Le Syndrome WHIM (SW) est un déficit immuno-hématologique rare qui se caractérise notamment par une profonde leucopénie circulante. Le SW résulte principalement de mutations hétérozygotes autosomiques dans CXCR4 qui tronquent partiellement le domaine C-terminal de la protéine et entraînent un défaut de désensibilisation de CXCR4 en réponse à CXCL12. L’impact in vivo d’un gain de fonction de CXCR4 sur le développement et la différenciation lymphocytaires restant à définir, nous avons généré un modèle murin hétérozygote pour la mutation ponctuelle identifiée chez certains patients. L’objectif de ma thèse a été de déterminer si un défaut de différenciation des cellules souches et des progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) était à l’origine de ces anomalies de lymphopoïèse. Nous avons observé que le nombre et la clonogénicité des CSH sont préservés dans la moelle osseuse des souris mutantes. Toutefois, les CSH porteuses de la mutation gain de fonction de Cxcr4 ont une quiescence accrue alors que leur multipotence et leur auto-renouvellement sont réduits. Ces dérégulations du compartiment des CSH entraînent, in vivo et in vitro, une altération de la production et de la spécification lymphoïde des progéniteurs multipotents (MPP). En périphérie, nous avons mis en évidence une diminution des CSPH dans le sang des souris mutantes, anomalie également retrouvée à partir de prélèvements sanguins de quatre patients atteints du SW et porteurs d’une mutation hétérozygote dans CXCR4. Ces résultats indiquent une anomalie de circulation des CSPH, hypothèse confortée par le développement d’une hématopoïèse extra-médullaire intra-splénique chez les souris mutantes. Ces données suggèrent que la désensibilisation de Cxcr4 régule la quiescence, la multipotence et l’auto-renouvellement des CSH et serait requise pour la spécification lymphoïde des MPP. Ainsi, l’absence de ce processus pourrait être à l’origine de la lymphopénie observée dans notre modèle murin et, par extrapolation, chez les patients. / The Warts, Hypogammaglobulinemia, Infections and Myelokathexis Syndrome (WS) is a rare immuno-hematological disorder characterized notably by a pan-leukopenia. It is mostly caused by heterozygous autosomal dominant gain-of-function mutations in CXCR4, which engender a distal truncation in the carboxyl-terminal tail domain and lead to a desensitization-resistant receptor. The in vivo impact of a gain-of-CXCR4 function on lymphocyte development and differentiation remain to be established. Then we recently produced major breakthroughs in the pathophysiology of the WS by generating a mouse strain harbouring a WS-linked heterozygous Cxcr4 mutation. The aim of my PhD was to determine if a HSPC differentiation defect would account for the lymphopenia. We showed that the total number and the clonogenicity of HSC were not altered in the BM of mutant mice. However, HSC carrying the gain-of-function mutation in Cxcr4 have an increased quiescence but a decreased multipotency and self-renewal. These HSC compartment deregulations lead to a in vivo and in vitro decline of multipotent progenitors (MPP) production and lymphoid specification. Furthermore, we reported a decrease in the total number of HSPC in the blood of mutant mice, an anomaly also found in four WS patients carrying a heterozygous CXCR4 mutation. This suggested an abnormal HSPC circulation that was strengthened by an enhanced extramedullary haematopoiesis observed in the spleen of mutant mice. These results suggest that Cxcr4 desensitization regulates HSC quiescence, multipotency and self-renewal and is required for MPP lymphoid specification. In this respect, the absence of such process could account for the lymphopenia in this model and likely in patients.

Le syndrome WHIM (SW) est un déficit immuno-hématologique rare causé principalement par des mutations autosomales dominantes du gène CXCR4 qui entrainent une troncation du domaine C-terminal (C-Ter) du récepteur. Les formes mutantes de CXCR4 associées au SW génèrent des altérations de la désensibilisation et de l’internalisation du récepteur en réponse à CXCL12, qui se traduisent par une hypersensibilité à l’action chimiotactique du ligand. CXCR4 est un récepteur de chimiokine exprimé sur les leucocytes dont le rôle dans l’hématopoïèse et le trafic leucocytaire à l’état basal suggère que la lympho-neutropénie des patients atteints du SW est due à des défauts de production et/ou de domiciliation périphérique des leucocytes causés par le gain de fonction de CXCR4. Néanmoins, la validation de cette hypothèse est difficile chez les patients. En générant une souche de souris (Cxcr4+/1013), porteuse d’une mutation rapportée chez une famille de patients par une stratégie de knock-in, nous avons mis en évidence le rôle du domaine C-Ter de Cxcr4 dans le développement, la domiciliation périphérique des lymphocytes et l’immunité adaptative à médiation humorale.Les principaux résultats issus de notre travail, obtenus en combinant des approches biochimiques, fonctionnelles, de reconstitution de l’hématopoïèse par compétition, de transferts adoptifs et d’injection d’anticorps anti-CD45 in vivo, sont : 1) La mutation Cxcr41013 tronquant le domaine C-Ter se comporte différemment en terme de signalisation, selon qu’elle soit présente à l’état hétérozygote ou homozygote, et perturbe respectivement les transitions double-négatif (DN) 2-DN3 et proB-preB de la lymphopoïèse dans le thymus et la moelle osseuse (MO). Au contraire, elle ne génère pas d’effets sur le développement des cellules NK et la myélopoïèse ; 2) La lymphopénie qui touche les lymphocytes B (LB) et T (LT) est un processus intrinsèque aux cellules porteuses de la mutation Cxcr41013 et suit un modèle allèle-dose-dépendant ; 3) Le défaut de désensibilisation de Cxcr41013 empêche le relargage des lymphocytes NK et B immatures de la MO et celui des LB et LT matures des ganglions lymphatiques dans le sang. A l’inverse, le gain de fonction exacerbe la migration des LB recirculants et LT matures et leur rétention dans le parenchyme médullaire ; et 4) malgré l’absence de follicules primaires dans les ganglions lymphatiques, les souris mutantes sont capables de mettre en place une réponse immunitaire humorale efficace et spécifique d’un antigène T-dépendant, comme en témoigne l’augmentation des LB du centre germinatif et des plasmocytes ayant effectué une commutation isotypique. En conclusion, nous démontrons que la signalisation fine médiée par Cxcr4 est nécessaire pour le développement, la compartimentalisation périphérique et la fonction des lymphocytes. / The WHIM Syndrome (WS) is a rare combined immuno-hematological disorder caused by inherited heterozygous autosomal dominant mutations in CXCR4, which result in most cases in the distal truncation of the receptor’s Carboxyl-terminal tail (C-Tail). Mutants of CXCR4 associated with WS display impaired desensitization and internalization of the receptor upon CXCL12 exposure, leading to enhanced migratory response. Because CXCR4 is expressed on leukocytes, we hypothesized that circulating pan-leukopenia could arise from altered CXCR4-mediated signalling that would skew tissue distribution and differentiation of leukocytes. This assumption was obviously difficult to address in patients. By generating a knock-in mouse strain (Cxcr4+/1013) that harbors a WS-linked gain-of-Cxcr4-function mutation, we establish that the C-tail domain in Cxcr4-mediated signalling is a pivotal regulator of lymphocyte development, peripheral trafficking and humoral immunity. The essential findings of our work, obtained by combining biochemical, bone marrow (BM)-mixed chimeras, in vivo labelling, adoptive co-transfers and functional approaches, are: 1) the C-tail truncating Cxcr41013 mutation caused differential signalling capacities depending on its heterozygous versus homozygous status and inhibited double-negative (DN) 2-to-DN3 and pro-B-to-pre-B developmental transitions during lymphopoiesis. In contrast, it had no effect on NK lymphopoiesis and granulopoiesis; 2) the resulting circulating B and T lymphopenia was due to hematopoietic cell-intrinsic defects and followed a mutated allele dose-dependent pattern; 3) impaired Cxcr41013 desensitization prevented the release of immature BM NK and B cells and mature lymph node (LN) B and T lymphocytes into the blood. Conversely, it forced homing and retention of mature recirculating B and T cells in the BM parenchyma; and 4) despite the absence of primary B-cell follicles in LNs, mutant mice produced efficient humoral responses upon immunization as illustrated by increased antigen-specific germinal center B cells and isotype-switched plasma cells. Collectively, our findings demonstrate that fine-tuning of Cxcr4 signal strength is required for optimal trafficking, egress and fitness of lymphocytes.

Les papillomavirus humains (HPV), dont on dénombre plus de 300 types différents, infectent spécifiquement les épithéliums. Ces infections sont communes et généralement asymptomatiques. Cependant, lorsqu’elles persistent, elles peuvent donner lieu à des lésions bénignes, telles que les verrues, ou cancéreuses, telles que le cancer du col de l’utérus. Les facteurs de l’hôte impliqués dans la persistance et la pathogénie des infections par les HPV restent largement méconnus. Les premières évidences du rôle de l’axe de signalisation CXCL12/CXCR4 dans la pathogénie virale proviennent d’observations faites dans le contexte d’un déficit immunitaire rare, le syndrome WHIM. En effet, ce syndrome est dû à des dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 − causées par des mutations de CXCR4 conduisant à un gain de fonction de l’axe CXCL12/CXCR4 − et est caractérisé par une susceptibilité sélective des patients à des infections sévères, persistantes et parfois malignes par les HPV. Au vu de cette susceptibilité, l’objectif de ma thèse a été d’approfondir cet éventuel lien causal entre les dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 et la pathogenèse associée aux infections par les HPV et de caractériser les mécanismes moléculaires en jeu.Afin de répondre à cette problématique, je me suis intéressée dans la première partie de mes travaux de thèse aux conséquences des dysfonctions de l’axe CXCL12/CXCR4 − à travers le gain de fonction de CXCR4 associé au syndrome WHIM − sur le cycle biologique d’HPV18 étudié dans des cultures organotypiques épithéliales tridimensionnelles. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence que les dysfonctions de CXCR4 limitaient la production virale au profit de la mise en place d’un processus de transformation cellulaire. Les mécanismes en jeu impliquent une augmentation de la prolifération cellulaire et un changement du profil d’expression des protéines virales en faveur des oncoprotéines et au détriment de celles impliquées dans la réplication virale.Dans la seconde partie de mes travaux, je me suis attachée à déterminer les effets du blocage de l’axe CXCL12/CXCR4 dans un modèle murin de néoplasie épithéliale induite par HPV16 (souris K14-HPV16). Le traitement de ces souris par l’AMD3100, un antagoniste sélectif de CXCR4, induit une tendance à la normalisation se manifestant par une diminution significative de l’hyperplasie induite par HPV16. Cet effet est associé à une réduction de l’hyperprolifération des kératinocytes et de l’infiltrat de cellules immunitaires dans le derme.En conclusion, ce travail de thèse identifie l’axe CXCL12/CXCR4 comme un facteur de l’hôte impliqué dans la carcinogenèse induite par les HPV, et révèle le bénéfice de stratégies thérapeutiques basées sur le blocage de cet axe. / Human papillomaviruses (HPVs), which encompass almost 300 different types identified so far, specifically infect epitheliums. Most of the time, HPVs are associated with asymptomatic infections suggesting an efficient control by the host immune system. However, when these infections persist, HPVs can cause cutaneous warts but also mucosal lesions that can progress to dysplasia and cancer (e.g. cervical cancers). The host factors involved in HPV persistence and derived-pathogenesis remain quite obscure. The first evidence for a role of the CXCL12/CXCR4 signaling axis in HPV pathogenesis came from observations made in the context of a rare immunodeficiency disorder, the WHIM syndrome. This syndrome is caused by dysfunctions of the axis formed by the chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 – caused by inherited heterozygous mutations in CXCR4 leading to a gain-of-function of the CXCL12/CXCR4 axis – and featured by a high susceptibility to severe, persistent and sometimes malignant HPV infections. In light of this susceptibility, the aim of my thesis was to characterise the molecular mechanisms involved and to find out whether it extend to a more general interplay between the CXCL12/CXCR4 axis and HPV biological cycle and pathogenesis.In the first part of my work, I investigated the consequences of CXCL12/CXCR4 dysfunctions – through the CXCR4 gain-of-function – on the HPV18 life cycle in three-dimensional organotypic epithelial cultures. We found that CXCR4 dysfunctions limited the viral replication at the benefit of cell transformation. The mechanisms included an increased in cell proliferation and a change in viral protein expression profile in favour of oncoproteins and at the expense of proteins involved in viral replication.In the second part of my work, I determined the impact of the CXCL12/CXCR4 blockade on a murin model of HPV16-induced neoplasia (K14-HPV16 mice). Treatment of these mice by AMD3100, a selective antagonist of CXCR4, results in a normalisation of HPV-induced lesions manifested by a significant decrease of skin hyperplasia. This effect is associated with a reduction in keratinocyte hyperproliferation and immune cell infiltration in dermis.To conclude, this thesis work identifies the CXCL12/CXCR4 axis as a new host factor involved in human papillomavirus-induced carcinogenesis, and reveals the benefit of therapeutic strategies based on the blockade of this axis.

Les papillomavirus humains (HPV) sont classés en 5 genres α, β, γ, µ et η. Leur génome comprend six gènes précoces dont deux oncogènes E6 et E7 et deux gènes tardifs codant les protéines de capside. Les β- et γ-HPV constituent une part importante du virome cutané. Généralement asymptomatiques ils peuvent se manifester par des papillomatoses et sont associés à certains cancers de la peau, en particulier chez l’immunodéprimé. Les α-HPV ont un tropisme muqueux ; les α-HPV à haut risque (HR) HPV16 et 18 sont impliqués dans 99% des cancers du col de l’utérus.La détection des α-HR-HPV dans les frottis cervico-utérins (FCU) lors d’atypie cellulaire de signification indéterminée (ASCUS) constitue une information décisive dans le dépistage du cancer du col de l’utérus, bien que les tests de génotypage ne ciblent que les types les plus fréquents. Le génotypage des β- et γ-HPV devient nécessaire pour l’étude du virome notamment dans des contextes de susceptibilité aux pathogénies HPV (syndrome WHIM : Warts, Hypogammaglobulimemia, Infections and Myelokathexis). Cet immunodéficit congénital rare causé par une mutation gain de fonction du récepteur CXCR4 se manifeste dans 70% des cas par des papillomatoses cutanées étendues et ano-génitales évoluant souvent en cancer. Des études du laboratoire ont identifié le rôle intrinsèque de l’axe CXCL12/CXCR4 dérégulé dans la pathogénie virale en démontrant notamment l’action bénéfique du blocage de cet axe par un antagoniste de CXCR4 (AMD3100) in vitro et in vivo sur l’oncogenèse due à HPV.Nos objectifs étaient : (i) d’identifier dans des FCU ASCUS, les HPV dont le génotype n’avait pu être déterminé (HPV-X) par un test classique (INNO-LiPA HPV Genotyping Extra II®), (ii) de caractériser le virome HPV d’un patient atteint de WHIM au cours d’un essai thérapeutique par AMD3100 administré à titre compassionnel pendant 7 mois avec pour objectif d’évaluer son impact sur les anomalies associées à HPV.Dans les deux cas, nous avons mis au point une méthode de génotypage par séquençage haut débit sur Illumina Miseq®. La distribution des génotypes et leur polymorphisme nucléotidique ont été étudiés par analyses comparatives et phylogénétiques. (i) Notre stratégie a permis d’identifier dans 54 ASCUS/HPV-X étudiés une majorité d'HPV bas risque réalisant dans 41% des cas une infection à multiples génotypes (2 à 7), et aussi l’existence de quasi-espèces (41% des FCU) comprenant jusqu’à 17 variants pour un même génotype. Ainsi, de probables compétitions ou défauts d’hybridation des variants minoritaires peuvent expliquer le manque de performance du test INNO-LiPA. (ii) Chez le patient WHIM, le séquençage a été complété par des qPCR spécifiques de types, permettant une étude qualitative et quantitative. L’AMD3100 n’a pas modifié qualitativement le virome HPV cutané composé de 16 types, principalement des β- et γ-HPV, déjà présents 3 ans auparavant dans des verrues cutanées analysées rétrospectivement. En revanche, l’analyse quantitative montre des modifications en proportion relative des génomes viraux suggérant un effet du traitement sur l‘expression de certains types pouvant être associés sélectivement à la papillomatose. A cet égard, un des HPV composant le virome cutané du patient qui se trouve être un des deux seuls types présents dans une biopsie profonde de verrue, étaye l’hypothèse d’une sélection dans le processus lésionnel. De plus, les protéines oncogènes E6 et E7 de ce virus présentent des mutations, en comparaison à la séquence du génome HPV de référence, qui pourraient favoriser le potentiel pathogène de ce varian; hypothèse en cours d’investigation.En conclusion, les techniques de séquençage haut débit que nous avons développées ont permis de mieux caractériser la composition du virome HPV démontrant à la fois sa complexité en génotypes viraux ou en dérivés de ceux-ci (concept de quasi-espèces) et sa dynamique d’évolution qui pourraient sous-tendre le potentiel pathogène de ce virome HPV. / Human papillomaviruses (HPV) are classified into 5 genera α, β, γ, μ and η. Their genome comprises six early genes including two oncogenes E6 and E7, and two late genes encoding the L1 and L2 capsid proteins. β- and γ-HPV constitute an important part of the cutaneous virome; usually asymptomatic, they can manifest as papillomatosis like warts and are associated with certain skin cancers, especially in immunocompromised patients. α-HPV has a mucosal tropism; high-risk (HR) α-HPV16 and 18 are involved in 99% of cervical cancers.Detection of α-HR-HPV in cervical samples guide the management of women whose Pap smear result shows atypical squamous cells of undetermined significance (ASCUS), although genotyping targets only the most common HPV types. Genotyping of β- and γ-HPV becomes necessary for the study of the virome especially in contexts of susceptibility to HPV pathogenesis (i.e. WHIM syndrome (for Warts, Hypogammaglobulimemia, Infections and Myelokathexis)). WHIM syndrome is a rare congenital immunodeficiency caused by a gain-of-function mutation of the CXCR4 receptor of the chemokine CXCL12 and manifests in 70% of cases by extensive cutaneous papillomatosis and ano-genital lesions that often evolve into cancer. Studies in our laboratory have identified the intrinsic role of the dysregulated CXCL12/CXCR4 axis in viral pathogenesis by demonstrating in particular the beneficial action of the blocking of this axis by an antagonist of CXCR4 (AMD3100) in vitro and in vivo on HPV-associated oncogenesis.Our objectives were: (i) to identify HPV whose genotype could not be determined (HPV-X) by a conventional test (INNO-LiPA HPV Genotyping Extra II®) in cervical samples with Pap smear report of ASCUS (ii) to characterize the HPV virome of a patient suffering from WHIM syndrom during a 7-month compassionate AMD3100 clinical trial to assess its impact on HPV-associated abnormalities.In both cases, we have developed a high-throughput sequencing genotyping method on Illumina Miseq®. The distribution of genotypes and their nucleotide polymorphism were studied by comparative and phylogenetic analyzes. (i) Our strategy identified in the 54 investigated ASCUS/HPV-X a majority of low-risk HPV, achieving a multiple infection (2 to 7 genotypes) in 41% of cases, and also the existence of quasi-species (41% of FCU) comprising up to 17 variants for the same genotype. Thus, probable competitions or hybridization defects of the minority variants may explain the lack of performance of the INNO-LiPA test. (ii) In the WHIM patient, sequencing was supplemented with type-specific qPCRs, allowing a qualitative and quantitative study. AMD3100 did not qualitatively modify the cutaneous HPV virome composed of 16 types, mainly β- and γ-HPV. In contrast, the quantitative analysis shows changes in the relative proportions of viral genomes suggesting a treatment effect on the expression of certain types that can be selectively associated with. papillomatosis. In this respect, one of the HPVs belonging to the cutaneous virome of the patient was found to be one of only two types present in a deep wart biopsy. This result supports the hypothesis of HPV selection in the lesion process. In addition, the oncogenic proteins E6 and E7 of this virus have mutations which could promote the pathogenic potential of this viral variant in comparison with the sequence of the reference HPV genome; a hypothesis that is under investigation.In conclusion, the high throughput sequencing techniques that we have developed have made it possible to better characterize the composition of the HPV virome demonstrating both its complexity in viral genotypes or in derivatives (i.e. quasi-species concept). The dynamics of which may underlie the pathogenic potential of this HPV virome.

Le couple CXCL12/CXCR4 joue un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs) et constitue un axe clé par lequel les niches et les CSPHs communiquent au sein de la moelle osseuse (MO). Des mutations hétérozygotes du gène CXCR4, qui tronquent le domaine C-terminal de la protéine et entraînent un défaut de désensibilisation homologue de CXCR4 et une hypersensibilité à CXCL12, ont été identifiées dans le Syndrome WHIM (SW), une immunodéficience rare caractérisée notamment par une lymphopénie. Les mécanismes sous-jacents de cette anomalie restaient inconnus. Grâce à un modèle murin porteur d’une mutation gain de fonction de Cxcr4 identifiée chez certains patients et phénocopiant la lymphopénie du SW, nous avons exploré la possibilité qu’un défaut de domiciliation, de différenciation ou d’expansion des CSPHs dans la MO soit à l’origine de la lymphopénie circulante. Nous avons mis en évidence que la désensibilisation de Cxcr4 régule la balance quiescence/cycle des CSHs à court terme ainsi que leur différenciation en progéniteurs multipotents et progéniteurs engagés vers le lignage lymphoïde. Nos travaux révèlent donc que la désensibilisation de Cxcr4 est requise à la différenciation lymphoïde des CSPHs et suggèrent que l’absence de ce processus soit à l’origine de la lymphopénie observée chez les souris mutantes et, par extrapolation, chez les patients. Ces altérations lymphoïdes impliquaient à la fois des défauts intrinsèques (CSPHs) et extrinsèques (stroma), ce qui nous a conduit à considérer l’impact de la mutation gain de fonction de Cxcr4 sur le stroma médullaire. Dans ce contexte, l’objectif principal de mon projet de thèse a consisté à investiguer à l’aide du modèle murin du SW le rôle de la désensibilisation de Cxcr4 dans le maintien des composantes mésenchymateuses au sein de la MO. Nos données ont permis de mettre en lumière que la désensibilisation de Cxcr4 est intrinsèquement requise à la régulation de l’équilibre quiescence/cycle des cellules souches mésenchymateuses (CSMs), ainsi qu’à la préservation de leur potentiel ostéogénique en contrôlant l'expression et la biodisponibilité de Cxcl12 de manière autocrine. Par conséquent, nos travaux suggèrent que les actions autocrines et paracrines de l’axe de signalisation Cxcl12/Cxcr4 au sein des CSMs régulent leur différenciation en ostéoblastes tout en contribuant au maintien des niches des CSPHs et au processus d’hématopoïèse. / The CXCL12/CXCR4 signaling axis plays an essential role in the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) homeostasis and constitutes a key pathway through which the niches and HSPCs communicate in the bone marrow (BM). Heterozygous gain-of-function mutations of CXCR4, which engender a truncated receptor and affect its homologous desensitization in response to CXCL12, have been reported in the WHIM Syndrome (WS); a rare immunodeficiency notably characterized by lymphopenia. The mechanisms underpinning this remain obscure. Using a mouse model harboring a naturally occurring WS-linked Cxcr4 gain-of-function mutation, we explored the possibility that the lymphopenia in WS arise from defects at the HSPC level in the BM. We showed that Cxcr4 desensitization is required for proper quiescence/cycling balance of short-term HSCs as well as their differentiation into multipotent progenitors and downstream lymphoid-biased progenitors. Thus, our results suggest that efficient Cxcr4 desensitization is critical for lymphoid differentiation of HSPCs, and its impairment is a key mechanism underpinning the lymphopenia observed in WS mice. The role of Cxcr4 desensitization in regulating such lympho-hematopoiesis process implicated both intrinsic and extrinsic properties, thus raising the question of the impact of a gain-of-Cxcr4-function mutation on BM stroma. Therefore, the main part of my PhD project was dedicated to evaluate using this relevant knock-in model the impact of Cxcr4 desensitization on maintenance of BM mesenchymal elements. We have found unexpectedly that such regulatory mechanism is intrinsically required for regulating quiescence/cycling balance of mesenchymal stem cells (MSCs) and preserving their osteogenic potential through the control of Cxcl12 expression and availability in an autocrine manner. Therefore, these findings support autocrine and paracrine actions of the Cxcl12/Cxcr4 signaling axis within MSCs to regulate osteoblast differentiation while contributing to HSPC niches and hematopoiesis.