Nearly all viruses encapsulate their genomes in protective protein shells known as capsids. Capsids self-assemble from repeating protein subunits, which surround the viral genome. Many viruses use a powerful biomotor to pump DNA into preformed capsid shells. Therefore, not only does the capsid protect the genome from environmental stress, it additionally stabilizes against high internal pressure caused by the tightly-packaged genome inside. To understand how capsids remain stable despite extreme conditions, I use thermophilic bacteriophage P74-26 as a model to probe the structural mechanisms that govern capsid assembly and stability. P74-26 capsids have a similar architecture to capsids of mesophilic tailed bacteriophages, allowing direct comparison to elucidate the structural basis of enhanced thermostability. Here I determine the structure of the P74-26 capsid decoration protein, which contains a core beta-barrel domain termed the ‘beta-tulip’ domain. The beta-tulip domain is conserved in structural proteins from both Herpesviruses and phage, as well as a broad-spectrum Cas9 inhibitor, providing evidence of shared evolutionary ancestry. Additionally, my high-resolution structure of the P74-26 virion capsid reveals unique interdigitated architectural features that contribute to enhanced stability in the thermophile. P74-26 has a significantly larger capsid than related mesophiles yet retains the same icosahedral geometry, demonstrating a novel mechanism for increasing capsid capacity. Furthermore, my thesis work explores capsid assembly and maturation mechanisms in vitro, establishing P74-26 as a platform for future development of novel nanoparticles and therapeutic delivery systems. Taken together, this work illuminates the incredible stability of a thermophilic virus and illustrates its utility as a powerful tool for studying viral maturation.

In this study, a Monte Carlo simulation was designed to observe the self-assembly of the HIV-1 capsid protein. The simulation allowed a coarse grained model of the capsid protein with defined interaction sites to move freely in three dimensions using the Metropolis criterion. Observations were made as to which parameters affected the assembly the process. The ways in which the assembly were affected were also noted. It was found that proper dimerization of the capsid protein was necessary in order for the lattice to form properly. It was also found that a strong trimeric interface could be responsible for double-layered assemblies. Further studies may be conducted by further varying of parameters or reworking the dynamics of the simulation. The possible causes of curvature within the assembly still need to be researched further.

Le virus de l'hépatite B (HBV) infecte de manière chronique 240 millions de personnes dans le monde, et est la principale cause de carcinome hépatocellulaire. Actuellement, les traitements standards permettent une suppression virale à long terme, mais ne sont pas capables d'éliminer complètement le virus, en raison de la persistance de l'ADN circulaire et clos de façon covalente (ADNccc). Ce minichromosome viral réside dans le noyau des hépatocytes infectés, grâce à sa structure chromatinienne. En effet, lors de l'infection d'un hépatocyte, l'ADN viral partiellement double brin (ADN relâché circulaire (rc)) est libéré dans le noyau, où il est réparé et enveloppé par des protéines histones, afin de former une structure d'épisome chromatinisé. Les mécanismes conduisant à la formation ainsi qu'à la chromatinisation de l'ADNccc sont encore largement inconnus, et leur élucidation constituerait une première étape vers l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques, susceptibles d'altérer la persistance de l'ADNccc. Dans ce but, nous avons étudié le rôle des facteurs hôtes de réparation de l'ADN, et des voies d'assemblage des nucléosomes, dans la formation de l'ADNccc, à des stades précoces (entre 30 minutes et 72 heures) de l'infection, dans des lignées cellulaires d'HepG2-NTCP, ainsi que dans des hépatocytes primaires humains. Nous nous sommes particulièrement concentrés sur la protéine chaperone d'histones, HIRA, qui est connue pour déposer le variant d'histone 3.3 (H3.3) sur l'ADN cellulaire d'une manière indépendante de la réplication et en association avec le remaniement des nucléosomes pendant la transcription et la réparation de l'ADN. Nous avons été capables de détecter l'ADNccc dans la fraction nucléaire des hépatocytes dès 30 minutes et 24 heures post-infection, par qPCR et Southern Blotting (SB), respectivement. L'extinction de HIRA par ARN interférent (siARN) avant l'inoculation du virus, a conduit à une forte diminution de l'accumulation de l'ADNccc (à la fois par qPCR et Southern Blot), qui était indépendante de la protéine HBx (en utilisant un virus HBx-défectueux). Les niveaux d'ADNrc sont restés stables, indiquant soit une éventuelle transition de l'ADNrc en ADNccc incomplète, ou retardée. L'analyse par immunoprécipitation de la chromatine a montré que HIRA était liée à l'ADNccc dès 30 minutes après infection, et que son recrutement était concomitant avec le dépôt de l'histone H3.3, ainsi que la liaison de la protéine de capside du HBV (HBc). Après 24 heures d'infection, une augmentation de la liaison de H3.3 et de l'ARN polymérase II sur l'ADNccc a été observée, en corrélation avec l'initiation de la transcription de l'ARN viral de 3.5 kb. Par des expériences de co-immunoprécipitation et de test de proximité entre protéines (PLA), nous avons montré que HIRA était capable d'interagir avec HBc dans des hépatocytes infectés et dans une lignée cellulaire HepaRG exprimant HBc de manière inductible. En conclusion, nos résultats suggèrent que la chromatinisation de l'ADN viral entrant est un événement très précoce, nécessitant l'histone chaperone HIRA. Bien que HBx ne soit pas requis pour ce processus, HBc pourrait jouer un rôle majeur, suggérant que l'interaction entre HIRA et HBc pourrait représenter une nouvelle cible thérapeutique à étudier / Hepatitis B virus (HBV) chronically infects 240 million people worldwide and is the major cause of hepatocellular carcinoma (HCC). Currently standard-of-care treatments can achieve longterm viral suppression, but are not able to completely eliminate the virus, due to the persistence of the covalently closed circular DNA (cccDNA). cccDNA, the viral minichromosome, resides in the nucleus of infected hepatocytes by virtue of its chromatin structure. Indeed, upon entry into hepatocytes, the partially double stranded viral DNA (relaxed circular (rc)DNA) is released into the nucleus, where it is repaired and wrapped by histones to form an episomal chromatinized structure. The mechanisms leading to cccDNA formation and chromatinization are still largely unknown and their elucidation would be a first step toward the identification of new therapeutic targets to impair cccDNA persistence. To this aim, we investigated the role of host factors belonging to DNA repair and nucleosome assembly pathways in cccDNA formation at early time points (i.e. between 30 minutes and 72 hours) post-infection in both HepG2-NTCP cell line and Primary Human Hepatocytes (PHH). We particularly focused on the histone chaperone Hira, which is known to deposit histone variant 3.3 (H3.3) onto cellular DNA in a replication-independent manner and in association to nucleosome reshuffling during transcription and DNA repair. We were able to detect cccDNA in the nuclear fraction of hepatocytes as early as 30 minutes and 24h post-infection, by qPCR and Southern Blotting (SB), respectively. Knock-down of Hira by RNA interference before virus inoculation led to a strong decrease in cccDNA accumulation (both in qPCR and SB) which was independent from HBx protein expression (using an HBx defective virus). rcDNA levels remained stable, indicating either a possible incomplete or delayed rcDNA to cccDNA transition. Chromatin Immunoprecipitation analysis showed that Hira was bound to cccDNA already at 2 hours post-infection and that its recruitment was concomitant with the deposition of histone H3.3 and the binding of HBV capsid protein (HBc). After 24 hours of infection, an increase of H3.3 and Pol2 binding on cccDNA was observed, correlating with the initiation of the transcription of the 3.5 kb RNA. By Co-Immunoprecipitation and Proximity Ligation Assay experiments, we showed that Hira was able to interact with HBc in infected hepatocytes and in a HepaRG cell line expressing HBc in an inducible manner. Altogether, our results suggest that chromatinization of incoming viral DNA is a very early event, requiring the histone chaperone Hira. While HBx is not required for this process, HBc could play a major role, suggesting that the interaction between Hira and HBc could represent a new therapeutic target to be investigated

Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

Staphylococcal phage 80α can serve as a helper bacteriophage for a family of mobile genetic elements called Staphylococcus aureus pathogenicity islands (SaPIs). The prototype island, SaPI1, is able to hijack the 80α capsid assembly process and redirect capsid formation to yield smaller, phage-like transducing particles carrying SaPI DNA. Capsid size redirection is accomplished through two SaPI1-encoded gene products, CpmA and an alternate scaffold protein, CpmB. The normal 80α scaffold and the SaPI1 CpmB scaffold share a small block of conserved residues at their C-termini, several of which had been shown to be essential for CpmB function. This led to the hypothesis that the C-termini of both the phage and SaPI scaffolds interact in similar ways with the major capsid protein. The goal of this study was to test this hypothesis and to identify the amino acid residues at the capsid-scaffold interface, using a genetic approach.

Les étapes précoces du cycle réplicatif du VIH-1 sont assistées par des cofacteurs cellulaires dont la nature et la fonction restent mal connues. Nos travaux ont caractérisé la contribution de la protéine kinase dépendante de l'AMP cyclique (PKA), dans la cellule cible ou incorporée dans la particule virale VIH-1, dans les étapes post-entrée du cycle réplicatif. Les virus dépourvus d'activité PKA se caractérisent par un défaut de la synthèse de l'ADN proviral. En absence de Nef, la perte d'activité PKA associée aux particules VIH-1 induit une baisse plus modérée du pouvoir infectieux. En outre, le contournement des voies d'entrée classiques, par l'utilisation de particules pseudotypées, rend l'infectiosité indépendante de l'activité PKA. L'action de PKA s'exercerait donc au sein de la particule VIH-1 assemblée et impliquerait à la fois la protéine Nef et les voies de transport des complexes de transcription inverse au cours des étapes post-entrée. De plus, l'inhibition de l'activité PKA dans les cellules cibles entraîne également un défaut de synthèse de l'ADN proviral. Nos résultats indiquent que PKA agit comme un cofacteur de la transcription inverse. / The nature and function of cellular factors involved in post-entry steps of the HIV-1 life cycle are still poorly understood. We highlighted the role of cAMP-dependent protein kinase (PKA) in the early step of viral cycle, either as a host cellular protein in infected cells or as an incorporated protein into HIV-1 particles. PKA-deficient viruses failed to synthesize proviral DNA. In the absence of Nef, the loss of PKA activity associated to HIV-1 particles induces a minor diminution of infectiousness. Accordingly, VSV-G pseudotyped viruses, that use alternate entry pathway, exhibit full infectivity regardless of PKA deficiency. PKA action could therefore take place in the assembled HIV-1 particles, implying Nef protein and intracellular pathways of reverse transcription complexes. Moreover, the inhibition of PKA activity in target cells engenders a defective proviral DNA synthesis. Taken together, our data suggest that PKA may act as a cofactor required for HIV-1 reverse transcription.

Nous avons mis en place au cours de ce travail de thèse différentes stratégies permettant d’améliorer l’efficacité thérapeutique des adénovirus (Ad) oncolytiques contre différents types de tumeurs. Une première stratégie a été de combiner un inhibiteur d’histone-désacétylase, l’acide valproique (VPA) avec un Ad oncolytique à capside sauvage E1Δ24 (CRAd) dans le traitement de carcinomes côliques. Nous avons dans un premier temps démontré que la combinaison du CRAd et du VPA permettait une diminution plus importante de la survie des cellules cancéreuses côliques comparé au simple traitement basé sur le CRAd ou le VPA in vitro mais aussi in vivo.De plus, nous avons observé que cet effet n’était pas lié à une meilleure réplication du CRAd par le VPA. En effet, le VPA provoquait un ralentissement de la réplication virale à des temps précoces mais ne modifiait pas la production virale. Nous avons également découvert que le co-traitement CRAd+VPA conduisait à une forte inhibition de la croissance cellulaire mais aussi à une mort cellulaire non apoptotique. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que les cellules co-traitées par le CRAd et le VPA affichaient une forte polyploïdie accompagnée d’une augmentation de la phosphorylation de l’histone H2AX, un marqueur de dommages à l’ADN. Une deuxième stratégie a été de fournir aux Ad oncolytiques de nouvelles voies d’entrée afin d’infecter et de détruire plus efficacement des cellules de carcinomes rénaux réfractaires à l’infection adénovirale. Nous avons démontré que les CRAd à hexon modifié porteurs d’un ligand CKS-17 (Ad-HCKS-17-E1Δ24) ou à fibre modifiée de sérotype 3 (AdF3-E1Δ24) étaient capables d’infecter et de tuer plus efficacement ces cellules qu’un CRAd à capside sauvage in vitro. Malheureusement in vivo, les modifications de capside n’ont permis ni d’améliorer l’entrée des CRAd dans les tumeurs rénales, ni d’améliorer leur efficacité anti-tumorale. Cependant, nous avons observé qu’après administration intra-tumorale, les Ad à capside modifiée présentaient un plus faible tropisme hépatique comparé à un Ad à capside sauvage. / During this thesis, we investigated different strategies to increase the therapeutic effects of oncolytic adenovirus (CRAd) to fight several kinds of tumors.The first strategy seeks to evaluate in human colon carcinomas the association of a CRAd bearing Δ24 deletion in E1A with valproic acid (VPA), a histone deacetylase inhibitor. Interestingly, this combination led to a dramatic reduction of cell survival both in vitro and in vivo compared to single treatment with CRAd or VPA. This effect did not stem from a better CRAd replication and production in the presence of VPA. Inhibition of cell proliferation and a non-apoptotic cell death were shown to be two mechanisms mediating the effects of the combined treatment. Interestingly, whereas cells treated only with CRAd displayed a > 4N population and polyploidy, this phenotype was strongly increased in cells treated with both CRAd and VPA. In addition, the increase in polyploidy triggered by a combined treatment with CRAd and VPA was associated with the enhancement of H2AX phosphorylation (γH2AX), a hallmark of DNA damage. The second strategy developed aimed to find new entry pathways allowing CRAd to better infect and kill renal tumor cells, known to be refractory of Ad infection. We demonstrated that CRAd with capsid modified (Ad-HCKS-17-E1Δ24 and AdF3-E1Δ24), containing respectively a ligand CKS-17 in hexon or a fiber of serotype 3, were more efficient to infect different renal cell carcinomas in vitro compared to a CRAd with a wild type capsid. However, these capsid-modified oncolytic adenovirus provoked, neither increase of the infection level, nor a better efficacy of growth inhibition in renal tumor xenografts bearing by nude mice. Nevertheless, both types of modifications reduce Ad ability to transduce hepatocytes after intratumoral injection.

Thesis advisor: Junona Moroianu / The L2 minor capsid protein of human papillomavirus is one of two structural proteins that comprise the icosahedral shell. Two potential, leucine-rich nuclear export signals (NESs) had been identified in the HPV16 L2 sequence, one in the n-terminus (51MGVFFGGLGI60) and one in the c-terminus (462LPYFFDSVSL471). DNA primers for mutant L2 proteins were designed to specifically target these two potential NES regions. Two primers had mutations in the n-terminal located NES (nNES), while the other two primers had mutations in the c-terminal NES (cNES). L2 nuclear retention mutants, RR297AA (“MS4”) and RTR313AAA (“MS5”), served as the templates for these NES mutations. Using mutagenesis, the desired secondary mutations were introduced into the mutant L2 genes in order to create four, distinct mutants: RR297AA + P463_ (“MS4 T1”), RR297AA + V469_ (“MS4 T2), RTR313AAA + P463_ (“MS5 T1”), and RTR313AAA + V469_ (“MS5 T2”). In contrast to the pancellular localization of the MS4 and MS5 L2 mutants, the “MS4 T1,” “MS4 T2,” “MS5 T1”, and “MS5 T2” mutants were all localized nuclearly. These results suggest that deletion of the cNES inhibits nuclear export of the HPV16 L2 minor capsid protein. / Thesis (BS) — Boston College, 2011. / Submitted to: Boston College. College of Arts and Sciences. / Discipline: College Honors Program. / Discipline: Biology Honors Program. / Discipline: Biology.

Le bactériophage T5 est un virus infectant E. Coli. L’assemblage et la maturation de sa capsidecomportent plusieurs étapes critiques pour la formation des virions lors du cycle infectieux.Parmi ces étapes, j’ai étudié les processus d’expansion et de décoration de la capside de T5.L’expansion implique d’importantes réorganisations conformationnelles des 775 sous-unités de laprotéine pb8 composant la capside, conduisant au doublement du volume de la capside qui peutalors contenir le génome du phage. J’ai déterminé des conditions physico-chimiques permettantd’induire l’expansion de la capside in vitro, puis j’ai effectué des expériences de SAXS résoluesdans le temps montrant que l’expansion est un processus hautement coopératif, qui conduit, en uneétape, à un état final remarquablement stable. D’autre part, j’ai réalisé une étude fonctionnelle de laprotéine de décoration pb10, montrant que sa fixation est un marqueur de l’expansion. Enfin l'étudestructurale de pb10 menée par SAXS a permis de déterminer un modèle à basse résolution de sonenveloppe moléculaire. / Bacteriophage T5 is a virus infecting E. Coli. Its capsid assembly and maturation include severalcritical steps leading to the formation of new virions during the infectious cycle.During my thesis I focused on the expansion and decoration of T5 capsid. Expansion consists inlarge conformationnal reorganizations of the 775 capsid protein subunits, yielding a two-foldincrease of the capsid volume and allowing it to accomodate the full-length genome. I haveascertained physicochemical conditions that trigger in vitro expansion of the capsid, and using atime-resolved SAXS study, I showed that expansion is a higly cooperative two-state process leadingto a remarkably stable final state. I have also carried out a functional study of the decoration proteinpb10, showing that it only binds to expanded proheads. Finally, a low resolution model of pb10 wasdetermined by SAXS.

Porcine <i>Circovirus</i> 2 (PCV2) associated diseases (PCVAD) cause economic loss to the global swine industry. Control measures for PCVAD largely depend on the use of PCV2 vaccines. The available commercial PCV2 vaccines contain either inactivated whole virus particles or recombinant PCV2 capsid protein. These preparations most likely contain varying amounts of immune-irrelevant proteins that can cause adverse injection site reactions, with compromised efficacy due to alteration of protective immune epitopes arising during the viral inactivation process. Other constraints include high production cost attributed to propagation of slow growing virus and expression and extraction of recombinant proteins, a requirement for adjuvants, and the induction of a Th2-biased immune response. Hence, development of new PCV2 vaccines is necessary.<p> There are two recommended PCV2 vaccination strategies. They are i. vaccinating sows, which relies on the passive transfer of maternal immunity to offspring, and ii. immunizing young piglets to induce an active immune response. The piglet vaccination has been shown to confer better protection from mortality. Maternal antibody interference to the induction of an active immune response is an obstacle when piglets are vaccinated at an early age. Can we sidestep this maternal antibody interference? To address this issue, I investigated whether a prototypical PCV2 vaccine, parenterally administered, could override maternally-derived PCV2 antibodies in seropositive piglets. The results of this study were not conclusive. However, they laid the foundation for future studies based upon using varying levels of vaccine antigen with different adjuvants, and administered to piglets with defined maternally derived PCV2 antibodies.<p> Subsequently, I examined if a new PCV2 vaccine candidate comprised of bacteriophage lambda particles displaying part of the PCV2 capsid protein could induce anti-PCV2 immunity. Initial experiments showed that pigs do not have pre-existing anti-lambda antibodies and thus will not neutralize display particles used as a vaccine at primary vaccination. I produced and characterized lambda phage particles displaying four immunodominant regions of porcine circovirus 2 (PCV2) capsid protein fused to the lambda capsid protein D i.e., D-CAP, phage display particles. Expression of D-CAP in <i>Escherichia coli</i> (<i>E. coli</i>) and its presence in the vaccine preparation was shown by ELISA and Western blots using anti-PCV2 polyclonal antiserum from a gnotobiotic pig. The vaccine, lambda particles displaying PCV2 capsid protein immunogenic epitopes fused to lambda D protein (LDP-D-CAP), administered without an adjuvant induced both humoral and cellular immunity to PCV2 in conventional pigs, as shown by ELISA, Western blots, virus neutralization assay and delayed type hypersensitivity (DTH) reactions. This work produced the first potential phage vaccine to PCV2. In order to further investigate the feasibility of using the lambda display technology. I produced and characterized two additional lambda display particle preparations, LDP-D-FLAG and LDP-D-GFP, displaying a FLAG tag and the green fluorescent proteins, respectively.