Cassures double-brin de l'ADN des neurones : un rôle commun dans la physiopathologie de l'infection par le Bornavirus et l'inflammation chronique

DNA double-strand breaks in neurons : a shared role in the pathophysiology of Bornavirus infection and chronic inflammation

• Auteur / Autrice : Florent Marty
• Direction : Elsa Suberbielle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 05/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Toulousain des Maladies Infectieuses et Inflammatoires (Toulouse ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Roland Liblau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elsa Suberbielle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Layé, Pierre Gressens, Monique Lafon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuro-inflammation

ADN -- Altération

Infections à Bornavirus

Mots clés libres

Neurone

Épigénétique

Virus

Inflammation

Comportement

Neuron

Epigenetics

Virus

Inflammation

Behavior

Résumé

Plusieurs situations pathologiques, comme certaines maladies infectieuses ou inflammatoires, conduisent à des perturbations de la fonction neuronale ou à des troubles du comportement et de la cognition. L'origine de ces perturbations est complexe et mal comprise, mais nous savons qu'elles sont liées à des modifications de l'épigénétique neuronale. Récemment, les cassures double-brin (CDB) de l'ADN ont été identifiées comme un régulateur central de l'épigénétique neuronale. Il est désormais établi que l'équilibre entre la production de CDB, suite à l'activité neuronale, et leur réparation efficace garantissent le bon fonctionnement des neurones. Dans ce contexte, mon projet de thèse a consisté à étudier l'impact d'une infection virale ou de la neuroinflammation sur cet équilibre et d'analyser les conséquences sur le fonctionnement neuronal et le comportement. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à l'infection neuronale par le Bornavirus (BoDV). Ce virus neurotrope à ARN négatif simple brin persiste dans le système nerveux sans induire de mort neuronale. Une autre originalité du BoDV est qu'il se réplique dans le noyau, en étroite interaction avec la chromatine cellulaire. Nos résultats montrent que l'infection de cultures de neurones primaires de rat par le BoDV augmente le taux de CDB. Nous avons également découvert que les CDB servent de plateforme pour l'assemblage des usines de réplication virales, favorisant ainsi la réplication du virus. Par ailleurs, les neurones infectés par le BoDV présentent une activité électrique spontanée réduite et un défaut de réponse à la stimulation de la neurotransmission. Ces perturbations sont liées à la perte de l'expression en surface des neurones de récepteurs au neurotransmetteur glutamate impliqués dans la plasticité neuronale et la production de CDB. Nos résultats suggèrent l'existence d'un mécanisme inédit de "rétrocontrôle" de la réplication virale, qui, en inhibant la production de CDB dépendantes de l'activité, favoriserait la persistance. Indépendamment des infections virales, des troubles neurologiques sont également observés lors de la neuroinflammation chronique. Nous nous sommes demandés si les troubles neurologiques, observés lors de la neuroinflammation chronique, ne pouvaient pas également être liés à une perturbation des CDB. Dans des cultures primaires de neurones de souris, nous avons mis en évidence que l'interleukine-1ß (IL-1ß), une des principales cytokines de la neuroinflammation, augmentait les niveaux de CDB. Afin d'étudier le comportement de souris traitées chroniquement par de l'IL-1ß, nous avons mis en place une plateforme dédiée disposant de tests permettant d'évaluer la mémoire et l'anxiété. In vivo chez la souris, nous avons montré que l'infusion chronique de cette cytokine à l'aide de mini-pompes osmotiques implantées sous la peau perturbe la mémorisation spatiale dépendant de l'hippocampe et augmente le nombre de neurones présentant des CDB dans cette structure cérébrale. Enfin, nous avons montré, à l'aide de modèles conditionnels et inductibles de souris transgéniques, que le blocage de la signalisation médiée par l'IL-1ß, ou par les CDB, prévient les effets délétères de l'IL-1ß sur la mémorisation. Ces travaux ont permis de mieux comprendre comment les fonctions cognitives peuvent être altérées en conditions pathologiques, et pourraient conduire, à terme, à identifier les facteurs clés qui les régulent.

Viral infections and inflammation disrupt neuronal function, leading to behavioral and cognitive deficits. Although the underlying mechanisms remain to be fully uncovered, we already know that these pathological conditions impair neuronal epigenetics. Recently, DNA double-strand breaks (DSB) have been identified as un central regulator of neuronal epigenetic. In non-pathological conditions, neuronal activity induces the generation of DSB, which are quickly and efficiently repaired. The balance between DSB production and repair ensures a proper functioning of neurons. In this context, my Ph.D. project consisted in studying the impact of a viral infection or neuroinflammation on this balance and analyze their contribution of the latter on neuronal function or behavior. First, we studied the neuronal infection by the Borna disease virus (BoDV). This negative single stranded RNA neurotropic virus persists in the nervous system without inducing neuronal death. BoDV is singular as it replicates in the nucleus, in close interaction with cellular chromatin. We showed that BoDV infection increases DSB levels in primary cultures of rat neurons. We also discovered that DSB are used as platforms for the assembly of viral factories, thereby promoting viral replication. In addition, BoDV-infected neurons display reduced spontaneous electrical activity and impaired response to the stimulation of neurotransmission. At the molecular level, these alterations are linked to a loss of surface expression of the receptor to neurotransmitter glutamate, a receptor which is critically involved in neuronal plasticity and DSB production. Altogether, our results suggest the existence of a novel feedback loop mechanism to control viral replication, by inhibiting the induction of activity-dependent DSB to promote BoDV persistence. Independently of viral infections, neurological impairments are also observed in the course of chronic neuroinflammation. We asked whether the neurological symptoms that accompany chronic neuroinflammation may, in fact, result from alterations in DSB levels. In primary cultures of mouse neurons, we showed that interleukin-1ß (IL-1ß), one of the main proinflammatory cytokines in neuroinflammation, increase DSB levels in neurons. In order to study mouse behavior upon chronic treatment by IL-1ß, we have implemented an in-house behavioral core facility allowing for testing memory- and anxiety-related behaviors. We then carried out experiments of chronic exposure of mice to IL-1ß, using subcutaneously-implanted osmotic minipumps. We showed that IL-1ß treated-mice exhibit a lack of hippocampal dependent-spatial memory, accompanied by increased numbers of neurons with DSB in the hippocampus. Finally, thanks to conditional and inducible transgenic mouse models, we showed that knocking-out neuronal signaling pathways mediated by IL-1ß, or by DSB, prevent IL-1ß-dependent deleterious impact on memory. In conclusion, our work provides a better understanding of how, under pathological conditions, cognitive functions can be disrupted, and will allow ultimately, the identification of key factors of the regulatory processes of these mechanisms.