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Caractérisation de la mort neuronale induite par le coronavirus humain HCOV-OC43

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Meessen-Pinard, Mathieu (2017). Caractérisation de la mort neuronale induite par le coronavirus humain HCOV-OC43 Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en virologie et immunologie, 264 p.

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Résumé

Les coronavirus humains (HCoV) sont des virus ubiquitaires et initialement identifiés comme des pathogènes respiratoires. La manifestation la plus fréquente de l’infection est le rhume, mais ces virus peuvent également être à l’origine de pathologies respiratoires plus sévères chez les personnes susceptibles, notamment les personnes âgées, les nouveau-nés et les patients immunodéprimés. Bien que la majorité des complications soient associées aux voies respiratoires inférieures, certaines souches ont démontré un opportunisme en ayant développé un tropisme neurologique, la neuroinvasion, c’est-à-dire la capacité à envahir le système nerveux central (SNC) à partir de la périphérie. En effet, des travaux réalisés dans le laboratoire ont notamment démontré que la souche OC43 (HCoV-OC43) est neuroinvasive et neurotrope chez l’humain et la souris et également neurovirulent en souris. De plus, HCoVOC43 infecte les cultures neuronales humaines et provoque la mort cellulaire de celles-ci, bien que les mécanismes impliqués dans ce phénomène ne soient pas élucidés. Les maladies neurologiques étant des maladies extrêmement complexes et multifactorielles, la présence du virus au SNC pourrait s’avérer une composante importante dans l’apparition ou l’augmentation de la sévérité des désordres neurologiques.

Ainsi, dans le cadre de mon projet de doctorat, j’ai utilisé un variant de HCoV-OC43 ayant acquis deux mutations ponctuelles (H183R et Y241H), situées dans la région de liaison du récepteur de la glycoprotéine S, suite à une infection persistance de cellules neurales humaines. Ces mutations réintroduites dans un clone infectieux (rOC/Us183-241) m’ont permis, par la suite, d’établir que ces mutations procurent une neurovirulence accrue en souris comparativement au variant de référence (rOC/ATCC). Bien que l’inoculation intracérébrale du virus de référence cause des symptômes s’apparentant à une encéphalite chez les souris infectées, le virus rOC/Us183-241 augmente la sévérité de ces symptômes et provoque un taux de mortalité plus importante chez les souris infectées. Bien que la rapidité de dissémination à travers le SNC et l’activation plus soutenue de l’inflammation par les astrocytes participent sans aucun doute à l’augmentation de la neurovirulence du virus mutant par rapport au virus de référence, la mort neuronale représente une avenue qui pourrait contribuer à la sévérité des neuropathologies.

La mort cellulaire régulée (MCR) représente l’ensemble des mécanismes et des facteurs cellulaires associés qui sont activés par la cellule en réponse à un stimulus et qui mène à la mort de celle-ci. Parmi ces facteurs, le facteur Bax associé à l’apoptose, provoque la perméabilisation de la membrane mitochondriale en formant des pores qui perturbent la génération d’ATP et laisse sortir le contenu mitochondrial dans le cytosol. Bien que ce facteur semble activé chez les neurones infectés par HCoV-OC43, ce dernier ne joue pas de rôle prépondérant dans la mort neuronale. La nécroptose est une forme de mort cellulaire apparentée à la nécrose se traduisant par la destruction des membranes plasmiques, la libération du contenu cellulaire et la libération de molécules pro-inflammatoires dans l’environnement extracellulaire. En absence de caspase-8 fonctionnelle ou lors d’une expression endogène importante de la Receptor-interacting protein 3 (RIP3), cette protéine kinase pronécroptotique active le facteur MLKL. Dans certains cas, le facteur RIP1 est également nécessaire à l’activation de MLKL en s’associant avec RIP3. Ce nouveau complexe, appelé nécrosome, s’oligomérise pour former des pores à travers la membrane plasmique, ce qui mène à la destruction de l’intégrité cellulaire. À l’inverse de Bax, les facteurs RIP1, RIP3 et MLKL, tous reliés à la nécroptose, semblent être impliqués dans la mort neuronale et être davantage activés par la présence du virus mutant. En effet, l’infection de cultures neuronales humaines et murines provoque l’activation de ces facteurs et l’inhibition de l’expression de RIP1, par ARN interférant, provoque une augmentation de la survie de la lignée neuronale humaine. De plus, l’inhibition de RIP1 provoque une augmentation du nombre de particules infectieuses, suggérant l’aspect antiviral de cette MCR. Finalement, le facteur MLKL est également activé et relocalisé à la membrane des neurones infectés, ce qui confirme le rôle important que ces facteurs et la nécroptose jouent dans la mort neuronale induite par le virus HCoV-OC43.

En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse démontrent, pour la première fois, l’implication des facteurs associés à la nécroptose dans un contexte de réponse neuronale à la présence du virus HCoV-OC43. Cette réponse neuronale s’effectue, fort probablement, dans l’optique d’établir une réponse antivirale contre le virus HCoV-OC43 et de protéger le SNC. Toutefois, l’activation de cette voie de mort cellulaire pourrait s’avérer délétère pour l’organisme en accélérant la perte neuronale, la neuroinflammation et l’accumulation de dommages et ainsi contribuer à la neuropathologie, notamment observée en souris.

Abstract

Human coronaviruses (HCoV) are found around the world and were initially identified as respiratory pathogens. HCoV are mostly associated with the common cold, but they are also involved in more severe respiratory disorders in more susceptible populations such as the elderly, newborn and immunocompromised individuals. Even though the majority of symptoms are related to respiratory tract complications, some strains have developed a neuroinvasive property, defined as the capacity to reach the central nervous system (CNS) from the periphery. We have previously demonstrated that the OC43 strain (HCoV-OC43) has neuroinvasive and neurotropic properties both in humans and mice with a neurovirulent potential. Moreover, HCoVOC43 can infect neuronal cell lines, which leads to cell death, but the molecular mechanisms involved are still poorly understood. Regarding the origin and complexity of neurological diseases, the potential threat of CNS infection by viruses could contribute to the onset or exacerbation of these diseases.

During my thesis project, I worked on a HCoV-OC43 variant harboring two point mutations (H183R and Y241H), located within the receptor-binding site of Spike (S) glycoprotein, were found following persistent infection on neural cell lines. After these mutations were reintroduced into an infectious clone, the mutant virus (rOC/Us183-241) demonstrated an increase in neurovirulence in the mouse model compared to wild-type virus (rOC/ATCC). Although both viruses induced symptoms related to viral encephalitis after intracerebral inoculation, the infection by the mutant increased the severity of the pathology and mortality of infected mice. In addition to the capacity of the mutant virus to disseminate more rapidly within the CNS and to the astrocyte-mediated inflammation to contribute to the neurovirulence, regulated cell death (RCD) could not be ignored as an important process during the neuropathology.

The regulated cell death regroups all mechanisms and cellular factors that are activated by the cell in response to a stimulus and leads to cell death. Among these factors, Bax (mostly associated with apoptosis) is relocalized to the mitochondrial outer membrane where it forms a pore that inhibits the generation of ATP by interfering with membrane potential and allows the release of other factors from mitochondria towards the cytosol. Although this factor seems to be activated during HCoV-OC43 infection, Bax does not play a significant role in the associated neuronal cell-death. Necroptosis is a form of cell death similar to necrosis, which results in the disruption of the intracellular and cytoplasmic membrane and to the release of pro-inflammatory contents in the environment. In the absence of caspase-8 activity or higher endogenous expression of the Receptor-interacting protein 3 (RIP3), this pro-necroptotic kinase is phosphorylated at multiple sites, which is necessary to activate MLKL. Under certain conditions, RIP1 is recruit by RIP3 to activate MLKL. This pseudokinase that mediates the disruption of cellular membranes form the necrosome. Unlike Bax, RIP1, RIP3 and MLKL, factors related to necroptosis, are involved during neuronal cell death and mutant infection increases the activation of these factors. Indeed, infection of human or murine cell cultures by HCoV-OC43 activates necroptosis-related factors and inhibition of RIP1 expression by RNA interference (RNAi) induces an increased survival of infected human neuronal cell lines. Moreover, the use of RNAi increases the production of infectious viral particles, suggesting a potential antiviral mechanism of necroptosis in this context. The effector factor MLKL is also activated and relocalized to the cytoplasmic membrane, confirming the essential role of these factors during neuronal cell death induced by HCoV-OC43.

In conclusion, results presented in this thesis show, for the first time, the role played by necroptosis-related factors during neuronal cell death induced by HCoV-OC43. This neuronal response is potentially initiated to counteract viral replication and protect the host against viral propagation in the CNS. However, the activation of this MCR could be deleterious for the host by accumulating damages, increasing inflammation and accelerating the loss of neurons. These consequences would contribute to the observed neuropathology in mice.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Talbot, Pierre
Mots-clés libres: -
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 30 avr. 2018 00:11
Dernière modification: 30 avr. 2018 00:13
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6694

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