Abstract Prolonged lymphopenia represents a major clinical problem after cytoreductive therapies such as chemotherapy and the conditioning required for hematopoietic stem cell transplant (HCT), contributing to the risk of infections and malignant relapse. Restoration of T-cell immunity depends on tissue regeneration in the thymus, the primary site of T-cell development, although the capacity of the thymus to repair itself diminishes over its lifespan. However, although boosting thymic function and T-cell reconstitution is of considerable clinical importance, there are currently no approved therapies for treating lymphopenia. Here we found that zinc (Zn) is critically important for both normal T-cell development and repair after acute damage. Accumulated Zn in thymocytes during development was released into the extracellular milieu after HCT conditioning, where it triggered regeneration by stimulating endothelial cell production of BMP4 via the cell surface receptor GPR39. Dietary supplementation of Zn was sufficient to promote thymic function in a mouse model of allogeneic HCT, including enhancing the number of recent thymic emigrants in circulation although direct targeting of GPR39 with a small molecule agonist enhanced thymic function without the need for prior Zn accumulation in thymocytes. Together, these findings not only define an important pathway underlying tissue regeneration but also offer an innovative preclinical approach to treat lymphopenia in HCT recipients.

ABSTRACT The molecular triggers of organotypic tissue repair are unknown. The thymus, which is the primary site of T cell development, is a model of tissue damage and regeneration as it is particularly sensitive to insult, but also has a remarkable capacity for repair. However, acute and profound damage, such as that caused by common cytoreductive therapies or age-related decline, lead to involution of the thymus and prolonged T cell deficiency, precipitating life-threatening infections and malignant relapse. Consequently, there is an unmet need to boost thymic function and enhance T cell immunity. Here, we demonstrate an innate trigger of the reparative response in the thymus, centered on the attenuation of signaling directly downstream of apoptotic cell detection as thymocytes are depleted after acute damage. We found that the intracellular pattern recognition receptor NOD2, via induction of microRNA-29c, suppressed the induction of the regenerative factors IL-23 and BMP4, from thymic dendritic cells (DCs) and endothelial cells (ECs), respectively. During steady-state, when a high proportion of thymocytes are undergoing apoptosis (as a consequence of selection events during T cell development), this suppressive pathway is constitutively activated by the detection of exposed phosphatidylserine on apoptotic thymocytes by cell surface TAM receptors on DCs and ECs, with subsequent downstream activation of the Rho GTPase Rac1. However, after damage, when profound cell depletion occurs across the thymus, the TAM-Rac1-NOD2-miR29c pathway is abrogated, therefore triggering the increase in IL-23 and BMP4 levels. Importantly, this pathway could be modulated pharmacologically by inhibiting Rac1 GTPase activation with the small molecule inhibitor EHT1864, leading to increased thymic function and T cell recovery after acute damage. In conclusion, our work not only represents a novel regenerative strategy for restoring immune competence in patients whose thymic function has been compromised due to cytoreductive conditioning, infection, or age; but also, identifies a mechanism by which tissue regenerative responses are triggered.

Endogenous thymic regeneration is a crucial process that allows for the renewal of immune competence following stress, infection or cytoreductive conditioning. Fully understanding the molecular mechanisms driving regeneration will uncover therapeutic targets to enhance regeneration. We previously demonstrated that high levels of homeostatic apoptosis suppress regeneration and that a reduction in the presence of damage-induced apoptotic thymocytes facilitates regeneration. Here we identified that cell-specific metabolic remodeling after ionizing radiation steers thymocytes towards mitochondrial-driven pyroptotic cell death. We further identified that a key damage-associated molecular pattern (DAMP), ATP, stimulates the cell surface purinergic receptor P2Y2 on cortical thymic epithelial cells (cTECs) acutely after damage, enhancing expression of Foxn1, the critical thymic transcription factor. Targeting the P2Y2 receptor with the agonist UTPγS promotes rapid regeneration of the thymus in vivo following acute damage. Together these data demonstrate that intrinsic metabolic regulation of pyruvate processing is a critical process driving thymus repair and identifies the P2Y2 receptor as a novel molecular therapeutic target to enhance thymus regeneration.

ABSTRACT Prolonged lymphopenia represents a major clinical problem after cytoreductive therapies such as chemotherapy and the conditioning required for hematopoietic stem cell transplant (HCT), contributing toward the risk of infections and malignant relapse. Restoration of T cell immunity is dependent on tissue regeneration in the thymus, the primary site of T cell development; although the capacity of the thymus to repair itself diminishes over lifespan. However, although boosting thymic function and T cell reconstitution is of considerable clinical importance, there are currently no approved therapies for treating lymphopenia. Here we found that Zinc (Zn), is critically important for both normal T cell development as well as repair after acute damage. Accumulated Zn in thymocytes during development was released into the extracellular milieu after HCT conditioning, where it triggered regeneration by stimulating endothelial cell-production of BMP4 via the cell surface receptor GPR39. Dietary supplementation of Zn was sufficient to promote thymic function in a mouse model of allogeneic HCT, including enhancing the number of recent thymic emigrants in circulation; although direct targeting of GPR39 with a small molecule agonist enhanced thymic function without the need for prior Zn accumulation in thymocytes. Together, these findings not only define an important pathway underlying tissue regeneration, but also offer an innovative preclinical approach to treat lymphopenia in HCT recipients. KEY POINTS Thymocytes release zinc after HCT conditioning is sensed by GPR39 and promotes epithelial repair Pharmacologic stimulation of GPR39 promotes T cell reconstitution after HCT