Dynamique Membranaire & Virus

Our keywords: Virology, neurobiology, cell biology, synaptic plasticity, intracellular trafficking, neurodegeneration, live cell imaging, machine learning, antivirals, secretion, extracellular vesicles, … Viruses we particularly like these days: Coronaviruses, Flaviviruses, Bunyaviruses, Hepatitis B virus, HIV, … The team members are working together on interdisciplinary fields in order to tackle major questions associated to virology, cell biology and neurobiology. Most precisely, we are oriented around three major axis :

• Membrane dynamics of viral and cellular components
• Impact of viruses on neural functions
• Technological development & translational research

All three are developed a bit further down. Stay with us !

Dynamique membranaire des composants viaruax et cellulaires

Virus de l’Hépatite B

Coord: Deffieu. Membres impliqués: Gaudin, Bohbot, Arroyo.

Nous étudions l’entrée et la sécrétion du virus de l’hépatite B (VHB) dans les hépatocytes. Notre étude retrace l’ensemble des mécanismes intervenant dans le trafic intracellulaire du VHB. Dans les étapes d’entrée, nous étudions les processus intervenant dans l’attachement du VHB aux récepteurs situés à la membrane plasmique, puis nous caractérisons la cinétique de sortie du virus des endosomes. Dans les évènements de sécrétion, nous caractérisons la dynamique des protéines de l’hôte participant à l’assemblage de la particule virale suivi de sa sécrétion hors de l’hépatocyte. Ces différents mécanismes sont décryptés en suivant la dynamique du VHB à l’échelle de la particule unique grâce à la microscopie de fluorescence sur cellules vivantes.

Chemins cellulaires associés à la sécrétion (chemins biosynthétiques et vésicules extracellulaires)

Coord: Deffieu. Membres impliqués: Gaudin.

Nous avons récemment découvert une nouvelle voie de sécrétion impliquant la petite protéine GTPase Rab7A (Deffieu et al, Sci Adv, 2022). Afin de déterminer le rôle de cette voie de sécrétion Rab7A, nous déterminons les partenaires moléculaires ainsi que les récepteurs qui transitent par cette voie. Nous cherchons à en caractériser sa fonction physiologique dans des cellules non polarisées et polarisées. Notre objectif est de développer une méthodologie spécifique permettant d’identifier et étudier de nouveaux mécanismes de transport impliqués dans la voie de sécrétion biosynthétique et la libération des vésicules extracellulaires (VE).

Entrée de Coronavirus

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Lebrun, Cogrossi, Gorda.

Nous cherchons à comprendre comment le SARS-CoV-2 pénètre dans les cellules cibles grâce à la mise au point de nouveaux outils moléculaires permettant de visualiser l‘attachement, l’internalisation et la fusion du virus avec les membranes cellulaires. Cette méthodologie nous permet de décrypter le rôle des facteurs de l’hôte aux premiers stades de l’infection.

Remodélisation du RE après infection

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Deffieu, Bouget, Lebrun, Cogrossi.

La réplication des flavivirus et des coronavirus a lieu dans le réticulum endoplasmique (RE), conduisant à un remodelage subcellulaire important. Notre laboratoire étudie comment les virus modulent les fonctions du RE et les mécanismes sous-jacents dans des lignées cellulaires et neurones. De plus, nous avons conçu une série de petites molécules exclusives ciblant le RE qui présentent de très bonnes propriétés antivirales à large spectre. Grâce à des techniques de pointe en microscopie et spectrométrie de masse, nous caractérisons le mode d’action et la cible de ces composés.

Impact des virus sur les fonctions neuronales

Maladie de Parkinson

Coord: Desagher. Membres impliqués: Gaudin, Kumarasinghe, Gaudillat.

Des études épidémiologiques ont établi un lien entre des infections virales et des maladies neurodégénératives, notamment entre la grippe et la maladie de Parkinson. Afin de déterminer si l’infection des neurones par le virus de la grippe est un événement déclencheur dans la pathogenèse de la maladie de Parkinson, nous étudions l’impact de ce virus sur l’alpha-synucléine, une protéine dont l’accumulation et l’agrégation jouent un rôle majeur dans cette maladie.

Plasticité synaptique

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Desagher, Bouget, Almeida, Béchard, Gorda, Arroyo, Saini.

Les virus impactent significativement les fonctions neurologiques, provoquant des encéphalites potentiellement mortelles ainsi que des symptômes neurocognitifs plus subtils, comme nous l’avons récemment synthétisé dans une revue (Bouget et al., Trends Neurosci, 2025). Notre laboratoire étudie comment l’exposition aux virus peut induire des dysfonctions synaptiques en combinant différentes approches, notamment l’imagerie à haute résolution, l’électrophysiologie et la spectrométrie de masse. Afin de mieux représenter la complexité de l’architecture du cerveau, nous utilisons des organoïdes cérébraux et des cultures organotypiques d’explants de cerveau humain adulte post-mortem (OPAB), qui présentent un réseau neuronal et une plasticité pertinente.

Perturbation des fonctions neuronales par exposition au VIH

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Lutz, Béchard, Brychka, Ouedraogo, Balaji.

Les antiviraux actuels sont très efficaces pour inhiber l’infection par le VIH, mais aucun médicament ne permet d’éliminer complètement le virus chez les personnes infectées. Le cerveau est un réservoir majeur pour la persistance du virus, et des troubles neurocognitifs associés au VIH (HAND) ont été largement décrits. Grâce à un criblage sur des organoïdes cérébraux infectés par imagerie confocale, couplé au développement d’un nouveau cadre d’apprentissage automatique auto-supervisé (self-supervised learning : SSL), nous cherchons à prédire et à classifier les perturbations morphologiques des neurones et des astrocytes spécifiques au VIH, ainsi que les effets de traitements thérapeutiques. Combiné au séquençage d’ARN unicellulaire (scRNAseq), notre objectif est de déterminer les principales voies impliquées dans les HAND et les moyens de les contrer, en utilisant des indicateurs fonctionels.

Traverser la Barrière Hémato-Encéphalique

Coord: Gaudin. Membres impliqués : Arroyo, Béchard, Krahel, Saini.

Les virus peuvent pénétrer dans le cerveau de différentes manières, notamment par la stratégie du cheval de Troie. Notre laboratoire étudie comment les virus détournent les mécanismes et les cellules hôtes pour franchir la barrière hémato-encéphalique (BHE) composée de cellules endothéliales. De plus, même en l’absence d’invasion cérébrale, les virus sont capables de perturber significativement le système neurovasculaire (NVU), entraînant des perturbations neurologiques indirectes. Grâce à des transwells et à des approches microfluidiques, notre objectif est de mieux comprendre les mécanismes par lesquels les virus perturbent le dialogue entre l’endothélium et le cerveau.

Développements technologiques et recherches transversales

Modèles neuronaux 3D

Coord:Gaudin. Membres impliqués: Desagher, Bouget, Gorda, Almeida.

Notre laboratoire utilise des cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC) pour la production d’organoïdes cérébraux, de petites sphères de neurones, d’astrocytes et de cellules progénitrices neurales, présentant une architecture cérébrale fœtale primitive. Ces dernières années, nous avons également développé et standardisé la culture organotypique d’explants de cerveau adulte post-mortem (OPAB), capables de se maintenir en culture pendant plusieurs mois (Partiot, Gorda, et al., EMBO Mol Med, 2024). Ces modèles neuronaux 3D servent à évaluer les mécanismes moléculaires par lesquels les virus détournent les mécanismes de l’hôte et provoquent des dysfonctionnements neuronaux.

Antiviraux

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Deffieu, Cogrossi, Lebrun, Gorda, Lutz, Béchard.

Dans le cadre des recherches mécanistiques que nous entreprenons, notre laboratoire s’efforce, lorsque cela est possible, de convertir certaines découvertes en de nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons notamment conçu une série de petites molécules exclusives ciblant le réticulum endoplasmique, qui présentent de puissantes propriétés antivirales à large spectre. Grâce à des techniques avancées de microscopie et de spectrométrie de masse, nous caractérisons le mode d’action et la cible de ces composés. De plus, nous développons de nouveaux pipelines basés sur l’IA pour prédire l’efficacité de petites molécules et identifier de nouveaux antiviraux orientés vers des traitements symptomatiques.

Biophysique de la salive contenant des virus

Coord:Gaudin.Membres impliqués: Cogrossi, Ouedraogo, Gorda, Lebrun.

Notre laboratoire cherche à comprendre comment la composition de la salive influence l’infectiosité du SARS-CoV-2. En effet, certaines personnes semblent très contagieuses (superspreaders), tandis que d’autres ne le sont pas, une observation qui ne s’explique pas par la charge virale salivaire. À partir d’échantillons de salive cliniques provenant de donneurs infectés et non infectés, nous cherchons à identifier les déterminants de l’infectiosité du SARS-CoV-2.

Bioinformatique et Intelligence Artificielle

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Lutz, Ouedraogo, Balaji.

Notre laboratoire a développé un logiciel « user-friendly » permettant d’analyser de manière non-biaisée les enregistrements électrophysiologiques de neurones, d’organoïdes et d’explants cérébraux cultivés in vitro, ainsi que les électroencéphalogrammes (EEG) de patients. Ce logiciel repose sur un algorithme RFC simple, adapté au type de données enregistrées. Nous implémentons également des algorithmes d’apprentissage auto-supervisé (SSL) plus sophistiqués pour l’analyse d’images de microscopie, grâce à la génération de notre propre « foundation model ». Par ailleurs, notre laboratoire a investi des efforts importants dans l’analyse de données unicellulaires, notamment le séquençage d’ARN unicellulaire (scRNAseq) et la protéomique unicellulaire (scP). Si les analyses scRNAseq sont déjà bien établies, la scP souffre d’un manque de pipelines validés, en particulier pour l’imputation, la normalisation, l’agrégation et la labélisation des types cellulaires. Nous nous engageons donc à fournir des pipelines robustes pour des analyses approfondies de données scP.

Protéomique unicellulaire (spatiale)

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Almeida, Ouedraogo.

Au sein d’un consortium national, notre laboratoire développe des méthodologies novatrices pour réaliser des analyses protéomiques spatiales unicellulaires (scSP) avancées. En collaboration avec nos partenaires, nous développons en parallèle la préparation d’échantillons biologiques, la segmentation et l’isolement par intelligence artificielle, ainsi qu’une spectrométrie de masse ultrasensible afin de déterminer si les bunyavirus peuvent interférer avec le protéome neural.

Systèmes neurohybrides

Coord: Gaudin.Membres impliqués: Béchard.

Notre laboratoire collabore dans des projets interdisciplinaires visant à reproduire in vitro les fonctions d’apprentissage fondamentales du cerveau humain. L’objectif final est d’explorer comment les virus peuvent perturber les fonctions cognitives sans avoir à utiliser d’animaux.

Microfluidique

Coord: Gaudin. Membres impliqués: Béchard.

Nous avons récemment mis en œuvre des dispositifs microfluidiques permettant d’injecter et de collecter des éléments biologiques ou chimiques à partir d’explants cérébraux, tout en enregistrant leur activité électrophysiologique. Cette approche est en cours d’extension aux organoïdes et à la culture de cellules endothéliales de la BBB.

Outils moléculaires pour l’imagerie en temps réel

Coord: Deffieu. Membres impliqués: Gaudin, Desagher, Lebrun, Gorda, Almeida, Bouget, Arroyo, Bohbot.

Notre laboratoire conçoit et/ou utilise un large panel de virus rapporteurs (HBV, HCV, SARS-CoV-2, HIV, hCoV-229E, DENV, WNV, ZIKV, BUNV, etc.) fusionnés à des protéines fluorescentes brillantes et photostables ou à la luciférase pour suivre l’entrée, la réplication et la sortie des particules virales. De plus, nous utilisons des stratégies d’insertion CRISPR-Cas9, le couple nanobody-ALFA, le tag APEX, et d’autres marqueurs originaux, pour observer le traffic des protéines cellulaires et les interactions virus-hôte dans les cellules vivantes. Ces outils nous permettent d’élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents.

Les plasmides de l’équipe sont disponibles sur:

Raphael Gaudin Lab Find and request materials through

Our team « Membrane Dynamics & Viruses » (MDV) aims at studying virus-host interactions at different spatiotemporal scales. The viruses studied in the lab allow us to better understand physiological molecular and cellular mechanisms, and vice-versa, the investigation of cellular processes provides valuable information regarding viral subversion mechanisms. Specifically, our projects are focusing on three complementary axes:

1. The intracellular transport in/out: how do viruses (HBV, HCV, SARS-CoV-2, …) interact with their receptor at the cell surface of target cell? Conversely, how does the cell control neo-synthesized transmembrane viral receptor secretion and extracellular vesicles?
2. How viruses (Zika and HIV) cross the blood-brain barrier? What is the impact of brain exposure to viruses (Flaviviruses, Coronaviruses, Bunyaviruses, HIV, …)?
3. Development of novel antiviral molecules with broad spectrum. How to improve their potency, stability, solubility, bioavailability? What is the host protein targeted?

In project I, we have identified that DNAseI is encapsidated into viral particles during HBV assembly (Hallez et al., Nature Microbiol, 2019) and imaged the association of Core-DNAseI in real time (Figure 1).

Figure 1. 5D reconstruction of the spatiotemporal dynamics of HBV-Core (green) and DNAseI (red). As part of project II, we found that Zika virus and HIV enhance monocyte transmigration through the blood-brain barrier in vitro and in vivo. Our results reinforce the « Trojan Horse » hypothesis (Figure 2). Figure 2. Viral particles in the bloodstream infect (or are captured by) blood cells, which will transmigrate through the endothelium, allowing the virus to cross this impermeable barrier. We are routinely employing techniques related to the study of HBV, HCV, HIV, and Zika viruses, including RT-qPCR, Western blot, flow cytometry, immunostaining, RNA interference, plaque assays, … We also developed advanced methods for the study of virus-host interactions such as CRISPR/Cas9 knock-in/out, RUSH, high resolution 3D confocal live cell imaging, mass spectrometry, xenotypic zebrafish embryo model system, human explants, cerebral orgaoids derived from stem cells, … We have implemented the culture of stem cell derived cerebral organoids in the lab (Figure 3).   Figure 3. Confocal imaging of cerebral organoids

The philosophy of the lab is to go beyond technological limitations, not accepting “we can’t do it” as an answer, but rather “how are we going to achieve it?”.

The team is affiliated to the French society for cell biology (SBCF) and R.Gaudin is an elected member of the SBCF board council since 2016 R.Gaudin has been nominated as « full member » of the World Society for Virology (WSV) in 2019.

Current fundings

• PEPR MIE, coordinator R.Gaudin. Project ViroBrain.
• Recherche et Innovation à Risque (RI²), CNRS, coordinateur R.Gaudin. Project ProteoVir.
• ANRS, coordinator R.Gaudin. Project Barbie.
• ANRS PRFI, coordinator internationale avec le Brézil, coordinateur R.Gaudin. Project EviSyp.
• Human Frontiers Scientific Program (HFSP), coordinator R.Gaudin. Project DeViNe.
• ANR PRC, partner R.Gaudin. Project SCADRIV.
• ANR PRC, coordinator R.Gaudin. Project isiBrain.
• FRM, coordinator S.Desagher. Project Transcriptional regulation of alpha-synuclein in Parkinson’s disease.
• ANRS, coordinator M.Deffieu. Project  Hepatitis B Virus.

Previous fundings

• ANR
• ANRS
• Sidaction
• CNRS-INSB
• SATT AxlR
• La Région Occitanie
• Labex NUMEV
• Atip-Avenir
• FRM
• EMBO LTF
• INSERM-région
• Chaire d’attractivité Idex (Université de Strasbourg)
• Prestige (Européen)
• Programme Stefanik (Ambassade Franco-Slovaque)
• Initiation of collaboration with China (franco-chinese ambassy)
• Atip-Avenir