Genetic control of susceptibility to Zika virus in the mouse using strains of the Collaborative Cross

Genetic control oContrôle génétique de la sensibilité au virus Zika chez la souris à l'aide de lignées du Collaborative Cross

• Auteur / Autrice : Caroline Manet
• Direction : Xavier Montagutelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Génétique de la souris (2017-....) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Dillmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Montagutelli, Christine Dillmann, Sabine Riffault, Klaus Schughart, Aurore Vidy, Nolwenn Jouvenet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sabine Riffault, Klaus Schughart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris

Analyse

Tests

Virus -- Reproduction (biologie)

Lutte contre

Recherche

Virus Zika

Épidémiologie génétique

Mots clés libres

Virus Zika

Souris

Sensibilité aux maladies infectieuses

Génétique des caractères complexes

Collaborative Cross

Immunité innée

Zika virus

Mouse

Susceptibility to infectious diseases

Genetics of complex traits

Collaborative Cross

Innate immunity

Résumé

Zika est un Flavivirus émergent transmis à l’Homme par piqûre de moustique. Il a récemment été à l’origine d’épidémies d’envergure mondiale et représente une menace pour la santé publique. L’infection Zika est souvent asymptomatique ou engendre un syndrome grippal bénin. Cependant, des complications sévères ont été associées au virus Zika, telles qu’un syndrome de Guillain-Barré ou des encéphalites chez l’adulte, ainsi que des malformations congénitales comme la microcéphalie. De nombreux facteurs sont susceptibles d’influencer la sensibilité d’un individu au virus Zika, y compris les variants génétiques de l’hôte.Nous avons étudié le rôle des facteurs génétiques de l’hôte dans sa sensibilité à l’infection par le virus Zika. Pour cela, nous avons utilisé des lignées de souris du Collaborative Cross (CC), une population génétique de référence caractérisée par une diversité génétique aussi vaste que celle des populations humaines.Nous avons d’abord montré que le fond génétique de souris déficientes pour le gène du récepteur à l’interféron de type I (Ifnar1) joue un rôle drastique dans leur sensibilité au virus Zika. La diversité génétique des souris CC, préalablement traitées par un anticorps bloquant le récepteur IFNAR, s’exprime par des phénotypes allant d’une résistance complète jusqu’à des formes sévères de la maladie. L’influence des facteurs génétiques de l’hôte s’exerce sur de nombreux paramètres tels que la virémie, la charge virale et les lésions pathologiques dans le cerveau, et enfin le taux de réplication dans les cellules infectées. Les différences de sensibilité entre lignées CC s’avèrent corrélées entre les Flavivirus Zika, Dengue et West-Nile. Nos analyses génétiques ont montré que de multiples gènes à effets faibles sous-tendent ces variations phénotypiques, reflétant la complexité de la sensibilité au virus Zika dans les populations humaines, et permettent d’exclure un rôle majeur du facteur de résistance Oas1b.Nous avons ensuite cherché des gènes agissant comme modificateurs de la sensibilité chez des souris déficientes pour le gène Ifnar1 dans un croisement F2 entre des souris C57BL/6J et 129S2/SvPas portant la mutation. L’analyse génétique a permis l’identification de deux QTLs (Quantitative Trait Locus), l’un contrôlant le pic de virémie et l’autre la survie. Une étude bio-informatique nous a permis d’identifier quelques gènes candidats.Nous avons également étudié comment les facteurs génétiques de l’hôte impactent la réplication virale dans des fibroblastes embryonnaires murins (MEFs) dérivés d’une série de lignées de souris présentant des phénotypes contrastés en réponse à l’infection Zika. Nous avons identifié une augmentation de la réplication virale tardive dans les MEFs de la lignée CC071, résultant d’un retard à l’activation de la réponse interféron (IFN). Des analyses génétique et transcriptomique ont exclus des déficiences causées par des gènes uniques et ont favorisé l’hypothèse d’une combinatoire de gènes exerçant des effets faibles dans la voie d’induction de la réponse IFN.Pour finir, nous avons caractérisé la réponse IFN induite par le virus Zika dans des neurones primaires murins. Cette étude a montré que la capacité des neurones primaires à limiter la réplication virale est moindre que celle des MEFs en raison d’un retard à l’induction de la réponse IFN. Enfin, les facteurs génétiques de l’hôte exercent un rôle critique dans ce contexte puisque les neurones primaires de CC071 présentent un phénotype extrême par comparaison avec des lignées plus résistantes.Notre travail a mis en évidence le rôle des facteurs génétiques de l’hôte dans la pathogénie de l’infection Zika et illustre le potentiel des souris CC dans des études génétiques aussi bien qu’en tant que nouveaux modèles d’infection. Une analyse poussée des lignées aux phénotypes extrêmes permettra d’élucider les mécanismes génétiques de la sensibilité au virus Zika et améliorera notre compréhension de la maladie chez l’Homme.

Zika virus (ZIKV) is a mosquito-transmitted flavivirus responsible for worldwide epidemics and constitutes a major public health threat. The majority of ZIKV infections in humans are either asymptomatic or result in a mild febrile illness. However, some patients develop a more severe, sometimes life-threatening, form of the disease. Recent evidence showed that ZIKV infection can trigger Guillain-Barré syndrome and encephalitis in adults, as well as congenital malformations such as microcephaly. The severity of ZIKV disease in humans depends on many factors, likely including host genetic determinants.We investigated how genome-wide variants could impact the susceptibility to ZIKV infection in mice. To this end, we used mouse strains of the Collaborative Cross (CC), a new genetic reference population encompassing a genetic diversity as broad as that of human populations.First, we described that the susceptibility of Ifnar1 (receptor to type I interferon) knockout mice is largely influenced by their genetic background. We then showed that the genetic diversity of CC mice, which IFNAR was blocked by anti-IFNAR antibody, expressed phenotypes ranging from complete resistance to severe symptoms and death with large variations in the peak and rate of decrease of plasma viral load, in brain viral load, in brain histopathology and in viral replication rate in infected cells. Differences of susceptibility between CC strains were correlated between Zika, Dengue and West Nile viruses. We identified highly susceptible and resistant CC strains as new models to investigate the mechanisms of human ZIKV disease and other flavivirus infections. Genetic analyses revealed that phenotypic variations were driven by multiple genes with small effects, reflecting the complexity of ZIKV disease susceptibility in human population. Notably, our results also ruled out a role of the Oas1b gene in the susceptibility to ZIKV.In a second part, we searched for genes which modify the susceptibility of Ifnar1 knockout mice in an F2 cross between C57BL/6J and 129S2/SvPas mice harboring the mutation. Genetic analysis revealed two Quantitative Trait Locus (QTL) controlling either the peak viremia or the mouse survival. Although these QTLs critical intervals contained hundreds of genes, data mining led us to identify a few candidate causal genes.Then, we investigated how host genetic factors influence viral replication in infected cells using Mouse Embryonic Fibroblasts (MEFs) derived from a series of CC strains with contrasted phenotypes observed in response to ZIKV infection in vivo. MEFs from CC071 strain displayed unique features of increased viral replication rate in late infection. Using transcriptomic analysis, we demonstrated that the phenotype of CC071 infected MEFs resulted from a delayed induction of the type I interferon (IFN) response. Genetic analyses ruled out single gene deficiencies but rather suggested combined effects of multiple factors in the type I IFN induction signaling pathway.Finally, we characterized the ZIKV-induced type I IFN response in MEFs and primary neurons derived from C57BL/6J mouse strain. Primary neurons were less capable than MEFs to control the viral replication due to a delayed IFN response. We later showed that host genetic factors also play a critical role in this context as ZIKV-infected CC071 primary neurons displayed an extreme phenotype compared to neurons from strains that are more resistant.Altogether, our work has unraveled the role of host genes in the pathogeny of ZIKV infection and illustrates the potential of CC mouse strains for genetic studies and as new models of infectious diseases. Extensive analysis of CC strains with extreme phenotypes help us elucidate how genetic variants affect susceptibility as well as immune responses to flaviviral infection and will provide deeper understanding of the pathophysiology of human ZIKV disease.