Etude des mécanismes moléculaires associés aux infections virales du système nerveux central : de la neuro-invasion aux désordres neuronaux

Deciphering the molecular mechanisms associated with central nervous system viral infections : from neuroinvasion to neuronal disorders

• Auteur / Autrice : Emma Partiot
• Direction : Raphaël Gaudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Infectiologie de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Chazal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Salinas, Daniel Gonzalez-Dunia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Coulpier, Cyrille Mathieu
• DOI : 10.70675/bf8fd4b1zefc9z45e5za855zc0181aeb44ab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Organoïde cérébral

Électrophysiologie

Dépistage sérologique de la COVID-19

Synapses

Récepteurs couplés aux protéines G

Mots clés libres

Organoides corticaux

Tissus cérébraux humain

SARS-CoV-2

Electrophysiologie

Synapse

Gpcr

Cortical organoids

Brain slices

SARS-CoV-2

Electrophysiology

Synapse

Gpcr

Résumé

Depuis le début de la pandémie mondiale de COVID-19, des symptômes neurologiques ont été signalés lors de l’infection par le SARS-CoV-2, allant de la perte de mémoire et des troubles cognitifs aux troubles psychiatriques et aux accidents vasculaires cérébraux ischémiques. Le cerveau a également été considéré comme un réservoir potentiel pour la persistance du virus et pourrait jouer un rôle crucial dans le développement des COVID longs. Des particules virales ont été détectées dans le liquide cérébrospinal de patients décédés de la COVID-19 et des études récentes ont pu détecter la présence (rare) de cellules infectées dans le cortex cérébral. Ainsi, il semble clair que le virus accède au système nerveux central et s’y réplique à bas bruit, mais les mécanismes moléculaires sous-jacents à sa réplication neurale restent encore mal compris. Ici, en combinant l’utilisation de modèles in vitro et ex vivo innovants comprenant des organoïdes corticaux dérivés de cellules souches et la culture organotypique de tranches de cerveau humain post-mortem, ainsi que des échantillons de personnes décédées de la COVID-19, nous avons montré que le SARS-CoV-2 se réplique peu et de manière hétérogène dans le cortex cérébral en absence de production de nouvelles particules virales. De plus, par microscopie confocale, nous avons observé que les particules virales s'accumulent à l'interface transsynaptique, entraînant une augmentation du nombre et de la taille des synapses. Grâce à des approches de protéomique différentielle sur organoïdes individuels et de mesure de l’activité électrique analysée par intelligence artificielle, nous avons identifié que SARS-CoV-2 perturbe le signal électrique dépendant de l’augmentation de l’expression d’une protéine post-synaptique viro-induite : la Latrophilin-3 (LPHN3). Cibler LPHN3 par l’utilisation d’un peptide agoniste a permis de partiellement rétablir une activité électrique semblable aux organoïdes non infectés. Ces résultats ont contribué à mieux caractériser l’impact de SARS-COV-2 sur le cerveau et d’identifier les mécanismes moléculaires perturbés par le virus, potentiellement responsable de symptômes associés au neuroCOVID. Enfin, ces travaux permettent d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à traiter les symptômes neurologiques liés à l’infection par SARS-CoV-2.

Since the beginning of the COVID19 worldwide pandemic, neurological symptoms were reported upon SARS-CoV-2 infection, going from loss of memory and cognitive impairment to psychiatric disorder and ischemic strokes. The brain has also been considered as a potential reservoir for the virus persistence and could have a crucial role in the development of long COVIDs. Viral particles have been detected in the cerebrospinal fluid of patient dead from COVID-19 and recent studies has shown infection of cells in cerebral cortex area at a low level. It seems clear that the virus has access to the central nervous system, but the molecular mechanism underlying the viral replication into neuron remain poorly understood. Here, combining innovative in vitro and ex vivo models including cortical organoids derived from human stem cells and organotypic culture of post-mortem human brain slices and samples from COVID-19 patients, we showed that SARS-CoV-2 replicates at low levels and heterogeneously in the cerebral cortex without producing new viral particles. Furthermore, by confocal microscopy analysis, we observed that the viral particles accumulate at the trans-synaptic interface leading to an increase of the number and the size of the synapses. Thanks to differential proteomic approach on single cortical organoids and electrical activity recording analyzed by machine learning, we identified SARS-CoV-2 impact on the electrical signal which was dependent on the increased expression of a virus-induced post-synaptic protein: the Latrophilin-3 (LPHN3). Targeting LPHN3 using an agonist peptide allowed to partially revert the electrical activity similar to a non-infected one. These results have contributed to provide a better characterization of SARS-CoV-2 impact on the brain and identified molecular mechanisms altered by the virus, potentially responsible of neuroCOVID symptoms. Finally, this work opens up the possibility of new therapeutic strategies to treat the neurological symptoms associated with SARS-CoV-2 infection.