La modélisation de maladies métaboliques hépatiques et les approches de thérapie cellulaire nécessitent de disposer d’une source fiable et illimitée d’hépatocytes. Grâce à leurs propriétés spécifiques, les cellules souches pluripotentes peuvent représenter une telle source. Nous avons tout d’abord mis au point une approche originale pour différencier une lignée de cellules souches embryonnaires humaines européenne, générée en conditions GMP-compatibles, en hépatocytes fonctionnels in vitro et in vivo après transplantation dans un modèle murin d'insuffisance hépatique aiguë. Nous avons ensuite utilisé les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) spécifiques d’un patient homozygote pour une mutation entrainant une absence de récepteur des lipoprotéines de basse densité (RLDL) afin de modéliser l'hypercholestérolémie familiale (HF) in vitro. Nous avons amélioré notre approche pour différencier ces iPSC en hépatocytes plus matures et polarisés car les hépatocytes sont les seules cellules capables de dégrader le cholestérol via la bile. Nous avons montré que ce modèle reproduit la physiopathologie de l'HF et établit la preuve de concept de la correction génétique ciblée par la technologie CRISPR/Cas au locus AAVS1 par la restauration de l’expression, inductible par les statines, et de la fonctionnalité du récepteur. Nous avons également mis en évidence que le RLDL ne semble pas impliqué dans l'entrée du virus de l'hépatite C (VHC) mais plutôt dans les étapes tardives de la morphogénèse virale. Ce modèle pourra désormais servir à l’étude physiopathologique de différents patients HF, au criblage de nouvelles drogues hypocholestérolémiantes et antivirales ainsi qu'à de nouvelles approches thérapeutiques. / Liver metabolic diseases modeling and cell therapy approaches require a a reliable and well-characterized cell source. Due to their specific properties, pluripotent stem cells represent a credible alternative to primary human hepatocytes. Thus, we have defined a new approach to differentiate a European human embryonic stem cell line, generated in GMP-compatible conditions, into hepatocytes that are functional in vitro and in vivo after transplantation into a murine model of acute liver failure. We have then used induced pluripotent stem cells from a homozygous patient with a mutation leading to an absence of the low-density lipoproteins receptor (LDLR) to model familial hypercholesterolemia type IIA (FH) in vitro. As hepatocytes are the only cells able to metabolize cholesterol into bile acids, we have improved our approach to differentiate these iPSC into hepatocytes displaying cell functional organization and polarization. We have shown that our model reproduced FH physiopathology and have also restored, by the genetic targeted correction at the AAVS1 locus using CRISPR/Cas technology and subsequent hepatocyte differentiation, the LDLR expression – inducible by statins - and functionality. Moreover, we have demonstrated that the LDLR does not seem to be involved in hepatitis C virus entry or replication but rather in viral morphogenesis steps. This model will be useful to develop new cholesterol-lowering and antiviral drugs as well as new cell therapy options. Furthermore, it can be applied to similar studies for other liver metabolic disorders.

Le séquençage haut débit a été utilisé dans ce travail pour reconstruire avec des méthodes adaptées le génomeviral entier du virus de l’hépatite C (VHC) notamment pour le typer avec précision. Une étude a ainsi permisde mettre en évidence la présence d’une forme recombinante du VHC chez un patient. Une autre a permisde typer et détecter les mutations de résistance de plusieurs souches de VHC de génotypes différents. Enfin,une dernière étude basée sur cette approche a permis de découvrir une souche VHC appartenant à un nouveausous-type. Le séquençage haut débit a aussi été utilisé dans ce travail pour détecter des infections multiples etanalyser l’évolution virale en ciblant des gènes du VHC et en mettant en œuvre des méthodes non spécifiquespour 2 patients VHC sous traitement. Cette étude rétrospective a permis de définir la composition de chaqueéchantillon temporel, estimer leur diversité nucléotidique, explorer la structure génétique de la population viraleet son évolution temporelle et dater les infections secondaires. Les résultats obtenus supportent l’hypothèse d’unmécanisme d’apparition de résistance au traitement (selective sweeps). / High-throughput sequencing has been used in this work to reconstruct with adapted methods the whole genomeof the hepatitis C virus (HCV) particularly for accurately typing the virus. Thus, we managed to detect in a studya recombinant form of HCV circulating within a patient. We typed and detected in another study resistancemutations of several HCV strains of different genotypes. Finally, a last study based on this approach enabled touncover a HCV strain belonging to a new subtype. High-throughput sequencing has also been used in this workto detect multiple infections and analyze viral evolution with targeted HCV genes and non-specific methods for2 HCV patients under treatment. This retrospective study enabled to define the composition of each temporalsample, assess their nucleotide diversity, investigate viral population genetic structure and temporal evolutionand date secondary infections. Results of this analysis support the hypothesis of onset mechanism of treatmentresistance (selective sweeps).

Le virus de l'hépatite C (HCV) est un virus à ARN qui synthétise ses nouveaux génomes dans les cellules hôtes infectées grâce à une ARN polymérase ARN dépendante (RdRp), appelée NS5B. Cette polymérase a été pendant longtemps une cible majeure dans la recherche d'antiviraux contre l'hépatite C. Aujourd'hui, de nombreux antiviraux ont été approuvés dans le traitement de l’hépatite C ciblant différentes protéines virales, entre autre, NS5B. Le sofosbuvir qui cible le site actif de NS5B est un antiviral qui a démontré une efficacité extraordinaire dans le traitement anti-HCV.Durant ces dernières années, les recherches sur NS5B ont permis de caractériser cette protéine, à la fois structuralement et biochimiquement. La richesse des connaissances ainsi accumulées fait de NS5B un excellent modèle pour les RdRp des virus à ARN.Toutefois, peu d'études portent sur le mécanisme d’acheminement et de sélection des ribonucléotides au site actif de NS5B, et de façon générale, sur la description atomique du mécanisme de réplication assuré par NS5B, qui implique deux dications magnésium pour la catalyse comme chez toutes les polymérases de cette famille.Durant ce travail, nous avons exploité les données structurales issues de complexes ternaires (NS5B+RNA+nucleotide) obtenus en 2015 par cristallographie à l'échelle atomique. Nous avons utilisé ces structures pour mener des études de modélisation moléculaire, essentiellement par dynamique moléculaire afin d’aborder la question de l'acheminement des nucléotides vers le site actif de NS5B.Nous avons eu recours à la fois à des méthodes de dynamiques moléculaires classiques et des méthodes de dynamiques moléculaires dites biaisées telles que différentes méthodes de dynamiques moléculaires dirigées (SMD et TMD) et la dynamique moléculaire accélérée (aMD).Nos résultats indiquent que l’acheminement du nucléotide au site actif associé à un magnésium Mg(B) est contrôlé tout au long du tunnel par différents éléments de NS5B. Initialement, le nucléotide se lie à une région proche de la boucle qui surplombe le tunnel lui permettant, grâce aux interactions qu’il établit avec sa partie triphosphate, de s’orienter base en avant. Ensuite, le nucléotide atteint un point de contrôle formé essentiellement par le motif F3 (R158) et le motif F1(E143). Le nucléotide reste lié à ce site jusqu’à l’arrivée du second dication magnésium (Mg(A)) qui provoque des réarrangements structuraux, notamment au niveau du motif F3, entrainant l’avancée du nucléotide vers le site actif. Une fois ce point de contrôle passé, le nucléotide interroge alors la base du brin d’ADN matrice sans s’insérer entièrement dans le site actif.Nos simulations ont clairement établi que les dernières étapes d’entrée du nucléotide sont finement régulées par l’arrivée du second dication magnésium qui a donc un rôle de coordinateur en plus de son rôle connu dans la catalyse.Ce mécanisme d’entrée semble être spécifique aux RdRp virales et permet de comprendre pourquoi les analogues de nucléotides peuvent être aussi efficaces contre les virus à ARN. / The hepatitis C virus is an RNA virus that synthesises its new genomes in the infected host cells thanks to an RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) termed NS5B. This polymerase has been a prime target for antiviral therapy. Numerous direct antiviral drugs are now approved in the HCV treatment and allow very high rates of treatment success. These drugs target among others the HCV NS5B RdRp with the sofosbuvir being one of the most successful drugs.Tremendous efforts have been made in the past decades to characterize NS5B, in particular structurally and biochemically. However, there is little information about the molecular mechanisms of NS5B ribonucleotides entry and selection and in general on the atomistic details of the RNA replication mechanism, although the involvement of two magnesium dications in catalysis is well established in this family of polymerases. Since 2015, structures of ternary complexes of NS5B have been resolved by crystallography offering very valuable details about the binding of nucleotides at the NS5B active site.In this work, we took advantage of these structural data to address the ribonucleotides entry and to further explore the nucleotide addition cycle in NS5B using molecular modelling and molecular dynamics simulations. We used both conventional molecular dynamics techniques and biased simulations that enhance sampling such as Steered Molecular Dynamics (SMD), Targeted Molecular Dynamics (TMD) or accelerated Molecular dynamics (aMD).Based on our modelling results, we found that the access to the active site through the nucleotides tunnel is checked by successive NS5B elements. First, the entering ribonucleotide together with an associated magnesium Mg(B) binds next to a loop that overhangs the nucleotide tunnel and interactions with its triphosphate moiety orient it base-first towards the active site. Second, the ribonucleotide encounters a checkpoint constituted by the residues of motif F3(R158) and motif F1(E143) where it is blocked until the arrival of a second magnesium ion, the Mg(A). This allowed the motif F3 to undergo small structural rearrangements leading to the advancement of the nucleotide towards the active site to interrogate the RNA template base prior to the complete nucleotide insertion into the active site.Our simulations pointed out that these dynamics are finely regulated by the second magnesium dication, thus coordinating the entry of the correct magnesium-bound nucleotide with shuttling of the second magnesium necessary for the two-metal ion catalysis. This entry mechanism is specific to viral RdRps and may explain why modified ribonucleotides can be so successful as drugs against RNA viruses.

Le polymorphisme génétique du virus de l’hépatite B (VHB) a déjà été étudié pourtenter de comprendre les facteurs viraux influençant l'évolution de la maladie, mais les étudessont discordantes. Ceci peut être lié au fait que les précédents travaux n’ont été menés quedans des populations avec une faible variété de génotypes et présentant des charges viralesplasmatiques (CVP) élevées.Nous avons donc étudié la variabilité du génome complet du VHB chez 422 individusinfectés chroniquement, naïfs de traitements anti-viraux et dont 38% présentaient une CVPinférieure à 103 UI/mL. L’optimisation de l’amplification par PCR du génome complet duVHB nous a permis de séquencer en technique Sanger plus de 90% du génome pour 320échantillons. Le séquençage direct a mis en évidence des co-infections. Ceci a été confirmé enséquençage clonal par pyroséquençage de 27 échantillons qui a montré des proportions departicules défectives variables mais toujours en co-infections avec des sous-populationssauvages. Le génotypage des séquences obtenues par technique Sanger a montré une grandereprésentativité des génotypes les plus fréquents (A à E) ainsi que 60 potentiels recombinantsinter-génotypiques. Cependant le séquençage clonal par pyroséquençage et clonage vectorielclassique de ces derniers montre la présence de co-infections de plusieurs génotypes ou laprésence de génotypes intermédiaires entre génotypes proches. Ceci est en défaveur derecombinaison par échange de matériel génétique comme ce qui a été suggéré dans lalittérature.Cette étude sera complétée par l’analyse de corrélation entre les polymorphismes et lesmarqueurs de mauvaise évolution de la pathologie. / The genetic polymorphism of hepatitis B virus (HBV) has been investigated tounderstand its impact on disease evolution, with discordant results. This could be due to thenarrow range of genotype and plasmatic viral load in these studies.We analysed complete genome variability of circulating HBV, in 422 chronicallyinfected patients. All were naive of anti-viral treatement and 38% had a plasmatic viral loadbelow 103 UI/mL. After optimisation of full length genome PCR amplification, we obtainedSanger sequences for more than 90% of HBV genome in 320 samples. We detected by directsequencing multiples co-infections that were confirmed by clonal pyrosequencing in 27samples. Defective viruses were always observed in co-infection with wild type virus. Directsequences showed a large representation of the most frequent genotypes (A to E), but also 60potential inter-genotypic recombinants. Clonal pyrosequencing and vectorial sequencingshowed that these potential recombinants were co-infections with different genotypes orintermediate genotypes located between close genotypes. These observations are incontradiction with the hypothesis described in the literature on recombination by geneticmaterial exchange.This study will be completed by a correlation analysis between the polymorphisms andmarkers of bad prognosis during HBV-induced disease.

L’hépatite B est une maladie du foie qui pose un problème majeur de santé publique. Il n’existe à ce jour aucun traitement permettant de guérir complètement de l’infection, et de nouvelles thérapies ont besoin d’être développées. Étant donné son rôle clé dans le cycle de vie du virus de l’hépatite B (VHB), la protéine core qui forme la capside virale est aujourd’hui l’une des cibles avec le plus grand potentiel thérapeutique. Nos recherches sont focalisées sur la caractérisation des capsides du VHB dans différents états conformationnels en utilisant des techniques de biochimie et de RMN du solide, afin de révéler leur conformation précise sous différentes conditions, incluant l’interaction des capsides avec des antiviraux, et la relation entre la conformation de la capside et la maturation du virus. Un système d’expression bactérienne ainsi qu’un système acellulaire de synthèse de protéine à base de germes de blé ont été établis au laboratoire pour produire les capsides, et des protocoles pour désassembler puis réassembler les capsides en présence de différents types d’ARN ont été implémentés. Des échantillons de capsides formées dans E. coli et réassemblées in vitro ont été analysés par RMN. Les différentes formes de capsides observées incluent les protéines tronquées Cp140 et Cp149, la protéine entière Cp183, phosphorylée P-Cp183, et enfin des mutants. Dans un premier temps, nous avons préparé des échantillons pour l’attribution séquentielle de la protéine core par RMN du solide. L’utilisation de la détection carbone en RMN requiert plusieurs dizaines de milligrammes d’échantillon, qui ont pu être produits en utilisant l’expressions bactérienne en milieu minimum contenant des isotopes marqués. Les attributions séquentielles ont été réalisées sur la protéine tronquée Cp149, qui donne des spectres très similaires à Cp183. Cet échantillon a également été utilisé pour identifier les différences conformationnelles entre les 4 monomères de la capside, qui sont provoquées par la symétrie icosaédrale T=4. Ensuite, l’objet principal de cette thèse a été l’investigation et la comparaison d’une large variété de capsides, dans leur forme autoassemblée dans les bactéries E. coli, ainsi que dans leur forme réassemblée. Pour le réassemblage de la protéine entière, qui requiert la présence d’acides nucléiques, nous avons testé différents types d’ARN y compris l’ARN viral prégénomique. Nous avons étudié différentes symétries (T=3 et T=4), ainsi que les états d’oxydation de la capside, et comparé les différences de conformation grâce aux perturbations de déplacements chimiques observées dans les spectres RMN. Nous avons pu identifier les acides aminés impliqués dans les changements conformationnels majeurs entre les différentes préparations. La RMN du solide en détection proton à 100 kHz a récemment émergé comme un outils important pour l’analyse de protéines produites en quantités moindres. Nous avons appliqué cette stratégie à l’analyse des capsides de Cp149 afin d’obtenir l’attribution des protons amides. La détection proton par RMN du solide peut être combinée avec succès à la synthèse des protéines en système acellulaire, qui donne de faibles rendements par rapport aux cultures en bactéries. Cette approche est particulièrement intéressante pour analyser la modulation de l’assemblage des capsides induite par la présence de drogues. Bien que nous ayons commencé à étudier l’impact de modulateurs d’assemblage par RMN en détection carbone sur des capsides formées dans E. coli et réassemblées (données préliminaires non montrées dans ce manuscrit), la détection proton ouvre la voie vers l’analyse de l’impact de ces modulateurs sur l’assemblage des protéines core directement à la sortie du ribosome / Hepatitis B is a widely spread liver disease which causes a heavy burden for human health, with 257 millions of people affected by chronic infection and about 780,000 deaths per year. Yet, infected patients can not be completely cured by current treatments using notably nucleos(t)ide analogues and interferons. In order to achieve the goal of the World Health Assembly (WHA), who wishes to eliminate hepatitis B by 2030, new therapies need to be developed. Given its critical role for the Hepatitis B virus (HBV) life cycle, the core protein (Cp) is today one of the antiviral targets with the highest potential. Our research focuses on the characterization of HBV capsids in different conformational states using biochemistry and solid-state NMR, aiming at revealing their precise conformation under different conditions, including the interaction of capsids with antivirals, and the correlation between capsid conformation and viral maturation. For sample preparation, both a bacterial expression system and a wheat germ cell-free protein synthesis system have been established in the laboratory to produce HBV capsids, and protocols to disassemble and reassemble capsids with different nucleic acids have been implemented. Both capsids preformed in E. coli and capsids reassembled in vitro were addressed to NMR studies. Different capsids forms include the truncated versions Cp140 and Cp149, the full length protein Cp183, the phosphorylated P-Cp183 and mutant forms. First, we have prepared samples for the sequential assignment of the protein using solid-state NMR. The use of carbon-13 detection asks for several tens of milligrams of sample, which were produced using labeled isotopes and bacterial expression in minimal media. Sequential assignments were performed using the truncated capsid Cp149, which showed highly similar spectra to Cp183. This sample was also used to identify conformational differences between the four different monomers in the capsid, which are due to the T=4 icosahedral symmetry. Then, the main body of the thesis is the investigation and comparison of a variety of different capsid forms, including Cp183, P-Cp183, Cp149, Cp140, another truncated form resulting in mainly T=3 icosahedral assemblies, and Cp140 C61A and Cp183 F97L mutants. We investigated all samples in both the E. coli-produced and reassembled forms, which needs for the full-length protein the presence of nucleic acids, of which we tested several, including the viral pregenomic RNA. We investigated different symmetries, as well as oxidation states of the capsid, and compared the differences via chemical shift perturbations observed in NMR spectra. We reported in a site-specific manner the major conformational changes observed between the different preparations. Proton-detected solid-state NMR at 100 kHz has recently emerged as a tool for analyzing proteins with the need of less sample amount. We have applied this strategy to the analysis of the Cp149 capsids, in order to obtain sequential assignments of the amide proton resonances. For this, deuteration of the protein in bacteria was used as well, needing adaptation of sample preparation protocols. Proton detection can be successfully combined with cell-free protein synthesis, which gives low yields compared to bacterial expression. This approach is of potential interest to analyze capsid assembly modulation induced by the presence of drugs. While we have started in the framework of this thesis to analyze the capsid in presence of different capsid assembly modulators by carbon-13 detected NMR on E. coli and reassembled capsids (preliminary results not reported here), proton detection opens the way to an analysis of the impact of capsid modulation directly on the exit of the core proteins from the ribosome, on assembly. We showed that cell-free expression combined with proton-detection solid-state NMR can be used to analyze capsid chemical shifts, and thus in future work the conformational modulations

Host immune responses must be tightly regulated by an intricate balance between positive and negative signals while fighting pathogens; persistent pathogens may usurp these regulatory mechanisms to dampen host immunity to facilitate survival in vivo. Here we report that Tim-3, a negative signalling molecule expressed on monocytes and T cells, is up-regulated on natural killer (NK) cells in individuals chronically infected with hepatitis C virus (HCV). Additionally, the transcription factor T-bet was also found to be up-regulated and associated with Tim-3 expression in NK cells during chronic HCV infection. MicroRNA-155 (miR-155), an miRNA that inhibits signalling proteins involved in immune responses, was down-regulated in NK cells by HCV infection. This Tim-3/T-bet over-expression and miR-155 inhibition were recapitulated in vitro by incubating primary NK cells or NK92 cell line with Huh-7 hepatocytes expressing HCV. Reconstitution of miR-155 in NK cells from HCV-infected patients led to a decrease in T-bet/Tim-3 expression and an increase in interferon-γ production. Blocking Tim-3 signalling also enhanced interferon-γ production in NK cells by improving signal transducer and activator of transcription-5 phosphorylation. These data indicate that HCV-induced, miR-155-regulated Tim-3 expression regulates NK cell function, suggesting a novel mechanism for balancing immune clearance and immune injury during chronic viral infection.

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Le virus de l'hépatite C (VHC) est un problème majeur de santé publique dont les usagers de drogues (UD) constituent la principale source de contamination en France. Réaliser des enquêtes séro-épidémiologiques auprès de cette population pour suivre la dynamique du VHC s'avère difficile notamment en raison de leurs pratiques illicites. Cette population est en partie accessible par les lieux d'enquêtes et en partie "cachée" car ne fréquentant aucun lieu répertorié. Pour enquêter chaque partie, nous avons considéré l'échantillonnage lieux-moments (TLS) puis l'échantillonnage conduit par les répondants. Après avoir formalisé le TLS dans le cadre d'un sondage indirect, nous avons proposé un estimateur pour un total et une proportion, qui tient compte de la fréquentation multiple et hétérogène des lieux d'enquêtes. Nous recommandons cette méthode pour estimer la prévalence d'une maladie dans des études auprès de populations fréquentant des services, même en cas d'erreurs sur les fréquentations déclarées par les participants. L'enquête ANRS-Coquelicot réalisée en 2004 auprès des UD fréquentant des centres dédiés, puis répétée en 2011, a permis d'estimer la prévalence du VHC à 43,7%. A partir des deux enquêtes, nous avons ensuite estimé l'incidence du VHC par âge et en fonction du temps en construisant un modèle mathématique reposant sur la formulation d'une relation entre la prévalence et l'incidence. Ce modèle consistait en la combinaison d'un modèle compartimental et d'un modèle de régression. L'incidence du VHC a ainsi été estimée à 4,4/100 personnes-années en 2011. Cette approche est une alternative satisfaisante pour estimer l'incidence d'une maladie à partir d'enquêtes épidémiologiques transversales en l'absence de cohorte ou de tests biologiques permettant d'identifier les infections récentes. Compte tenu de la baisse de la prévalence, des mesures de réduction des risques et des avancées thérapeutiques, une diminution de l'incidence du VHC devrait se poursuivre malgré une potentielle augmentation des comportements à risque des UD. / Hepatitis C virus (HCV) is a public-health issue that drug users (DU) remain the major source of contamination in France. Conducting seroepidemiological surveys among this population to assess the HCV dynamic is difficult particularly due to their illicit practices. This population can be accessible through survey locations or can be hidden (who does not visit any location). To survey each part, we presented time-location sampling (TLS) and respondent-driven sampling. We presented TLS in the context of an indirect sampling and proposed a design-based inference taking into account the frequency of venue attendance (FVA) to estimate a total or a proportion. We recommend this method for estimating the prevalence of a disease in surveys among hard-to-reach populations, even if errors occur in the FVA reported by the participants. The ANRS-Coquelicot survey carried out in 2004 among DU attending centres providing services to drug users, then repeated in 2011, allowed us to estimate the HCV prevalence at 43.7%. Using these two surveys, we estimated age- and time-dependent HCV incidence from a mathematical model linking prevalence and incidence. This model consisted in combining a compartmental model with a regression model. The HCV incidence was thus estimated at 4.4/100 person-years in 2011. This method is an alternative approach to estimate incidence of a disease from cross-sectional epidemiological data in the absence of cohort or biological tests to identify acute infections. The decline in HCV incidence is to be expected given decreasing prevalence, recent developments in harm reduction measures and new therapeutic approaches despite a potential increase of at-risk behaviors.

T cells play a pivotal role in controlling viral infection; however, the precise mechanisms responsible for regulating T‐cell differentiation and function during infections are incompletely understood. In this study, we demonstrated an expansion of myeloid‐derived suppressor cells (MDSC s), in particular the monocytic MDSC s (M‐MDSC s; CD 14+ CD 33+ CD 11b+ HLA ‐DR −/low), in patients with chronic hepatitis C virus (HCV ) infection. Notably, HCV ‐induced M‐MDSC s express high levels of phosphorylated signal transducer and activator of transcription 3 (pSTAT 3) and interleukin‐10 (IL ‐10) compared with healthy subjects. Blocking STAT 3 signalling reduced HCV ‐mediated M‐MDSC expansion and decreased IL ‐10 expression. Importantly, we observed a significant increase in the numbers of CD 4+ CD 25+ Foxp3+ regulatory T (Treg) cells following incubation of healthy peripheral blood mononuclear cells (PBMC s) with MDSC s derived from HCV ‐infected patients or treated with HCV core protein. In addition, depletion of MDSC s from PBMC s led to a significant reduction of Foxp3+ Treg cells developed during chronic HCV infection. Moreover, depletion of MDSC s from PBMC s significantly increased interferon‐γ production by CD 4+ T effector (Teff) cells derived from HCV patients. These results suggest that HCV ‐induced MDSC s promote Treg cell development and inhibit Teff cell function, suggesting a novel mechanism for T‐cell regulation and a new strategy for immunotherapy against human viral diseases.

Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) and porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) are two of the most prevalent swine pathogens that have impacted the global swine industry for decades. Both are RNA viruses with increasing heterogeneity over the years, making a vaccine solution ever so challenging. Modified live-attenuated vaccines (MLVs) have been the most common approach, but the long-term safety regarding their potential for pathogenic reversion still needs to be addressed. Subunit based vaccines have been the focus of numerous development studies around the world with renewed interest in their promising prospects in both safety and efficacy. Our lab has developed a unique approach to use hepatitis B virus core capsid protein (HBcAg) as a vaccine delivery vehicle for either PRRSV or PEDV viral epitope antigens. Recombinantly produced HBcAg forms an icosahedral capsid virus-like particle (VLP) that has 240 repeats in a single assembled particle. By inserting different epitope antigens from these porcine pathogens into the particle, we can achieve repetitive antigen presentation to the host's immune system by taking advantage of the polymeric nature of VLP. The first animal study evaluated the efficacy of 4 VLP based vaccine candidates against PRRSV in mice. These 4 vaccines incorporated 2 B-cell epitopes (61QAAIEVYEPGRS72 and 89ELGFVVPPGLSS100) and 2 T-cell epitopes (117LAALICFVIRLAKNC131 and 149KGRLYRWRSPVIIEK163) from PRRSV structural proteins GP3 and GP5 respectively. Candidate GP3-4 was able to stimulate a significant viral neutralizing response in mouse sera against two PRRSV strains, one being heterologous, demonstrating its potential of cross-protection against PRRSV. The second animal study took an optimized VLP vaccine candidate against PEDV from previous development studies in mice, and assessed its efficacy through a comprehensive pregnant gilt vaccination and neonatal piglet challenge model. The vaccine candidate incorporated B-cell epitope 748YSNIGVCK755 from the PEDV spike protein. It was able to elicit significant viral neutralization antibody titer in gilt milk at 3 days post-farrowing (DPF), and provided nursing piglets with clinical relief in terms of morbidity, viral shedding, small intestinal lesions, and 10 days post-challenge (DPC) survival rate. / Doctor of Philosophy / Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) and porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) are two pathogens that infect pigs, resulting in immense economic losses to the global pork production industry every year. Both viruses have large diversity with various strains due to mutations that have occurred over the years. This makes vaccine development that aims at combating the pathogens even more challenging. One common vaccine strategy has been immunizing animals with modified live viruses with decreased pathogenicity. Naturally, long term safety of this option has been a concern. A much safer vaccine approach that is purely protein based has attracted renewed interest around the world. Protein based vaccines lack genetic materials from the viruses and are not able to replicate inside the host. Our lab has developed a platform that uses protein-based particles (VLPs) originated from the hepatitis B virus (HBV), and incorporates short pieces of proteins from either PRRSV or PEDV to train host's immune system to recognize these pathogens, and hopefully to prevent future infection. For the first animal study, we tested 4 VLP vaccine candidates against PRRSV in mice and discovered that mouse serum from one candidate GP3-4 was able to prevent infection of 2 distinct PRRSV strains in petri dishes, paving the way for further development. For the second animal study, we took an optimized VLP vaccine candidate against PEDV from previous mouse studies, and evaluated its performance in pigs. We immunized pregnant mother pigs with the vaccine before they gave birth, then experimentally infected newborn piglets with the virus. Piglets from the vaccinated mothers showed improved clinical signs and faster recovery from the infection.