Facteurs génétiques et infectieux à l’origine de la variabilité populationnelle de la réponse immunitaire à l’infection par le SARS-CoV-2 – COVID-19-POPCELL

Nous proposons: 1) d’utiliser les technologies de séquençage en cellules uniques, pour analyser la variabilité de la réponse immunitaire à l’infection par le SARS-CoV-2 chez des individus d'origine Africaine et Européenne; 2) d’identifier à l’échelle unicellulaire, grâce à des techniques de séquençage de la chromatine accessible (ATAC-seq), des régions régulatrices dont l’activité reflète les expositions passées à des pathogènes et qui altèrent l’état d’activation du système immunitaire; et 3) d’évaluer la contribution de la génétique de l’hôte à la régulation de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2, en cartographiant les déterminants génétiques de l’expression génique (eQTLs), dans les cellules mononuclées du sang périphérique de 200 individus sains.

Nous avons appris que, si la stimulation avec SARS-CoV-2 n’induit
pas d’infection productive dans les PBMCs après 6 ou 24 heures, les cellules sont bien capables d’y répondre. De plus, tandis que les réponses des cellules B, T et NK sont très similaires entre virus, impliquant un module de gènes stimulés par les interférons (ISGs ; e.g., ISG15, ISG20, MX1, OAS3), la nature de la réponse myéloïde est, quant à elle, plus virus-dépendante. Tandis que la réponse des cellules myéloïdes à IAV est caractérisée par une plus forte induction des ISGs (i.e., interferon-stimulated genes), celle induite par SARS-CoV-2 passe surtout par des gènes impliqués dans des processus inflammatoires (e.g., IL1B, IL6, CXCL8 et TNFAIP6). Ainsi, le fait que nos données capturent la transition d’une réponse antivirale à une réponse proinflammatoire, caractéristique de l’infection par SARS-CoV-2, nous conforte dans le choix des PBMCs comme système pour modéliser cette réponse.

Si cette cinétique n’a pas vocation à être une étude populationnelle, avec 8 individus nous avons assez de puissance statistique pour détecter autour de 1,000 gènes différentiellement exprimés, dans au moins un type cellulaire, point temporel ou condition, entre les cellules issues d’individus d’origine européenne et africaine. Parmi ces gènes on trouve IFITM3, important
médiateur de la réponse antivirale, qui est beaucoup moins exprimé dans les cellules d’origine européenne dans tous les types cellulaires et dans toutes les conditions. Néanmoins, tandis que dans les cellules NK la différence d’expression d’IFITM3 entre populations est constante entre
conditions, celle-ci s’accentue significativement après stimulation dans les cellules T CD4+. Ainsi, en apportant la résolution du type cellulaire, nous voyons apparaître des différences entre populations qui nous seraient autrement voilées.

Notre étude identifiera des acteurs cellulaires majeurs de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2, ainsi que les déterminants génétiques et les mécanismes moléculaires qui sous-tendent les différences de réponse immunitaire entre individus de différentes origines ethniques. De manière générale, ce projet devrait nous permettre de comprendre la façon dont la génétique de l’hôte, l’origine ethnique, et l’histoire infectieuse des individus interagissent pour façonner la diversité de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2. Il permettra également de disséquer les mécanismes génétiques impliqués dans la susceptibilité à la COVID-19 et sa sévérité, et d’identifier les variants causaux aux loci identifiés par les études d’association en génome entier. De cette manière, il facilitera la transposition de ces études pour le développement de nouvelles stratégies préventives et thérapeutiques.

Mary B O'Neill, Yann Aquino, Aurelie Bixiaux, Zhi Li, Sarah Merkling, Julien Pothlichet, Helene Quach, Nikaia Smith, Darragh Duffy, Valentina Libri, Milena Hasan, Shen-Ying Zhang, Qian Zhang, Laurent Abel, Jean-Laurent Casanova, Nadia Naffakh, Maxime Rotival, Lluis Quintana- Murci. Population Differences in Epigenetic and Transcriptional Responses to
Challenge by RNA viruses at the Single-Cell Level. Biology of Genomes 2021, Cold Spring Harbor Laboratories, New York, USA

Yann Aquino, Mary B O'Neill, Aurelie Bixiaux, Zhi Li, Sarah Merkling, Julien Pothlichet, Helene Quach, Nikaia Smith, Darragh Duffy, Valentina Libri, Milena Hasan, Shen-Ying Zhang, Qian Zhang, Laurent Abel, Jean-Laurent Casanova, Nadia Naffakh, Maxime Rotival, Lluis Quintana-Murci. A single-cell view of the innate immune response to influenza A virus and
SARS-CoV-2 across human populations. Pasteur-Rockefeller Online Retreat 2021

L’homéostasie du système immunitaire nécessite un équilibre constant entre des signaux pro- et anti-inflammatoires. En temps normal, cet équilibre est maintenu par un réseau complexe de cascades de signalisations et d’interactions cytokiniques. Cependant, un faisceau d’indices suggère que l’état d’équilibre du système immunitaire diffère d’un individu à l’autre, et entre populations humaines. Ce projet vise à caractériser, au niveau cellulaire et populationnel, la variabilité de la réponse immunitaire humaine à l’infection par le SARS-CoV-2, l’agent infectieux responsable de la pandémie de COVID-19. En effet, plusieurs études épidémiologiques suggèrent que la sévérité des symptômes de la COVID-19 diffèrent selon l’origine ethnique des individus. Si l’accès aux soins, les inégalités de santé et des comorbidités préexistantes peuvent expliquer une partie de ces différences, les facteurs génétiques et l’histoire infectieuse des individus peuvent également jouer un rôle. De plus amples investigations sont ainsi nécessaires pour mieux comprendre les facteurs de risques (moléculaires et génomiques) à l’infection par le SARS-CoV-2. Nous faisons l’hypothèse que: (i) l’architecture de la réponse immunitaire diffère entre individus et entre populations; (ii) ces différences sont dues à la fois à des facteurs héritables (génétique de l’hôte et origine ethnique) et non-héritables (histoire infectieuse et état d’activation du système immunitaire); et (iii) des altérations de la réponse immunitaire contribuent aux inégalités observées entre individus et populations, tant dans la susceptibilité à la COVID-19 que dans la sévérité de ses symptômes. Afin de tester ces hypothèses, nous proposons: 1) d’utiliser les technologies de séquençage en cellules uniques, pour analyser la variabilité de la réponse immunitaire à l’infection par le SARS-CoV-2 chez des individus d'origine Africaine et Européenne; 2) d’identifier à l’échelle unicellulaire, grâce à des techniques de séquençage de la chromatine accessible (ATAC-seq), des régions régulatrices dont l’activité reflète les expositions passées à des pathogènes et qui altèrent l’état d’activation du système immunitaire; et 3) d’évaluer la contribution de la génétique de l’hôte à la régulation de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2, en cartographiant les déterminants génétiques de l’expression génique (eQTLs), dans les cellules mononuclées du sang périphérique de 200 individus sains. Ce faisant, cette étude identifiera des acteurs cellulaires majeurs de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2, ainsi que les déterminants génétiques et les mécanismes moléculaires qui sous-tendent les différences de réponse immunitaire entre individus de différentes origines ethniques. De manière générale, ce projet devrait nous permettre de comprendre la façon dont la génétique de l’hôte, l’origine ethnique, et l’histoire infectieuse des individus interagissent pour façonner la diversité de la réponse immunitaire au SARS-CoV-2. Il permettra également de disséquer les mécanismes génétiques impliqués dans la susceptibilité à la COVID-19 et sa sévérité, et d’identifier les variants causaux aux loci identifiés par les études d’association en génome entier. De cette manière, il facilitera la transposition de ces études pour le développement de nouvelles stratégies préventives et thérapeutiques.