Population and single-cell genomics reveal the Aire dependency, relief from Polycomb silencing, and distribution of self-antigen expression in thymic epithelia

Abstract

Promiscuous gene expression (PGE) by thymic epithelial cells (TEC) is essential for generating a diverse T cell antigen receptor repertoire tolerant to self-antigens, and thus for avoiding autoimmunity. Nevertheless, the extent and nature of this unusual expression program within TEC populations and single cells are unknown. Using deep transcriptome sequencing of carefully identified mouse TEC subpopulations, we discovered a program of PGE that is common between medullary (m) and cortical TEC, further elaborated in mTEC, and completed in mature mTEC expressing the autoimmune regulator gene (Aire). TEC populations are capable of expressing up to 19,293 protein-coding genes, the highest number of genes known to be expressed in any cell type. Remarkably, in mouse mTEC, Aire expression alone positively regulates 3980 tissue-restricted genes. Notably, the tissue specificities of these genes include known targets of autoimmunity in human AIRE deficiency. Led by the observation that genes induced by Aire expression are generally characterized by a repressive chromatin state in somatic tissues, we found these genes to be strongly associated with H3K27me3 marks in mTEC. Our findings are consistent with AIRE targeting and inducing the promiscuous expression of genes previously epigenetically silenced by Polycomb group proteins. Comparison of the transcriptomes of 174 single mTEC indicates that genes induced by Aire expression are transcribed stochastically at low cell frequency. Furthermore, when present, Aire expression-dependent transcript levels were 16-fold higher, on average, in individual TEC than in the mTEC population.

Brd4 bridges the transcriptional regulators, Aire and P-TEFb, to promote elongation of peripheral-tissue antigen transcripts in thymic stromal cells

“…This intriguing protein is expressed primarily in medullary epithelial cells (MECs) of the thymus, where it controls the expression of a battery of genes, the products of which are typically associated with fully differentiated parenchymal cells residing in the periphery, so-called peripheraltissue antigens (PTAs) (3). Aire-dependent PTA transcripts number in the thousands, including representatives from a score of organs (4,5). These transcripts are translated into proteins, and derivative peptides are presented by major histocompatibility complex (MHC) molecules displayed on the MEC surface.…”

Induction de la tolérance centrale dans le thymus par le facteur de transcription Aire

“…Nous avons montré que leur différenciation et leur homéostasie sont contrôlées par des interactions spécifiques de l'antigène avec les thymocytes CD4 + dans le thymus postnatal [9][10][11]. Les mTEC matures expriment une grande diversité de TRA, ne prolifèrent pas et ont une durée de vie courte [7,12]. Cette sous-population cellulaire était considérée jusqu'à présent comme correspondant au stade final de maturation des mTEC.…”

“…Chez l'embryon, de récents travaux ont établi que les mTEC Aire + dérivent de cellules progénitrices qui expriment fortement les protéines des jonctions serrées, claudines 3 et 4, ainsi que le marqueur de cellules souches embryonnaires SSEA-1 (stage-specific embryonic antigen 1) (Figure 1) [4,5]. Chez l'adulte, ces progéniteurs persistent mais perdent progressivement cette SYNTHÈSE REVUES expriment 85 % du génome murin soit 19 293 gènes [12]. À l'heure actuelle, un seul facteur de transcription a été identifié pour réguler l'expression d'un grand nombre de TRA.…”

“…Les souris défi-cientes pour le gène Aire présentent des signes cliniques proches de ceux observés chez l'homme atteint de APECED [3]. Récemment, il a été montré que Aire est capable de réguler à lui seul l'expression de 3 980 gènes [12]. Pendant de nombreuses années, plusieurs groupes de recherche ont essayé de comprendre comment un seul facteur de transcription parvient à contrôler l'expression d'autant de gènes.…”

“…Dans les mTEC matures, Aire reconnaît, par l'intermédiaire de son domaine PHD1, l'histone hypométhylée H3K4 (H3K4me0) dans les régions promotrices des TRA [26,27] (Figure 2C). Une étude in vivo a récemment montré que le site d'initiation de la transcription des gènes codant pour les TRA régulés par Aire est aussi enrichi d'une marque répressive de la transcription : la triméthylation de l'histone H3K27 (H3K27me3) [12]. Ces données suggèrent que cette marque épigénétique pourrait être également associée au recrutement de Aire au niveau des promoteurs de ses gènes cibles.…”