Régulation de la réponse antivirale pendant l'infection par les virus avec une résolution en cellule individuelle

Single cell monitoring of antiviral response regulation upon viral infection

• Auteur / Autrice : Maria Margarida Sa Ribeiro
• Direction : Marlène Dreux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre International de Recherche en Infectiologie (Lyon ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Lozach
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marlène Dreux, Pierre-Yves Lozach, Philippe Benaroch, Marco Binder, Caroline Goujon, Chloé Journo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Yves Lozach, Philippe Benaroch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules dendritiques

SARS-CoV-2 (virus)

Interférons

Résistance aux maladies

Virus

Mots clés libres

Immunité innée

Interféron

Coronavirus

PDC

Virus

Réponse antivirale

Innate Immunity

Interferon

SARS-CoV-2

PDC

Virus

Antiviral response

Résumé

La détection d'éléments viraux, notamment les acides nucléiques, par les récepteurs de l'hôte induit des voies de signalisation antivirale permettant le contrôle de l’infection virale par les cellules hôtes. Ces réponses de l’hôte mettent en jeu la production rapide d'interférons de type I et III (IFN-I/λ) ainsi que des effecteurs antiviraux, appelés gènes stimulés par l'interféron (ISG). Les IFN-I/λ sont des médiateurs antiviraux clés contre les infections virales, incluant le Coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2). Les cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDC) sont des cellules immunitaires spécialisées pour produire en quantité et rapidement les IFN-I/λ, et ainsi contribue à contrer les infections virales. Ce manuscrit de thèse inclue une étude sur la fonction des pDC contre SARS-CoV-2. Nous démontrons que les pDC sont la source prédominante d'IFN-I/λ par détection des cellules infectées par le SARS-CoV-2. Cette détection nécessite un contact physique par des complexes d’adhésion impliquant l’intégrine entre pDCs et cellules infectées. En réponse, l’activité antivirale par les pDC est préférentiellement ciblée vers les cellules infectées par le SARS-CoV-2. Cette fonction spécialisée des pDCs permet un contrôle de la réplication virale localisé et concentré au site d’infection, et en conséquence la réduction de la propagation systémique virale. Notre étude fonctionnelle ex vivo de la capacité de réponse des pDC de patients infectés par SARS-CoV-2 montrons que la capacité de réponse des pDC est altérée chez les patients présentant des sévères symptômes de COVID-19. Ainsi l’ensemble de notre étude démontre une critique fonction antivirale par les pDC contre l’infection par SARS-CoV-2, via la reconnaissance par contact cellulaire de cellules infectées.La dynamique de la réponse IFN-I/λ en cellule unique est un important challenge encore peu adressé, pourtant crucial pour définir la régulation de progression des infections et dans le contexte de maladies auto-immunes. Nous avons développé et validé une nouvelle méthodologie pour étudier en temps réel et à l’échelle de cellules individuelle la réponse IFN-I/λ, appelé ‘ISG-timer’. Ce développement permet aussi de définir les intersections de la réponse IFN-I/λ avec d'autres réponses de l'hôte et la réplication virale par l'imagerie à une résolution de cellules uniques. Nous démontrons que l’ISG-Timer permet une détection rapide et efficace de la réponse IFN-I/λ. À l'aide d'un clone moléculaire infectieux recombinant du SARS-CoV-2 avec insertion de rapporteur fluorescent, nous définissons conjointement l'induction de l’ISG-Timer et la propagation du SARS-CoV-2. Nos résultats avec l’ISG-Timer révèlent que la réponse IFN-I/λ permet la protection des cellules contre l'infection. En accord, nous démontrons que la déficience génétique (via technologie CRISPR-Cas9) pour les récepteurs IFN-I/λ conduit à une augmentation de la propagation virale. Notre seconde étude a validé avec succès une méthodologie originale permettant d’adresser les dynamiques de la réponse IFN-I/λ en lien avec la propagation virale en cellule individuelle. Ainsi, cette méthode offre un nouvel angle pour définir les régulations de la propagation virale, qui pourra aussi être instrumental dans le contexte de maladies auto-immunes.

The sensing of viral elements especially viral nucleic acids by host receptors induces antiviral signaling, designed to control viral infections. This is notably mediated by the rapid production of type I and III interferons (IFN-I/λ) and the associated antiviral effectors so-called interferon-stimulated genes (ISG). IFN-I/λ are key mediators against viruses, including Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) are immune cell type specialized for the robust and rapid production of IFN-I/λ. The thesis manuscript includes our study of the function of pDC against SARS-CoV-2. Here, we demonstrated that pDCs are the predominant source of IFN-I/λ upon sensing of SARS-CoV-2-infected cells. We further pioneered the demonstration that pDC-mediated sensing requires sustained contact by integrin-mediated cell adhesion with SARS-CoV-2-infected cells. This sensing by cell-cell contact results in an antiviral response by pDCs that is directly targeted toward SARS-CoV-2-infected cells. As a result, this specialized function of pDCs enables an efficient shut-off of viral replication in infected cells when in physical contact. Therefore, pDC-mediated antiviral response is initially localized and concentration at the infected cells, and subsequently restricts viral spread. Our ex vivo functional study of the response capacity of pDCs from SARS-CoV-2 infected patients showed that the response capacity of pDCs is impaired in patients with severe COVID-19. Thus, our overall study demonstrates a critical antiviral function of pDCs against SARS-CoV-2 infection, via cell contact recognition of infected cells.The dynamics of IFN-I/λ response at single-cell level is an important and still-unsolved question, yet of utmost importance define the dysregulations associated to disease progression as showed for e.g., SARS-CoV-2, and in auto-immune diseases. Here, we developed, optimized and validated an original method to track the IFN-I/λ response (named ‘ISG-Timer’) by live-imaging at single-cell resolution. This novel method enables to define the intersect of the IFN-I/λ response with other host responses and viral replication. We demonstrated that ISG-Timer efficiently enables to live-track IFN-I/λ response at single-cell level. Using a recombinant infectious SARS-CoV-2 molecular clone with insertion of a fluorescent reporter in the viral genome, we jointly tracked ISG-Timer induction and SARS-CoV-2 spread. Our results with ISG-Timer reveal that the IFN-I/λ response enables cell protection against infection. In accordance, we demonstrated that genetic deficient for IFN-I/λ receptors (by CRISPR-Cas9 technology) lead to an increased viral spread. Our second study successfully validated an original methodology to address the dynamics of the IFN-I/λ response relative to viral propagation in individual cells. Thus, this method offers a new angle to define the regulation of viral propagation, which can also be instrumental in the context of autoimmune diseases.