Abstract Thymic epithelial cells (TECs) are a critical functional component of the thymus’s ability to generate T cells for the adaptive immune system in vertebrates. However, no in vitro system for studying TEC function exists. Overexpression of the transcription factor FOXN1 initiates reprogramming of fibroblasts into TEC-like cells (iTECs) that support T cell differentiation in culture or after transplant. In this study, we characterized iTEC reprogramming at the cellular and molecular level to determine how reprogramming proceeds and identify mechanisms that can be targeted for improving this process. These data show that iTEC reprogramming consists of discrete gene expression changes that differ in early and late reprogramming, and that iTECs upregulate markers of both cortical and medullary TEC (cTEC and mTEC) lineages, although mTEC differentiation is blocked at a progenitor stage. We demonstrate that promoting proliferation enhances iTEC generation, and that Notch inhibition allows induction of mTEC differentiation. Finally, we show that a major difference between iTEC and fetal TEC is the expression of MHCII. This study supports future efforts to improve iTEC reprogramming for both research and translational uses.

Abstract The thymus is a primary lymphoid organ generating self-restricted and self-tolerant naïve T-cells. Early in life the thymus starts to involute, resulting in decreased naïve T-cell output which may be more self-reactive, leading to an increased prevalence of autoimmunity. A decrease in the transcription factor FOXN1 is an early event in thymic involution. Using the Foxn1 lacz model, we studied how premature thymic involution affects the thymic microenvironment, thymocytes, and peripheral T cell immunity. We found that early thymic involution led to aged-like thymic epithelial cells that resulted in aged-like thymocyte phenotypes, with a significant decrease in CD4+ single-positive T-cells. We also observed severe lymphopenia in Foxn1 lacz mice caused by the premature decrease in T-cell production, resulting in a peripheral T-cell phenotype similar to de novo aged peripheral T-cells. Moreover, following T cell receptor stimulation, Foxn1 lacz peripheral T cells had reduced IL-2 secretion and strong initial IFN-g responses, resembling aged wild-type peripheral T-cell responses. Lastly, influenza response in Foxn1 lacz had a reduction in some aspects of T cell responses to influenza infection, similar to thymectomized mice. Our study shows an independent and direct impact of premature thymic involution on both thymopoiesis and peripheral immune niches likely contributing to immunosenescence and inflammaging as observed in the elderly population.