Exploration longitudinale à haut débit et en cellule unique du répertoire d'anticorps neutralisants à large spectre chez un neutraliseur d'élite du VIH-1

Longitudinal high-throughput single-B-cell exploration of the broadly neutralizing antibody repertoire in an HIV-1 elite-neutralizer

• Auteur / Autrice : Benjamin Nemoz
• Direction : Pascal Poignard, Giovanna Clavarino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 24/04/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Winfried Weissenhorn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kathie Doores
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dorian Mcilroy, Marit Van Gils, Bernard Verrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vaccinologie systémique

VIH (virus)

Anticorps neutralisants

Mots clés libres

Anticorps neutralisants à large spectre (AcNLS)

Vaccin

Séquençage à haut débit (NGS)

ScRNA-Seq

Vih

Lymphocytes B

Vaccine

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs)

High throughput sequencing (NGS)

ScRNA-Seq

Hiv

B-Cells

Résumé

L'infection par le virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) reste un problème majeur de santé publique à l'échelle mondiale, avec environ 37,7 millions de personnes vivant avec le virus et de nouvelles contaminations dépassant le million de cas par an. Des antirétroviraux efficaces permettent maintenant de traiter durablement les personnes infectées. Ces thérapies contribuent également à améliorer la prévention et à ralentir la progression de l'épidémie. Cependant, un vaccin reste nécessaire, en particulier pour contrôler l'épidémie dans les régions à faible revenu et les environnements précaires.Le rôle protecteur des anticorps neutralisants (AcN) a été démontré sans équivoque dans les modèles animaux d'infection par le VIH et chez l'homme. Par conséquent, le développement d'un vaccin visant à la production, par les cellules B, d'anticorps (Ac) capables de neutraliser la majorité des virus en circulation, à savoir des AcN à large spectre (AcNLS), pourrait être envisagé comme une réponse à la pandémie de VIH.L'étude du développement des AcNLS chez certains individus, dénommés neutraliseurs d’élite du VIH-1, fournit des informations précieuses pour la conception de tels vaccins. Jusqu'à présent, la plupart des études entreprises se sont appuyées sur le tri conventionnel de cellules B uniques par cytométrie en flux (FACS) pour isoler les AcNLS. Dans la présente étude, nous avons utilisé l'approche "Chromium Single Cell Immune Profiling" à haut débit sur cellules uniques (scRNA-seq) pour réaliser une exploration longitudinale du répertoire des cellules B chez un neutraliseur d'élite du VIH-1. Cette méthode permet d'utiliser comme appâts pour l'identification des cellules B spécifiques un nombre beaucoup plus important de glycoprotéines d’enveloppe (Env) du VIH par rapport aux approches d'isolement d'Ac basées sur le FACS, ce qui permet d'obtenir une analyse plus complète du répertoire en Ac anti-Env. En outre, cette approche fournit une multitude d'informations sur la nature des Ac spécifiques identifiés et sur les cellules B correspondantes.Notre étude a permis d'identifier la séquence de 12 130 anticorps spécifiques de la protéine Env du VIH. Des Ac de 39 lignées ont été produits et testés pour leurs capacités de neutralisation, révélant 21 lignées neutralisantes. Ces résultats démontrent la capacité de la méthode à explorer de vastes répertoires spécifiques d'antigènes à partir d'échantillons longitudinaux. L'activité neutralisante des Ac de quatre lignées récapitulait l'activité sérique du donneur, permettant de neutraliser 62,4 % d'un large panel prédictif de 126 pseudovirus. Une de ces lignées neutralisantes ciblait la région riche en mannose de la gp120. Par ailleurs, les Ac de cette lignée étaient sensibles à la présence d'un glycane en position N332. Un seul de ces Ac était responsable de la plus grande partie de cette neutralisation (51,1 %) avec une activité à faible concentration (IC50 moyenne de 91,1 ng.mL-1). Cet Ac possède un CDRH3 de 23 AA de long et 20 % d'hypermutation somatique (SMH). La lignée a montré une maturation continue sur 6,5 ans, avec des taux de SMH observés de 2,0 % à 30,6 % pour la chaîne lourde, sans insertion ou délétion.Un tri conventionnel basé sur la méthode FACS avait été utilisé précédemment pour isoler des AcNLS du même donneur. En comparaison, l'approche scRNA-seq a permis d'isoler des Ac en nombre bien supérieur. En outre, les AcN nouvellement isolés étaient globalement plus neutralisants et de plus large spectre que ceux isolés précédemment, ce qui indique la supériorité de la nouvelle méthode pour l'identification de lignées neutralisantes. Les études structurales en cours permettront d'élucider les épitopes responsables de la neutralisation observée chez ce donneur. L'ensemble de ces résultats pourrait contribuer à la conception d'approches de "vaccinologie inverse", qui représentent à l'heure actuelle un espoir pour la mise au point d'un vaccin contre le VIH.

Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV-1) infection remains a major global health concern, with an estimated 37.7 million people living with the virus worldwide and new contaminations above a million cases yearly. Efficient anti-retroviral therapies are available, allowing a sustained relief for infected individuals. These therapeutics have also contributed to a better prevention and helped curb the epidemic, notably in high-income countries. However, a vaccine is still highly awaited for controlling this epidemic, especially in lower-income regions and precarious settings.The protective role of neutralizing antibodies (NAbs) has been unequivocally demonstrated in both animal models of HIV infection and in human settings. Consequently, the development of a B-cell-based vaccine capable of eliciting antibodies (Abs) with the ability to neutralize the majority of circulating viruses, namely broadly NAbs (bNAbs), could be foreseen as an answer to the HIV pandemic.The investigation of bNAb development in HIV-1 elite neutralizers provides valuable insights to inform the design of such vaccines. To date, most of the undertaken studies have relied on conventional single B-cell FACS sorting to isolate bNAbs. In the present study, we have used the Chromium Single Cell Immune Profiling approach to conduct a high-throughput longitudinal single-cell exploration of the B-cell repertoire in an HIV-1 elite neutralizer. Importantly, this novel method enables the use of a much greater number of HIV envelope glycoprotein (Env) baits compared to regular FACS-based Ab isolation studies, providing a more comprehensive view of the anti-Env Ab repertoire. In addition, this approach yields a wealth of information on the nature of the specific Abs identified and the corresponding B-cells.The study enabled the uncovering of the sequence of 12,130 putative HIV Env specific Abs. Antibodies from 39 lineages were produced and tested for neutralization, revealing 21 distinct neutralizing lineages. The results thus demonstrated the ability of the method to explore large antigen-specific Ab repertoires from longitudinal samples. The neutralizing activity of Abs from four neutralizing lineages together recapitulated the serum activity of the donor, achieving neutralization against 62.4 % of a large predictive panel of 126 pseudoviruses. One of these neutralizing Ab lineages was shown to target the gp120 high-mannose patch supersite with great breadth and potency; Abs from this lineage were sensitive to the presence of a glycan in position N332. A single of those Abs achieved most of the neutralization breadth (51.1 %) with a high potency (mean IC50 of 91.1 ng.mL-1). This Ab exhibited a 23 AA-long CDRH3 and 20 % somatic hypermutation (SMH). The lineage showed continuous evolution over 6.5 years of maturation, with observed SHM rates ranging from 2.0 % to 30.6 % for the heavy chain, without any insertions or deletions.Conventional FACS-based sorting was previously used to isolate bNAbs from the same donor. In comparison, the single cell high-throughput approach made possible the isolation of orders of magnitude more Abs. Furthermore, the newly isolated NAbs were overall more potent and broader than those isolated previously, indicating the superiority of the novel method in recovering neutralizing lineages. Ongoing structural studies will elucidate the epitopes responsible for the broad neutralization observed in this donor. Together, the findings may help the design of reverse vaccine approaches, which show promise in the development of an effective AIDS vaccine.