Projets et candidats lauréats

L’intégration rétrovirale est catalysée par une structure oligomérique et dynamique appelée intasome, composée de l’intégrase et de l’ADN viral, associés à des partenaires viraux et cellulaires. L’association finale intasome/chromatine régit l’efficacité de l’intégration du génome viral. Par ailleurs, l’environnement chromatinien du site d’intégration proviral détermine l’expression des gènes viraux. Ainsi, il est crucial de mieux comprendre le processus engagé dans cette étape de la réplication virale pour développer de nouvelles thérapies antivirales originales, ou de nouvelles approches permettant de réorienter l’intégration vers des régions moins favorables de la chromatine.

Malgré les données structurales récemment acquises sur les intasomes rétroviraux, aucune structure de complexe formé entre l’intasome du VIH-1 et son substrat chromatinien n’est disponible contrairement à PFV. Nos données récentes indiquent qu’une raison probable de cet échec est liée à un ancrage différent de cet intasome sur la chromatine qui l’engagerait dans une structure spécifique encore inconnue.

L’originalité de notre projet est d’aborder ces questions encore obscures sur l’association entre l’intasome du VIH-1 et le site d’intégration sur la chromatine de l’hôte en visant à obtenir des informations inédites sur la structure fonctionnelle du nucléo-complexe impliqué dans l’interaction entre les génomes (viral et cellulaire) ainsi qu’à élucider la question du rôle de cofacteurs cellulaires dans ce processus. Le but principal est d’obtenir les premières structures à résolution atomique du complexe intasome/chromatine du VIH-1 validées fonctionnellement.

Dans ce projet, nous i) déterminerons le substrat de chromatine optimal pour l’intégration du VIH-1 en utilisant des tests d’intégration in vitro et des approches d’assemblage de la chromatine maîtrisés par l’équipe partenaire 2 (Parissi, MFP Bordeaux). ii) Le substrat nucléosomal optimal ainsi identifié sera ensuite caractérisé dans des approches biophysiques et structurales de cryo-microscopie (CryoEM) dans l’équipe coordinatrice 1 (Ruff, IGBMC, Strasbourg), experte du domaine, afin d’identifier les déterminants moléculaires de l’interaction intasome/nucléosome et les interfaces fonctionnelles intasome/nucléosome. iii) Ces interfaces seront ensuite validées fonctionnellement par mutagenèse dirigée de l’intégrase (IN) réalisée sur des vecteurs lentiviraux dérivés du VIH-1 afin de suivre leur rôle dans l’efficacité d’intégration et son ciblage vers les différentes régions chromatiniennes par des tests d’infectiosité et séquençage des sites d’intégration réalisés dans l’équipe partenaire 3 (Negroni, IBMC, Strasbourg). iv) L’impact des variations génétiques de l’IN sur ces interfaces sera étudié en comparant différentes formes circulantes et différents sous-types du VIH-1 afin d’obtenir des données sur l’évolution des souches virales ainsi que de prévoir les prochaines émergences de variants possibles (équipe 3). Enfin, v) les données de structure/fonction obtenues dans ce projet serviront de base à la sélection et à la conception rationnelle de nouveaux composés chimiques inhibiteurs ciblant ces interfaces intasome/nucléosome afin de bloquer et/ou de recibler l’intégration (équipes 1, 2 et 3).

Les objectifs de notre projet s’organisent en quatre principaux volets interconnectés qui pourront être développés en parallèle. Les données fonctionnelles viendront enrichir les approches biophysiques et structurales en permettant la sélection des meilleurs candidats pour ces analyses. Les données structurales acquises serviront pour réajuster les études fonctionnelles afin d’affiner nos résultats. L’ensemble de ces données servira de base pour le design de drogues ciblant spécifiquement les interfaces intasome/nucléosome fonctionnelles ainsi définies.

Notre projet permettra ainsi de mieux définir l’environnement chromatinien du site d’intégration dont dépend l’expression du génome viral, de mieux contrôler le ciblage des complexes d’intégration vers ces sites et ainsi définir de nouvelles voies de contrôle de l’intégration lentivirale et de la latence virale (stratégie block and lock).

Les thérapies anti-rétrovirales traitent efficacement les infections au VIH. Cependant, l’arrêt du traitement entraîne un rebond viral et le traitement doit donc être poursuivi à vie, avec des risques importants. Les rebonds viraux sont provoqués par des cellules infectées de manière latente, qui peuvent être réactivées même après des années de traitements. De plus, alors qu’une variable médicale clé pour développer une cure est la vitesse à laquelle les cellules latentes se réactivent, nous savons très peu de choses sur la transcription virale dans les cellules latentes. Des données récentes indiquent que la sortie de latence est stochastique, ce qui reflète les fluctuations aléatoires de la transcription observées dans les cellules vivantes. Sachant que la plupart des gènes ne sont transcrits qu’épisodiquement, nous pensons que certaines cellules latentes ne sont pas complètement silencieuses mais expriment le virus de manière transitoire, lors de brèves impulsions, et donc de manière indétectables avec des méthodes conventionnelles. Ces cellules latentes pourraient être des facteurs clés de l’infection car elles pourraient échapper à la surveillance immunitaire et déclencher deux types d’événements: (i) des sursauts sporadiques de transcription virale, trop faibles pour activer complètement le virus mais néanmoins produisant suffisamment de virus pour déclencher un nouveau cycle infectieux; (ii) une sortie de latence, dans laquelle une impulsion produit suffisamment d’ARN pour initier la boucle de rétroaction de Tat, et donc pour activer complètement le virus. Ces événements stochastiques pourraient être dus à un bruit intrinsèque, créé par la stochasticité inhérente aux réactions biochimiques de l’initiation de la transcription, ou à un bruit extrinsèque, qui est généré par des facteurs affectant l’ensemble de la cellule, comme une activation aléatoire d’une voie de signalisation, un stress mécanique, etc…

          Dans ce projet, nous exploiterons la puissance de l’imagerie de molécule unique pour étudier la transcription virale dans les cellules infectées de manière latente par le VIH-1. Nous avons précédemment développé des systèmes permettant de visualiser des molécules uniques d’ARN viral dans des cellules vivantes, et ces méthodes sont parfaitement adaptés pour détecter les rares événements de transcription virale qui se produisent dans les cellules latentes. Grâce à de l’imagerie de cellules vivantes à haut débit, nous déterminerons:

• But 1: l’activité transcriptionnelle virale dans un grand nombre de cellules T latentes;
• But 2: l’hétérogénéité de la réponse virale à l’activation cellulaire;
• But 3: la contribution des facteurs extrinsèques et intrinsèques à ces évènements de transcription.

Ce projet offrira une vision renouvelée de la latence virale et aidera à concevoir des stratégies plus efficaces pour combattre le virus.

Comme la plupart des virus à ADN et certains virus à ARN, le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) se réplique uniquement dans le noyau et a donc développé tous les éléments nécessaires pour détourner la machinerie cellulaire pour son transport à travers le pore nucléaire. De manière intrigante, il semblerait que la capside virale, qui est un assemblage d’hexamères et de pentamères de CA, et dont on pensait à l’origine qu’elle était désassemblée dans le cytoplasme, joue en fait un rôle clé dans l’import nucléaire et entre dans le noyau avec le génome viral. Dans une publication récente, nous avons identifié un signal de localisation nucléaire (NLS) atypique dans une boucle exposée de CA qui est spécifiquement reconnu par la beta-karyophérine Transportin (également appelée TRN-1/nom de gène TNPO1) (Fernandez et al., Nat Microbiol 2019). La liaison de la TRN-1 aux hexamères de CA permet l’import nucléaire du VIH-1 et déclenche la décapsidation. Notre étude a identifié, à la fois sur CA et TRN-1, des résidus clés pour l’interaction. Par conséquent, en utilisant la modélisation informatique, nous avons passé au crible des chimiothèques enrichies en inhibiteurs d’interaction protéine-protéine pour trouver des molécules qui pourraient se lier à l’interface TRN-1::CA. Nous avons identifié 40 molécules que nous avons testées sur cellules indicatrices d’infection. Cela nous a permis d’identifier un inhibiteur potentiel de l’import nucléaire du VIH-1, appelé H27, ainsi que plusieurs analogues structuraux. L’objectif du projet est de caractériser les mécanismes d’action de H27 et de ses analogues en (1) examinant leur spécificité, (2) évaluant leur effet sur la stabilité et la décapsidation du VIH-1, (3) vérifiant que leur effet est dépendant de TRN-1 et (4) améliorant les molécules pour atteindre une meilleure IC50 et déterminer les relations structure-fonction. La capside du VIH-1 est depuis longtemps considérée comme une cible thérapeutique, et plusieurs inhibiteurs ciblant la protéine CA ont déjà été décrits. Si notre projet aboutit, nous identifierons une nouvelle classe d’inhibiteurs de la capside du VIH, qui bloquent l’interface TRN-1::CA. Nous espérons qu’ils pourront agir comme de puissants inhibiteurs de l’import nucléaire, soit spécifique du VIH-1, soit aussi d’autres virus qui dépendent également de TRN-1 pour leur désassemblage et/ou import nucléaire, tels que le virus de la grippe. Nous espérons également qu’en élucidant le mode d’action de ces molécules nous comprendrons davantage comment TRN-1 coordonne le transport nucléaire et le désassemblage de capsides virales en cellules infectées.

La résistance, la tolérance et la persistance sont trois phénomènes par lesquels les bactéries peuvent échapper—de façon permanente (résistance) ou transitoire (tolérance et persistance)—au pouvoir bactéricide d’un antibiotique. Aussi, la tolérance et la persistance compliquent le traitement des infections bactériennes, dont la tuberculose : elles allongent la durée des traitements, sont responsables des rechutes d’infection, et contribuent au développement de résistance. Cibler les bactéries tolérantes et persistantes pourrait donc améliorer les traitements et limiter l’antibiorésistance. Cependant, ceci nécessite une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires bactériens sous-jacents et de la contribution de l’immunité de l’hôte dans ces phénomènes.

Tolérance et persistance augmentée—qui réfère à une augmentation de la proportion de bactéries persistantes dans une population—peuvent être causées par l’acquisition d’une mutation stable. L’étude de tels mutants permet de mieux comprendre les mécanismes moléculaires engagés par les bactéries pour survivre de façon transitoire au traitement antibiotique, mais l’isolation de ces mutants est souvent rendue difficile par la présence de bactéries résistantes capable de croitre en présence d’antibiotique. Aussi, nous avons développé une méthode—appelée ReMIND pour « Recombination Mediated Isolation of Non Dividers –pour enrichir et sélectionner les bactéries qui survivent mais ne poussent pas en présence d’antibiotique et les discriminer des bactéries résistantes. Le travail proposé ici vise à établir une preuve de concept que ReMIND peut être utilisé in vitro et dans des macrophages –la niche préférée de Mycobacterium tuberculosis—pour isoler des mutants tolérants et à persistance augmentée. A plus long terme, cette méthode nous permettra d’étudier le rôle des mécanismes immunitaires de l’hôte dans l’émergence de tolérance et persistance chez Mycobacterium tuberculosis. En combinaison avec les traitements antituberculeux actuels, les voies de signalisation de l’hôte qui favorisent l’apparition de bactéries tolérantes ou persistantes pourraient donc faire l’objet de thérapies dirigées contre l’hôte pour prévenir l’apparition d’antibiorésistance. Par ailleurs, nos futurs travaux pourront aussi permettre d’identifier des cibles mycobactériennes dont l’inhibition aura le potentiel de raccourcir la durée du traitement antituberculeux, diminuer les taux de rechute et réduire le développement de résistance. Enfin, puisque la survie augmentée précède la résistance per se, l'approfondissement de nos connaissances sur les mutations favorisant la tolérance et/ou la persistance augmentée pourrait permettre de prédire—d’un point de vue probabiliste—et d’anticiper l’apparition de résistance génétique chez des patients traités.

Chlamydia trachomatis (Ct) est une bactérie intracellulaire obligatoire qui se développe principalement dans les cellules épithéliales. L'infection génitale à Ct, infection bactérienne sexuellement transmissible (IST) la plus courante en Europe, est particulièrement répandue chez les jeunes femmes et peut entraîner une stérilité tubaire et une grossesse extra-utérine. Les antibiotiques recommandés ne parviennent pas, chez certaines patientes, à éradiquer les formes "persistantes" de Ct. En outre, ils modifient profondément la flore naturelle du tractus génital, qui constitue une ligne de défense importante contre les infections par Ct et d'autres micro-organismes.

À la recherche de stratégies innovantes pour lutter contre les infections par Ct, nous avons décidé de cibler la capacité de Ct à détourner la machinerie épigénétique de l'hôte à leur avantage. Nous avons émis l'hypothèse que le blocage des modifications épigénétiques induites par Ct pourrait favoriser la défense de l'hôte contre l'infection et faciliter sa résolution par le système immunitaire. Un criblage de molécules ciblant les méthyltransférases agissant sur les histones ou l'ADN a permis d'identifier deux composés ayant une forte activité antimicrobienne contre Ct. Ces molécules n'affectent pas la croissance de trois autres bactéries testées, y compris des bactéries de la flore vaginale, ce qui indique qu'elles représentent des pistes prometteuses pour des traitements spécifiques contre Ct.

L'objectif du projet est d'étudier en profondeur les activités anti-Chlamydia de ces deux composés, A79 et C49, d'améliorer leur efficacité par optimisation chimique et de décrypter leur mode d'action.

Il associe une équipe experte en biologie de Chlamydia (équipe A) et une équipe experte en chimie médicinale de l'épigénétique (équipe B). Le projet nécessitera un va-et-vient continu entre les deux équipes, l'équipe B générant de nouveaux dérivés des composés, dont l'activité in vitro sera testée par l'équipe A jusqu'à l'obtention de composés optimisés qui seront finalement testés dans des modèles in vitro complexes et in vivo.

Ct suit un cycle de développement bi-phasique complexe et nous déterminerons quelle(s) étape(s) est (sont) affectée(s). Nous déterminerons si les molécules peuvent s'attaquer à la phase persistante de l'infection, soit en empêchant l'entrée ou le maintien des bactéries dans la persistance, soit en forçant leur sortie de la persistance. Grâce à des techniques de biologie chimique telles que la protéomique de profilage thermique, le pull-down chimique et la transcriptomique, nous révélerons la base mécaniste de l'activité anti-Ct des médicaments. Enfin, les composés biologiquement actifs optimisés seront testés dans des modèles cellulaires élaborés d'infection et dans des modèles murins d'infection à Ct. 

Ces travaux permettront de comprendre le mécanisme de la forte inhibition exercée par A79 et le C49 sur le développement de Ct in vitro. Ils permettront de déterminer si ces molécules peuvent s'attaquer aux formes persistantes de la bactérie et leur effet sur d'autres espèces de l'appareil génital féminin. La réalisation du projet permettra de déterminer si ces molécules, une fois optimisées, peuvent être développées en phase préclinique et en phase de développement de médicaments par le biais d'un partenariat industriel.

Les études fondamentales du cycle du virus de l'hépatite B (VHB) sont couramment conduites à l'aide de modèles cellulaires majoritairement employés dans des conditions environnementales de pression partielle en oxygène (normoxie ; pO2 de 21%). L'hépatocyte in situ évolue pourtant dans un environnement naturel faiblement chargé en oxygène (hypoxie physiologique ; pO2 entre 3 et 8%, entre la veine centro-lobulaire et l'espace porte). Or, l'hypoxie physiologique a un impact majeur sur les cellules hépatocytaires, notamment sur l'homéostasie lipidique et la physiopathologie associée. Ainsi les conditions d'études usuelles du VHB en laboratoire (normoxie) sont susceptibles de modifier profondément une ou des étapes naturelles du cycle viral et/ou les interactions entre virus et environnement cellulaire.

En station hypoxique dédiée, nous avons développé au laboratoire un modèle de culture de cellules cultivées sous hypoxie physiologique pour l'étude de la morphogenèse et du caractère infectieux du VHC. Ce modèle confirme l'activation du métabolisme lipidique cellulaire et montre un impact positif important sur la formation et le pouvoir infectieux des particules virales produites. L'hypoxie physiologique est ainsi un acteur majeur de la morphogenèse, de l'antigénicité et de l'infectiosité des virions du VHC ; des conséquences qui peuvent tout à fait se concevoir pour le VHB, un autre virus hépatotrope dont le cycle est aussi sous la dépendance des lipides intracellulaires. Des études publiées par d'autres groupes ont d'ailleurs identifié, in vitro comme in vivo, que la réplication virale était très positivement affectée par la culture de cellules en hypoxie physiologique, attestant de l'importance du taux naturel en O2 sur le cycle viral dans son ensemble.

L'objectif global de ce projet est donc d'étudier et de comprendre les mécanismes qui sous-tendent la formation des particules sous-virales (ou SVP) et complètes du VHB, mais aussi d'analyser le caractère infectieux des virions, dans des conditions physiologiques d'oxygénation des cultures cellulaires.

Pour cela, et à partir de résultats préliminaires prometteurs, plusieurs stratégies expérimentales complémentaires seront déployées, visant d'abord à caractériser le rôle spécifique de l'hypoxie sur le métabolisme lipidique et l'expression des SVPs du VHB en cellules productrices. Un travail particulier de l'étude du rôle éventuel de l'ApoE dans cette étape sera conduit, puisqu'elle a été montrée comme importante à la fois dans la morphogenèse et le caractère infectieux du VHB. Ce travail s'accompagnera d'une caractérisation morphologique et biochimique des SVPs produites par des approches biochimiques, d'imagerie en microscopie électronique et par spectrométrie de masse. Enfin, l'impact de l'hypoxie physiologique sur le pouvoir infectieux des virions du VHB sera étudié. D'une part, l'effet de l'hypoxie sur la production et le pouvoir infectieux des virions, que nous caractériserons biochimiquement, sera abordé mais d'autre part le rôle de l'hypoxie physiologique sur la sensibilité des cellules à l'infection par des virions produits en normoxie sera analysé.

Au final, en combinaison avec certaines caractéristiques lipidiques, ce projet nous permettra de mieux délimiter l'importance de l'hypoxie physiologique dans les étapes de morphogenèse mais aussi du pouvoir infectieux des virions du VHB néo-formés. Par le caractère original de la culture cellulaire, ce travail pourrait aussi permettre à terme d'identifier des caractéristiques virales et cellulaires utiles au développement d'approches thérapeutiques innovantes.