Réplication du SARS-CoV-2 et réponses antivirales dans les cellules de chauves-souris

SARS-CoV-2 replication and antiviral responses in bat cells

• Auteur / Autrice : Sophie-Marie Aicher
• Direction : Nolwenn Jouvenet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Virologie (Paris ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : partenaire de recherche : Institut Pasteur
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Van der Werf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Van der Werf, Lucie Etienne, Jonathan Luke Heeney, Jean-Claude Manuguerra, Meriadeg Le Gouil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucie Etienne, Jonathan Luke Heeney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zoonoses

Résistance aux maladies

Chauves-souris

SARS-CoV-2 (virus)

Mots clés libres

SARS-CoV-2

Chauves-souris

Immunité innée

Espèces réservoirs

Zoonoses

SARS-CoV-2

Bats

Innate immunity

Reservoir species

Zoonosis

Résumé

Les chauves-souris sont des réservoirs naturels pour de nombreux virus émergents, dont l'ancêtre potentiel du SARS-CoV-2. On pense que plusieurs caractéristiques immunitaires trouvées chez les chauves-souris qui facilitent les réponses antivirales et une tolérance immunitaire plus élevée aux infections virales contribuent à leur capacité à héberger des virus sans pathogenèse. Les connaissances concernant l'interaction moléculaire des virus et des cellules de chauve-souris sont cependant limitées par le manque d'outils spécifiques. Il est donc nécessaire de développer des modèles cellulaires de chauve-souris pour comprendre le tropisme cellulaire, la réplication virale et les réponses cellulaires induites par le virus. Tout d'abord, j'ai étudié la capacité des cellules primaires des espèces Rhinolophus et Myotis, ainsi que des lignées cellulaires établies et nouvelles de M. myotis, E. serotinus, T. brasiliensis et N. noctula, à soutenir la réplication du SARS-CoV-2. Aucune de ces cellules n'était permissive à l'infection, pas même celles exprimant des niveaux détectables d'ACE2, qui sert de récepteur viral chez de nombreuses espèces de mammifères, y compris les humains. La résistance à l'infection a été surmontée par l'expression de l'ACE2 humain (hACE2) dans trois lignées cellulaires, suggérant que la restriction à la réplication virale était due à une faible expression de la chauve-souris ACE2 (cACE2) ou à l'absence de liaison de cACE2 dans ces cellules. En revanche, de multiples restrictions à la réplication virale existent dans les trois lignées cellulaires de N. noctula puisque l'expression de hACE2 n'était pas suffisante pour permettre l'infection. Des virions infectieux ont été produits mais non libérés par les cellules cérébrales de M. myotis transduites par hACE2. Les cellules cérébrales d'E. serotinus et les cellules épithéliales nasales de M. myotis exprimant hACE2 contrôlaient efficacement la réplication virale, qui était corrélée à une puissante réponse à l'interféron. Ces données mettent en évidence l'existence de barrières moléculaires spécifiques à l'espèce à la réplication du SARS-CoV-2 dans les cellules de chauve-souris. Nos modèles cellulaires de chiroptères nouvellement développés sont des outils utiles pour étudier l'interaction entre les virus appartenant à la lignée SARS-CoV-2 et leur réservoir naturel, y compris l'identification des facteurs responsables de la restriction virale. Comme études de suivi, j'ai réalisé une étude transcriptomique comparative RNA-Seq dans plusieurs lignées cellulaires de chauve-souris appartenant aux espèces M. myotis, R. ferrumequinum, E. fuscus, E. serotinus, E. helvum et N. noctula. Toutes les cellules de chauve-souris et une lignée cellulaire humaine à titre de comparaison ont été stimulées avec des ARNdb synthétiques pour activer les voies immunitaires innées. Les ensembles de données de séquençage ont été analysés pour la composition des gènes stimulés par l'interféron (ISG). Un ensemble de base de 83 ISGs communs à toutes les lignées cellulaires de chauves-souris a pu être identifié ainsi que plusieurs ISGs spécifiques à la famille et à l'espèce des chauves-souris. Curieusement, plusieurs ISGs jusque-là inconnus pourraient également être récupérés. Ces données mettent en évidence les aspects uniques du système immunitaire inné des chiroptères. Les ISG nouvellement identifiés représentent des cibles prometteuses pour déchiffrer de nouveaux mécanismes immunitaires et déterminer de puissants effecteurs antiviraux. Ensemble, ces études ont étudié l'interaction moléculaire entre un virus zoonotique émergent et des cellules dérivées de chauves-souris, qui représentent d'importants réservoirs animaux. Nos travaux révèlent la diversité des mécanismes immunitaires innés en place dans les cellules de chauve-souris et ouvrent de nouvelles voies de recherche pour caractériser les mécanismes moléculaires par lesquels les cellules de chauve-souris contrôlent la réplication virale.

Bats are natural reservoirs for numerous emerging zoonotic viruses, including the potential ancestor of SARS-CoV-2. Several immune features found in bats that facilitate antiviral responses and an higher immune tolerance towards viral infections are believed to contribute to their ability to harbor viruses without pathogenesis. Knowledge concerning the molecular interaction of viruses and bat cells is however limited by the lack of bat-specific tools. There is thus a need to develop bat cellular models to understand cell tropism, viral replication and virus-induced cell responses. First, I investigated the ability of primary cells from Rhinolophus and Myotis species, as well as of established and novel cell lines from Myotis myotis, Eptesicus serotinus, Tadarida brasiliensis and Nyctalus noctula, to support SARS-CoV-2 replication. None of these cells were permissive to infection, not even the ones expressing detectable levels of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), which serves as the viral receptor in many mammalian species including humans. The resistance to infection was overcome by expression of human ACE2 (hACE2) in three cell lines, suggesting that the restriction to viral replication was due to a low expression of bat ACE2 (bACE2) or absence of bACE2 binding in these cells. By contrast, multiple restrictions to viral replication exist in the three N. noctula cell lines since hACE2 expression was not sufficient to permit infection. Infectious virions were produced but not released from hACE2-transduced M. myotis brain cells. E. serotinus brain cells and M. myotis nasal epithelial cells expressing hACE2 efficiently controlled viral replication, which correlated with a potent interferon response. These data highlight the existence of species-specific molecular barriers to SARS-CoV-2 replication in bat cells. Our newly developed chiropteran cellular models are useful tools to investigate the interplay between viruses belonging to the SARS-CoV-2 lineage and their natural reservoir, including the identification of factors responsible for viral restriction. As follow-up studies, I performed a comparative RNA-Seq transcriptomic study in several bat cell lines belonging to the species Myotis myotis, Rhinolophus ferrumequinum, Eptesicus fuscus, Eptesicus serotinus, Eidolon helvum and Nyctalus noctula. All bat cells and one human cell line as comparison were stimulated with synthetic dsRNAs to activate innate immune pathways. The sequencing datasets were analyzed for the composition of interferon stimulated genes (ISGs). A core set of 83 ISGs common to all bat cell lines could be identified as well as multiple bat family- and species-specific ISGs. Intriguingly, several previously unknown ISGs could also be recovered. These data highlight the unique aspects of the chiropteran innate immune system. The newly identified ISGs represent promising targets to decipher new immune mechanisms and potentially determine potent antiviral effectors. Together, these studies investigated the molecular interplay between an emerging zoonotic virus and cells derived from bats, which represent important animal reservoirs. Our work reveals the diversity of innate immune mechanisms in place in bat cells and opens up new lines of research to characterize the molecular mechanisms by which bat cells control viral replication.