pour les chaînes du TCR et leur expression en surface dans le cadre du pré-TCR ou du TCR. Les souris incapables d'assembler un pré-TCR présentent un blocage précoce du développement des thymocytes. Nous avons montré que l'irradiation de souris CD3ε-/-, qui sont déficientes en pré-TCR, restaure la différenciation des thymocytes par des voies différentes selon que p53 soit présente ou non. En réponse à l'irradiation, il existe une dissociation temporelle de l'activation des voies de signalisations contrôlant plusieurs événements co-régulés durant le développement des thymocytes. Ces voies sont cependant toutes deux centralisées au niveau de LAT. L'irradiation induit donc des voies de signalisations mimant les effets de l'activation du pré-TCR.<br />La différenciation radio-induite des thymocytes immatures s'accompagne du réarrangement de novo des gènes TCRA. L'étude des jonctions signal (JS) formées lors du réarrangement des gènes TCRA ne montre pas de différences de structure entre les JS de souris sauvages ou les JS formées suite à l'irradiation. Le réarrangement TCRA radio-induit est donc probablement l'œuvre de la machinerie de recombinaison traditionnelle. Contrairement au modèles actuels de recombinaison V(D)J les JS de souris sauvages analysées présentent des modifications, quels que soient les gènes réarrangés. Nous avons pu montrer une influence de plusieurs protéines impliquées dans la réparation de l'ADN et le maintient de la stabilité du génome sur la structure des JS. Nous proposons que ces modifications ne sont pas le résultat d'un processus de recombinaison aberrant mais constituent une propriété intrinsèque de la recombinaison. <br />Nos travaux permettent donc une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la recombinaison V(D)J.

Le système immunitaire de chaque individu doit faire face à des agressions répétées d'un environnement en constante évolution, constituant ainsi un nombre de menaces virtuellement infini. Afin de mener ce rôle à bien, le système immunitaire adaptatif s'appuie sur une énorme diversité de lymphocytes T et B. Chacune de ces cellules exhibe à sa surface un récepteur unique, créé aléatoirement via le processus de recombinaison V(D)J, et spécifique à un petit nombre de pathogènes seulement. La diversité initiale générée lors de ce processus de recombinaison est ensuite réduite par une étape de sélection fonctionnelle basée sur les propriétés de repliement du récepteur ainsi que ses capacités à interagir avec des protéines du soi. Pour les cellules B, cette diversité peut être à nouveau étendue après rencontre d'un pathogène lors du processus de maturation d'affinité durant lequel le récepteur subit des cycles successifs d'hypermutation et sélection. Ces travaux présentent des approches probabilistes visant à inférer les distributions de probabilités sous-tendant les processus de recombinaison et d'hypermutation à partir de données de séquençage haut débit. Ces approches ont donné naissance à IGoR, un logiciel polyvalent dont les performances dépassent celles des outils existants. En utilisant les modèles obtenus comme base, je présenterai comment ces derniers peuvent être utilisés afin d'étudier le vieillissement et évolution du répertoire immunitaire, la présence d'emprunte parentale lors de la recombinaison V(D)J ou encore pour démontrer que les jumeaux échangent des lymphocytes au cours de la vie fœtale. / An individual’s adaptive immune system needs to face repeated challenges of a constantly evolving environment with a virtually infinite number of threats. To achieve this task, the adaptive immune system relies on large diversity of B-cells and T-cells, each carrying a unique receptor specific to a small number of pathogens. These receptors are initially randomly built through the process of V(D)J recombination. This initial generated diversity is then narrowed down by a step of functional selection based on the receptors' folding properties and their ability to recognize self antigens. Upon recognition of a pathogen the B-cell will divide and its offsprings will undergo several rounds of successive somatic hypermutations and selection in an evolutionary process called affinity maturation. This work presents principled probabilistic approaches to infer the probability distribution underlying the recombination and somatic hypermutation processes from high throughput sequencing data using IGoR - a flexible software developed throughout the course of this PhD. IGoR has been developed as a versatile research tool and can encode a variety of models of different biological complexity to allow researchers in the field to characterize evermore precisely immune receptor repertoires. To motivate this data-driven approach we demonstrate that IGoR outperforms existing tools in accuracy and estimate the sample sizes needed for reliable repertoire characterization. Finally, using obtained model predictions, we show potential applications of these methods by demonstrating that homozygous twins share T-cells through cord blood, that the public core of the T cell repertoire is formed in the pre-natal period and finally estimate naive T cell clone lifetimes in human.

La maturation des cellules lymphoïdes T est un processus thymique hautement régulé au cours duquel les réarrangements ordonnés des loci du TCRδ, y, β et enfin α déterminent le développement des lignées yδ et αβ. Les remaniements somatiques des segments géniques V, (D) et J du TCR font intervenir les protéines RAG1/2, les séquences RSS jouxtant ces segments et des éléments régulateurs (enhancers) assurant une cis-régulation de ce processus. Le contrôle de la recombinaison V(D)J se fait grâce à divers mécanismes incluant des mécanismes épigénétiques, l’intervention de facteurs de transcription et la conformation/séquence des RSS. Dans ce travail, nous montrons que les réarrangements du locus TCRδ sont strictement ordonnés chez l’Homme. Le premier réarrangement Dδ2-Dδ3 se produit à un stade ETP (Early T-cell Precursor) CD34+/CD1a-/CD7+dim, et précède systématiquement le réarrangement Dδ2-Jδ1. L’analyse in silico du locus a permis d’identifier un site de fixation clé pour le facteur de transcription RUNX1 à proximité immédiate de l’heptamètre Dδ2-23RSS chez l’Homme mais absent chez la souris. Le recrutement de RUNX1 sur ce site dans les thymocytes très immatures CD34+/CD3- permet d’augmenter l’affinité de fixation des protéines RAG1/2 sur le Dδ2-23RSS de manière spécifique. Ce travail identifie un rôle original de cofacteur de RUNX1 au cours de la recombinaison V(D)J dans la thymopoïèse humaine. Une série d’analyses épigénétiques exhaustives, menées dans le cadre du projet Européen Blueprint, sur les sous-populations thymiques humaines, nous a permis d’établir que l’enhanceosome du TCRα est constitué, comme chez la souris, dès les étapes les plus précoces de la thymopoïèse sans pour autant pouvoir s’activer avant la fin de la β-sélection. Nos résultats préliminaires suggèrent que les protéines homéotiques HOXA (notamment HOXA9) répriment l’activité de l’enhancer alpha (et donc les réarrangements du TCRα en interagissant avec le facteur de transcription ETS1 via leurs homéodomaines. Leur répression, induite par le passage de la β-sélection, aboutit à l’ouverture chromatinienne des segments Vα/Jα via l’activation du TCRα. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur le découplage jusqu’ici inexpliqué entre la formation de l’enhanceosome du TCRα à un stade très immature et son activation, permettant les réarrangements du locus, à un stade thymique bien plus tardif. / Maturation of T lymphoid cells is a highly regulated process where ordered thymic rearrangements at the TCRδ, TCRy, TCRβ and finally TCRα loci determine the development into either yδ or αβ T-cell lineages. Somatic rearrangements of V, (D), and J gene segments of TCR loci involve RAG1/2 proteins, RSS sequences juxtaposing V, D, and J genes segments and regulatory elements (enhancers) providing a cis-regulation of this process. The control of the V(D)J recombination is achieved through various mechanisms including epigenetic modifications, involvement of transcription factors and RSS conformation/sequence. In this work, we show that TCRδ rearrangements are strictly ordered in Humans. The first Dδ2-Dδ3 rearrangement occurs at ETP (Early T-Cell Precursor) stage CD34+/CD1a-/CD7+dim, and always precedes Dδ2-Jδ1 rearrangement. In-silico analysis of the locus identified a key binding site for a transcription factor RUNX1 in close proximity to the Dδ2-23RSS heptamer in human, but not in mice. The RUNX1 recruitment at this site in immature CD34+/CD3- thymocytes increases binding affinity of RAG1/2 proteins. This work identifies an original cofactor of human VDJ recombination. A set of comprehensive epigenetic analysis conducted within the Europeen Blueprint project on human thymic subpopulations allowed as to establish that the TCRα enhanceosome (Eα), as in mice, is already formed from the earliest stages of thymopoiesis without being able to be activated before the end of β-selection. Our preliminary results suggest that HOXA homeobox proteins (including HOXA9) suppress the activity of the Eα (thus TCRα rearrangements) by interacting with the transcription factor ETS1 via their homeodomains. Induced by β-selection HOXA repression results in the chromatin opening of the Vα/Jα gene segments through TCRα activation. These finding shed new light on the so far unexplained shift observed between the formation of Eα enhanceosome at a very immature stages and its activation at a much later developmental stages.

Dans le but de reconnaitre et répondre de manière efficace à une très grande variétés d’agents pathogènes, les cellules B ont développé au cours des mécanismes de diversifications des immunoglobulines contrôlés par des processus génétiques complexes comme la recombinaison V(D)J, l’hypermutation somatiques (SHM), et le changement de classe par recombinaison (CSR). L’ensemble de ces processus est contrôlé par différentes voies de réparations de l’ADN. L’anémie de Fanconi est une maladie génétique rare caractérisée par une défaillance progressive de la moelle osseuse, des anomalies de développement et un risque accru de développer des leucémies et des cancers oesopharyngés. La voie FANC est impliquée dans la réparation des pontages de l’ADN et dans le maintien de la fourche de réplication en cas de stress génotoxique. Il est également bien décrit que la voie FANC joue un rôle important dans la coordination des voies de réponses aux dommages à l’ADN. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au rôle de la voie FANC dans les processus de diversifications des immunoglobulines.En utilisant des souris déficientes pour le gène Fanca, nous montrons que la voie FANC (ou FANCA) participe à la recombinaison V(D)J en contrôlant, dans la moelle osseuse, la transition des cellules B, du stade pre-B au stade de cellules B immatures. Ceci se ferait probablement par le contrôle de la transcription des gènes codant les chaines légères κ des immunoglobulines. Nous montrons également que Fanca pourrait avoir un rôle dans l’addition de nucleotides aux extrémités codantes, en régulant d’une manière indéterminée l’activité et/ou l’activation de l’enzyme TdT ou de la polymérase Polµ. Par ailleurs, nous avons montré que Fanca est nécessaire pour l’induction des mutations de type transitions A/T pendant le processus de SHM en régulant l’expression ou la stabilisation de Polη. Enfin, Fanca (ou la voie FANC) participe à l’inhibition de la recombinaison non homologue (NHEJ) et est requis durant le CSR pour stabiliser les duplexes entre 2 régions de microhomologies qui facilitent le recrutement d’endonucléases et réguler l’accès des DNA polymérases aux cassures de l’ADN. / To recognize and respond dynamically to an enormous variety of different pathogens, B lymphocytes of the immune system have evolved controlled genetic processes at their immunoglobulin (Ig) loci that are known as Ig diversification including V(D)J recombination, somatic hypermutation (SHM), and class switch recombination (CSR). These complex and vulnerable processes are orchestrated by multiple DNA repair pathways. Fanconi anemia (FA) is a rare genetic disorder that can lead to bone marrow failure, congenital abnormalities, and an increased risk of leukemia and cancer. FANC pathway has been implicated in DNA interstrands crosslinks (ICL) repair and in the rescue of stalled replication forks. The FANC pathway also plays a fundamental role in coordinating the DNA repair pathways. Several lines of evidence suggest a possible involvement of the FANC pathway in Ig diversification processes, thus we are particularly interested in revealing function of FANC pathway during these processes. By using Fanca-/- mice, our results first show that during V(D)J recombination, Fanca (or FANC pathway) participates to the control of the transition from pre-B to immature B cells in bone marrow (BM), probably through transcriptional activation of post-rearranged κ light chain. In addition, Fanca might play a role in nucleotide addition at coding end, possibly by regulating either TdT or Polµ activity/activation. Secondly, we found that Fanca is required for the induction of transition mutations at A/T during SHM via regulation of Polη expression/stabilization. Finally, Fanca (or FANC pathway) inhibits short-range recombination and is required during CSR to stabilize duplexes between 2 short microhomology regions that facilitate the recruitment of endonucleases to trim overhangs and avoid unscheduled access of polymerases to DNA ends.

Au cours de leur développement, les cellules du système hématopoïétique sont très exposées aux dommages à l’ADN qui peuvent avoir une origine exogène ou endogène. Les organismes vivants ont développé de nombreux mécanismes de réparation pour y faire face, et leur dysfonctionnement est responsable de maladies rares mais sévères chez l’Homme. Un des deux mécanismes de réparation des cassures double-brin (CDB) de l’ADN joue un rôle prépondérant dans le développement du système immunitaire (SI) des mammifères. Il s’agit de la voie de réparation des extrémités non-homologues (NHEJ) qui est absolument essentiel au bon déroulement de la recombinaison V(D)J dans les progéniteurs lymphocytaires de la moelle osseuse et du thymus. En effet, la formation de CDB de l’ADN est une étape clé de ce remaniement. De même, bien que dans une moindre mesure, le NHEJ intervient pour réparer les cassures induites par AID lors de la commutation de classe des immunoglobulines (Ig- CSR). Notre équipe a précédemment identifié un nouveau facteur du NHEJ, Cernunnos (ou XLF), responsable chez l’Homme de déficit immunitaire combiné sévère (DCIS) associé à une sensibilité aux rayonnements ionisants (RI) et à une microcéphalie. Afin de mieux comprendre le rôle de Cernunnos dans le système hématopoïétique et dans le développement des lymphocytes en particulier, nous avons créé un modèle murin invalidé pour ce gène. De façon surprenante, le développement lymphocytaire se fait quasi normalement dans ces souris, le seul défaut observé est une diminution du nombre de lymphocytes. Cependant, l’analyse fine du répertoire des cellules T a permis de mettre en évidence un biais dans l’utilisation des segments variables V et J de la chaîne α du récepteur (TCRα). Ce serait là la signature d’un défaut de survie des thymocytes, passant par une activation chronique de la voie de l’apoptose dépendante de p53 en réponse à l’accumulation de dommages de l’ADN. Certaines sous- populations de lymphocytes T, comme les iNKTs et les MAITs, seraient ainsi affectées. Par ailleurs, notre équipe poursuit la caractérisation génétique et fonctionnelle de pathologies chez des patients dont le tableau clinique laisse penser qu’il existe un déficit immunitaire ou hématologique primaire associé à un défaut de réparation de l’ADN. Nous nous sommes intéressés à un patient dont le tableau clinique combinant déficit hématopoïétique et instabilité génomique suggère une origine génétique forte. Grâce aux techniques de séquençage haut- débit et à l’étude de ségrégation au sein de la famille nous avons pu isoler plusieurs mutations dont une nous a interpellé plus particulièrement / Throughout their development, hematopoietic cells are exposed to many DNA damages of either exogenous or endogenous origin. Living organisms evolved a variety of DNA repair mechanisms in order to face those threats, and their impairment leads to rare but severe diseases in human. Of the two mechanisms involved in the repair of DNA double-strand break (DSB) repair, one plays a major role in mammal’s Immune System (IS). The non-homologous end joining (NHEJ) pathway is essential for the correct proceeding of V(D)J recombination in lymphocyte progenitors from bone marrow and thymus. Indeed, the formation of DNA DSB is a key step of the rearrangement. In similar fashion, though to a lesser degree, NHEJ is involved in repair of AID induced breaks during immunoglobulin class switch recombination (Ig-CSR). Our team previously identified a new NHEJ factor, Cernunnos (or XLF), as being responsible for a human syndrome of severe combined immunodeficiency (SCID) associated with ionizing radiation (IR) sensitivity (RS-SCID) and microcephaly. To better understand Cernunnos role in the hematopoietic system and particularly in lymphocyte development, we engineered a knock-out (KO) mouse model for this gene. Surprisingly, lymphocyte development is almost normal in these mice, the only defect observed being a decrease of lymphocyte number. However, a refined analysis of T cell repertoire allowed us to uncover a bias in the use of V and J segments from the receptor’s α chain (TCRα). This is the signature of a survival defect in thymocytes, caused by chronic activation of the p53 dependent apoptosis pathway in response to DNA damage. Some discrete T cell populations, such as iNKTs and MAITS, would be affected. In the meantime, our team pursues the uncovering of genetic diseases and their functional description in patients showing signs of immune or hematopoietic deficiency combined to impaired DNA repair. We focused on a patient harboring clinical signs of genomic instability and hematopoietic defects with strong evidence for genetic cause. Thanks to high-throughput DNA sequencing technology and whole genome association study (WGAS), we identified several mutations, one of them striking us as pertinent