L’intégrase (IN) du VIH-1 est une enzyme clé qui catalyse l’insertion stable du génome viral dans celui de la celluleinfectée. D’autre part, l’IN participe également à de nombreuses étapes du cycle viral telles que la transcriptioninverse ou la maturation virale. La compréhension des mécanismes impliqués dans la régulation de l’intégrationcellulaire au cours de l’infection est un enjeu important. L’IN fait partie du complexe de préintégration composé defacteurs cellulaires et viraux. La dynamique des interactions au sein de ce complexe régule les activités catalytiquesmais également non catalytiques de l’IN. C’est dans ce contexte de recherche de nouveaux cofacteurs de l’intégraseque nous avons identifié une interaction entre l’IN et la protéine Kinase GCN2.Mon travail de thèse s’est orienté sur trois questions autour de l’étude du rôle de cette interaction IN/GCN2.- Dans un premier temps, le rôle de la protéine kinase cellulaire GCN2 au cours du cycle viral a été étudié. Nousavons pu montrer que l’infection par le VIH-1 provoque un stress activant GCN2. Cette activation aboutit à uneinhibition de la traduction dès les premières heures de l’infection.- GCN2 est capable de phosphoryler l’IN du VIH-1 sur deux positions : les sérines en position 24 et 255. L’étude durôle de la phosphorylation de l’IN par GCN2 a permis de montrer que l’absence de phosphorylation de l’IN entraîneune stimulation de l’infection. GCN2 via la phosphorylation de l’IN a donc un effet restrictif sur l’infection par le VIH-1.- L’étude du domaine d’interaction entre l’IN et GCN2 a permis d’identifier un résidu essentiel de l’IN, l’acideglutamique en position 85 (E85). En effet, la mutation E85A de l’IN entraîne la production de virus non infectieux,suite à un défaut de maturation / HIV-1 integrase (IN) catalyzes the integration of the viral DNA into the cellular genome. Besides, IN is also involved inother steps of the viral life cycle like the reverse transcription or the viral maturation. Our group is interested in themechanisms involved in the regulation of cellular integration during the infection. IN is part of a pre-integrationcomplex composed of cellular and viral proteins. The dynamic of these interactions regulates IN activities but also noncatalytic activities such as nuclear import and tethering of the complex to the integration site. During theidentification of news partners of IN, an interaction between IN and the kinase GCN2 was characterizedMy PhD project is composed of 3 topics:- The role of the cellular kinase GCN2 was studied during the viral cycle. We showed that GCN2 is activated uponHIV-1 infection. This activation leads to a general decrease of cellular translation during the first hours of infection.-GCN2 is able to phosphorylate IN on two positions: the serines in position 24 and 255. The absence of INphosphorylation causes a stimulation of HIV-1 infection. We demonstrate that GCN2 affects the viral cycle via thephosphorylation of IN.- Binding domain analysis between IN and GCN2 led to the identification of a critical residue of IN, the glutamicacid in position 85 (E85). Mutations E85A of IN impair the viral production by inhibiting the viral maturation.

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

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

L’intégration de la copie ADN du VIH-1 dans le génome d’une cellule infectée est une étape essentielle du cycle réplicatif de ce rétrovirus. Elle est réalisée par une enzyme virale, l’intégrase, qui constitue une cible privilégiée des stratégies antivirales. Différentes études suggèrent une régulation de la sélectivité d’intégration par la chromatine et la transcription. La protéine cellulaire LEDGF/p75, activateur transcriptionnel, interagissant à la fois avec l’intégrase et la chromatine constitue une parfaite illustration de cette régulation.Mon projet de thèse a été d’étudier les liens entre LEDGF/p75, la chromatine et la transcription au cours de l’intégration du VIH-1.Tout d’abord, mes travaux ont permis de valider in vitro l’interaction entre LEDGF/p75 et son partenaire TOX4, récemment identifié par notre équipe. J’ai également montré que le domaine de TOX4, fixant LEDGF/p75, inhibe in vitro l’intégration sur matrice chromatine en présence de LEDGF/p75, suggérant un rôle inhibiteur de TOX4 à l’étape d’intégration du VIH-1.Ensuite, j’ai mis au point des protocoles in vitro de couplage entre l’intégration et la transcription. L’utilisation d’extraits nucléaires pour transcrire par l’ARN polymérase II n’étant pas compatible avec le processus d’intégration, j’ai utilisé l’ARN polymérase T7 purifiée comme machinerie de transcription et étudié les conséquences sur l’intégration. Bien que l’ARN synthétisé inhibe l’intégration, j’ai pu montrer que le passage d’une ARN polymérase sur la matrice d’intégration n’affecte pas l’efficacité globale d’intégration.Enfin, la transcription modifiant la topologie de l’ADN, mon dernier objectif a été d’étudier in vitro l’effet de ce paramètre sur l’intégration. En utilisant des plasmides de différentes formes topologiques comme substrats accepteurs d’intégration, j’ai montré que l’intégration est favorisée sur les formes surenroulées négativement. J’ai également prouvé que cette sélectivité est indépendante de la présence de LEDGF/p75.Mes travaux constituent une étape dans la connaissance des bases moléculaires et mécanistiques de la sélectivité d’intégration du VIH-1 pouvant déboucher sur l’établissement de nouvelles stratégies antirétrovirales. / The integration of the DNA copy of HIV-1 in an infected cell is an essential step of the replication cycle of the retrovirus. It’s performed by a viral enzyme, called integrase, which constitutes a major target of antiviral strategies. Several studies suggest a regulation of integration selectivity by chromatin and transcription. The cellular protein LEDGF/p75, a transcriptional activator, interacting with both integrase and chromatin perfectly illustrates this regulation. My thesis project was to study the links between LEDGF/p75, chromatin and transcription during HIV-1 integration.First, my work validated in vitro the interaction between LEDGF/p75 and its partner TOX4, recently identified by our team. I have also shown that the TOX4 domain, interacting with LEDGF/p75, inhibits integration in vitro on chromatin templates in the presence of LEDGF/p75, suggesting an inhibitory role of TOX4 during the HIV-1 integration step.Then, I developed several in vitro protocols coupling HIV-1 integration and cellular transcription. As RNA polymerase II transcription machinery from Hela nuclear extracts prevents the integration process, I used purified T7 RNA polymerase to perform transcription and studied its consequences on integration. I could show that the synthetized RNA inhibits integration but that the transcription process per se does not affect global integration efficiency on the transcribed template. Since transcription modifies DNA topology, my last goal was to study the effect of this parameter on integration in vitro. Using plasmids of different topological forms as integration acceptor substrates, I showed that integration is enriched in negative supercoiled plasmids. I also proved that this selectivity is independent of the presence of LEDGF/p75. My work constitutes an initial step in understanding the molecular and mechanistic basis of HIV-1 integration selectivity that can lead to the establishment of new antiretroviral strategies.

L'intégrase (IN) du VIH-1 est une enzyme qui catalyse l'intégration du génome du virus dans celui de la cellule infectée. Cette étape d'intégration est cruciale pour le virus pour qu'il puisse se répliquer de manière efficace, l'intégration est donc une cible de choix dans les thérapies antivirales. Comprendre les mécanismes qui participent à l'intégration est donc nécessaire afin de développer des solutions efficaces pour contrecarrer le virus.L’intégration rétrovirale est catalysée par une structure oligomérique d’IN et d’ADN viral bien particulière appelée intasome. Les intasomes rétroviraux catalysent l’intégration préférentiellement sur des nucléosomes, composés d’ADN enroulé de protéines histones, plutôt que sur de l’ADN nu. Ceci est en parti du aux contraintes physiques imposés par la structure de l’intasome, mais également grâce à des facteurs de ciblage cellulaires qui vont interagir avec à la fois l’intasome et des composants du nucléosome.Dans ce projet de thèse, nous avons pu mettre en évidence une nouvelle interaction hôte-pathogène entre l’IN du VIH-1 et la queue d’histone H4 (une des protéines constituant le nucléosome). Ce projet s’est ainsi focalisé autour de cette interaction et a permis de :• Démontrer l’importance de l’interaction entre l’IN du VIH-1 et la queue d’histone H4 lors du cycle viral et plus précisément pour l’étape d’intégration, validant ainsi cette interaction comme une nouvelle interaction hôte-pathogène.• D’identifier que la queue d’histone H4 est un partenaire essentiel de l’intasome du VIH-1 pour qu’il puisse s’ancrer sur le nucléosome.• Développer une nouvelle stratégie antivirale visant à bloquer cette interaction dans les cellules infectées grâce à des composés chimiques. / HIV-1 integrase (IN) catalyzes the insertion of the viral genome into the host cell chromatin. This step is crucial for the virus for its efficient replication, integration is thus of interest to target for antiviral strategies. Understanding the mechanisms involved in integration is important in order to develop efficient tools to fight the virus.Retroviral integration is catalyzed by the intasome, an oligomer of IN and viral DNA. Intasomes integrate onto nucleosomes, composed of DNA wrapped around histone proteins, over naked DNA.In this thesis project, we have identified a new host-pathogen interaction between HIV-1 IN and the H4 histone tail. The topic of the project was then focus on this interaction and has highlighted:• The importance of the HIV-1 IN – H4 histone tail interaction for the viral cycle, especially onto the integration step, validating a new host-pathogen interaction.• The identification of the H4 histone tail as an essential partner for HIV-1 intasome for its anchoring onto nucleosomes.• The development of a novel antiviral strategy aiming to block this interaction in infected cells using chemical compounds

L'Organisation Mondiale de la Santé estime que le VIH-1 est porté par 40 millions de personnes à travers le monde, et qu'il a causé 3,1 millions de décès et 4,9 millions de nouvelles infections au cours de l'année 2004. Les traitements actuels ciblent principalement la rétrotranscriptase du VIH-1 (RT), qui catalyse le passage de l'ARN viral génomique en ADN double brin, substrat de l'intégrase virale (IN). Les antiviraux dirigés contre la RT et utilisés en thérapie sont soit des terminateurs de chaîne analogues de nucléosides (NRTIs), soit des inhibiteurs non-nucléosidiques (NNRTIs) qui se fixent au niveau d'une poche hydrophobe, à proximité du site de fixation des nucléotides. <br />Dans le cadre du développement de nouveaux inhibiteurs de la RT, nous nous sommes intéressés aux 3,7-dihydroxytropolones (3,7-DHT), qui inhibent l'inositol monophosphatase humaine par chélation de deux ions Mg2+ catalytiques distants de 3,7Å. Or les sites catalytiques polymérase et RNase H de la RT contiennent respectivement deux ions Mg2+ distants de 3,57 et 4Å. En outre, l'IN du VIH-1 possède une plate-forme catalytique proche de celle du site RNase H. Nous avons ainsi entrepris d'étudier l'effet des 3,7-DHT sur les activités de la RT et de l'IN du VIH-1. <br />Nous avons observé une inhibition spécifique de l'une ou l'autre activité de la RT par certaines 3,7-DHT. Des études enzymatiques ont ensuite montré que l'inhibition de l'activité ADN polymérase est non-compétitive vis-à-vis des nucléotides, à l'instar des NNRTIs. Néanmoins, l'étude de RT résistante ou dépourvue du site de fixation des NNRTIs permet d'exclure un mode d'action identique à cette classe d'inhibiteurs. Des expériences de gel-filtration, permettant de suivre l'état d'oligomérisation de la forme active de la RT, hétérodimérique, montrent que les 3,7-DHT ne sont pas capables de la dissocier. L'inhibition des activités de la RT par liaison des 3,7-DHT aux acides nucléiques a été écartée, entre autres, par des expériences de fluorescence. Enfin nous avons montré que les 3,7-DHT n'inhibent pas la polymérisation lors de l'étape de translocation. <br />En revanche, une forte baisse de l'inhibition de la synthèse d'ADN a été mise en évidence lorsque la concentration en Mg2+ diminue, ce qui suggère que les 3,7-DHT ne lient le site actif polymérase qu'en présence des ions Mg2+. L'implication des cations catalytiques dans les mécanismes d'inhibition par les 3,7-DHT a également été étayée par l'observation d'une inhibition des activités de « processing » et de transfert de l'IN, dépendante du cation utilisé.<br />Malheureusement, des cultures cellulaires en présence de 3,7-DHT ont révélé une cytotoxicité importante. Ce résultat était partiellement prévisible, compte tenu de l'existence de nombreuses enzymes bimétalliques cellulaires et de l'utilisation de 3,7-DHT de première génération. Dans l'objectif d'améliorer ces composés, sur la base de leur relation structure/activité, nous avions également pour projet d'obtenir la structure cristallographique d'un complexe ternaire RT/(matrice/amorce)/dNTP, en présence d'une 3,7-DHT. Des cristaux de différents complexes ont été obtenus, mais n'ont pas permis d'obtenir de clichés de diffraction aux rayons X et restent par conséquent à améliorer. <br />Nous avons également étudié l'influence de la concentration en Mg2+ libre sur les activités catalytiques de la RT du VIH-1.<br />En résumé, les résultats obtenus au cours de mon travail de thèse permettent d'élaborer les prémices d'une stratégie de conception « rationalisée » d'inhibiteurs de la RT et de l'IN, dans l'objectif d'obtenir des composés plus spécifiques et plus affins de l'un ou l'autre site catalytique.

L’intégrase (IN) est l’une des enzymes virales assurant la réplication du VIH. La fonctionnalité des protéines qui, comme celles du VIH, ont une variabilité de séquence repose sur des résidus non conservés, en plus des acides aminés conservés entre souches, qui ont un rôle important notamment lorsqu'ils font partie de réseaux de coévolution. Ces réseaux peuvent contrecarrer l'effet délétère d'une mutation par l'introduction de mutations compensatoires ailleurs dans la protéine. Ce travail a mis en évidence, par une étude comparative de différentes souches du VIH, des réseaux de coévolution étendus dans l'IN. Un résultat majeur est l'identification d'un nouveau motif assurant de multiples rôles dans le cycle infectieux. Le motif diffère entre les groupes M et O du VIH, mais est strictement conservé au sein de ces deux groupes en dépit d'une certaine flexibilité génétique en culture de cellules. Ceci suggère que ces groupes ont suivi des chemins évolutifs convergents bien que distincts. / Integrase (IN) is one of the viral enzymes ensuring HIV replication. The functionality of proteins, which, like those from HIV, have sequence variability, relies on nonconserved residues, in addition to the conserved amino acids between strains, which have an important role especially when they are part of coevolution networks. These networks can counteract the deleterious effect of a mutation by introducing compensatory mutations elsewhere in the protein. This work has demonstrated, through a comparative study of different strains of HIV, extensive coevolution networks in IN. A major result is the identification of a new motif that provides multiple roles in the infectious cycle. The pattern differs between HIV groups M and O, but is strictly conserved within these two groups despite some genetic flexibility in cell culture. This suggests that these groups followed convergent, although distinct, evolution pathways.

L'intégrase (IN) est une enzyme essentielle du cycle réplicatif des rétrovirus, qui catalyse l'intégration de l'ADN viral rétrotranscrit dans le génome de la cellule cible. Des données structurales, précédemment obtenues par notre équipe, ont conduit à la conception rationnelle de molécules susceptibles de bloquer l'IN sous une forme oligomérique inactive. Des tests d'intégration concertée in vitro ont permis d'étudier leur effet sur l'activité enzymatique de l'IN.Le porc est porteur d'un Gammaretrovirus endogène appelé Porcine Endogenous RetroVirus (PERV), susceptible d'être transmis à l'homme lors d'une xénotransplantation. L'étude structurale de l'IN du virus recombinant PERV-A/C a pour but de mieux comprendre son fonctionnement et de guider le développement rationnel d'inhibiteurs limitant le risque de xénozoonose. J'ai modélisé l'intasome de l'IN de PERV-A/C en complexe avec le raltégravir, un médicament utilisé comme traitement anti-VIH. J'ai ensuite mis au point des protocoles de purification permettant d'étudier le domaine carboxy-terminal (Carboxy Terminal Domain ou CTD) de l'IN de PERV-A/C isolé et en complexe avec le CTD du cofacteur cellulaire humain Brd2. L'enveloppe SAXS de ce complexe a été déterminée. En parallèle, une étude par histone array, réalisée avec le CTD seul de l'IN de PERV-A/C, a révélé un profil de spécificité pour des queues d'histones H2B et H3 portant des modifications post-traductionnelles / Integrase (IN) is an essential enzyme in retroviral replicative cycle, which catalyzes the integration of the viral DNA into the target cell genome. Structural data previously obtained by our team led to rational design of molecules likely to block IN in an inactive oligomeric form. In vitro concerted integration assays made it possible to study their effect on IN enzymatic activity. Pig has an endogenous gammaretrovirus called Porcine Endogenous RetroVirus (PERV) which can be transmitted to humans during xenotransplantation. The aim of the structural study of the recombinant virus PERV-A/C IN is to better understand its mechanism and thus guide the rational design of inhibitors limiting xenozoonosis risk. I modeled the PERV-A/C IN intasome in complex with raltegravir, a drug used for HIV treatment. Then I developed purification protocols to study the isolated and complexed PERV-A/C IN Carboxy-Terminal Domain (CTD) with the human cellular cofactor Brd2. The SAXS envelope of the complex was determined. In parallel, a histone array study, performed with the PERV-A/C IN CTD alone, revealed a specificity profile for modified H2B and H3 histone tails

L'intégrase (IN) est une protéine clé du cycle de réplication des rétrovirus et constitue une cible thérapeutique importante. Nous avons découvert par cristallographie aux rayons X, une nouvelle possibilité d'assemblage dimérique du domaine central catalytique de l'intégrase du Rous associated virus type I (RAV-1 IN). Dans le cadre de mon travail de thèse, un protocole de surproduction et de purification d'un mutant du domaine catalytique isolé (H103C) a été optimisé, afin de démontrer l'existence de cet assemblage en solution grâce à un pont disulfure inter-moléculaire. Différentes méthodes ont été mises au point, afin de tester la ca pacité de petites molécules d'intérêt à se lier et à stabiliser ce "nouvel" assemblage. Un protocole de surproduction et de purification de l'IN entière du RAV-1 a également été développé et mis au point. Des études structurales ont été réalisées. Un mutant H103C de la protéine entière a été produit, afin de vérifier la formation de la "nouvelle" interface sur la protéine entière. Le microorganisme Geobacillus stearothermophilus produit deux ɑ-galactosidases, AgaA et AgaB, qui appartiennent à la famille GH36 des glycosides hydrolases. Ces deux isoenzymes partagent 97 % d'identité de séquence, mais ont des activités catalytiques différentes. Les structures cristallines d'AgaA et AgaB ont été résolues ainsi que la structures du mutant AgaA et AgaB ont été résolues ainsi que la structure du mutant AgaA A355E, qui présente des caractéristiques enzymatiques similaires de AgaB. L'analyse de ces trois structures montre que la substitution A355E entraîne un déplacement significatif du tryptophane du sous-site catalytiques -1. Ce mouvement peut expliquer les spécificités catalytiques des deux isoenzymes. / Integrase (IN) is a key protein in the retrovirus life cycle and constitutes an important therapeutic target for the development of antiretroviral compounds. This enzyme is involved in the early phase of theretroviral replication cycle and catalyses the retrotranscribed viral DNA integration into the host cell genome.The teams of BioCrystallography and Retrovirology of Lyon Gerland demonstrated by X ray crystallography, the existence of a new dimeric assembly of the central catalytic domain (CCD) of Rous Associated Virus type 1integrase or RAV 1 IN. As part of my thesis work, a protocol of overproduction and purification of the H103Cisolated catalytic domain mutant was developed to demonstrate the existence of this dimeric assembly insolution stabilized by an inter molecular disulfide bond. Biochemical and biophysical methods were developed to test the ability of small molecules of interest to bind and stabilize this "new" assembly. A protocol ofoverproduction and purification of full length RAV1 integrase was developed. Crystallization trials and SAXSstudies were undertaken. The H103C mutant of the entire protein was produced to verify the formation of the"new" interface on the full length protein.The microorganism Geobacillus stearothermophilus produces two thermostable ɑ-galactosidases named AgaA and AgaB, which belong to theGH36 glycoside hydrolase family. These two isoenzymes share97% sequence identity, but have different catalytic properties. A collaborative study was initiated with theInstitute of Industrial Genetics, University of Stuttgart (Germany),to better understand the catalytic specificity of these two isoenzymes. The crystal structures of AgaA and AgaB were solved in two different crystal systems.The crystal structure of the mutant AgaA A355E, which has catalytic properties similar of those of AgaB, wasalso determined. These three structures show that the A355E substitution results in a signifiant displacement of the W336 tryptophan residue from the catalytic subsite -1. This could explain the catalytic specificities of the two isoenzymes

Ce mémoire de thèse présente mes travaux sur la détermination de la susceptibilité et de la résistance des intégrases (INs) du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) aux inhibiteurs de transfert de brins de l'IN (INSTIs) ainsi que le développement de fragments d'anticorps simple-chaîne (sdAbs) ciblant l'IN du VIH. Tout d'abord, car les études antérieures ont suggéré que les variations significatives de l'IN de souche CRF02_AG pourrait avoir des effets consécutifs sur l'interaction entre l'inhibiteur et l'IN, la susceptibilité de l'IN de souche CRF02_AG du VIH-1 aux dernières INSTIs a été déterminée. Accord avec l'étude in silico, nous avons mis en évidence que l'activité de 3'-processing et de transfert de brin des INs de souche B et de souche CRF02_AG sont comparables. La susceptibilité des INs recombinantes de souche CRF02_AG aux INSTIs utilisés (Raltégravir-RAL, Elevitégravir-EVG et L-731, 988) est similaire à celle de l'IN de souche B, malgré les variations naturelles qui se produisent dans les INs de souche CRF02_AG. Le polymorphisme de l'IN de CRF02_AG n'a pas d'effet significatif sur la susceptibilité aux INSTIs. Dans un second temps, la résistance de l'IN du VIH-2 au RAL, l'unique INSTI approuvé, a été confirmée in vitro avec des enzymes mutées portant des mutations de résistance. Les mutations aux positions 155 et 148 jouent un rôle similaire pour les VIH-1 et VIH-2, en rendant l'IN résistante au RAL. La mutation G140S confère peu de résistance, mais compense le défaut catalytique dû à la mutation Q148R. À l'inverse, Y143C seule ne confère pas de résistance au RAL excepté si la mutation E92Q est également présente. De plus, l'introduction de la mutation Y143C dans le mutant résistant N155H baisse le niveau de résistance de l'enzyme contenant la mutation N155H, ce qui pourrait expliquer l'absence de détection de ces deux mutations ensemble dans un seul génome. Enfin, des anti-VIH sdAbs avec nombreuses propriétés intéressantes ont été sélectionnés pour développer des agents antirétroviraux. Après la sélection de sdAb ciblant l'IN du VIH, nous avons obtenu des qui sdAbs qui reconnaissent spécifiquement une vaste gamme d'INs in vitro, y compris le mutant G140S/Q148R résistant aux INSTIs. Néanmoins, l'activité inhibitrice des sdAbs n'a pas été observée. Les sdAbs ciblant l'IN du VIH peuvent être utilisés pour d'autres applications, telles que des réactifs ciblant des nanocapteurs. À l'avenir, en raison des avantages uniques des sdAbs, le développement de sdAbs anti-IN du VIH qui bloquent la réplication du VIH reste attractive pour l'obtenir des inhibiteurs efficaces de l'IN.