Mécanismes d'action antivirale de la ribavirine au cours de l'hépatite C : catastrophe d'erreur et/ou induction de la dégradation des ARN viraux ?

par Margot Morin (Morin-Dewaële)

Projet de thèse en Biologie cellulaire et moléculaire

Sous la direction de Jean-Michel Pawlotsky.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Créteil ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil) (laboratoire) et de Eq 18 - Virologie moléculaire et immunologie - Physiopathologie et thérapeutique des hépatites virales chroniques (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Le mécanisme moléculaire d'action antivirale de la ribavirine (RBV) au cours de l'infection par le virus de l'hépatite C est très particulier. En monothérapie la RBV exerce un effet antiviral très modeste et transitoire alors qu'en combinaison avec un antiviral dirigé contre le virus (antiviraux à action directe, AADs) ou contre l'hôte (interféron), la RBV augmente de façon considérable le taux de guérison définitive de l'infection, par un ou des mécanismes qui restent inconnus. La RBV pourrait également avoir cet effet synergique en combinaison avec d'autres approches antivirales bloquant le cycle de vie d'autres virus à ARN. Ceci souligne l'importance de la caractérisation des mécanismes d'actions moléculaires de la RBV dans un modèle infectieux permettant l'étude. Cette nécessité est renforcée par le fait que l'administration de la RBV est associée à des effets secondaires parfois invalidants. Pour répondre à cette problématique, le modèle infectieux du VHC sera utilisé. Les études par modélisation mathématique de cinétique virale de ce virus sous traitement ont montré que la RBV accélérait la seconde pente de décroissance virale (élimination des ARN viraux, c'est-à-dire guérison, des cellules infectées) et, en combinaison avec des AADs présentant une faible barrière de résistance, retardait la sélection de mutations de résistance. Parmi les mécanismes d'action de la RBV décrits, seul l'effet mutagène de la molécule conduisant à la génération d'une quasi-espèce virale de moins en moins infectieuse (« catastrophe d'erreur ») serait compatible avec l'accélération de la seconde pente de décroissance virale. Ce mécanisme a néanmoins fait l'objet d'études dont les résultats sont contradictoires, probablement du fait de l'utilisation de techniques disponibles peu sensibles. Les études menées par notre laboratoire sur les effets de la RBV en combinaison avec des AADs/interféron ainsi que des résultats préliminaires obtenus dans le modèle infectieux du VHC JFH1 nous ont amené à proposer une hypothèse originale, non mutuellement exclusive avec celle relative à la « catastrophe d'erreur », qui pourrait expliquer l'effet observé sur la deuxième pente et la guérison de l'infection. En effet, la ribavirine pourrait accélérer la dégradation des ARN viraux en présence d'un blocage de la réplication par les AADs et/ou l'interféron. Dans le modèle VHC JFH1, l'administration de RBV était associée à une augmentation de l'expression de XRN1, une 5'-exonucléase impliquée dans la dégradation de l'ARN du VHC et une diminution de la quantité de miR-122 dans les cellules, infectées ou non. Nous émettons l'hypothèse que ces deux phénomènes sont liés et induits par la ribavirine, à travers une perturbation de la maturation des miRNAs, dont le miR-122, majoritaire dans le modèle. Pour valider cette hypothèse nous utiliserons une combinaison d'approches techniques originales alliant des expériences de « pulse-chase » permettant d'étudier respectivement la synthèse (pulse) et la dégradation (chase) des ARN (viraux ou cellulaires), combinées à des analyses par NGS. Ainsi nous pourrons étudier : 1) l'effet de la ribavirine sur l'apparition de mutations nucléotidiques sur le génome viral complet par “shotgun metagenomic” afin de caractériser la catastrophe d'erreur ; 2) la maturation des ARNs non codants, dont les miRNAs et leurs précurseurs ; 3) la régulation transcriptionnelle (pulse) et post-transcriptionnelle (chase) des ARNs codant les acteurs de la dégradation cellulaire des ARN viraux ; 4) les interactions entre les miRNA et les ARNm par la technique du “CLASH”. La validation fonctionnelle des mécanismes mis en évidence permettront de comprendre le mode d'action de la RBV surla deuxième pente de décroissance virale afin d'envisager l'utilisation de cette molécule en combinaison avec d'autres antiviraux (spécifiques ou non spécifiques) et le développement d'alternatives non toxiques à la ribavirine pour leur utilisation dans ces indications comme dans celle du VHC.

  • Titre traduit

    Ribavirin antiviral mechanisms during hepatitis C infection : error catastrophe and/or induction of viral RNA degradation ?


  • Résumé

    The antiviral molecular mechanism of ribavirin (RBV) during HCV infection is unusual. In monotherapy, RBV only exerts a weak and transitory antiviral effect, while in combination with antivirals directed against the virus (Direct Acting Antivirals, DAAs) or the host (interferon), RBV increases considerably the response rate against infection, by one or several mechanisms which are still to determine. RBV could exert a comparable synergistic effect in combination with other antivirals blocking other RNA virus lifecycles. This emphasizes the need to characterize the mechanism of action of RBV in an infectious model allowing the study. This requirement is also essential because the administration of RBV could lead to serious secondary effects. To answer these questions we propose to use the Hepatitis C infectious model. Mathematical modeling of HCV kinetics during RBV treatment indicated that this molecule accelerated the second phase of viral decline (viral RNA elimination, clearance of infected cells) and, in combination with DAAs exhibiting low barrier to resistance, delayed the selection of resistance-associated mutations. Amongst the mechanisms of action described, only the mutagenic effect of RBV on HCV RNA, which leads to diminution of replicative fitness and viral extinction (“error catastrophe”), is compatible with the acceleration of the second phase of viral decline. However, results obtained regarding this mechanism are controversial, probably because the techniques used for this type of study lacked of sensibility. Research conducted by our laboratory regarding the role of RBV in combination with DAAs/interferon, and the preliminary results obtained in the infectious model HCV JFH1, leads us to propose an original hypothesis which could explain the role of RBV in the second phase of viral decline and HCV infected cells clearance, without excluding the “error catastrophe” possibility. In fact, RBV could accelerate the degradation of HCV RNAs during the inhibition of replication via DAAs/interferon treatment. In the JFH1 infectious model, treatment with RBV was associated with an increase in the expression of XRN1, a 5'- RNase implicated in HCV decay, and a decrease in miR-122 quantities, in infected or non-infected cells. We propose that these two mechanisms are linked and induced by RBV, through perturbation of microRNAs maturation, including miR-122, which is the most represented miRNA in the model. To validate our hypothesis, we will use a combination of original techniques including “pulse-chase” experiments allowing to study cellular and viral RNA synthesis (“pulse”) and degradation (“chase”) and Next Generation Sequencing (“NGS”). We will therefore be able to study 1) the effect of RBV on full length HCV genome mutagenesis (“shotgun metagenomic approach”) to evaluate the “error catastrophe” hypothesis, 2) the non-coding RNAs –including miRNAs and pre-miRNAs- maturation, 3) transcriptional (“pulse”) and post-transcriptional (“chase”) regulation of mRNA encoding members of the cellular RNA decay machinery, 4) the interaction between miRNAs and their mRNA targets (“CLASH”). Functional validation of the uncovered mechanisms will allow understanding the RBV mode of action on the acceleration of the second phase of viral decline, and therefore the possibility to use this molecule in combination with other specific or broad-spectrum antivirals, and to chemically improve RBV in order to obtain less toxic derived molecule for their administration in other RNA viral infections.