Mécanisme(s) d'invasion de Plasmodium vivax chez les patients Duffy-négatifs

Deciphering Plasmodium vivax invasion pathway(s) in Duffy-negative patients

• Auteur / Autrice : Isabelle Bouyssou
• Direction : Didier Ménard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Biologie de Plasmodium et Vaccins
• Jury : Président / Présidente : Olivier Silvie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara El Hoss, Dominique Mazier, Chetan E. Chitnis, Carlo Severini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachida Tahar, Benoît Malleret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Parasitologie moléculaire

Érythropoïèse

Groupes sanguins -- Système Duffy

Plasmodium vivax

Mots clés libres

Parasitologie

Hématologie

Biologie moléculaire

Génétique

Parasitology

Haematology

Molecular biology

Genetics

Résumé

Le paludisme à Plasmodium vivax est une maladie infectieuse causée par le parasite protozoaire Plasmodium vivax et transmise par les moustiques femelles Anopheles. Cette maladie est prévalente en Amérique, Asie, Moyen-Orient, Pacifique, Afrique du Nord-Est et Afrique du Sud mais demeure rare en Afrique sub-saharienne. Historiquement, la maladie était considérée bégnine et peu dangereuse du fait de l'observation de faibles parasitémies chez les patients Duffy-positifs et de l'absence virtuelle d'infections chez les individus Duffy-négatifs. Des études ont montré que les individus d'origine africaines ou afro-américaines étaient naturellement résistants à P. vivax. Les parasitologistes pensaient que cela était dû à l'absence de récepteurs Duffy Antigen Receptor for Chemokines (DARC) à la surface de leurs érythrocytes. Ensuite, l'identification du ligand P. vivax Duffy Binding Protein (PvDBP) spécifique à DARC et la preuve de l'importance de l'interaction PvDBP-DARC dans le mécanisme d'invasion ont conduit à l'établissement d'un paradigme scientifique selon lequel les mérozoïtes de P. vivax envahissent exclusivement les érythrocytes Duffy-positifs. La recherche sur le paludisme à P. vivax a donc longtemps été négligée et d'importantes lacunes demeurent. Cependant, le nombre de cas de paludisme à P. vivax stagne dans certains pays et un nombre croissant de cas d'infection chez des patients Duffy-négatifs est reporté en Afrique. Cela a soulevé des interrogations quant aux mécanismes d'invasion de P. vivax. Une première hypothèse est que le parasite a évolué vers un nouveau mécanisme d'invasion outrepassant la Duffy-négativité. Alternativement, une seconde hypothèse est que les populations Duffy-négatives ont toujours représenté un réservoir silencieux et insidieux d'infection. Mon projet de thèse vise à décrypter les mécanismes d'invasion de P. vivax chez les patients Duffy-négatifs. 1.Etude bibliographique: comprendre le contexte et les enjeux liés à l'émergence du paludisme à P. vivax en Afrique sub-saharienne et étudier les connaissances actuelles sur les mécanismes d'invasion de P. vivax obtenues grâce aux technologies omiques. 2.Etude d'épidémiologie moléculaire: comprendre l'épidémiologie du paludisme à P. vivax en Ethiopie, disséquer le génome d'isolats de P. vivax circulant en Afrique sub-saharienne et rechercher une signature moléculaire de l'invasion via des techniques de séquençage. 3.Etude fonctionnelle: caractériser les érythroblastes Duffy-négatifs pendant leur différentiation et évaluer la capacité des mérozoïtes de P. vivax à les envahir via des essais fonctionnels in vitro. Les résultats de l'étude bibliographique ont montré que, malgré de récentes avancées, la recherche sur le paludisme à P. vivax est entravée par le manque de données scientifiques et de techniques expérimentales. Par ailleurs, les résultats des études d'épidémiologie moléculaire ont révélé que les souches de P. vivax se regroupent en clusters géographiques. Mais ils n'ont pas permis d'identifier une association entre la diversité génétique des souches de P. vivax et une adaptation aux hôtes humains Duffy-négatifs. Ce qui suggère que les parasites P. vivax n'ont pas évolué vers une voie d'invasion alternative pour infecter les patients Duffy-négatifs. En fait, les résultats de l'étude fonctionnelle ont démontré qu'une sous-population d'érythroblastes Duffy-négatifs est capable d'exprimer la protéine fonctionnelle DARC, et que les mérozoïtes P. vivax sont capables de les envahir. Ainsi, l'ensemble de ces travaux de recherche va à l'encontre du paradigme scientifique établi selon lequel les mérozoïtes de P. vivax envahissent exclusivement les érythrocytes Duffy-positifs et supporte l'hypothèse que les populations africaines Duffy-négatives représentent un réservoir silencieux et insidieux d'infection. Ce qui entraine d'importantes conséquences pour le contrôle et l'éradication du paludisme à P. vivax en Afrique sub-saharienne.

Vivax malaria is an acute debilitating illness caused by the parasitic protozoan Plasmodium vivax and transmitted by female Anopheline mosquitoes. It is mainly prevalent in America, South-East Asia, Middle East, Western Pacific, Eastern Africa, and Southern Africa but considered rare in Sub-Saharan Africa. Historically, the disease has often been regarded as a benign self-limiting infection. This is due to the observation of low parasitemia in Duffy-positive patients and virtual absence of infections in Duffy-negative individuals. Indeed, previous studies showed that individuals with African and African American origins were naturally resistant to P. vivax. Parasitologists thought that this resistance was due to the absence of Duffy Antigen Receptor for Chemokines (DARC) on the surface of their erythrocytes. Subsequently, the identification of the ligand P. vivax Duffy Binding Protein (PvDBP) specific to DARC and the evidence that the interaction PvDBP- DARC was crucial for invasion led to a scientific paradigm by which P. vivax merozoites exclusively invade Duffy-positive erythrocytes. Consequently, research on vivax malaria has long been neglected and many knowledge and tool gaps remain to be filled. However, since a few years, the stagnating burden of the disease in many countries associated with the increasing report of P. vivax infections in Duffy-negative patients raised questions about P. vivax invasion pathways. A first hypothesis was that P. vivax may have evolved to a new invasion pathway that would overcome Duffy-negativity. Alternatively, a second hypothesis was that Duffy-negative populations may have always been a silent and insidious reservoir of infection which had previously gone unnoticed. My thesis project aimed at deciphering Plasmodium vivax invasion pathways in Duffy-negative patients. 1.Bibliographical study: understand the global context and key issues of the presence of vivax malaria in Sub-Saharan Africa and review current knowledge on P. vivax invasion pathways through the lens of omics technologies. 2.Molecular epidemiological study: understand vivax malaria epidemiology in Ethiopia, dissect the genome of P. vivax strains circulating in Sub-Saharan Africa and search for potential molecular signature in genes encoding proteins involved in P. vivax invasion pathways using next generation sequencing techniques. 3.Functional study: characterize Duffy-negative erythroblasts during terminal erythroid differentiation and assess the ability of P. vivax merozoites to invade Duffy-negative erythroblasts by developing reproducible in vitro functional assays. Findings of the bibliographical study showed that despite the recent advances of omics technologies, key knowledge and tool gaps remain in vivax malaria research. Besides, findings of the molecular epidemiological studies revealed that P. vivax strains cluster in distinct geographic clusters. However, these findings did not reveal any association between genetic diversity and adaptation to Duffy-negative human hosts. This suggests that the parasites did not evolve towards an alternative invasion pathway. In fact, findings of the in vitro functional study demonstrated that a subset of Duffy-negative erythroblasts can express functional DARC during terminal erythroid differentiation and that P. vivax merozoites can invade them. Taken together, these findings contrast with the established scientific paradigm by which P. vivax merozoites exclusively invade Duffy-positive erythrocytes and support the assumption that African Duffy-negative populations may be a silent and insidious reservoir of infection, with all the consequences that this entails for the control and eradication of vivax malaria in Sub-Saharan Africa.