Der (Pro)Renin Rezeptor (PRR) ist ein hoch konservierter Transmembranrezeptor, der ursprünglich beschrieben wurde Renin und Prorenin zu binden. Durch Bindung an Renin und Prorenin beeinflusst der PRR das Renin-Angiotensin-Systems und induziert eine MAP-Kinase-Signaltransduktion. Teile des PRR sind assoziiert mit der vakuolären H+-ATPase (vATPase), welche wichtig für die Azidifizierung zellulärer Organellen ist. Kürzlich wurde eine neue Funktion des PRR für den WNT/β-catenin Signalweg beschrieben. Hier dient der PRR als Verbindungsglied zwischen den WNT Rezeptoren und der vATPase. Die Mechanismen der Funktionen des PRR sind noch nicht verstanden, aber es wird angenommen, dass der PRR in die Regulation verschiedenster zellulärer Mechanismen involviert ist. Es gibt bis jetzt keine biochemische und strukturelle Charakterisierung des PRR. In der vorliegenden Arbeit wurden strukturelle Studien mit verschiedenen Konstrukten des extrazellulären Teils des PRR durchgeführt. Alle PRR Konstrukte (hsPRR (170-303), hsPRR (101-257) und hsPRR (166-257)) zeigten eine alpha-helikale Faltung und konnten nicht an Renin oder Prorenin binden. Der hsPRR (101-257) liegt in einem Konzentrations- und pH-abhängigen Monomer-/Oligomerequilibrium vor, während der hsPRR (166-257) als Monomer/Dimerequilibrium vorkommt. Diese Daten bilden die Grundlage für weitere strukturelle und funktionelle Untersuchungen. Konditionelle KO Mäuse sind eine exzellente Methode, um die physiologische Rolle des PRR in vivo zu untersuchen. Eines der wichtigsten Proteine des Wnt/β-catenin Signaltransduktionsweges, β-catenin, ist fundamental für die T-Zell Entwicklung. Aus diesem Grund wurde untersucht, ob die Deletion des PRR in T-Zellen ebenfalls zu einem Verlust von T-Zellen und zu einer Entwicklungsstörung führt. Die Ergebnisse zeigen, dass der PRR wichtig für eine vollständige T-Zellentwicklung ist und unterstützen die Hypothese, dass der PRR eine Rolle für Wnt/β-catenin Singaltransduktion in T-Zellen spielt. / The (pro)renin receptor (PRR) is an evolutionary conserved transmembrane receptor that was first discovered to bind renin and prorenin. Upon binding, PRR was shown to influence the activity of the renin-angiotensin-system (RAS) and to induce MAP kinase signalling. It was previously shown that a truncated, transmembrane part of PRR was associated to vacuolar H+-ATPase (vATPase), a proton pump which is important for acidification. Recently, a new function of PRR in the WNT/β-catenin signalling pathway was described. Here, the PRR was shown to be an adaptor between WNT receptors and the vATPase. The precise mechanisms by which PRR functions, are still elucidative but the PRR is supposed to regulate various cellular processes. Currently, no biochemical characterization or structural analysis is available for PRR. In order to gain understanding of the function of the PRR, structural studies were performed with several truncated proteins of the extracellular part of the PRR. All PRR proteins (hsPRR170-303, hsPRR 101-257 or hsPRR 166-257) showed an overall alpha helical folding and did not bind renin or prorenin. The oligomeric assembly of the proteins was investigated. The hsPRR (101-257) was shown to be in a concentration and pH dependent monomer/oligomer equilibrium, whereas hsPRR (166-257) is only present in a monomer/dimer equililibrium. These data are the basics for further structural and functional studies. Additionally, conditional KO animals are an excellent tool to investigate the physiological role of the PRR in vivo. As the major mediator of the Wnt/β-catenin signaling pathway, β-catenin, is crucial for T cell maturation, a conditionel deletion of PRR in T cells was analyzed. PRR deletion resulted in a loss of mature T cells. Moreover, a defect in T cell maturation in the thymus was determined. Our data showed that PRR is critical for proper T cell development and support the hypothesis that PRR contributes to Wnt/β-catenin signaling in T cells.

Eph kinases are the largest family of cell surface receptor tyrosine kinases. The ligands of Ephs, ephrins (EFNs), are also cell surface molecules. Ephs interact with EFNs and the receptors and ligands transmit signals in both directions, i.e., from Ephs to EFNs and from EFNs to Ephs. Ephs and EFNs are widely involved in various developmental, physiological pathophysiological processes. Our group and others have reported the roles of Ephs/EFNs in the immune system. To further investigate the function of EphBs/EFNBs in T cell development and responses, we generated EFNB1, EFNB2, EphB4 conditional gene knockout (KO) mice and EFNB1/2 double KO mice. In the projects using EFNB1 and EFNB2 knockout mice, we specifically deleted EFNB1 or EFNB2 in T cells. The mice had normal size and cellularity of the thymus and spleen as well as normal T cell subpopulations in these organs. The bone marrow progenitors from KO mice and WT mice repopulated the host lymphoid organs to similar extents. The activation and proliferation of KO T cells was comparable to that of control mice. Naïve KO CD4 cells differentiated into Th1, Th2, Th17 and Treg cells similar to naïve control CD4 cells. In EFNB2 KO mice, we observed a significant relative increase of CD4CD8 double negative thymocytes in the thymus. Flowcytometry analysis revealed that there was a moderate increase in the DN3 subpopulation in the thymus. This suggests that EFNB2 is involved in thymocyte development. Our results indicate that the functions of EFNB1 and EFNB2 in the T cell compartment could be compensated by each other or by other members of the EFN family, and that such redundancy safeguards the pivotal roles of EFNB1 and EFNB2 in T cell development and function. In the project using EFNB1/B2 double knockout (dKO) model, we revealed a novel regulatory function of EFNb1 and EFNb2 in stabilizing IL-7Rα expression on the T cell surface. IL-7 plays important roles in thymocyte development, T cell homeostasis and survival. IL-7Rα undergoes internalization upon IL-7 binding. In the dKO mice, we observed reduced IL-7Rα expression in thymocytes and T cells. Moreover, the IL-7Rα internalization was accelerated in dKO CD4 cells upon IL-7 stimulation. In T cell lymphoma cell line, EL4, over-expression of either EFNB1 or EFNB2 retarded the internalization of IL-7Rα. We further demonstrated compromised IL-7 signaling and homeostatic proliferation of dKO T cells. Mechanism study using fluorescence resonance energy transfer and immunoprecipitation demonstrated that physical interaction of EFNB1 and EFNB2 with IL-7Rα was likely responsible for the retarded IL-7Rα internalization. In the last project, using medullary thymic epithelial cell (mTEC)-specific EphB4 knockout mice, we investigated T cell development and function after EphB4 deletion in mTEC. EphB4 KO mice demonstrated normal thymic weight and cellularity. T cell development and function were not influenced by the EphB4 deletion. Lastly, the KO mice developed normal delayed type hypersensitivity. Overall, our results suggest that comprehensive cross interaction between Eph and EFN family members could compensate function of a given deleted member in the T cell development, and only simultaneous deletion of multiple EFNBs will reveal their true function in the immune system. In fact, such redundancy signifies vital roles of Ephs and EFNs in the immune system. / Kinases Eph est la plus grande famille de tyrosines kinases récepteurs Éphrines (EFN) est un ligand de Ephs. Eph et EFN sont toutes les molécules de surface cellulaire. L’interaction entre Ephs et EFNs permet de transmettre des signaux dans les deux directions (c.-à-d. partir de Ephs à EFNs, et de EFNs à Ephs.) Eph et EFNs sont largement impliqués dans divers processus développementaux, physiologiques et physiopathologiques. Notre groupe et d'autres groupes ont rapporté les rôles de Ephs / EFNs dans le système immunitaire. Pour approfondir la fonction de EphBs / EFNBs dans le développement des lymphocytes T et des réponses immunitaires, nous avons généré des souris EFNB1, EFNB2, et EphB4 knock-out conditionnel (KO) et des souris EFNB1 / 2 doubles KO. Dans les projets qui utilisent EFNB1 et EFNB2 comme souris knock-out, nous avons spécifiquement supprimé EFNB1 ou EFNB2 dans les cellules T. Les souris présentaient une taille normale, la cellularité du thymus et de la rate, ainsi que des sous-populations de cellules T étaient normales dans ces organes. Les progéniteurs de la moelle osseuse de souris KO et les souris WT ont repeuplé les organes lymphoïdes de l’hôte à des degrés similaires. L'activation et la prolifération des cellules KO T étaient comparables à celles des souris témoins. Les cellules CD4 naïves KO différenciées en Th1, Th2, Th17 et Treg étaient similaires aux cellules CD4 naïves de souris contrôle. Chez les souris KO EFNB2, nous avons observé une augmentation relative importante des thymocytes CD4CD8 : les double négatifs dans le thymus. L'analyse par cytométrie en flux a révélé qu'il y avait une augmentation modérée de la sous-population DN3 dans le thymus. Les résultats suggèrent qu’EFNB2 est impliqué dans le développement des thymocytes. Nos résultats indiquent que les fonctions de EFNB1 et EFNB2 dans le compartiment des cellules T pourraient être compensées entre eux ou par d'autres EFNB. La redondance des fonctions suggèrent le contrôle critique d’EFNB1 et EFNB2 dans le développement des cellules T. Dans le projet, en utilisant EFNB1/B2 (modèle double KO) (dKO), nous avons observé une fonction de régulation de EFNB1 et EFNB2. dans la stabilisation de l’expression l'IL-7R α , à la surface des cellules T, IL-7 joue un rôle important dans le développement des thymocytes, l'homéostasie des lymphocytes T , et leur survie. IL-7R α subit une internalisation i contraignante de IL-7. Chez les souris DKO, nous avons observé une perte d’expression de l’ IL-7Rα dans les thymocytes et les cellules T. En outre, l’ internalisation IL-7Rα a été accélérée dans les cellules CD4 dKO, suite à la stimulation IL-7. Dans la lignée cellulaire de lymphome T, EL4, la surexpression de EFNB1 ou EFNB2 retarde l'internalisation de l'IL-7Rα. Nous avons aussi démontré les signalisations compromises de l’ IL-7 et de la prolifération homéostatique des cellules T dKO. Les études du méchanisme qui utilisent la fluorescence de transfert d'énergie par résonance et immunoprécipitation ont montré que l'interaction physique de EFNB1 et EFNB2 avec IL-7R était probablement responsable du retard de l’ internalisation IL-7Rα. Dans le dernier projet, nous avons étudié le développement des cellules T et la fonction des cellules épithéliales médullaires du thymus (mTEC), chez les souris knock-out EphB4. Les souris KO EphB4 ont démontré un poids et une cellularité qui sont normaux. La fonction et le développement de cellules T ne sont pas influencés par la suppression de l’ EphB4. Enfin, les souris KO ont développé une hypersensibilité de type retardée normale. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que l'interaction globale de croisement entre Eph et les membres de la famille EFN pourrir compenser la fonction d'un membre supprimé. Seule la suppression simultanée de plusieurs EFNBs va révéler leur vraie fonction dans le système immunitaire. En fait, une telle redondance montre les rôles vitaux d’Ephs et EFNS dans le système immunitaire.

Thesis summary The process of B cell lymphogenesis in swine remains uncertain. Some reports indicate that pigs belong to a group of animal that use ileal Peyers's patches (IPP) for the generation of B cells while others point to the possibility that the bone marrow is functional throughout life. The functional subpopulations of B cells in swine are also unknown. Together with other ruminants, and also birds, γδ T cells in swine may account for >70% of all T cells which is in apparent contrast with humans and mice. The purpose of this thesis was to address these discrepancies and unresolved issues. The results disprove the existing paradigm that the IPP is primary lymphoid tissue and that B cells develop in IPP in an antigen-independent manner. On the other hand, it shows that bone marrow is fully capable of B cell lymphogenesis and remains active at least for the same period of time as it had been speculated for the IPP. This thesis also identified functionally different subsets of porcine peripheral B cells, and shows that CD21 molecules can be expressed in differential forms. Finally, this thesis identifies two lineages of γδ T cells that differ in many functional and phenotype features. This finding may explain why γδ T cells constitute of minority of lymphocytes in circulation of humans and mice.

L’allogreffe des cellules souches hématopoïétiques (CSH) dans les situations d’incompatibilité HLA partielle représente une option thérapeutique irremplaçable pour des patients nécessitant une greffe de cellules souches hématopoïétiques, en absence d’un donneur HLA-identique. Toutefois, le retard de la restauration du système immunitaire en particulier dans du compartiment lymphocytaire après greffe est l'une des complications majeures. Une nouvelle stratégie pour promouvoir la reprise de la thymopoïèse à partir des CSH provenant du donneur et d'accélérer la reconstitution cellulaire T chez des patients après greffe de CSH consiste en le transfert adoptif des progéniteurs T générés in vitro. L’identification de Notch1 comme le régulateur-clé du développement lymphocytaire T a permis l’établissement de systèmes de culture à base de ligands de Notch, qui permettent la génération efficace de progéniteurs lymphoïdes T in vitro. L'efficacité des progeniteurs T-lymphoïdes murins pour promouvoir la reconstitution des lymphocytes T a été bien démontrée dans des modèles de greffe chez la souris. De même, des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains générés in vitro et greffés aux souris humanisées favorisent la reprise de la thymopoïèse. Pourtant, aucune donnée n’a encore démontré leur capacité à donner naissance à un compartiment lymphocytaire T périphérique. De plus, les systèmes de co-culture à base de ligand de Notch actuellement utilisés consistent en des lignées stromales murines génétiquement modifiées. Afin d'établir un système cliniquement applicable, il est donc indispensable d’établir des systèmes de culture qui soutiennent la génération de progéniteurs T en absence d’un support des cellules nourricières. Au cours de mon projet de thèse, j'ai développé un nouveau système de culture pour la génération des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains T basé sur l’immobilisation du ligand de Notch Delta-like-4 (DL-4) sous sa forme protéique. La culture des progéniteurs hématopoïétiques CD34+ issue de sang en présence de DL-4 immobilisé permet la génération d’un grand nombre de cellules ayant un phénotype de progéniteurs thymiques précoces (early thymic progenitor: ETP) et de prothymocytes (proT). Les cellules ETP et ProT ainsi générées expriment à des niveaux élevés des gènes impliqués dans le développement lymphocytaire précoce (i.e. pTa, Rag1, IL7Ra et BCL11b). Elles montrent des signes de réarrangement du récepteur des cellules T (TCR) similaires à leurs homologues thymiques. Par des expériences de dilution limite sur une co-culture OP9/DL-1 secondaire, j’ai pu montrer que les progéniteurs générés sur DL-4 possédaient un potentiel lymphoïde T très augmenté, qui pourrait être entièrement attribué aux sous populations ETP et ProT. Suite à leur transfert dans des souris NOD/SCID/γc-/-, les progéniteurs lymphoïde T générés par exposition a DL-4 sont capable de migrer dans le thymus, d’y poursuivre des étapes ultérieures de leur développement et d’accélérer la différentiation T intra thymique ainsi que l’émergence des lymphocytes T mature, polyclonaux et fonctionnels en périphérie. Dans une approche de co-transplantation, qui se rapproche des conditions cliniques envisagées, j’ai simultanément injecté dans le même récipient des progéniteurs générées sur DL-4 et des cellules CD34+ non traitées (d’un 2èm donneur HLA-incompatible). Cette procédure a permis une reconstitution des lymphocytes T encore plus rapide et plus. Etant donné que les progéniteurs T générées sur DL-4 et les cellules CD34+ non-traitées étaient issue de deux donneurs avec un HLA différent, cette expérience a permis de montrer que les progéniteurs préalablement exposés à DL-4 reconstituaient spécifiquement les compartiments lymphoïdes T alors que les autres lignées hématopoïétiques provenaient des progéniteurs CD34+ non-traités... / Human leukocyte antigen (HLA)-mismatched haematopoietic stem cell transplantation (HSCT) represents an important therapeutic option for patients lacking suitable donors. Delayed posttransplant immune recovery constitutes one of its major complications and is most pronounced in the T cellular compartment. A novel strategy to promote de novo thymopoiesis from donor derived HSCs and to accelerate T cellular reconstitution in patients after HSCT consists in the adoptive transfer of in vitro generated T cell progenitor cells. Identification of Notch1 as the key regulator of early T-lineage development has allowed the generation of Notch ligand-based culture systems, which provide a powerful tool to generate T-lymphoid progenitors in vitro. The efficacy of murine T-lymphoid progenitors to promote T cell reconstitution has been well demonstrated in conventional mouse models. In consistency, in vitro-generated human T cell progenitors were demonstrated to promote thymic recovery in humanized mice. Yet, positive effects of in vitro generated human T cell precursors on peripheral T cell reconstitution have not been demonstrated. Moreover currently used Notch-based co-culture systems consist of genetically modified murine cell lines. With view to establishing a clinically applicable system, feeder-cell-free Notch-ligand culture systems for the generation of T-lymphopoietic progenitors are warranted. During my PhD project I developed a new culture system based on the immobilized Notch ligand Delta-like-4 (DL-4). Exposure of human CD34+ cord blood cells to immobilized DL-4 enabled the in vitro generation of high number of T cell progenitors, which harboured the phenotype of immature early thymic progenitor cells (ETP) and prothymocytes (proT). ETP and proT cell generated during DL-4 culture upregulated essential genes involved in early T-lymphoid development (i.e. IL7Rα, PTα, RAG1 and BCL11b) and had undergone stage-specific recombination of the T cell receptor (TCR) locus in a similar way as in native human thymopoiesis. In limiting dilution analysis after secondary OP9/DL-1 co-culture, DL-4 progenitors displayed a highly increased T-lymphoid potential, which could be entirely attributed to the ETP and proT subset. When transferred into NOD/SCID/γc-/- mice, DL-4 primed T cell progenitors migrated to the thymus and accelerated intrathymic T cell differentiation and emergence of functional, mature and polyclonal αβ T cells in the periphery. In a co-transplantation approach, which more closely mimics a clinical setting, DL-4 progenitors and untreated CD34+ cells from HLA-disparate donors were simultaneously injected in the same recipient. This procedure allowed even more rapid and more robust T cell reconstitution. HLA-tracking of the distinct graft sources further showed, that DL-4 progenitors specifically reconstituted the T-lymphoid compartments. This work provides further evidence for the ability of in vitro-generated human T cell progenitors to promote de novo thymopoiesis and shows for the first time, that these cells accelerate peripheral T cell reconstitution in humanized mice. The availability of the efficient feeder-cell-free DL-4 culture technique represents an important step towards the future clinical exploitation translation of in vitro generated T-lymphoid progenitor cells to improve posttransplant immune reconstitution / Die Wiederherstellung der T-lymphozytären Immunität nach T-Zell depletierter hämatopoetischer Stammzelltransplantation (HSZT) ist ein langwieriger Prozess. Eine potentielle Strategie zur Beschleunigung der Neubildung von T-Zellen aus den transplantierten Stammzellen besteht in der Gabe von T-lymphozytären Vorläuferzellen. Die Entdeckung von Notch1 als wichtigster Regulator der frühen T-Zell-Entwicklung hat zur Etablierung Notchligand-basierter Zellkulturen geführt, mit deren Hilfe T-lymphoide Vorläuferzellen aus hämatopoetischen Stammzellen in vitro gebildet werden können. Das therapeutische Potential dieses Zelltyps wurde eindrucksvoll in konventionellen, syngenen und allogenen Maustransplantationsmodellen belegt, in denen nach Injektion in vitro generierter, muriner T-Vorläuferzellen eine Verbesserung der Neubesiedlung des Thymus sowie eine beschleunigte Wiederherstellung der T-zellulären Immunität erreicht werden konnte. Notchbasierte Co-Kultursysteme wurden ebenfalls für die invitro Herstellung humaner T-lymphoider Vorläuferzellen verwendet. Das in-vivo Potential humaner T Vorläuferzellen ist bislang jedoch nur lückenhaft charakterisiert: Zwar konnte gezeigt werden, dass humane T-Vorläuferzellen den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln können. Ihre Wirksamkeit, die Wiederherstellung eines funktionellen, peripheren T-Zellkompartiments zu beschleunigen, gelang bislang jedoch nicht. Darüber hinaus werden Notchliganden in derzeit verwendeten Kultursystemen von genetisch modifizierten, murinen Stromazellen präsentiert. Die Entwicklung stromazellfreier, proteinbasierter Notchligand-Kultursysteme ist daher von grosser Bedeutung für eine mögliche therapeutische Nutzung in vitro generierter T-Vorläuferzellen. Durch Immobilisierung von Notchligand Delta-like 4 (DL-4) habe ich im Rahmen meines PhD Projekts ein stromazellfreies Kultursystem zur Züchtung T-zellulärer Vorläuferzellen aus humanen CD34+ Nabelschnurblutzellen etabliert. In DL-4 Kultur generierte Zellen besitzen phänotypische und molekulare Eigenschaften von frühen thymischen Vorläuferzellen (ETP) und Prothymocyten (proT). ETP und proT Zellen aus DL-4 Kulturen exprimieren wesentliche Geneder frühen T-Zellentstehung (z.B. IL7Ra, PTa, RAG1 und BCL11b). Die entwicklungsstadiumspezifischen TCR-Rekombinationsprozesse in DL-4 Zellen erfolgen nach dem gleichen Muster wie in der nativen Thymusentstehung. Die in DL4 Kultur generierten T-Vorläuferzellen können sich in reife T-Zellen weiterentwickeln und durchlaufen die weitere T-Zelldifferenzierung innerhalb kürzerer Zeit als native CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen. 13 Darüber hinaus können DL-4 generierte T-Vorläuferzellen nach Xenotransplantation den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln, intrathymische T-Zellentwicklung begünstigen und die Neubildung reifer und funktionaler TZellen in der Peripherie beschleunigen. Zur Simulation einer klinischen Anwendung führte ich weiterhin Co-Transplantationen mit DL-4 Vorläuferzellen und unbehandelten CD34+ Zellen in gleiche Empfänger durch und konnte hiermit eine weitere Verbesserung der Immunrekonstitution erzielen. Durch Verwendung HLA-divergenter Spender in diesen Versuchen konnte ich zeigen, dass DL-4 Zellen sich vornehmlich in T-Zellen weiterentwickelten, während die restlichen Blutzellreihen von unbehandelten CD34-poitiven Zellen gebildet wurden. Im Rahmen dieses Projekts konnte ich mit einem für die klinische Anwendung geeigneten Kulturmodell wichtige präklinische Belege für das therapeutische Potential in vitro generierter TVorläuferzellen erbringen. Diese Arbeit bildet somit eine wichtige Grundlage für eine zukünftige klinische Anwendung von T-Vorläuferzellen zur Verbesserung der T-Zell-Immunität nach HSZT