La protéine core du virus de l’hépatite C (VHC) serait responsable des principaux effets pathogènes du VHC, dont le développement de fibrose, stéatose, cirrhose et carcinome hépatocellulaire. Un cadre de lecture alternatif existe dans le gène de core, permettant la synthèse d’une autre protéine appelée ARFP (pour alternatate reading frame protein) ou protéine F (pour frameshift), dont le rôle reste encore mal compris. La présence de la protéine F lors de l’étude des fonctions biologiques de core ne pouvant être exclue, il est possible que certains rôles attribués à core reflètent en réalité l’activité de la protéine F. Afin de déterminer les fonctions biologiques de la protéine F dans les hépatocytes et son influence dans la pathogenèse associée au VHC, nous avons généré des lignées transgéniques de poissons zébrés (Danio rerio) dans lesquelles l’expression de deux versions de la protéine F (AF11opti et AUG26opti) a été ciblée au foie par l’utilisation du promoteur de la liver fatty acid binding protein (L-FABP). Le phénotype des poissons transgéniques de génération F2 a été analysé au niveau morphologique, histologique et microscopique afin de rechercher des signes de pathologie hépatique. Nos résultats ont démontré l’implication de la protéine F dans le développement de stéatose hépatique chez les deux lignées transgéniques, mais aucun signe de fibrose ou d’oncogenèse n’a été détecté. L’identification des mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’accumulation lipidique induite par la protéine F pourrait permettre de mieux comprendre son rôle dans la pathogenèse du VHC, et mener au développement de nouvelles stratégies antivirales. / Hepatitis C virus (HCV) core protein is thought to be responsible for the major pathogenic effects of HCV, including the development of fibrosis, steatosis, cirrhosis, and hepatocellular carcinoma. An alternate translational open reading frame exists in the core gene that allows the synthesis of another protein called ARFP (alternate reading frame protein) or F protein (frameshift), the role of which remains poorly understood. Since we cannot exclude the presence of F protein in most studies of core biological functions, it is possible that the roles attributed to core reflect the activity of ARFP. To determine the biological functions of F protein in hepatocytes and their influence on HCV-associated pathogenesis, we generated transgenic lines of zebrafish (Danio rerio) in which the liver fatty acid binding protein (L-FABP) promoter was used to direct liver-specific expression of two forms of ARFP (AF11opti and AUG26opti). The phenotype of F2 transgenic zebrafish was analyzed for morphological, histological and microscopic signs of liver-associated pathology. Our results demonstrated the implication of the HCV F protein in the development of hepatic steatosis in transgenic zebrafish liver but not fibrosis or oncogenesis. Identification of the cellular and molecular mechanisms underlying F protein-induced lipid accumulation will lead to a better understanding of the role of ARFP in HCV-associated pathology, which could lead to the development of novel antiviral strategies.

Le virus du papillome humain (VPH) est l’agent étiologique du cancer du col utérin, ainsi que d’autre néoplasies anogénitales et des voies aérodigestives supérieures. La réplication de son génome d’ADN double brin est assurée par les protéines virales E1 et E2, de concert avec la machinerie cellulaire de réplication. E1 assure le déroulement de l’ADN en aval de la fourche de réplication, grâce à son activité hélicase, et orchestre la duplication du génome viral. Nos travaux antérieurs ont démontré que le domaine N-terminal de E1 contient un motif de liaison à la protéine cellulaire p80/UAF1 qui est hautement conservé chez tous les VPH anogénitaux. L’intégrité de ce motif est essentielle au maintien de l’épisome viral. Les travaux présentés dans cette thèse ont d’abord déterminé que le motif de liaison à UAF1 n’est pas requis pour l’assemblage du pré-réplisome viral, mais important pour la réplication subséquente de l’ADN du VPH. Nous avons constaté qu’en présence de E1 et E2, UAF1 est relocalisé dans des foyers nucléaires typiques de sites de réplication du virus et qu’en outre, UAF1 s’associe physiquement à l’origine de réplication du VPH. Nous avons aussi déterminé que l’inhibition du recrutement de UAF1 par la surexpression d’un peptide dérivé de E1 (N40) contenant le motif de liaison à UAF1 réduit la réplication de l’ADN viral. Cette observation soutient le modèle selon lequel UAF1 est relocalisé par E1 au réplisome pour promouvoir la réplication de l’ADN viral. UAF1 est une protéine à domaine WD40 n’encodant aucune activité enzymatique et présumée exploiter des interactions protéine-protéine pour accomplir sa fonction. Nous avons donc investigué les protéines associées à UAF1 dans des cellules du col utérin et avons détecté des interactions avec les enzymes de déubiquitination USP1, USP12 et USP46, ainsi qu’avec la phosphatase PHLPP1. Nous avons établi que E1 forme un complexe ternaire avec UAF1 et n’importe laquelle des USP associés : USP1, USP12 ou USP46. Ces USP sont relocalisés au noyau par E1 et s’associent à l’ADN viral. De plus, l’activité enzymatique des USP est essentielle à la réplication optimale du génome viral. Au contraire, PHLPP1 ne forme pas de complexe avec E1, puisque leurs interactions respectives avec UAF1 sont mutuellement exclusives. PHLPP1 contient un peptide de liaison à UAF1 homologue à celui de E1. Ce peptide dérivé de PHLPP1 (P1) interagit avec le complexe UAF1-USP et, similairement au peptide N40, antagonise l’interaction E1-UAF1. Incidemment, la surexpression du peptide P1 inhibe la réplication de l’ADN viral. La génération de protéines chimériques entre P1 et des variants de E1 (E1Δ) défectifs pour l’interaction avec UAF1 restaure la capacité de E1Δ à interagir avec UAF1 et USP46, ainsi qu’à relocaliser UAF1 dans les foyers nucléaires contenant E1 et E2. Ce recrutement artificiel de UAF1 et des USP promeut la réplication de l’ADN viral, un phénotype dépendant de l’activité déubiquitinase du complexe. Globalement, nos travaux suggèrent que la protéine E1 du VPH interagit avec UAF1 afin de recruter au réplisome un complexe de déubiquitination dont l’activité est importante pour la réplication de l’ADN viral. / Human papillomaviruses (HPVs) are the etiological agents of cervical cancers, as well as multiple other anogenital and oropharyngeal neoplesias. The viral proteins E1 and E2, in concert with the host DNA replication machinery, mediate the replication of the double-stranded DNA genome of HPV. E1 exploits its helicase activity to unwind DNA ahead of the replication fork and orchestrates synthesis of the viral genome. Our previous work demonstrated that E1 contains in its N-terminus a binding motif for the host protein p80/UAF1, a domain that is highly conserved amongst anogenital HPVs. The integrity of this region was essential for the maintenance of the viral episome. The research presented here first demonstrated that the UAF1-binding motif is not required for the assembly of the E1-E2-Origin pre-replisome, but important for the following viral DNA replication. We have determined that UAF1 is relocalized, in presence of E1 and E2, in nuclear foci reminiscent of viral DNA synthesis sites. UAF1 also physically interacted, through E1-binding, with the viral origin of replication. Moreover, we have shown that inhibition of E1-UAF1 interaction through the overexpression of an E1-derived and UAF1-binding peptide, N40, interferes with HPV DNA replication. This is in agreement with the model according to which E1 recruits UAF1 to the replisome to promote viral DNA replication. UAF1 is a WD40-containing protein with no enzymatic activity and presumed to function through interactions with other cellular factors. We have investigated the UAF1 interaction network in cervical cells and discovered that UAF1 associates with the deubiquitinating enzymes USP1, USP12 and USP46, as well as with the phosphatase PHLPP1. E1 was found to assemble as a ternary complex with UAF1 and any of the associated USPs: USP1, USP12 or USP46. These USPs were also relocalized by E1 to the nucleus and they associated with the viral origin in presence of E2. Moreover, their enzymatic function was essential for optimal viral genome replication. In contrast, PHLPP1 did not associate with E1, and the interactions of the latter proteins with UAF1 were shown to be mutually exclusive. PHLPP1 contains a UAF1-binding motif homologous to the one encoded within E1. This PHLPP1-derived peptide, P1, interacts with the UAF1-USP complex and, similarly to N40, competes with E1-UAF1 interaction. Accordingly, P1 overexpression leads to inhibition of HPV DNA replication. The fusion of the peptide P1 to an E1 protein (E1Δ) defective for UAF1-binding restored its capacity to interact with UAF1 and USP46, as well as to relocalize UAF1 into E1-E2-containing nuclear foci. This artificial recruitment of UAF1 and of the associated USPs increased viral DNA replication, a process that involved the enzymatic activity of the USPs. Collectively, our work suggests that HPV E1 interacts with UAF1 in order to recruit to the replisome a deubiquitinating complex whose activity is required for optimal viral DNA replication.

Objectif: La caractérisation des facteurs immunitaires associés à la protection contre l’infection au VIH est cruciale pour le développement de stratégies de prévention. Cette étude évalue les IgGs dirigées contre l’enveloppe du VIH-1 dans le sérum et les liquides cervicovaginaux (LCV) de travailleuses du sexe béninoises. Méthode : Notre étude porte sur 23 travailleuses du sexe séropositives (TS+) et 20 travailleuses du sexe séronégatives (TS-). Le potentiel de neutralisation a été évalué par un essai de neutralisation. La détection d’IgGs a été effectuée par un ELISA sur base cellulaire. La capacité d’induire une réponse ADCC a été est évaluée par l’élimination de cellules cibles recouvertes de gp120 par le mécanisme d’ADCC. Résultats : Malgré que nous n’ayons pas détecté d’IgG dirigées contre l’enveloppe du VIH-1, ni d’activité de neutralisation ou d’élimination de cellules cibles par ADCC chez les TS-, nous avons facilement détecté ces activités de neutralisation et d’élimination de cellules cibles par ADCC chez les TS+ dans le sérum et les LCV qui reconnaissent mieux la forme de l’enveloppe liée à CD4. Ces IgGs pourraient être impliquées dans l’élimination par ADCC des cellules cibles présentant les glycoprotéines de l’enveloppe à leur surface, et ce à la muqueuse vaginale, le premier site de transmission virale. Conclusion : Ces résultats permettent pour la première fois de montrer la conformation de l’enveloppe préférentiellement reconnue par les IgGs présentes au site de transmission par voie sexuelle. / Objective: Characterization of the immune correlates of protection against HIV infection is crucial for the development of preventive strategies. This study examined HIV-1 envelope glycoproteins (Env) specific IgG in systemic and mucosal compartments of female Beninese commercial sex workers (CSWs). Design: 23 HIV-1-positive and 20 highly-exposed HIV-1-seronegative (HESN) CSWs were studied. Methods: HIV-1-Env specific IgG detection in sera and cervico-vaginal lavages (CVLs) from the study population was done by cell-based ELISA. The HIV neutralizing activity was evaluated with a neutralization assay. HIV-1 specific antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) response of the cohort was measured with a FACS-based assay evaluating the ADCC-mediated elimination of gp120-coated target cells. Results: No anti-HIV-1-Env-specific IgG, neutralizing or ADCC activities were detected in samples from HESN CSWs. Samples from HIV-1-infected CSWs presented ADCC activity in both sera and CVLs. Anti-Env IgG from sera and CVLs from HIV-1-infected CSWs preferentially recognized the Env in its CD4-bound conformation. Conclusion: Theses results demonstrate for the first time that HIV-1-infected CSWs have ADCC-mediating IgG that preferentially recognize Env in its CD4-bound conformation at the mucosal site.

Le premier membre de la famille des rétrovirus humains HTLV (Virus T-lymphotropique Humain), HTLV-1, a été découvert en 1980 et l’on estime aujourd’hui à plus de 10 millions le nombre d’individus infectés à travers le monde. Après une période de latence d’environ 40 ans, 5% des individus infectés développent des leucémies, des lymphomes adultes de lymphocytes T (ATLL) ou encore une myélopathie associée à HTLV-1/ paraparésie spastique tropicale (HAM/TSP). L’apparition de la maladie serait en grande partie orchestrée par deux protéines virales, soit Tax et HTLV-1 bZIP factor (HBZ). L’expression du génome viral se fait à partir d’un transcrit sens de pleine longueur suite à un épissage alternatif, à l’exception du gène HBZ. HBZ est produite à partir d’un transcrit antisens initié dans la séquence terminale longue répétée (LTR)’3. Elle a été décrite comme étant capable de réguler négativement la transcription virale dépendante de Tax en se dimérisant avec des facteurs de transcription cellulaires tels que CREB-2 et certains membres de la famille Jun. HBZ a aussi un pouvoir prolifératif et bien que nous ne sachions toujours pas le mécanisme moléculaire menant à l’oncogenèse par HBZ, nous savons qu’elle module une multitude de voies de transduction de signaux, dont AP-1. Nous avons récemment mis en évidence un transcrit antisens nommé Antisense Protein of HTLV-2 (APH-2) chez HTLV-2 qui n’est associé qu’à une myélopathie apparentée au HAM/TSP. Ce n’est qu’en 2005 que HTLV-3 et HTLV-4 se sont rajoutés au groupe HTLV. Cependant, aucune corrélation avec le développement d’une quelconque maladie n’a été montrée jusqu’à ce jour. Le premier volet de ce projet de doctorat avait pour objectif de détecter et caractériser les transcrits antisens produits par HTLV-3 et HTLV-4 et d’étudier les protéines traduites à partir de ces transcrits pour ainsi évaluer leurs similitudes et/ou différences avec HBZ et APH-2. Nos études de localisation cellulaire réalisées par microscopie confocale ont montré que APH-3 et APH-4 sont des protéines nucléaires, se retrouvant sous la forme de granules et, dans le cas d’APH-3, partiellement cytoplasmique. Ces granules co-localisent en partie avec HBZ. Les analyses à l’aide d’un gène rapporteur luciférase contenant le LTR 5’ de HTLV-1 ont montré que APH-3 et APH-4 peuvent aussi inhiber la transactivation du LTR 5’ par Tax. Aussi, des études faisant appel au gène rapporteur précédé d’un promoteur de collagénase (site AP-1), ont montré que ces deux protéines, contrairement à HBZ, activent la transcription dépendante de tous les membres des facteurs de transcription de la famille Jun. De plus, les mutants ont montré que le motif fermeture éclair (LZ) atypique de ces protéines est impliqué dans cette régulation. En effet, APH-3 et APH-4 modulent la voie Jun-dépendante en se dimérisant via leur LZ atypique avec la famille Jun et semblent activer la voie par un mécanisme ne faisant pas par d’un domaine activateur autonome. Dans un deuxième volet, nous avions comme objectif d’approfondir nos connaissances sur la localisation nucléolaire de HBZ. Lors de nos analyses, nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction, B23 et la nucléoline, qui semblent être associés à sa localisation nucléolaire. En effet, ces interactions sont plus fortes suivant une délétion des domaines AD et bZIP de HBZ qui dans ce cas est localisée strictement au nucléole. De plus, bien que APH-3 et APH-4 puissent se localiser aux nucléoles, HBZ est la seule protéine traduite à partir d’un transcrit antisens pouvant interagir avec B23. Finalement, ces travaux ont clairement mis en évidence que HTLV-3 et HTLV-4 permettent la production de transcrits antisens comme chez d’autres rétrovirus. Les protéines traduites à partir de ces transcrits antisens jouent d’importants rôles dans la réplication rétrovirale mais semblent avoir des fonctions différentes de celles de HBZ au niveau de la régulation de la transcription de la voie Jun. HBZ semble aussi jouer un rôle unique dans le nucléole en ciblant les protéines nucléolaires de la cellule. Ces études démontrent que les protéines produites à partir de transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV partagent plusieurs ressemblances, mais démontrent aussi des différences. Ainsi, les APH pourraient, en tant qu’outil comparatif, aider à mieux cibler les mécanismes moléculaires importants utilisés par HBZ pour induire la pathogénèse associée à une infection par HTLV. / The first human T-cell lymphotropic virus (HTLV) family member was discovered in 1980 and it is estimated that approximately 10 million people are infected with HTLV-1 worldwide. After about 40 years, 5% of infected individuals will develop an adult T-cell leukemia/lymphoma (ATLL) while another 4% will develop HTLV-1-associated myelopathy/tropical spastic paraparesis (HAM/TSP). It is believed that two viral proteins, Tax and HBZ, together orchestrate the oncogenic process. The viral proteins are expressed from an alternatively spliced sense transcript except for the HBZ gene. HBZ is translated from an antisense transcript initiated in the long terminal repeat (LTR)’3. This viral protein is capable of inhibiting Tax transactivation of the LTR5’ by dimerizing with cellular transcription factors such as CREB-2 and c-Jun. HBZ also has proliferating capacities and while the molecular mechanisms leading to the disease still need to be elucidated, it is well known that HBZ can modulate a multitude of signal transduction pathways like AP-1. We have recently discovered an antisense transcript termed Antisense Protein of HTLV-2 (APH-2) produced in HTLV-2. HTLV-2 is only associated to myelopathies resembling HAM/TSP. HTLV-3 and HTLV-4 were discovered in 2005 and have not been associated with any type of disease thus far. The first goal of this PhD project was hence to detect and characterize the antisense transcripts produced in HTLV-3 and HTLV-4, to study the functions of these translated proteins and to evaluate their similarities and/or differences shared with HBZ and APH-2. Our localization studies using confocal microscopy demonstrated that APH-3 and APH-4 are found in the nucleus as speckles, and for APH-3, also partially cytoplasmic. These two proteins can also partially colocalize with HBZ. Using a luciferase reporter plasmid bearing the HTLV-1 LTR5’, we demonstrated that APH-3 and APH-4 could inhibit Tax transactivation of the LTR5’. We also used a luciferase reporter plasmid bearing the collagenase promoter, which bears an AP-1 site, and demonstrated that both viral proteins could activate transcription in the presence of any of the Jun family of transcription factors. We generated several mutants and the atypical leucine zipper (LZ) found in APH-3 and APH-4 is crucial for this regulation. In fact, APH-3 and APH-4 using their atypical LZ dimerize with Jun family members and activate this pathway using a mechanism other than an autonomous activation domain. Our next goal was to investigate the significance of the HBZ nucleolar localization. During this project, we identified two new interacting partners, B23 and nucleolin, which seem to be associated with its nucleolar localization. In fact, these interactions are stronger when HBZ is deleted of its AD and bZIP domains and hence when HBZ demonstrates a stronger nucleolar distribution. Moreover, while APH-3 and APH-4 are also found in the nucleolus, HBZ is the only antisense protein able to interact with B23. Finally, this work clearly demonstrates that HTLV-3 and HTLV-4 can produce an antisense transcript alike other retroviruses. The encoded proteins play an important role in retroviral replication and seem to regulate Jun-dependant transcription differently than HBZ. HBZ also seems to have a unique role in the nucleoli by targeting specific cellular nucleolar proteins. Similarities but also differences are shared between the antisense proteins. Thus, the APH proteins represent a good comparative tool in order to better understand the molecular mechanisms involved in HTLV induced diseases.

Doctor of Philosophy / Department of Diagnostic Medicine/Pathobiology / Raymond R. R. Rowland / Mechanisms for mutations in RNA viruses include random point mutations, insertions, deletions, recombination and re-assortment. Most viruses have more than one of these mechanisms operating during their life cycle. Impact of sequence divergence is seen in the areas of evolution, epidemiology and ecology of these viruses. Immediate negative consequences of genetic diversity include failure of vaccination, resistance to anti-virals, emergence and re-emergence of novel virus isolates with increased virulence or altered tropism. To identify specific sequence features that influence recombination, a new in-vitro system was developed using an infectious cDNA clone of PRRS virus that expressed fluorescent proteins. The in-vitro experimental system involved the co-transfection of a pair of closely related PRRSV infectious clones: a fully functional non-fluorescent PRRS virus infectious clone that possessed a single mutation in a green fluorescent protein (GFP) and a second infectious clone that contained a defective fluorescent virus. The readout for successful recombination was appearance of a fully functional fluorescent virus. The model system creates the opportunity to study several aspects of recombination, including the requirement for sequence homology between viruses undergoing recombination.

Doctor of Philosophy / Department of Plant Pathology / Anna E. Whitfield / Tomato spotted wilt virus (TSWV) is an economically important plant virus dependent on insects (thrips) for transmission to plant hosts. Like many animal-infecting viruses, TSWV replicates in the cells of its insect vector. The virus is an emergent disease threatening food and fiber crops worldwide. The aim of this work was to develop novel control strategies against TSWV through a better understanding of the virus-vector interaction. Previously, the TSWV GN protein was shown to be the viral attachment protein, a molecule mediating attachment of virus particles to the midgut epithelial cells of vector thrips. The specific goals of my research were to further examine the utility of disrupting the virus-vector interaction for effective virus control by exploiting GN properties, and to track the route of TSWV in thrips using confocal microscopy. To achieve these goals, I expressed soluble and insoluble forms of GN fused to green fluorescent protein (GFP) transiently and transgenically and examined their cellular localization in planta. GN::GFP recombinant protein localized to Golgi stacks throughout the cells as indicated by a punctate pattern or co-localization to a Golgi marker. In contrast, the soluble form of GN, GN-S::GFP, localized to the ER and apparently also to the cytoplasm. Virus acquisition and transmission assays with GN-S::GFP transgenic tomato plants demonstrated that transmission of TSWV by F. occidentalis was reduced by 35 to 100%. These results indicated that transgenic expression of GN-S in tomato plants may have the potential to prevent secondary spread of the virus. Novel features of the morphology of principal (PSGs) and tubular salivary glands (TSGs) of the insect vector F. occidentalis and of their infection with TSWV were described. The virus colonized different cell types and regions within the PSGs with variable intensity and distribution; and accumulated at the lumen of individual cells. The TSGs of F. occidentalis are proposed as a route for TSWV infection into the PSGs. The transgenic plants and the new knowledge of the virus vector interaction are promising tools to control TSWV and a model approach for the control of other vector-borne viruses.

Master of Science / Department of Diagnostic Medicine/Pathobiology / Wenjun Ma / With introduction of the 2009 pandemic H1N1 virus (pH1N1) into swine herds, reassortment between the pH1N1 and endemic swine influenza viruses (SIVs) has been reported worldwide. Recently, reassortant H3N2 and H1N2 variant SIVs that contain the M gene from pH1N1 virus and the remaining seven genes from North American triple-reassortant (TR) SIVs have emerged. These variant viruses have caused more than 300 cases of human infections and one death in the USA, creating a major public health concern. To date, the pathogenicity and transmissibility of H1N2 variant viruses in pigs has not been investigated. Through passive surveillance, we have isolated two genotypes of reassortant H1N2 viruses with pH1N1 genes from diseased pigs in Kansas. Full genome sequence and phylogenetic analysis showed that one is a swine H1N2 variant virus (swH1N2v) with the M gene from pH1N1; the other is a reassortant H1N2 virus (2+6 rH1N2) with six internal genes from pH1N1 and the two surface genes from endemic North American TR H1N2 SIVs. Furthermore, we determined the pathogenicity and transmissibility of the swH1N2v, a human H1N2 variant (huH1N2v), and the 2+6 rH1N2 in pigs using an endemic TR H1N2 SIV (eH1N2) isolated in 2011 as a control. All four viruses were able to infect pigs and replicate in the lungs. Both H1N2 variant viruses caused more severe lung lesions in infected pigs when compared to the eH1N2 and 2+6 rH1N2 viruses. Although all four viruses are transmissible in pigs and were detected in the lungs of contact animals, the swH1N2v shed more efficiently than the other three viruses in the respective sentinel animals. The huH1N2v displayed delayed and inefficient nasal shedding in sentinel animals. Taken together, the human and swine H1N2 variant viruses are more pathogenic and the swH1N2v more transmissible in pigs and could pose a threat to public and animal health.

Doctor of Philosophy / Department of Diagnostic Medicine/Pathobiology / Ying Fang / Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) employs multiple functions to modulate host’s innate immune response, and several viral nonstructural proteins (nsps) are major players. In this dissertation, the research was mainly focused on identification and functional dissection of ORF1a-encoded nsps. PRRSV replicase polyproteins encoded by ORF1a region are predicted to be processed into at least ten nonstructural proteins. In chapter 2, these predictions were verified by using a panel of newly established antibodies specific to ORF1a-encoded nsps. Most predicted nsps (nsp1β, nsp2, nsp4, nsp7α, nsp7β and nsp8) were identified, and observed to be co-localized with de novo-synthesized viral RNA in the perinuclear region of the cell. Among all PRRSV proteins screened, nsp1β is the strongest type I interferon antagonist. In chapter 3, mutagenesis analysis of nsp1β was performed to knock down nsp1β’s IFN antagonist function. A highly conserved motif, GKYLQRRLQ, was determined to be critical for nsp1β’s ability to suppress IFN-β and reporter gene expression. Double mutations introduced in this motif, K130A/R134A (type 1 PRRSV) or K124A/R128A (type 2 PRRSV), improved PRRSV’s ability to stimulate the expression of IFN-α, IFN-β and ISG15. In addition to its critical roles involving in modulating host innate immune response, in the studies of Chapter 4, we demonstrated that PRRSV nsp1β functions as a transactivator to induce the -2/-1 ribosomal frameshifting in nsp2, which results in expression of two novel PRRSV proteins, nsp2TF and nsp2N. The conserved motif GKYLQRRLQ is also determined to be critical for the transactivation function of nsp1β. In chapter 5, the interferon antagonist, de-Ub and de-ISGylation activity of newly identified nsp2TF and nsp2N were evaluated. In vitro and in vivo characterization of three nsp2TF-deficient recombinant viruses indicated that all mutant viruses have improved ability to stimulate the innate immune response and provide improved protection in mutant virus-vaccinated animals. In summary, this study verified the previously predicted PRRSV pp1a processing products, further evaluated the function of nsp1β and nsp2-related proteins. These data obtained here will provide basic knowledge for future development of vaccines and control measurements.

Master of Science / Department of Diagnostic Medicine/Pathobiology / Richard 'Dick' Hesse / Carol Wyatt / Over the last two decades molecular laboratory techniques have enabled researchers to investigate the infection, replication and pathogenesis of viral disease. In the early eighties, Dr. George Smith developed a unique system of molecular selection. He showed that the fd bacteriophage genome could be manipulated to carry a sequence of DNA coding for a protein not contained in the phage genome. Infection of the recombinant bacteriophage or phagemid into a specific strain of the bacterium, Escherichia coli, produced progeny phage with the coded protein displayed as a fusion with the phage's coat protein. Antibody phage display utilizes the same technology with the DNA encoding an antibody fragment. The DNA insert can carry the information to produce either a single chain variable fragment (scFv) producing the heavy chain variable and light chain variable (VH-VL) portion or a Fab fragment which also contains the heavy chain constant 1 with the light chain constant (CH and CL) portion of an antibody. Screening an antibody phage display library has the possibility of producing an antibody not produced in the normal course of immune selection. This decade also saw the emergence of a viral disease affecting the porcine population. The Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome virus (PRRSV) has been one of the most costly diseases affecting the pig producer. Molecular investigations found that PRRSV is a single, positive-stranded RNA virus which codes for five structural and 12-13 nonstructural proteins producing an enveloped, icosahedral virus. An interesting characteristic of PRRSV is the ability to produce infective progeny with genomic deletions, insertions and mutations within the nonstructural protein 2 (nsp2). With this knowledge, many researchers have produced marker vaccines containing fluorescent tags with the hope of developing a DIVA (Differentiate Infected from Vaccinated Animals) vaccine. In my Master‟s studies, I studied the techniques of antibody phage display technology and how to apply these methods to producing scFvs which recognize a recombinant PRRSV nsp2 fragment protein and the native protein during infection of MARC-145 cells.

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable de la pandémie du SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise). Des souches virales résistantes aux antirétroviraux actuellement utilisés apparaissent rapidement. Il est donc important d’identifier de nouvelles cibles dans le cycle de réplication du VIH-1 pour développer de nouveaux agents contre ce virus. La traduction des protéines de structure et des enzymes du VIH-1 est une étape essentielle du cycle de réplication virale. Ces protéines sont exprimées à partir de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur (ARNmPL) à la fin du cycle de réplication. L’ARNmPL du VIH-1 peut utiliser un mode d’initiation de la traduction coiffe-dépendant, comme la majorité des ARNm cellulaires, mais peut aussi utiliser un mode d’initiation alternatif, car sa région 5’ non-traduite (5’UTR) contient un site interne d’entrée du ribosome (IRES), ce qui lui permet d’initier la traduction suivant un mode IRES-dépendant. L’initiation IRES-dépendante permet à l’ARNmPL d’être traduit quand l’initiation coiffe-dépendante est inhibée. L’activité de l’IRES de la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1 (IRES5’UTR) est faible dans des conditions physiologiques, mais est stimulée lorsque la cellule est arrêtée à la transition G2/M du cycle cellulaire, un arrêt qu’induit l’infection par le VIH-1. Une grande portion de l’IRES5’UTR, que nous nommons IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux et a une activité semblable à celle de l’ IRES5’UTR, ce qui indique que le mode IRES-dépendant peut être utilisé par tous les messagers du VIH-1. Lors de mes études doctorales, j’ai caractérisé le fonctionnement de l’IRES5’UTR du VIH-1. J’ai transfecté des cellules lymphocytaires Jurkat T, dérivées des cibles naturelles du VIH-1, avec un vecteur dual-luciférase contenant les séquences codantes des luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) séparées par la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1. La traduction de la Rluc est coiffe-dépendante alors que celle de la Fluc dépend de l’IRES5’UTR. J’ai d’abord effectué une analyse mutationnelle et j’ai identifié trois régions qui stimulent l’activité de l’IRES5’UTR et une tige-boucle qui réprime l’activité de cet IRES, que j’ai nommée IRENE (IRES negative element). J’ai montré que l’effet répresseur d’IRENE est aboli lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, un type de stress induit lors d’une infection par le VIH-1. Nous proposons que IRENE maintiendrait l’IRES5’UTR dans une conformation peu active dans des conditions physiologiques. On sait que les IRES sont activés par divers facteurs cellulaires, appelés ITAF (IRES trans-acting factors). Nous proposons que l’IRES5’UTR adopterait une conformation active suite à la liaison d’un ITAF exprimé ou relocalisé lors d’un stress oxydatif. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication (Gendron et al., 2011, Nucleic Acids Research, 39, 902-912). J’ai ensuite étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’activité de l’IRES5’UTR. En plus de son rôle essentiel dans la transactivation de la transcription des ARNm viraux, Tat stimule leur traduction coiffe-dépendante, en empêchant l’inhibition d’un facteur d’initiation canonique, eIF2, induite par la protéine kinase modulée par l’ARN double-brin (PKR) et en déroulant la structure TAR présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. Elle affecte aussi l’expression de plusieurs gènes cellulaires. J’ai montré que les isoformes Tat86 et Tat72, mais non Tat101, stimulent l’activité de l’IRES5’UTR. Cet effet est indépendant de PKR et de TAR, mais dépendrait de la conformation de Tat. Nous proposons que Tat activerait un facteur de transcription cellulaire qui déclenche l’expression d’un ITAF de l’IRES5’UTR ou encore qu’elle activerait directement un tel ITAF. J’ai de plus montré que PKR stimule l’activité de l’IRES5’UTR, ce qui est surprenant puisque PKR est une protéine antivirale. Cet effet est indépendant de l’inhibition d’eIF2 par PKR et pourrait résulter de l’activation d’un ITAF. Sachant qu’une portion active de l’IRES5’UTR, IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux, notre hypothèse est que la stimulation de cet IRES par PKR permettait de traduire l’ARNm de Tat au début du cycle de réplication, ce qui permettrait ensuite la traduction coiffe-dépendante des ARNm du VIH-1, qui est stimulée par Tat. Ces travaux font l’objet d’un manuscrit (Gendron et al., soumis à RNA). Mes résultats, couplés aux données de la littérature, me conduisent à la conclusion que, à la fin du cycle de réplication du VIH-1, l’activité de l’IRES5’UTR est stimulée par le stress oxydatif, l’arrêt en G2/M et la présence de quantités élevées de Tat, alors que la traduction coiffe-dépendante est compromise. L’initiation IRES-dépendante serait alors indispensable pour que le VIH-1 traduise l’ARNmPL. L’IRES5’UTR constituerait donc une cible très intéressante pour développer des agents anti-VIH. / The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is the causative agent of AIDS (acquired immunodeficiency syndrome). Viral strains that are resistant to antiretroviral agents used for the treatment of HIV-1 infected patients rapidly emerge. It is thus important to study the viral replication cycle in order to discover new targets for the development of novel agents against HIV-1. Translation of structural proteins and viral enzymes is a key step of the viral replication cycle. These proteins are translated from the HIV-1 full-length mRNA during late stages of the replication. This mRNA can be translated by a cap-dependent mode which is used by the majority of cellular mRNAs. However, since its 5’ untranslated region (5’UTR) contains an internal ribosome entry site (IRES) that we call IRES5’UTR, it can also be translated by an IRES-dependent mode. The IRES-dependent mode enables the full-length mRNA to be translated when the cap-dependent mode is impaired. The activity of the IRES5’UTR is weak in physiological conditions, but it is stimulated when the cell cycle is arrested at the G2/M transition, an arrest induced by HIV-1 infection. A large portion of this IRES, which we name IRES5’UTRc, is present in all HIV-1 mRNAs and its activity is similar to the activity of the complete IRES, which indicates that the IRES-dependent mode can be used by all HIV-1 mRNAs. During my doctoral studies, I investigated how the HIV-1 IRES5’UTR functions. I transfected Jurkat T cells, a lymphocytic cell line derived from the natural target cells of HIV-1, with a dual-luciferase reporter containing the coding sequences of the Renilla luciferase (Rluc) and the firefly luciferase (Fluc) separated by the complete 5’UTR of the HIV-1 full-length mRNA. Translation of Rluc is cap-dependent while translation of Fluc depends on HIV-1 IRES5’UTR. First, I performed a mutational analysis and I discovered three regions that stimulate the activity of IRES5’UTR and a stem-loop that represses its activity, which we named IRENE (IRES negative element). I showed that the repression induced by IRENE is relieved when cells are exposed to oxidative stress, a type of stress caused by HIV-1 infection. We propose that IRENE maintains the IRES5’UTR in a weakly active conformation in physiological conditions. It is known that IRESes are activated by cellular factors, called ITAFs (IRES trans-acting factors). We propose that the IRES5’UTR adopts an active conformation triggered by the binding of an ITAF that is expressed or relocalized during oxidative stress. These results generated a publication (Gendron et al. Nucleic Acids Research, 2011, 39, 902-912). I then decided to study the effect of the viral protein Tat on the IRES5’UTR activity. In addition to its essential role in the transcription of HIV-1 mRNAs, Tat stimulates the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs by interfering with the inhibition of a canonical initiation factor, eIF2, induced by the protein kinase modulated by double-stranded RNA (PKR) and by unwinding the TAR structure present at the 5’end of all HIV-1 mRNAs. Tat also affects the expression of several cellular genes. I showed that the Tat86 and Tat72 isoforms, but not Tat101, stimulate the activity of the IRES5’UTR. This effect is independent of PKR and TAR, but appears to be dependent upon the conformation of Tat. We suggest that Tat could activate a transcription factor that controls the expression of an ITAF of the IRES5’UTR or else that Tat could directly activate such an ITAF. I also showed that PKR stimulates the IRES5’UTR activity, which is surprising since PKR is an antiviral protein. This effect is independent of the inhibition of eIF2 by PKR and could result from the activation of an ITAF. Knowing that IRES5’UTRc, an active portion of IRES5’UTR is present in all HIV-1 RNAs, our hypothesis is that the stimulation of the IRES activity by PKR would allow Tat mRNA to be translated in the beginning of the replication cycle. This would subsequently allow the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs to proceed, which is stimulated by Tat. These results generated a manuscript that is submitted for publication to RNA. Altogether, my results, coupled to data from literature, lead me to conclude that, in the late phases of the replication cycle, the activity of the HIV-1 IRES5’UTR is stimulated by oxidative stress, by the cell cycle arrest in G2/M and by the presence of high amounts of Tat, while cap-dependent translation is impaired. The IRES5’UTR would thus be critical to translate the HIV-1 full-length mRNA. Consequently, the IRES5’UTR would constitute a very interesting target for the development of novel anti-HIV agents.