Hepatitis C virus (HCV) induces a high rate of chronic infection via dysregulation of host immunity. We have previously shown that T-cell immunoglobulin and mucin domain protein-3 (Tim-3) is up-regulated on monocyte/macrophages (M/Mφ) during chronic HCV infection; little is known, however, about the transcription factor that controls its expression in these cells. In this study, we investigated the role of transcription factor, T-box expressed in T cells (T-bet), in Tim-3 expression in M/Mφ in the setting of HCV infection. We demonstrate that T-bet is constitutively expressed in resting CD14+ M/Mφ in the peripheral blood. M/Mφ from chronically HCV-infected individuals exhibit a significant increase in T-bet expression that positively correlates with an increased level of Tim-3 expression. Up-regulation of T-bet is also observed in CD14+ M/Mφ incubated with HCV+ Huh7.5 cells, as well as in primary M/Mφ or monocytic THP-1 cells exposed to HCV core protein in vitro, which is reversible by blocking HCV core/gC1qR interactions. Moreover, the HCV core-induced up-regulation of T-bet and Tim-3 expression in M/Mφ can be abrogated by incubating the cells with SP600125 – an inhibitor for the c-Jun N-terminal kinase (JNK) signalling pathway. Importantly, silencing T-bet gene expression decreases Tim-3 expression and enhances interleukin-12 secretion as well as signal transducer and activator of transcription 1 phosphorylation. These data suggest that T-bet, induced by the HCV core/gC1qR interaction, enhances Tim-3 expression via the JNK pathway, leading to dampened M/Mφ function during HCV infection. These findings reveal a novel mechanism for Tim-3 regulation via T-bet during HCV infection, providing new targets to combat this global epidemic viral disease.

The Hepatitis C virus (HCV) NS3/4A protease inhibitors (PIs) have become a mainstay of newer all-oral combination therapies. Despite improvements in potency of this inhibitor class, drug resistance remains a problem with the rapid emergence of resistance-associated substitutions (RASs). In this thesis I elucidate the molecular mechanisms of drug resistance for PIs against a resistant variant and apply insights toward the design of inhibitors with improved resistance profiles using structural, biochemical and computational techniques. Newer generation PIs retain high potency against most single substitutions in the protease active site by stacking on the catalytic triad. I investigated the molecular mechanisms of resistance against the Y56H/D168A variant. My analysis revealed that the Y56H substitution disrupts these inhibitors’ favorable stacking interactions with the catalytic residue His57. To further address the impact of drug resistance, I designed new inhibitors that minimize contact with known drug resistance residues that are unessential in substrate recognition. The initially designed inhibitors exhibited flatter resistance profiles than the newer generation PIs but lost potency against the D168A variant. Finally, I designed inhibitors to extend into the substrate envelope (SE) and successfully regained potency against RAS variants maintaining a flat profile. These inhibitors both pack well in the enzyme and fit within the SE. Together these studies elucidate the molecular mechanisms of PI resistance and highlight the importance of substrate recognition in inhibitor design. The insights from this thesis provide strategies toward the development of diverse NS3/4A PIs that may one day lead to the eradication of HCV.

Au sein du laboratoire, par une stratégie de conception de médicaments par la méthode des fragments, nous avons généré une nouvelle famille d'inhibiteurs de cyclophilines, les SMCypI (« Small-Molecule Cyclophilin Inhibitors »), non liée aux autres inhibiteurs de cyclophilines existants. Les cyclophilines sont des protéines cellulaires impliquées dans un grand nombre de processus biologiques. Toutefois, les inhibiteurs de cyclophilines disponibles possèdent de nombreux inconvénients qui rendent leur utilisation clinique difficile. Au cours de ma thèse nous nous sommes intéressés au développement des SMCypI dans deux domaines en particulier, la Virologie et l’Hépatologie.Dans le domaine de la Virologie, les cyclophilines sont impliquées dans la réplication de plusieurs virus et constituent donc une cible de choix dans le développement d'antiviraux à large spectre. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de l’activité antivirale de ces molécules sur le virus de l’Hépatite C, avec comme objectif de démontrer leur activité pangénotypique, leur haute barrière à la résistance, leur mécanisme d’action et leur activité antivirale à large spectre pour d’autres virus de la famille des Flaviviridae.Dans le domaine de l’Hépatologie, les lésions d’ischémie-reperfusion hépatique sont rencontrés pendant la chirurgie hépatique et la transplantation hépatique. La mitochondrie est un acteur majeur via l’ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondrial. L’ouverture du pore est modulée par la cyclophiline D. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les effets des SMCypI sur cette deuxième cible. Cela nous a permis de démontrer leur effet hépatoprotecteur dans un modèle murin d’ischémie-reperfusion hépatique.L’ensemble de ces résultats ouvre la porte pour le concept des antiviraux à large spectre, et l’utilité dans le domaine de l’hépatologie comme molécules hépatoprotectrices.... / In our laboratory we previously reported a rational design of a new family of smallmolecule cyclophilins inhibitors, SMCypI, unrelated to other cyclophilins inhibitors by means of a complex fragment-based drug discovery approach. Cyclophilins are cellular proteins involved in multiple biological processes. Unfortunately, different disadvantages have limited their clinical development. The aim my thesis was to study the SMCypI in two particulars fields, Virology and Hepatology.In the field of Virology, cyclophilins inhibitors are involved in viral replication of multiple viruses, which make them a convenient target for the development of “broad-spectrum antivirals”. Here, we first characterized the pangenotypic anti-HCV activity of this new family of SMCypI, with high resistance barrier. We studied its mechanism of action andits broad antiviral activity on other members of the Flaviviridae family.In the field of Hepatology, ischemia-reperfusion injuries occur during liver surgery and liver transplantation. Mitochondria play a central role in the opening of mitochondrial permeability transition pore. The opening of this pore is mainly regulated by cyclophilin D. The aim of the second part of our work was to demonstrated a hepatoprotective effect of the SMCypl in a murine model of hepatic ischemia reperfusion injury.Overall, these results are leading the way to the development of broad-spectrumantiviral drugs and their use in hepatology as hepatoprotective drugs....

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20989号 / 医博第4335号 / 新制||医||1027(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 朝長 啓造, 教授 松田 文彦, 教授 小柳 義夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

No description available.

Despite our growing knowledge of virus biology they continue to present a problem to global public health. This problem arises from their high mutation rates that allow them to evade antiviral therapies that we have developed to date. An alternative solution for developing antiviral therapies could be to target host cell factors that are hijacked by the virus. The basis of this hypothesis is that if we can stop the virus from using host cell machinery or from evading host immune mechanisms we could treat the infection more efficiently. With the major research focus being on viral proteins and how we can prevent their functions, there is a lot of work to be done in finding host factors that could be the key to treating an infection. The three themes presented in this thesis broadly focus on this goal. The first theme looks at miRNAs, their interacting partners, and their dysregulation during HCV infection. A microRNA is identified from a small molecule screen of miRNAs that are dysregulated during HCV infection and its role in liver immunometabolism is examined to determine its antiviral potential and identify host factors that could be of interest to target with antiviral therapeutics. The second theme examines the potential of activity-based protein profiling techniques for complementing existing antiviral therapies. An azauracil probe is characterized to examine its ability to interact with viral polymerases and its suitability as a building block for antiviral research or therapies. The final theme uses activity-based protein profiling techniques to study a novel carbamate-hydrazone chemotype and establish its suitability as a chemical probe. The hydrazone probe’s reactivity with the mammalian proteome was determined and its interacting partners were identified using chemoproteomic techniques with an overall goal of examining its suitability for antiviral research. Overall, this thesis uses chemical and molecular biology techniques to present three differing perspectives on how to approach the discovery of host factors and develop novel antiviral therapies.

Understanding the transmission dynamics of infectious diseases is important to well-informed public health policy, responsive infection control and individual patient management. The on-going revolution in whole-genome sequencing provides unprecedented resolution for detecting evidence of recent transmission and characterising population-level transmission dynamics. In this thesis, I develop and apply evolutionary approaches to investigating transmission, focusing on three globally important pathogens. Hepatitis C virus (HCV) is a major cause of liver disease affecting 150 million people and killing 350,000 annually. I conducted a meta-analysis of twentieth-century HCV epidemics, finding that the age of the epidemic can be predicted by genetic diversity. Using the coalescent, I fitted classic susceptible-infected (SI), susceptible-infected-susceptible (SIS) and susceptible-infected-recovered (SIR) epidemiological models. Most epidemics showed signatures of SI dynamics, but three, from Argentina, Hong Kong and Thailand, revealed complex SIR dynamics. Norovirus is the leading viral cause of diarrhoea, estimated to cost the NHS around £115 million annually. I analysed whole norovirus genomes via a stochastic transmission model, finding that up to 86% of hospital infection was attributable to transmission from another patient in the hospital. In contrast, the rate of new introductions to hospital by infected patients was extremely low (<0.0001%), underlining the importance of ward management during outbreaks. Campylobacter is the most commonly identified cause of bacterial gastroenteritis worldwide. I developed a zoonotic transmission model based on phylogeography approaches to test whether three strains previously associated with multiple host species were in fact aggregates of strongly host-restricted sub-strains, or genuine generalists. Members of the same strain isolated from different host species were often more closely related than those isolated from the same host species. I estimated 419, 389 and 31 zoonotic transmissions in ST-21, ST-45 and ST-828 respectively, strongly supporting the hypothesis that these strains are adapted to a generalist lifestyle.

Le virus de l’hépatite C (VHC) est une des principales causes d’hépatite chronique. La protéine F du VHC est codée par un cadre de lecture alternatif du gène de la capside, Core. La protéine F a été découverte après que l’on ait associé Core à plusieurs des fonctions pathogènes du VHC. Nous proposons donc que certaines fonctions biologiques et pathogènes attribuées à la protéine Core résultent de l’activité de la protéine F. Nous avons choisi de développer trois lignées de poissons zébrés (Danio rerio) qui expriment différentes versions de la protéine F afin d’étudier les effets de la protéine F et leur incidence dans la pathogenèse du VHC. Deux versions de la séquence codant pour la protéine F (AF11 et AUG26) et une version mutante du gène core (CoremutI) ont été introduites sur les vecteurs d’un système d’expression répressible spécifique au foie. Ces vecteurs ont été co-injectés dans des embryons unicellulaires de poissons zébrés pour générer les poissons fondateurs des lignées transgéniques. 19, 21 et 36 poissons ont été choisis comme fondateurs pour les lignées AF11, AUG26 et CoremutI respectivement. De ce nombre, 9, 11 et 11 poissons ont atteint la maturité, dans l’ordre pour les mêmes lignées, et seront croisés pour donner naissance à des lignées transgéniques stables. Les résultats de ces expériences nous permettront de mieux cerner les propriétés biologiques de la protéine F et de définir son rôle dans la pathogenèse du VHC. / Hepatitis C virus (HCV) is a major cause of liver steatosis, fibrosis and hepatocellular carcinoma. HCV F protein is expressed from an alternative reading frame within the Core sequence. F protein was discovered after many of the pathogenic determinants of HCV had been associated with the effects of Core. Hence, we propose that a part of the functions attributed to Core result from the activity of the F protein. We produced and selected 19, 21 and 36 transgenic zebrafish (Danio rerio) to give rise to 3 independent lines expressing different versions of the F protein. Of these founders, 9, 11 and 11 were raised to maturity and will be bred to generate stable transgenic lines. Characterizing the phenotype of these transgenic fish will help determine the precise role of the F protein in the pathogenesis of hepatitis C.

L'hépatite C pose un problème de santé publique majeur, dans la mesure où le risque de développer une infection chronique est relativement élevé (40 à 60%) et où la résistance au traitement de choix - l’interféron alpha pégylé et la ribavirine - touche près de la moitié des patients. Cette persistence virale repose avant tout sur de puissantes stratégies d’évasion du système immunitaire inné de l’hôte par le virus. Dans ce projet, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de la réponse antivirale dans des hépatocytes primaires humains normaux et chroniquement infectés avec le VHC, un domaine encore largement inconnu dû à la difficulté d’obtenir ce type de matériel primaire. Nous avons étudié la fonctionnalité de deux voies majeures de détection des pathogènes viraux suite à l’exposition d’hépatocytes primaires humains à de l’ARNdb intracellulaire, via le récepteur et adaptateur RIG-I/MDA5-CARDIF, et extracellulaire via TLR3-TRIF, mimant ainsi les étapes précoces de la détection d’un virus par la cellule hôte. Nous avons établi par RT-PCR quantitatif et analyse transcriptomique par microarray, que ces deux voies de stimulation sont fonctionnelles dans des hépatocytes primaires normaux et que leur activation entraîne à la fois l’expression de gènes antiviraux communs (ISG56, ISG15, CXCL10, …) mais aussi spécifiques avec les gènes IL28A, IL28B et IL29 qui sont une signature de l’activation de la voie de détection de l’ARNdb intracellulaire. La protéine virale NS3/4A joue un rôle majeur à la fois dans le clivage de la polyprotéine virale initiale, mais aussi en interférant avec les cascades de signalisation engagées suite à la détection par la cellule hôte de l’ARN du VHC. Plus particulièrement, nous avons démontré que l’expression ectopique de NS3/4A dans des hépatocytes primaires humains normaux entraîne une diminution significative de l’induction des gènes antiviraux dûe au clivage de CARDIF au cours de l’activation de la voie de signalisation médiée par RIG-I. Nous avons également démontré que l’expression de la NS3/4A entraîne des modifications de l’expression de gènes-clé impliqués dans la régulation de l’apoptose et du programme de mort cellulaire, en particulier lorsque la voie TLR3 est induite. L’ensemble de ces effets sont abolis en présence de BILN2061, inhibiteur spécifique de NS3/4A. Malgré les stratégies de subversion de l’immunité innée par le VHC, nous avons démontré l’induction significative de plusieurs ISGs et chemokines dans des hepatocytes primaires provenant de patients chroniquement infectés avec le VHC, sans toutefois détecter d’interférons de type I, III ou certains gènes antiviraux précoces comme CCL5. Ces observations, concomitantes avec une diminution de l’expression de CARDIF et une correlation inverse entre les niveaux d’ARNm des ISGs et l’ARN viral révèlent une réponse antivirale partielle dûe à des mécanismes interférents sous-jacents. Cette réponse antivirale détectable mais inefficace est à mettre en lien avec l’échec du traitement classique PEG-IFN-ribavirine chez la moitié des patients traités, mais aussi en lien avec l’inflammation chronique et les dommages hépatiques qui mènent ultimement au développement d’une fibrose puis d’une cirrhose chez une grande proportion de patients chroniquement infectés. / Hepatitis C infection is a worldwide health problem since the risk to develop a persistent infection is relatively elevated (40 to 60%) and nearly half of the infected patients do not respond to the classical anti-HCV therapy based on a combination of PEG-IFNα and ribavirin. Viral persistence is based on powerful evasion strategies of the host’s innate immune system. In our study, we characterized antiviral response in primary human normal and chronically HCV-infected hepatocytes, a cutting-edge in our field due to the difficulty to isolate this particular cell type. In order to better define the antiviral response in freshly isolated human primary hepatocytes, we stimulated these cells with extracellular and intracellular dsRNA to trigger TLR3/TRIF and RIG-I-MDA5/CARDIF-mediated antiviral signaling pathways. By using qRT-PCR and microarray analysis, we report that both detection pathways are functional in normal human hepatocytes, their activation leading to the expression of both common (IFIT1, OASL, ISG15 and CXCL10) and specific genes (IL28A, IL28B and IL29), these last ones being a signature of the intracellular dsRNA-mediated pathway. HCV NS3/4A plays a key role in the viral polyprotein processing and upon viral RNA detection by interfering with the host’s antiviral signalling cascades. We report that major antiviral genes induction following activation of RIG-I mediated pathway are severely impaired in ectopically NS3/4A expressing normal hepatocytes due to CARDIF cleavage, but can be restored by specific NS3/4A inhibitor BILN2061. Our microarray analysis also revealed a role for NS3/4A following TRL3-mediated pathway activation on regulation of apoptosis and programmed cell death, which could be linked to strategies for the virus to persist in its host. Despite HCV strategies to circumvent the host’s immune defense system, we observed significant upregulation of ISGs and chemokines in liver biopsies and corresponding isolated hepatocytes from chronically HCV-infected patients. However, no type I and III interferon, neither key-antiviral genes (e.g., CCL5) were detected, underlying an ongoing –but inefficient- antiviral response unable to eradicate the virus. Moreover, we obtained significant inverse correlations between ISGs mRNAs and viral RNA in addition to CARDIF decrease, clearly unravelling efficient viral interfering strategies in a context of chronic HCV infection. This sustained -albeit incomplete- hepatic innate immune response is certainly associated to the failure of the classical IFN-based therapy in half of the infected patients and to the chronic inflammation causing liver damages and eventually leading to hepatocarcinoma which is often observed at late stage of the disease.

La lutte pour les ressources est un phénomène qui a débuté dès l'apparition d'organismes reproductifs et dont la description a été initiée par Malthus puis remarquablement synthétisée et étendue à la biologie sous le terme d'évolution par Darwin en 1859 dans « De l'origine des espèces ». Si le concept est ancien à l'échelle des sciences biologiques, il continue à caractériser des domaines à l'époque insoupçonnés par son auteur tels que la virologie. En effet, les virus hautement variables tels que le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), de l'hépatite B (VHB) et de l'hépatite C (VHC) sont présents sous forme de quasi espèce au sein de leur environnement réplicatif, c'est à dire qu'une multitude de virus génétiquement proche mais distincts coexistent au sein de cet espace qu'ils doivent partager selon les mêmes règles générales que les êtres vivants. Ainsi, lorsque des pressions de sélection s'exercent (immunitaires, antivirales…), une redistribution des variants majoritaires est observé au bénéfice de variants minoritaires mieux adaptés à cet environnement changeant. La modélisation mathématique et informatique de la capacité mutationnelle et la dynamique d'adaptation des variants minoritaires au travers de 6 études de cohortes de patients infectés, par la technique ultra-sensible de pyroséquençage haut débit associée à des logiciels originaux ont permis de mettre en évidence, caractériser et évaluer l'impact de marqueurs diagnostics permettant de prédire la résistance aux antiviraux mais aussi de caractériser de nouvelles cibles antivirales. / Struggle for resources is a worldwide rule which has been first described by Malthus and extended to whole world of living organisms by Darwin in 1859 in “Origin of species”. Today, this concept has been enlarged to virological field, and is particularly adapted to describe highly variable viruses like Human Immunodeficiency Virus (HIV), Hepatitis B Virus (HBV) and Hepatitis C Virus (HCV) which have a quasispecies distribution in infected patients characterized by the co-existence of a number of distinct but related viral populations. Selection pressure on viral replicative environment (immune, antiviral drug treatment…), generally lead to a redistribution of the viral quasispecies with an increasing of the best adapted minor viral variants at the expense of major viral populations. Mathematical and bioinformatic modelization of this phenomenon through 6 infected patients cohorts by means of ultra-deep sequencing and an original bioinformatic package allowed discovery, characterization and evaluation of new diagnostic markers that could be used to prevent resistance emergence to antiviral drugs and to characterized new therapeutics antiviral targets.