Studying mechanism of action of novel antiviral molecules against human coronavirus
Étude des mécanismes d’action de nouveaux inhibiteurs de coronavirus humains
Résumé
Coronaviruses are enveloped RNA viruses infecting mammals and birds. Four coronaviruses causing mild diseases, like common cold, have been described in human, HCoV-OC43, HCoV-229E, HCoV-NL63 and HCoV-HKU1. During the last two decades, three new, highly pathogenic coronaviruses have been identified the SARS-CoV (Severe Acute Respiratory Syndrom) in 2003, the MERS-CoV (Middle East Respiratory Syndrome) in 2012 and recently the SARS-CoV-2 in December 2019. The COVID-19 global outbreak caused by SARS-CoV-2, highlighted the lack of specific antiviral available against this family of virus. The team of Dr Karin SERON from the Cellular and Molecular Virology laboratory of the Center for Infection and Immunity of Lille, is specialized in the identification of antiviral compounds from natural origin. Indeed, plants are a source of natural therapeutic compounds and many plants are still being used in traditional medicine. The aim of my thesis was to identify natural antiviral agents against highly pathogenic human coronaviruses with the help of the knowledge and tools developed by the laboratory. My first project was carried out in collaboration with the group of Dr Simon Bordage from the Pharmacognosy laboratory of the Faculty of Pharmacy of Lille directed by Pr Sevser Sahpaz. Plant extracts from Ivorian plants used it traditional medicine were tested against the coronavirus HCoV-229E and we selected the most active, the Mallotus oppositifollius extract. After bio-guided fractionation, the active compound was isolated and characterized, the pheophorbide a (Pba). Pba is able to inhibit the infection of HCoV-229E and highly pathogenic coronaviruses MERS-CoV and SARS-CoV-2 (IC50 = 0.18 μM) as well as other enveloped viruses using a photo-dynamic inactivation mechanism. Pba targets the viral envelop and inhibits the fusion step. Pba is the first described natural antiviral against SARS-CoV-2 with direct photosensitive virucidal activity. This molecule could potentially be used in therapy or as disinfectant. My second project was about an anthocyanidin, the delphinidin, identified in the laboratory for its antiviral activity against hepatitis C virus. We showed that delphinidin is an entry inhibitor of coronaviruses in a dose-dependent manner for HCoV-229E, MERS-CoV and SARS-CoV-2 (IC50 = 16-20 μM). Our results show that delphinidin targets the glycosylation sites on the surface protein S. Thanks to a collaboration with the laboratory of Medicinal and Bioorganic Chemistry of Strasbourg, led by Dr Mourad Elhabiri, delphinidin synthetic derivates were screened in order to identify compounds with higher antiviral capacities. We thereby identify an active compound against HCoV-229E with a lower IC50 than delphinidin (IC50 = 0.06 μM). Surprisingly, its mechanism of action seems to be different than delphinidin with an activity at the replication step.In conclusion, during my thesis I was able to identify new natural antivirals against human coronaviruses, and in particular SARS-CoV-2, with novel mechanisms of action. This work may serve as a basis for obtaining molecules that can be used in the future for the treatment of coronavirus diseases.
Les coronavirus sont des virus ARN enveloppés qui infectent les mammifères et les oiseaux. Chez l’homme, quatre coronavirus causent des maladies bénignes comme des rhumes et rhinites, HCoV-OC43, HCoV-229E, HCoV-NL63 et HCoV-HKU1. Au cours des deux dernières décennies, trois nouveaux coronavirus hautement pathogènes ont été identifiés, le SARS-CoV (« Severe Acute Respiratory Syndrome ») en 2003, le MERS-CoV (« Midle East Respiratory Syndrome ») en 2012 et récemment le SARS-CoV-2 en décembre 2019. La pandémie mondiale du COVID-19 a mis en évidence le manque d’antiviraux ciblant les coronavirus. Bien que de nombreux vaccins efficaces soient développés pour contrer la pandémie de COVID-19 due au SARS-CoV-2, il n’y a toujours aucun antiviral spécifique commercialisé contre ce virus et les traitements actuels consistent à traiter uniquement les symptômes.L’équipe du Dr Karin SERON du laboratoire de Virologie Moléculaire et Cellulaire du Centre d’Infection et d’Immunité de Lille s’est spécialisée dans l’identification d’antiviraux d’origine naturelle. En effet les plantes sont une source importante de molécules thérapeutiques et de nombreuses plantes sont encore utilisées aujourd’hui en médecine traditionnelle. L’objectif de ma thèse a été d’utiliser les connaissances et techniques développées par le laboratoire pour identifier des antiviraux naturels contre les coronavirus humains hautement pathogènes et de comprendre leurs mécanismes d’action. Mon premier projet a été réalisé en collaboration avec le groupe de Dr Simon Bordage du laboratoire de Pharmacognosie de la Faculté de Pharmacie de Lille dirigé par le Pr Sevser Sahpaz. Suite au criblage d’extraits de plantes, utilisées en médecine traditionnelle ivoirienne, contre le coronavirus HCoV-229E, nous avons sélectionné l’extrait de Mallotus oppositifollius qui était le plus actif. Après un fractionnement bioguidé, le principe actif a été isolé et identifié. Il s’agit du phéophorbide a (Pba). Le Pba inhibe HCoV-229E mais aussi les coronavirus hautement pathogènes MERS-CoV et SARS-CoV-2 (IC50 = 0,18 μM) ainsi que d’autres virus enveloppés par un mécanisme de photo-inactivation dynamique. Nous avons montré que le Pba cible la membrane virale et inhibe l’étape de fusion. Le Pba est le premier antiviral naturel possédant une activité virucide photo-dépendante décrite contre le SARS-CoV-2. Cette molécule pourrait potentiellement être utilisée en thérapie clinique ou comme désinfectant de surface. Mon deuxième projet porte sur une anthocyanidine, la delphinidine, déjà décrite par notre laboratoire comme antiviral contre le virus de l’hépatite C. Nous avons montré que la delphinidine inhibe de façon dose-dépendante l’entrée des coronavirus HCoV-229E, MERS-CoV et SARS-CoV-2 dans les cellules (IC50 = 16-20 μM). Nos résultats montrent que la delphinidine cible les sites de glycosylation de la protéine de surface S. Grâce à une collaboration avec le laboratoire de Chimie Bio-organique et Médicinale de Strasbourg, dirigé le Dr Mourad Elhabiri, nous avons criblé des dérivés de la delphinidine afin d’identifier des molécules plus actives. Nous avons ainsi identifié un composé actif contre le HCoV-229E à une concentration très faible (IC50 = 0,06 μM) mais qui semble avoir un mécanisme d’action différent de la delphinidine. En effet, il est actif à l’étape de réplication.En conclusion, au cours de ma thèse j’ai pu identifier de nouveaux antiviraux naturels contre les coronavirus humains et notamment le SARS-CoV-2 ayant des mécanismes d’action inédits. Ces travaux pourront servir de base à l’obtention de molécules pouvant être utilisées, dans l’avenir, pour le traitement des maladies à coronavirus.
Origine : Version validée par le jury (STAR)