Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le virus de l'hépatite C (VHC) est détecté dans les sérums de patients infectés sous forme de particules infectieuses lipidées de très faibles densités. Le VHC est un virus enveloppé dont l'assemblage de particules virales se produit à la membrane du réticulum endoplasmique consécutivement au clivage séquentiel de sa polyprotéine et à sa maturation en protéines structurales et non structurales. Dans ce travail, nous avons cherché à mieux comprendre les mécanismes d'assemblage, d'enveloppement et de sécrétion des particules infectieuses. Dans une première étude, nous avons montré la connexion fonctionnelle entre les complexes de réplication et les sites d'assemblage. Dans une seconde étude, nous avons montré que p7 ralentissait de manière dose-dépendante le trafic ER-Golgi, conduisant à une rétention intracellulaire de la glycoprotéine virale E2. En outre, nous avons montré que le clivage du précurseur protéique E2p7 contrôle l'expression intracellulaire E2 et les niveaux de sécrétion des particules subvirales et des virions infectieux. Enfin, nous avons également mis en évidence que l'extrémité N-terminale de p7 gouverne l'infectivité spécifique des particules en coordonnant la rencontre des composants de la nucléocapside avec les glycoprotéines, mais aussi l'enveloppement de la nucléocapside. Dans une troisième étude, nous avons découvert des fonctions et des facteurs spécifiques du sérum, des cellules productrices et des séquences du VHC qui modulent la lipidation des particules virales au cours de leur assemblage et de leur sécrétion. Au total, ces différents travaux ont contribué à mieux comprendre les étapes de l'assemblage du VHC et les mécanismes modulant i) le transfert des ARN viraux des complexes de réplication vers les sites d’assemblage, ii) la rencontre des nucléocapsides et des glycoprotéines, et enfin, iii) l'acquisition de lipides par des particules virales / Hepatitis C virus (HCV) is detected in the sera of infected patients as lipidated infectious particles of very-low density. HCV is an enveloped virus whose assembly of viral particles occurs at the endoplasmic reticulum membrane following sequential cleavage of its polyprotein and its maturation as structural and non-structural viral proteins. In this work, we aimed at better understanding the mechanisms of assembly, envelopment and secretion of infectious particles. In a first study, we highlighted the functional connection between replication complexes and assembly sites. In a second study, we showed that p7 dose-dependently slows down the ER-to-Golgi traffic, leading to intracellular retention of E2 viral glycoprotein. In addition, we showed that cleavage of an E2p7 precursor protein controls E2 intracellular expression and secretion levels of subviral particles and infectious virions. Finally, we also highlighted that p7 N-terminal extremity governs the specific infectivity of the infectious particles by coordinating the encountering of the nucleocapsid components with the glycoproteins and the envelopment of the nucleocapsids. In a third study, we discovered specific functions and factors from serum, producer cells, and HCV sequences that modulate lipidation of viral particles during their assembly and secretion. Altogether, these different works contributed at better understanding the steps of HCV assembly and the mechanisms modulating i) the transfer of viral RNAs from replication complexes to assembly sites, ii) the encountering of the nucleocapsids and glycoproteins followed by virion envelopment, and finally, iii) the acquisition of lipids by viral particles

Lors de la réplication du virus de la grippe, la protéine de matrice M1 prend part au transport des complexes vRNP. Elle interagit également avec les queues cytoplasmiques des protéines virales membranaires et la membrane plasmique de la cellule hôte au site d'assemblage, et est responsable de la structure de la particule virale. Le domaine N-terminal de M1, composé des 164 premiers acides aminés, possède deux motifs basiques exposés : un signal de localisation nucléaire (NLS, 101-105) sur l'hélice 6 et un triplet d'arginines (76-78) sur l'hélice 5. L'objectif de cette thèse était d'étudier (1) le rôle de ce domaine basique, en comparaison avec le NLS, dans l'accrochage membranaire de M1 et dans l'assemblage du virus de la grippe A/H1N1pdm2009 et (2) de définir dans notre système expérimental cellulaire les protéines virales requises pour la production de VLP (Virus Like Particles) de la grippe contenant M1. In vitro, par des tests de cosédimentation de protéines recombinantes M1 (domaine N-terminal) sauvages ou mutées avec des LUVs (Large Unilamellar Vesicles) contenant des lipides chargés négativement, il fut possible d'observer que les domaines basiques (NLS et triplet d'arginines) sont impliqués dans l'interaction M1-membranes biomimétiques, via une interaction électrostatique entre M1 et les lipides chargés négativement (comme la PS). In cellulo, nous avons pu observer que M1, lorsqu'elle est exprimée seule, ne s'accroche pas de manière efficace à la membrane. Par contre, lorsque M2 et NS1/NEP sont coexprimées, la fraction de M1 liée aux membranes est dix fois plus importante. De plus, la coexpression de M1, M2 et NS1/NEP nous permet d'observer la production de VLP par Western blot et AFM (Atomic Force Microscopy), même en absence des glycoprotéines d'enveloppe HA et NA. Par mutagenèse dirigée, nous avons pu observer que les résidus chargés négativement de la queue cytoplasmique de M2 sont nécessaires à la localisation membranaire de M1 et à la production de VLP, comme décrits dans la littérature. De manière intéressante, quand un mutant du triplet d'arginines est exprimé, il y a trois fois moins de M1 accrochée aux membranes (M1 reste cytosolique), et la production de VLP est fortement diminuée. Un mutant du NLS diminue également l'accrochage membranaire de M1 mais seulement de 10%. Ces domaines basiques, et plus particulièrement le triplet d'arginines, semblent donc être impliqués dans des interactions électrostatiques entre M1 et les lipides chargés de la membrane, ou M1 et les résidus chargés de la queue cytoplasmique de M2, ou les deux. L'ensemble de ces travaux apporte une nouvelle vision moléculaire de l'assemblage du virus de la grippe A/H1N1. / The M1 matrix protein, lying beneath the viral lipid envelop, plays many roles in influenza virus assembly. Not only it structures the viral particle but it also associates to the vRNP complexes in the nucleus and it supposedly binds to the cell plasma membrane and to the cytoplasmic tails of the viral membrane proteins at the assembly site. M1 N-terminal domain, composed of 164 amino acids, exhibits two basic domains: the NLS (Nuclear Localization Signal) on helix 6 and a triplet of arginines on helix 5. We decided to investigate the role of those basic domains regarding the molecular assembly mechanism of the influenza A/H1N1pdm2009 virus and the attachment of M1 at the cell membrane. In vitro, we observed that when the triplet of arginines is mutated, the percentage of M1 bound to LUVs (Large Unilamellar Vesicles) containing negatively charged lipids decreases, as it is the case for a full mutant of the NLS motif. In cellulo, by using cellular fractionation, membrane flotation assays, and immunofluorescence microscopy, we observed that when expressed alone, M1 is poorly bound to the cellular membranes whereas in the presence of NS1/NEP (Non Structural protein 1 and Nuclear Export Protein) and M2 viral proteins, the M1 membrane bound fraction is increased by 10 times. M2 appears to be essential for M1 membrane localization. In order to decipher the mechanism, we used directed site mutagenesis of M1 and M2. When we mutated some negatively charged residues of the M2 cytoplasmic tail, we no longer observed either the localization of M1 at the cell membrane or VLP (Virus Like Particles) production, in agreement with the literature. In addition, when we mutated the M1 arginine triplet, M1 remained cytosolic and VLP production was almost completely abolished, even when M2 and NS1/NEP were coexpressed. Whereas a mutant of the arginine triplet decreases by 20% the percentage of M1 attached to cellular membranes, a mutant of the NLS has a mild effect (10% of decrease is observed). Thus, M1 basic domains, particularly the arginine triplet, can trigger electrostatic interactions between M1 and the lipids, or M1 and the cytoplasmic tail of M2, or both, at the viral assembly site. These results highlight the molecular mechanism of A/H1N1 influenza virus assembly.

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire. / Herpes simplex virus type 1 (HSV 1) affects the majority of the world population. HSV 1 causes various deleterious symptoms with the most common being facial mucosal lesions usually named cold sores. The virus can also contribute to more serious effects such as corneal blindness and neurological problems. The virus is permanently residing in the host body. Despite the existence of several treatments against HSV 1 symptoms, no drug is able to eliminate the virus. In order to improve knowledge of the viral cycle of HSV 1, this project focuses on the transport of the virus in the host cell. During this project we collect data to detail the modus operandi used by HSV 1 to leave cellular compartments such as the nucleus and the TGN. The different experimentations achieved during this PhD allowed the publication of three articles, including one selected as worthy of note by the editors of “Journal of virology” and a fourth article that has been submitted. Firstly, an in vitro assay that reproduces the exit of HSV 1 virus from nuclei was established via the isolation of nuclei from infected cells. We found that, as in intact cells, capsids escaped the isolated nuclei in the in vitro assay by budding through the inner nuclear membrane, accumulated as enveloped capsids between the two nuclear membranes, and were released in cytoplasm exclusively as unenveloped capsids. These observations support the de-envelopment / re-envelopment model of transport. Secondly, to identify viral players implicated in the nuclear egress of HSV 1, viral proteins associated with nuclear released capsids were investigated. HSV 1 has a multilayered morphology that includes a DNA genome, a capsid, a tegument and an envelope. The tegument represents viral proteins added sequentially on the viral particle. The sequential order and intracellular compartments where the tegument is added are the subject of intense research. The in vitro assay was used to investigate this tegumentation process. The acquired data suggest a sequential process that involved the acquisition of viral proteins UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 and possibly ICP4 on capsids released by the nucleus. Thirdly, to obtain information regarding another process of egress of HSV 1 from a membranous cellular organelle, the egress of HSV 1 from the TGN was also studied. The study revealed the implication of the cellular protein kinase D (PKD) in HSV 1 post-TGN transport. The involvement of this kinase, known to regulate the transport of small cargos, highlights the post TGN trafficking of both small and large entities (such as HSV 1) by a common machinery, in sharp contrast to earlier steps of transport. This indicates that the TGN is not only a sorting station but also a meeting point where different intracellular routes can meet. All these outcomes contribute to a better understanding of the complex maturation process of HSV 1 that could lead to the development of better tools to fight the virus. Results acquired concerning HSV 1 could also be applied to other viruses. Besides their relevance in the virology field, findings provided by this project also supply new details about cellular biology concerning intracellular transport.

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire. / Herpes simplex virus type 1 (HSV 1) affects the majority of the world population. HSV 1 causes various deleterious symptoms with the most common being facial mucosal lesions usually named cold sores. The virus can also contribute to more serious effects such as corneal blindness and neurological problems. The virus is permanently residing in the host body. Despite the existence of several treatments against HSV 1 symptoms, no drug is able to eliminate the virus. In order to improve knowledge of the viral cycle of HSV 1, this project focuses on the transport of the virus in the host cell. During this project we collect data to detail the modus operandi used by HSV 1 to leave cellular compartments such as the nucleus and the TGN. The different experimentations achieved during this PhD allowed the publication of three articles, including one selected as worthy of note by the editors of “Journal of virology” and a fourth article that has been submitted. Firstly, an in vitro assay that reproduces the exit of HSV 1 virus from nuclei was established via the isolation of nuclei from infected cells. We found that, as in intact cells, capsids escaped the isolated nuclei in the in vitro assay by budding through the inner nuclear membrane, accumulated as enveloped capsids between the two nuclear membranes, and were released in cytoplasm exclusively as unenveloped capsids. These observations support the de-envelopment / re-envelopment model of transport. Secondly, to identify viral players implicated in the nuclear egress of HSV 1, viral proteins associated with nuclear released capsids were investigated. HSV 1 has a multilayered morphology that includes a DNA genome, a capsid, a tegument and an envelope. The tegument represents viral proteins added sequentially on the viral particle. The sequential order and intracellular compartments where the tegument is added are the subject of intense research. The in vitro assay was used to investigate this tegumentation process. The acquired data suggest a sequential process that involved the acquisition of viral proteins UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 and possibly ICP4 on capsids released by the nucleus. Thirdly, to obtain information regarding another process of egress of HSV 1 from a membranous cellular organelle, the egress of HSV 1 from the TGN was also studied. The study revealed the implication of the cellular protein kinase D (PKD) in HSV 1 post-TGN transport. The involvement of this kinase, known to regulate the transport of small cargos, highlights the post TGN trafficking of both small and large entities (such as HSV 1) by a common machinery, in sharp contrast to earlier steps of transport. This indicates that the TGN is not only a sorting station but also a meeting point where different intracellular routes can meet. All these outcomes contribute to a better understanding of the complex maturation process of HSV 1 that could lead to the development of better tools to fight the virus. Results acquired concerning HSV 1 could also be applied to other viruses. Besides their relevance in the virology field, findings provided by this project also supply new details about cellular biology concerning intracellular transport.