Anticorps neutralisants à large spectre contre le VIH : mise au point de stratégies d'isolement et application à deux neutraliseurs d'élite

Broadly neutralizing antibodies against HIV : design of isolation strategies and application to two elite neutralizers

• Auteur / Autrice : Romy Rouzeau
• Direction : Pascal Poignard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Virologie microbiologie immunologie
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Winfried Weissenhorn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Poignard, Bernard Verrier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martine Braibant, Quentin Sattentau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coévolution

Lymphocytes B

Glycoprotéines

Anticorps neutralisants

Mots clés libres

Anticorps Neutralisants à Large Spectre

Vih

Vaccin

Glycoprotéines d'enveloppe

Lymphocytes B

Co évolution

Broadly Neutralizing Antibodies

Hiv

Vaccine

Enveloppe glycoprotein

B lymphocytes

Co-Evolution

Résumé

Une fraction des individus infectés par le VIH-1 développe des anticorps neutralisants à large spectre (AcNLS), dirigés contre la glycoprotéine d’enveloppe (Env) et capables de bloquer l’infection des cellules cibles malgré la grande diversité génétique du virus. Un vaccin qui induirait une telle réponse Ac pourrait probablement protéger contre l’infection par le VIH. Notre équipe étudie les mécanismes de développement des réponses AcNLS, notamment dans une large cohorte africaine de primo infection. Les objectifs de ma thèse ont été i) d’isoler et caractériser les AcNLS du donneur PC02, le 4e meilleur neutraliseur de la cohorte et ii) de compléter l’ontogénie des lignées d’AcNLS de PC94, 2e meilleur neutraliseur. Nos travaux ont d’abord visé à cartographier l’épitope de Env majoritairement ciblé par les AcNLS du sérum de PC02, afin d’utiliser cette information pour la réalisation d’un tri différentiel des lymphocytes B du donneur et l’isolement d’AcNLS. Malgré l’emploi de différentes méthodes, un épitope des AcNLS de PC02 n’a pu être identifié, suggérant l’existence d’une diversité d’AcN chez ce donneur ou de spécificités AcN nouvelles. Ces résultats nous ont amenés au remaniement des stratégies d’isolement d’AcNLS utilisées habituellement dans le laboratoire. Les nouvelles stratégies de tri, basées sur une sélection par de multiples Env trimériques recombinantes, couplée à de l’activation cellulaire B et à un criblage fonctionnel ont été appliquées à PC94. Pour ce donneur, des travaux du laboratoire avaient auparavant permis l’isolement et la caractérisation de deux lignées d’AcNL ciblant la région riche en mannose à la base de la boucle V3 de Env. Ces Ac ne récapitulant pas l’extraordinaire capacité de neutralisation du sérum de PC94, l’hypothèse a été faite que d’autres Ac des mêmes lignées, ou de lignées différentes, potentiellement dirigées contre d’autres épitopes de Env, devaient expliquer la neutralisation à large spectre. De nouveaux tris de cellules B mémoire spécifiques ont été effectués, basés sur la stratégie nouvellement établie. Ces tris ont permis l’isolement de cellules B porteuses d’Ac à potentiel de neutralisation LS. Cinquante-et-une paires de chaines lourdes et légères ont été sélectionnées pour être clonées. Trente-six Ac ont été produits et testés pour leur capacité à neutraliser. Treize Ac ont montré une activité neutralisante avec une largeur de spectre notable. Dix Ac appartenaient à l’une des deux familles d’Ac identifiées antérieurement, présentant parfois des spectres légèrement plus larges. Un Ac appartenait à l’autre famille, en moins neutralisant. Enfin, 2 AcN isolés étaient de familles nouvelles. Les spectres de ces 2 AcNs, dont les épitopes restent à déterminer, semblent se compléter, avec l’un plutôt actif contre les virus de clade B et l’autre contre ceux de clade C. En conclusion, les nouvelles stratégies de tri mises en place ont été efficaces à isoler des AcN chez PC94, de lignées déjà identifiées et également de deux nouvelles lignées. Leurs relations de coopération et dynamique d’apparition restent à mieux caractériser. Toutefois, le spectre de neutralisation du sérum de PC94 n’est toujours pas entièrement expliqué par les AC isolés. Ceci pourrait s’expliquer par la rareté des cellules B correspondant aux AcNLS ou l’utilisation pour le tri d’appâts dont la conformation serait trop éloignée des Env virales natives. Par ailleurs des cellules B d’intérêt pourraient avoir été sélectionnées mais les AcNLS correspondant non isolés du au rendement imparfait des étapes d’activation, d’amplification génique, de clonage ou de production qui ont suivi. Nos résultats illustrent la difficulté à expliquer pour certains patients la neutralisation à large spectre de leur sérum, malgré les avancées techniques d’isolement des AcNLS. Ils montrent aussi comment l’évolution de plusieurs lignées d’AcN pourrait potentiellement expliquer le spectre d’activité du sérum d’un neutraliseur d’élite.

A notable fraction of HIV-1-infected individuals develop Broadly Neutralizing Antibodies (BNAbs), directed against the envelope glycoprotein (Env) able to prevent the infection of the target cells despite the tremendous viral genetic diversity. A vaccine that would elicit such Ab response could probably protect against the HIV infection. Our team focuses on the mechanisms of development of the BNAbs responses, notably in a large african longitudinal cohort of primary infection. The objectives of my PhD have been i) isolate and characterize the BNAbs of donor PC02, 4th best neutralizer of the cohort and ii) complete the ontogeny of PC94, 2nd best neutralizer. Our work firstly aimed to map the epitope on Env mainly targeted by the BNAbs of PC02 serum, in order to use this information for a differential sorting of corresponding B lymphocytes and isolation of BNAbs. Despite multiple mapping strategies, the preferential epitope of PC02 BNAbs could not be identified, suggesting a diversity of NAbs responsible for the neutralization activity of this donor or the presence of new specificity(ies). Those results led us to reshuffle the cell sorting strategies usually employed for BNAbs isolation in the laboratory. These new sorting strategies, based on the selection of the Abs able to bind multiple recombinant trimeric Env coupled to B cell activation and functional screening were then applied to donor PC94. About this donor, the work of a former PhD student of the laboratory had enabled the isolation and characterization of two BNAbs lineages, both directed against the HM Patch at the base of the Env V3 loop (unpublished). As those Ab did not recapitulate the extraordinary neutralizing activity of the donor serum, it was hypothesized that other Ab, from the same or different lineages, potentially targeting other Env epitopes, might explain the broad neutralization. New specific B lymphocytes sorts were performed, from PBMC samples harvested at different time post-infection, based on the newly designed strategy. Those sorts resulted in the isolation of B lymphocytes bearing Ab with high potential of broad neutralization. Fifty-one pairs of heavy and light chains were selected to be cloned. Thirty-six Abs could be produced and tested in regard to their broad neutralization. Sixteen Ab showed neutralizing activity among which thirteen had a notable breadth. Ten Ab were belonging to one of the previously identified lineages with some being slightly broader than their relatives. One was part of the second lineage previously identified, although less neutralizing. Two isolated Abs were part of BNAbs families different than those already characterized for this donor, with complementary spectra, with one Ab more neutralizing of clade B viruses while the other of clade C. The emergence dynamic of those BNAbs lineages and their epitope on Env remain to be determined. In conclusion, the newly elaborated strategies enabled the successful isolation of PC94 BNAbs, with notably the recovery of a lineage already identified and the identification of 2 new lineages, which cooperation relationships remain to be deciphered. However, the serum breadth remains not entirely explained by the isolated Abs. The missing of some BNAbs might be explained by the use of baits with conformation too distant from the viral Env at the step of B cells isolation or the rarity of the B cells corresponding to BNAbs. Otherwise, the latter might have been properly selected but their BNAbs could not be produced because of the unperfect yield of the steps of activation, gene amplification, cloning or production that have followed. Our results illustrate the difficulty of explaining the broad neutralizing activity of the serum of some patients, despite the technical advances in BNAbs isolation. They also show how the evolution of several lineages of NAbs might possibly explain the spectrum of an elite neutralizer.