Mimivirus est le 1er virus géant découvert. Quelques années plus tard une nouvelle entité́ biologique a été décrite, les virophages. Si leurs principales caractéristiques sont maintenant bien définies et acceptées, leur position dans le monde viral ainsi que les interactions qu’ils pourraient avoir avec leur virus-hôte sont encore discutées. La famille des virophages s’élargit. Dans cette optique, le premier objectif de thèse a été de faire un bilan des propriétés connues des virophages au travers d’une revue de la littérature scientifique. La deuxième section repose sur l’analyse des bases de données métagénomiques à la recherche de séquences de virophages et de Megavirales. En criblant le métagénome Bioreactor, nous avons détecté des séquences étroitement liées au virophage Zamilon. Le génome de ce dernier a été décrit et partiellement assemblé. La troisième partie du travail est basée sur l’étude des interactions entre les Mimiviridae et les virophages. Nous avons observé́ qu’un groupe de mimivirus a développé́ une résistance contre l’infection par le virophage Zamilon. C’est en essayant de comprendre ce mécanisme de résistance jusque-là inconnu dans le monde viral que nous avons décrit pour la première fois un système de défense appelé MIMIVIRE. Enfin, la dernière partie est centrée sur l’étude d’une protéine impliquée dans la traduction chez les mimivirus. Les résultats de ce travail suggèrent que cette protéine régule l'expression d’autres protéines virales. Les éléments inédits présentés dans cette thèse contribuent à soutenir l’idée de l’existence d’une quatrième branche du vivant, distincte des 3 domaines connus. / Mimivirus is the first largest virus described. Some years later, virophage, a new biological entity has been discovered. Virophage is a small virus able to infect other giant viruses for which the presence can be deleterious. If their main features have been widely accepted, their position in the viral world and their interactions with host’s viruses are still discussed. The family of virophages is expanding. The first objective of this thesis work was to summarize the known proprieties and features of virophages through a review paper. The second part refers to the analysis of metagenomic databases in search of virophage and Megavirales sequences. By screening the Bioreactor metagenome, we detected sequences closely related to Zamilon virophage.The genome has been described and partially assembled. The third part was based on the study of the interactions between giant viruses and virophages. We observed that some mimiviruses have developed a resistance against the infection by Zamilon virophage. To understand this mechanism of resistance, we described for the first time a viral defense system called MIMIVIRE. Finally, the last part was focused on the study of a protein involved in the translation apparatus of mimivirus. The results of this study suggest for the first time that a translational protein in mimivirus regulates the expression of their proteins.The results described herein show the potential impact of virophages on their viral hosts and also the complexity of the genetic content of giant viruses. Considering all these elements, we can support the hypothesis that giant viruses belong to a new domain of life, in complement to eukaryotes, bacteria and algae.

Les amibes sont des protozoaires unicellulaires ubiquitaires dans l'environnement qui se nourrissent des microorganismes qui les entourent. Cependant plusieurs études ont déjà montré que certains de ces microorganismes (bactéries et virus) sont capables d'entrer dans les amibes et de s'y multiplier au lieu d'y être digérés. Cette capacité et l'analogie entre les amibes et les macrophages fait de ces microorganismes de potentiels pathogènes humains. L'utilisation de la technique de coculture sur amibes a donc été développée afin de permettre l'isolement de ces microorganismes. En 2001 elle a permis l'isolement d'un petit coque Gram positif qui sera identifié en 2003 comme étant le premier virus géant isolé : Acanthamoeba polyphaga Mimivirus, pour « mimiking microbe » en référence à sa coloration positive au Gram. La découverte de ce virus associé aux amibes et qualifié de « géant » il y a moins d'une décennie a bouleversé les définitions même de virus. Une taille exceptionnelle de 500 nm, un génome qui dépasse 1 Mb, une particule comportant des ADN et des ARN, autant de caractéristiques originales qui l'ont rendu exceptionnel. Depuis, d'autres virus géants ont été isolés, notamment Marseillevirus, et il est probable que la famille s'étende rapidement maintenant que l'on sait que leur isolement était impossible à cause de leur caractère non filtrable. Des études en métagénomique dans l'environnement ont suggéré une grande ubiquité de ces virus dans l'environnement, notamment hydrique. / Free living amoebas are ubiquitous in the environment and feed on microorganisms. However, several studies have already shown that some of these microorganisms (bacteria and virus) are able to enter the amoeba and multiply within the cell. This capacity and the analogy between amoebas and macrophages allow to think that these microorganisms are potentially human pathogens. The use of the amoeba coculture method was thus developed to allow the isolation of these microorganisms. In 2001 it allow the isolation of a small Gram positive coccus which will be characterized in 2003 as the first isolated giant virus : Acanthamoeba polyphaga Mimivirus. The discovery of this virus less than a decade ago challenged the definition of viruses. An exceptional size of 500 nm, a genome which exceeds 1 Mb, a particle containing DNA and ARN, so many original characteristics which made it exceptional. Since, other giant viruses were isolated, in particular Marseillevirus, and it's likely that the family quickly extends now that we know that their isolation was impossible because of their not filterable character. Environmental metagenomic studies suggested a big ubiquity, particularly into hydric environment. Furthermore the description of virophages, small viruses capable of infecting Mimivirus and behaving towards him as a bacteriophage, contribute to debate on the nature of viruses as well as on their place in the evolution.

Les virus sont ubiquitaires et abondants dans l’environnement. Ils influent fondamentalement sur l’écologie de l’ensemble des écosystèmes et du microbiote humain. Dès 2002, avec la découverte de virus géants d’amibes, la virologie s’est complexifiée. Les Megavirales (nouvel ordre au sein des grands virus nucléocytoplasmiques) ont 10% de gènes homologues aux cellules eucaryotes, et ont la caractéristique singulière d’être infectés par des virophages.Avec l’avènement de la métagénomique, le nombre de métagénomes produits ne cesse de croître de manière exponentielle. C’est ainsi que la virologie a connu un nouvel essor et a pu mieux être étudiée en s’affranchissant des difficultés de culture et d’isolement des virus dans les conditions artificielles de laboratoire. La métagénomique permet d’étudier les communautés microbiennes mais également de découvrir de nouveaux microbes. La bioinformatique est devenue incontournable dans le domaine de la biologie et essentielle pour les biologistes afin de traiter les masses de données et en extraire toute la richesse de l’information biologique nécessaire. La première partie de cette thèse consiste en une revue de la littérature décrivant la bioinformatique au service de la métagénomique virale. La deuxième partie présente la création d’un nouvel outil « MG-Digger » dédié à l’analyse rapide et automatisée de séquences d’intérêts spécifiques dans les métagénomes. La dernière partie se concentre sur l’utilisation de cet outil sur des données issues de projets métagénomiques afin de répondre à des questions biologiques précises, notamment sur les données de l’expédition scientifique TARA à travers les océans. / Viruses are ubiquitous and abundant in the environment and can influence all ecosystems ecology and the human microbiota.Since 2002, with the discovery of giant viruses of amoeba, virology has become more complex and the definition of virus has been called into question, not only because of their phenotypic sizes similar to those of bacteria but also their genomic content exceeding thousand genes. Megavirales, also known as nucleocytoplasmic large DNA viruses, have 10% homologous genes to eukaryotic cells and interestingly can be infected by virophages. With the advent of metagenomic, the number of metagenomes produced is exponentially increasing as well as our understanding of virology which has been studied. Metagenomics studies showed an efficient way to study microbial communities and identify novel viruses without the difficulties of culture and isolation of viruses in artificial laboratory conditions.Metagenomic requires considerable computational and storage resources (Big data processing). Therefore, bioinformatics has become an integral part of research and development in the biomedical sciences by providing tools that handle complex datasets and finally giving the necessary biological information. The first part of this thesis consists of an exhaustive review of the literature describing bioinformatics and viral metagenomics. The second part presents a new "MG-Digger" tool dedicated to the rapid and automated analysis of specific interest sequences in metagenomes. The third part focuses on the use of this tool on metagenomic data to answer to specific biological questions, including data from the TARA scientific expedition across the oceans.

Les virus sont présents dans tous les écosystèmes, et sont les entités les plus abondantes dans le milieu marin. Bien que nous associons systématiquement virus aux maladies, la plupart d'entre eux coexistent cependant en équilibre avec leur hôte. Les virus sont associés à tous les règnes de la vie, même les virus qui affectent d'autres virus(virophages). La définition aujourd'hui d'un virus chez les virologues, c'est qu'un virus est un parasite génétique qui utilise des systèmes cellulaires pour sa propre réplication. Les hôtes les plus couramment utilisés par les virus que nous avons étudiés sont principalement des protozoaires. Ainsi, les Amoebozoa font l'objet de nombreuses études et sont utilisés pour isoler de nouvelles espèces intracellulaires( virus, bactéries). Ces espèces ont évolué de manière à résister aux effets consécutifs à la phagocytose ou à l'ingestion dans des vacuoles, et restent viable dans le cytoplasme de l'amibe, et ont le potentiel de se multiplier dans les parasites. Dans cette étude, nous avons dans un premier temps étudier les diverses interactions existantes entre virus Acanthamoeba polypaghaga Mimivirus(APMV) et des bactéries au sein de l'amibe. Pour cela, nous avons choisi un système original basé sur la co-culture de l'APMV, soit seul ou en combinaison avec deux autres microorganismes isolés individuellement à partir de l'amibe. Il s'agit d'une bactérie intracellulaire stricte(BABL1) et le virophage de APMV (Sputnik). Cela nous a permis de mettre en évidence, d'une part la capacité du virophage à moduler la virulence d'APMV tout en révélant, d'autre part, la bataille qui a eu lieu entre eux au cours de l'infection de l'hôte. dans un deuxième temps, nous avons examiné l'activité virucide des biocides couramment utilisés en pratique clinique pour la désinfection des équipements hospitaliers. APMV et Marseillevirus montrent une grande résitance aux biocides chimiques, en particulier l'alcool. Seule la température de 75°C et le glutaraldéhyde ont réussi à réduire les titres d'APMV et Marseillevirus à des niveaux indétectables. Après dessiccation ou exposition aux rayonnements ultraviolets, APMV et marseillevirus ont démontré leur stabilité durable. Précédent le pré-traitement des échantillons de l'environnement par l'éthanol à 70°C, a permis la disparition des contaminants bactériens sans réduire la charge virale, permettant leur isolement sur amibe, sans avoir besoin d'utiliser des antibiotiques, qui peuvent avoir un effet délétère su les amibes. / In this study, we first examined the various interactions taking place between the virus Acanthamoeba polyphaga Mimivirus (APMV) and bacteria within the amoeba. We chose an original system based on a co-culture of APMV either alone or in combination with two other organisms isolated from amoeba, i.e a strict intracellular bacterium (BABL1) and the virophage of APMV (Sputnik). This allowed us to highlight, on the one hand, the possibility to modulate the virulence of APMV while revealing, on the other hand, the battle which occurs between them during the infection of the host. We then examined the virucidal activity of biocides commonly used in clinical practice for the disinfection of hospital equipment. APMV and Marseillevirus show high resistance to chemical biocides, especially to alcohol. Only a temperature of 75°C or glutaraldehyde were able to reduce APMV and Marseillevirus titres to undetectable levels. Whether dried or under ultraviolet, APMV and Marseillevirus demonstrated their lasting stability. Previous pre-treatment of environmental samples by ethanol 70° allowed disappearance of bacterial contaminating bacteria without reducing giant virus load allowing their isolation on amoeba without need the use of antibiotic that may have a deleterious effect on amoebae.

Protéines difficiles à exprimer: un goulot d'étranglement pour la plupart des biologistes. J'ai choisi d'utiliser comme modèle d’étude Acanthamoeba polyphaga Mimivirus. Ce virus géant à ADN possède des protéines subissant des modifications post-traductionnelles, des structures multi-protéiques ou encore des voies enzymatiques jamais identifiées auparavant dans un virus, ce qui en font un modèle idéal pour l’étude de protéines récalcitrantes. Le but ultime de cette thèse, était de produire les protéines de capsides de Mimivirus. Le rôle de la protéine de capside dans l’assemblage de la particule virale, son infectivité et ses caractéristiques moléculaires sont d’une grande importance. Pour aller du gène à la protéine, J’ai participé à la compréhension de ce qui gouverne la terminaison de la transcription de Mimivirus et également participé à l'analyse globale du transcriptome au cours du cycle d'infection des amibes par Mimivirus. Nous avons montré que les transcrits de Mimivirus sont systématiquement polyadénylés dans des régions formant une structure secondaire en tige-boucle, même s’il n’existe pas de signal de polyadénylation canonique en amont. Nous en avons conclu que la polyadénylation de Mimivirus suit exclusivement une règle «épingle à cheveux». De plus, l’étude du transcriptome a révélé 3 phases temporelles distinctes dans le cycle infectieux: précoce, intermédiaire et tardive. Les transcrits de capsides sont tous exprimés durant la phase tardive mais leur profil d’expression ne sont pas superposables dans le temps. Les données de transcriptomique ont révélées la présence de plusieurs glycosyltransférases chez Mimivirus, dans la phase tardive du cycle, concomitant avec la production de la protéine de capside. Les informations recueillies sur l'expression des gènes à différents temps post-infection ont contribué à la conception de protocoles pour la production des protéines de capsides (la protéine majeure de capside (MCP) et ses paralogues) dans de systèmes eucaryote. / Difficult to express proteins: a bottleneck for most biologists. I have chosen to use Acanthamoeba polyphaga Mimivirus as my study model. This giant dsDNA virus possesses post-translationally modified proteins, multi-protein structures and enzyme pathways never before seen in a virus, which makes it ideal for refractory studies. The ultimate goal of my thesis was to produce the capsid proteins of Mimivirus. The role of the capsid protein in the assembly of the viral particle, its infectivity, and molecular features are of great importance. To go from gene to protein, I participated in the comprehension of what governs the post-transcriptional termination in Mimivirus and equally participated in the global analysis of the transcriptome during the infectious cycle of Acanthamoeba by Mimivirus. We have shown that the Mimivirus transcripts are systematically polyadenylated in the regions forming a stem-loop secondary structure; even when a canonical poyadenylation signal is absent We concluded that Mimivirus polyadenylation obeys a strict “Hairpin rule”. Moreover, the transcriptomic study revealed three distinct temporal phases: early, intermediate and late. The capsid transcripts are all expressed during the late phase but their expression profiles are not superimposable. The transcriptomic data also revealed the presence of several Mimivirus glycosyltransferases in the late temporal phase, concomitant with the capsid proteins. The expression data gathered throughout my thesis has contributed to the rational design of a protein production experiment to produce the major capsid protein and its three paralogs in eukaryotic systems.

Les membres des familles Mimiviridae et Marseilleviridae, qui infectent et se répliquent dans Acanthamoeba spp. et d’autres protistes phagocytaires, ont été découverts au cours de la dernière décennie et rattachés à un groupe monophylétique de virus nommés les grands virus à ADN nucléocytoplasmiques (NCLDVs), qui infectent un large éventail d’eukaryotes y compris différents organismes unicellulaires. Récemment, il a été proposé de reclasser les NCLDVs dans un nouvel ordre viral nommé les Megavirales. Plusieurs dizaines de virus géants des amibes ont été isolés, mais le génome de peu d’entre eux a été étudié de façon approfondie. Nous avons étudié les génomes de ces virus géants d'amibe afin d’acquérir une meilleure compréhension de leur répertoire de gènes et leur importance évolutionnaire. L'analyse phylogénétique des virus géants d'amibe distingue clairement trois lignées, nommées A, B et C. Nous avons étudié en détail le génome de Acanthamoeba polyphaga moumouvirus, le membre fondateur de la lignée B et avons déchiffré son contenu en gènes et sa relation évolutive avec d'autres organismes. Nous avons également étudié les génomes de Terra1 virus et Terra2 virus, qui appartiennent respectivement aux lignées C et A, et ont été isolés à partir d'échantillons de sol alors que les mimivirus décrits aupravant ont été isolés à partir d'eau douce ou de mer. En outre, nous avons décrit le génome du virus Courdo11, qui appartient à la lignée C, et est étroitement lié au premier Mimivirus isolé d'un humain, qui présentait une pneumonie inexpliquée. / The members of families Mimiviridae and Marseilleviridae, which infect and replicate in Acanthamoeba spp. and other phagocytic protists, were discovered during the past decade and linked to a monophyletic group of viruses named the Nucleocytoplasmic Large DNA viruses (NCLDVs), which infect a broad variety of eukaryotes including diverse unicellular organisms. Recently, it has been proposed to reclassify the NCLDVs into a new viral order named the Megavirales. Several dozens of giant viruses of amoeba have been isolated but the genome of very few has been extensively studied. We studied the genomes of these giant viruses of amoeba to gain a better understanding of their gene repertoire and evolutionary importance. The phylogenetic analysis of giant viruses of amoeba clearly distinguished three lineages, named lineages A, B and C. We studied in detail the genome of Acanthamoeba polyphaga moumouvirus, the leader member of lineage B to decipher its gene content and its evolutionary relationship with other organisms. We further studied the genomes of Terra1 virus and Terra2 virus, which belong to lineages C and A, respectively, and were isolated from soil samples whereas previously described mimiviruses of amoeba were isolated from fresh or marine water. Furthermore, we described the genome of Courdo11 virus, which belongs to lineage C, and is closely related to the first mimivirus isolated from a human, who exhibited unexplained pneumonia.

Les virus géants sont un groupe de virus ADN double brin caractérisés par une taille géante du virion et du génome, et un répertoire de gènes qui comprend environ 450 à 2500 gènes prédits. Une proportion importante de ces gènes (jusqu'à 93%) sont des 'ORFans', ou codent pour des protéines de fonction inconnue. Acanthamoeba polyphaga mimivirus est le premier virus géant découvert, il y a une décennie, par co-culture sur Acanthamoeba spp. Il est le membre prototype de la famille Mimiviridae. Le génome de Mimivirus code pour environ 1000 protéines, parmi lesquelles ~50% n'ont pas d'homologue connu dans les banques de séquences publiques. La capside de Mimivirus a un diamètre d'environ 500 nm et est couverte par une couche dense de fibres, à l'exception de l'un de ses sommets. Ces fibres sont d'environ 130 nm de longueur et se composent d'une tige souple et d'une tête de forme globulaire.Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à étudier les gènes impliqués dans la formation des fibres de Mimivirus. Dans ce but, nous avons notamment exprimé des gènes candidats dans E. coli, et nous avons mis au point une stratégie qui a utilisé l'interférence ARN afin d'étudier la fonction et la structure des protéines de Mimivirus. Nous avons annoté quatre protéines associées aux fibres. La stratégie utilisant les petits ARN interférant appliquée ici est originale et a été utilisée pour la première fois pour les virus géants qui infectent les amibes. Elle pourrait permettre de décrypter la fonction des gènes des mimivirus et d'annoter potentiellement des centaines de protéines présentes dans les bases de données publiques, et de différencier l'ADN poubelle des gènes réellement utilisés. / Giant viruses are a group of double stranded DNA viruses that are characterized by a giant virion and genome size, and gene repertoires encompassing approximately 450 to 2500 predicted genes. A substantial proportion of these genes (up to 93%) consists in ORFans, or encodes proteins with unknown functions. Acanthamoeba polyphaga mimivirus is the first giant virus that was discovered, a decade ago, after co-culturing on Acanthamoeba spp. It is the prototype member of the family Mimiviridae. Mimivirus encodes about 1000 proteins, among which ~50% have no known homolog in public sequence databases. The Mimivirus capsid is about 500 nm in diameter and is covered by a dense layer of fibers, except at one of its vertices. These fibers are about 130 nm in length and consist of a soft shaft and a globular shaped head.In this thesis work, we aimed to study the genes involved in the formation of the Mimivirus fibers. For this purpose, we have expressed candidate genes in E. coli, and implemented a strategy that used RNA interference to study the function and structure of Mimivirus proteins. We then succeeded in annotating four proteins as fiber associated proteins. The short interfering RNA strategy that we applied here is original and has been used for the first time in giant viruses that infect amoeba. It could allow deciphering the function of the mimivirus gene repertoires and help annotating hundreds of proteins without known function found in public databases and differentiate between junk DNA and truly used genes.

During the last years we have seen the birth of free-electron lasers, a new type of light source ten billion times brighter than syncrotrons and able to produce pulses only a few femtoseconds long. One of the main motivations for building these multi-million dollar machines was the prospect of imaging biological samples such as proteins and viruses in 3D without the need for crystallization or staining. This thesis contains some of the first biological results from free-electron lasers. These results include 2D images, both of whole cells and of the giant mimivirus and also con- tains a 3D density map of the mimivirus assembled from diffraction patterns from many virus particles. These are important proof-of-concept experiments but they also mark the point where free-electron lasers start to produce biologically relevant results. The most noteworthy of these results is the unexpectedly non-uniform density distribution of the internals of the mimivirus. We also present Hawk, the only open-source software toolkit for analysing single particle diffraction data. The Uppsala-developed program suite supports a wide range fo algorithms and takes advantage of Graphics Processing Units which makes it very computationally efficient. Last, the problem introduced by structural variability in samples is discussed. This includes a description of the problem and how it can be overcome, and also how it could be turned into an advantage that allows us to image samples in all of their conformational states.

Les virus géants d'amibes( Acanthamoeba) sont des virus à ADN double brin . Ces virus géants ont été isolés depuis 2008 essentiellement à partir de prélèvements d'eaux et sols) collectés dans diverses régions géographiques à travers le monde, ou à partir de prélèvements humains (selle, liquide broncho-alvéolaire et sang). Ils sont repartis en 4 familles virales dont les plus représentées sont les familles Mimiviridae et Marseilleviridae avec pour membres fondateurs respectifs Mimivirus et Marseillevirus et comptent à ce jour respectivement 44 et 20 isolats. Les virus géants d'amibes sont ubiquitaires dans notre biosphère, et les êtres humains y sont potentiellement exposés. Au cours de cette Thèse, nous avons premièrement écrit une revue de la littérature décrivant les outils de mise en évidence des virus géants d'amibes chez l'homme incluant la sérologie, la culture, la PCR ou l'hybridation de sondes fluorescentes in situ. Deuxièmement, nous avons conçu et évalué 5 systèmes de PCR en temps réel détectant les membres des groupes de mimivirus d'amibes, leurs virophages et les marseillevirus. Nous avons participé à un 3ème travail décrivant les différentes procédures d'isolement sur amibes utilisées jusqu'à présent dans notre laboratoire . Enfin, dans un 4ème travail préliminaire, nous avons recherché par PCR la présence des mimivirus et marseillevirus dans 701 plasmas de patients infectés par HIV-1.Au total, nos travaux ont décrit les mises au point, performances et limites des tests de PCR pour l'étude des virus géants, et ont contribué aux outils et fourni des éléments pour l'étude de l'implication des virus géants d'amibes en pathologie humaine. / The giant viruses of amoebas( Acanthamoeba) are double stranded DNA viruses. These giant viruses have been isolated essentially from water and soil samples collected in various geographic regions around the world or from human samples (stool, blood and bronchoalveolar fluid). These giant viruses are divided into four viral families among which those comprising the largest number of representatives are the Mimiviridae and Marseilleviridae families, whose respective founders are Mimivirus and Marseillevirus and comprise 44 and 20 representative members, respectively. Giant viruses of amoeba are ubiquitous in our biosphere, which means that humans can be exposed to them. In this Thesis, we initially wrote a review of the literature describing the tools to detect the present of these giant viruses in humans, including serology, culture isolation, PCR and fluorescence in situ hybridization (FISH). Secondly, we designed and evaluated the performance of five real-time PCR systems targeting the members of the 3 groups of mimiviruses of amoeba, their virophages and the marseilleviruses. We were involved in a third work that described the different isolation procedures on amoebae used so far in our laboratory for giant viruses. Finally, in a fourth preliminary work, we looked by PCR for the presence of mimiviruses and marseilleviruses DNA in 701 plasma from patients infected with HIV-1. In summary, our work described the developed PCR assays for the study of giant viruses, and their performance and limitations, and it contributed to the tools and evidence for the study of the involvement of the giant amoeba virus in human pathology.