Caractérisation génétique et fonctionnelle de la sensibilité et de la résistance innées au virus Zika chez la souris

Genetic and functional characterization of innate susceptibility and resistance to Zika virus in mouse models

• Auteur / Autrice : Marie Bourdon
• Direction : Xavier Montagutelli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génétique animale
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique de la souris - Institut Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Le poder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Nisole, Binnaz Yalcin, Sabine Riffault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Nisole, Binnaz Yalcin

Mots clés

Mots clés libres

Génétique

Virus Zika

Virologie

Réponse immunitaire innée

Contrôle génétique de la sensibilité aux infections

Réplication virale

Genetics

Zika virus

Virology

Innate immune response

Genetic control of susceptibility to infections

Viral replication

Résumé

L'infection par le virus Zika (ZIKV) chez l'Homme peut provoquer de multiples conséquences, de l'absence de symptômes cliniques à des complications neurologiques ou des microcéphalies après des infections intrautérines. En utilisant le Collaborative Cross (CC), une collection de lignées de souris consanguines avec une large diversité génétique, mon laboratoire a précédemment démontré pour la première fois l'importance de la génétique de l'hôte dans la variabilité clinique de la maladie provoquée par ZIKV, et a identifié CC071 comme la lignée la plus sensible, car elle présentait une forte charge virale dans le sang, des symptômes sévères et de la mortalité. Durant ma thèse, j'ai d'abord étudié l'origine génétique de la sensibilité de la lignée CC071 dans un modèle in vitro. Des fibroblastes embryonnaires de souris (MEFs) de CC071 montraient une forte réplication virale associée à une induction des interférons de type I (IFN-I) retardée. Une analyse de quantitative trait locus (QTL) sur des MEFs dérivés d'un backcross entre CC071 et la lignée résistante CC001 a permis l'identification d'une mutation perte de fonction dans le gène Irf3, spécifique de la lignée CC071. Des analyses fonctionnelles ont montré que cette mutation est entièrement responsable pour le défaut d'induction des IFN-I et la forte réplication virale dans les MEFs de CC071. Cependant, après une infection in vivo par le virus ZIKV, les souris CC071 avaient une plus forte sensibilité que des souris C57BL/6J (B6) Irf3 KO, démontrant que d'autres gènes de sensibilité sont impliqués dans la pathologie des souris CC071 après une infection in vivo. Afin d'identifier ces gènes, j'ai analysé un backcross entre CC071 et B6 Irf3 KO, et une F2 entre CC071 et la lignée 129/SvPas (129) Ifnar1 KO. Leur analyse a permis l'identification de six QTLs significatifs et vingt-trois QTLs suggestifs, associés avec la charge virale, perte de poids, symptômes cliniques et mortalité. J'ai aussi étudié les loci qui modifient la sensibilité à l'infection par ZIKV de souris Ifnar1 KO. Ce KO existe sur deux fonds génétiques, et mon laboratoire a précédemment démontré que les souris de la lignées B6 Ifnar1 KO sont plus sensibles à l'infection par ZIKV, avec des symptômes sévères et de la mortalité, que les souris 129 Ifnar1 KO, qui ne montrent que des symptômes légers. Pour identifier les gènes responsables de cette différence, j'ai produit et analysé un backcross entre les lignées B6 Ifnar1 KO et 129 Ifnar1 KO. Huit QTLs significatifs et dix-neuf QTLs suggestifs ont été associés avec la charge virale, la mortalité, la perte de poids et les symptômes cliniques des souris backcross. Pour faciliter l'analyse des quatre croisements étudiés pendant mon projet de thèse, j'ai développé stuart, un package R en accès libre qui permet la curation des données de génotypage génome-entier de croisements à deux générations produits par puce pour une analyse QTL. Mon travail a permis de mettre en évidence les facteurs génétiques impliqués dans la sensibilité à l'infection par le virus ZIKV chez ces modèles souris. De futures études affineront les intervalles des QTLs pour identifier et prioriser des gènes candidats en utilisant une combinaison d'approches décrites dans cette thèse. L'identification des gènes sous-jacents à ces QTLs apportera de nouvelles connaissances sur les mécanismes de pathogénie de l'infection par ZIKV. Enfin, puisqu'il a été récemment démontré que la lignée CC071 est également sensible à l'infection par d'autres virus, cette lignée sera utile dans le futur pour les études sur les maladies infectieuses.

Infection of humans by Zika virus (ZIKV) can result in variable outcomes, from the absence of clinical symptoms to severe neurological complication or microcephaly after intra-uterine infection. Using the Collaborative cross, a collection of mouse inbred strains with large genetic diversity, my lab has previously demonstrated for the first time the importance of host genetic factors in this clinical variability, and identified CC071 as the most susceptible strain, with high viral loads in the blood, severe symptoms and mortality. During my PhD thesis, I have first investigated the genetic origin of CC071's susceptibility using an in vitro model. Mouse embryonic fibroblasts (MEFs) from CC071 showed enhanced viral replication associated with delayed induction of type-I interferons (IFN-I). A quantitative trait locus (QTL) mapping analysis on MEFs derived from a backcross between CC071 and the resistant strain CC001 led to the identification of a loss of function mutation in the Irf3 gene, specific to CC071. Functional analyses demonstrated that this mutation fully explains the defective IFN-I induction and uncontrolled viral replication in CC071 MEFs. However, after in vivo ZIKV infection, CC071 mice exhibited higher susceptibility than C57BL/6J (B6) Irf3 KO mice, demonstrating the involvement of other susceptibility genes in the disease of CC071 mice in vivo. To identify such genes, I analyzed a backcross between CC071 and B6 Irf3 KO, and an F2 between CC071 and 129/SvPas (129) Ifnar1. Their analysis led to the identification of six significant QTLs and twenty-three suggestive QTLs, associated with the viral load, body weight loss, clinical symptoms, and mortality. I also investigated the loci which modify the susceptibility to ZIKV infection of Ifnar1 KO mice. This KO exists on two genetic backgrounds, and my laboratory previously demonstrated that B6 Ifnar1 KO mice are more susceptible to ZIKV infection, with severe symptoms and mortality, than 129 Ifnar1 KO mice, which show only mild symptoms. To identify the genes responsible for this difference, I produced and analyzed a backcross between the B6 Ifnar1 KO and 129 Ifnar1 KO strains. Eight significant QTLs and nineteen suggestive QTLs were associated with the viral load, mortality, body weight loss and clinical symptoms of backcross mice. To facilitate genetic analysis of the four crosses analyzed in my PhD project, I have developed stuart, an open-source R package which curates whole-genome genotyping data of second generation crosses produced by arrays for subsequent QTL mapping. My work highlighted the genetic factors involved in the susceptibility to ZIKV infection in these mouse models. Future work will refine these QTL intervals to identify and prioritize candidate genes using a combination of approaches described in this work. Identifying genes underlying these QTLs will provide new insight into the mechanisms of pathogenesis of ZIKV infection. Lastly, as the CC071 strain was recently reported to be susceptible to the infection by other viruses, this strain will be increasingly useful for the study of infectious diseases.