Transmission et physiopathologie de l'infection VIH : leçons tirées de l'étude des virus utilisant CXCR4 comme corécepteur
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The entry of HIV-1 into its target cells requires the interaction of its envelope glycoprotein (Env) on the surface of the virus with the receptor, CD4, and then with a co-receptor, CCR5 or CXCR4, depending on the viral tropism. Viruses that use CCR5 (R5 viruses) are predominantly represented in patients. Those using CXCR4, alone (X4 viruses) or in addition to CCR5 (R5X4 viruses) are rarely transmitted but their frequency increases during the course of the infection. A link between viral tropism and pathogenicity of the infection has been proposed. CXCR4-using viruses are more frequently associated with accelerated CD4TL decline than R5 viruses. Counterexamples to this general paradigm of increased pathogenicity of X4 viruses are, however, numerous, suggesting that there is heterogeneity in the pathogenicity of X4 viruses for which the molecular basis is not known. In my thesis, I studied the role of the natural ligand of CXCR4, i.e. the chemokine CXCL12, as a driving force of the evolution of these viruses during infection. Chemokine binding indeed blocks viral entry in vitro, suggesting that it represents a constraint to X4 viruses in vivo. We hypothesized that the viruses would evolve in the direction of escape from this constraint, leading to the shaping of their phenotypic properties, in particular their pathogenicity. To study this hypothesis, we measured the sensitivity to CXCL12 inhibition of about 30 viruses isolated from patients at different stages of infection. These experiments allowed us to identify that viruses resistant (RES) to CXCL12 inhibition are frequent in patients with low levels of CD4TL, frequently in the late stages of infection, more rarely during the primary infection. These results directed my work towards two axes, one dealing with the mechanisms of virus resistance to CXCL12 and its impact on the pathogenesis of the infection, the other with the mechanisms of X4 virus counter-selection during transmission. I showed that CXCL12 resistance is associated with changes in Env antigenic properties and results from viruses exploiting CXCR4 molecules that are weakly affine for CXCL12. My results also suggest that resistance to CXCL12 increases the ability of viruses to deplete CD4TL, including activated memory effector CD4TL from the peripheral blood. My results suggest that in anatomical sites where CXCL12 chemokine is expressed (e.g. lymphoid tissues), RES viruses will more efficiently infect CD4TL, especially naive cells. They will therefore be more likely to alter LTCD4 homeostasis, explaining their association with low LTCD4 levels in patients. The fact that these RES viruses are rare during the primary infection phase also led me in a second axis to question the mechanisms that lead X4 viruses to be counter-selected during transmission. These results suggested that contrary to the prevalent idea, CXCL12 is not the major factor in the counter-selection of X4 viruses and that other determinants are involved. My work suggests that differences in cell tropism, Envs antigenicity or type I interferon sensitivity do not fully explain why X4 viruses are less efficiently transmitted than R5 viruses. Other hypotheses will therefore be proposed in this respect in the light of recent data from the literature. Overall, this work improves our understanding of the pathophysiology and transmission of HIV-1. Also, the identification that RES viruses use different forms of CXCR4 than those used by CXCL12 allows us to consider counteracting these viruses to prevent CD4TL depletion in HIV+ patients on cART while preserving the essential homeostatic functions of the chemokine.
Abstract FR:
L'entrée du VIH-1 dans ses cellules cibles nécessite l'interaction de sa glycoprotéine d'enveloppe (Env) à la surface du virus avec le récepteur, CD4, puis avec un corécepteur, CCR5 ou CXCR4, selon le tropisme viral. Les virus qui utilisent CCR5 (virus R5) sont majoritairement représentés chez les patients. Ceux qui utilisent CXCR4, seuls (virus X4) ou en sus de CCR5 (virus R5X4) ne sont que rarement transmis mais leur fréquence s'accroit au cours de l'infection. Un lien entre tropisme viral et pathogénicité de l'infection a été proposé. Les virus utilisant CXCR4 sont plus fréquemment que les virus R5 associés à une accélération du déclin des LTCD4. Des contre-exemples à ce paradigme général de la pathogénicité accrue des virus X4 sont cependant nombreux, suggérant qu'il existe une hétérogénéité dans la pathogénicité des virus X4 dont les bases moléculaires ne sont pas connues. Lors de ma thèse, j'ai étudié le rôle du ligand naturel de CXCR4, i.e. la chimiokine CXCL12, comme force motrice de l'évolution de ces virus au cours de l'infection. La liaison de la chimiokine bloque en effet l'entrée virale in vitro, suggérant qu'elle représente une contrainte aux virus X4 in vivo. Nous avons émis l'hypothèse que ceux-ci évolueraient dans le sens d'un échappement à cette contrainte, conduisant à façonner leurs propriétés phénotypiques, en particulier leur pathogénicité. Pour étudier cette hypothèse, nous avons mesuré la sensibilité à l'inhibition par CXCL12 d'une trentaine de virus isolés de patients à différents stades de l'infection. Ces expériences ont permis d'identifier que des virus résistants (RES) à l'inhibition par CXCL12 sont fréquents chez les patients présentant des taux bas de LTCD4, fréquemment dans les phases tardives de l'infection, plus rarement au cours de la primo-infection. Ces résultats ont orienté mes travaux vers deux axes, l'un ayant trait aux mécanismes de la résistance des virus à CXCL12 et son incidence sur la pathogenèse de l'infection, l'autre aux mécanismes de la contre-sélection des virus X4 au cours de la transmission. J'ai montré que la résistance à CXCL12 est associée à des modifications des propriétés antigéniques d'Env et résulte de l'exploitation par les virus de molécules de CXCR4 faiblement affines pour CXCL12. Mes résultats suggèrent aussi que la résistance à CXCL12 accroit la capacité des virus à dépléter les LTCD4, notamment les LTCD4 effecteurs mémoires activés du sang périphérique. Mes résultats suggèrent que dans des sites anatomiques où la chimiokine CXCL12 est exprimée (e.g. tissus lymphoïdes), les virus RES infecteront plus efficacement les LTCD4, en particulier les cellules naïves. Ils seront donc plus enclins à altérer l'homéostasie des LTCD4, expliquant leur association avec des taux de LTCD4 bas chez les patients. Le fait que ces virus RES soient rares lors de la phase de primo-infection m'a aussi amenée dans le cadre d'un second axe à m'interroger sur les mécanismes qui conduisent les virus X4 à être contre-sélectionnés lors de la transmission. Ces résultats suggéraient que contrairement à l'idée prévalente, CXCL12 n'est pas le facteur majeur de la contre-sélection des virus X4 et que d'autres déterminants sont impliqués. Mes travaux suggèrent que des différences de tropisme cellulaire, d'antigénicité des Envs ou encore de sensibilité aux interférons de type I n'expliquent pas entièrement pourquoi les virus X4 sont moins efficacement transmis que les virus R5. D'autres hypothèses seront donc proposées à cet égard à la lumière de données récentes de la littérature. Dans son ensemble ce travail améliore notre compréhension de la physiopathologie et de la transmission du VIH-1. Aussi, l'identification que les virus RES utilisent des formes de CXCR4 différentes de celles utilisées par CXCL12 permet d'envisager de contrecarrer ces virus pour prévenir la déplétion des LTCD4 chez les patients VIH+ sous cART tout en préservant les fonctions homéostatiques essentielles de la chimiokine.