Nipah virus (NiV) is a highly pathogenic and zoonotic paramyxovirus in the subfamily Paramyxovirinae, genus Henipavirus. The virus causes outbreaks of severe febrile encephalitis with a high mortality rate in humans, and of encephalitic and respiratory disease but with a low mortality rate in pigs. The innate immune response has a critical role in limiting viral infection by activating antiviral state and adaptive immune response. As pigs are able to overcome the infection with NiV, the working hypothesis was that IFN induced signaling pathways are not completely inhibited by NiV in infected porcine cells enabling an antiviral state to be established. Indeed, there was no block of eIF2α phosphorylation in porcine fibroblast (ST) and monocytic-like (IPAM) cells, and human fibroblast (MRC5) cells. To address the potential activation of an alternative IFN induced pathway, the MAPK signaling pathways were examined. The findings revealed that NiV infection triggers different kinetics of phosphorylation of ERK and p38 MAPK in the selected cell types. The data also indicates that p38 MAPK to be indispensable for NiV replication in vitro especially in immune cells. As the involvement of immune cells in viral spread and in immune modulation of porcine adaptive immune response were reported. The next hypothesis stated that NiV infects immune cells and affects the population frequencies of PBMC in pigs. In vitro, productive viral replication was detected in monocytes, CD6+CD8+ T lymphocytes and NK cells, by recovery of infectious virus, anti-genomic RNA and detection of structural N and non-structural C proteins. B lymphocytes, CD4-CD8-, as well as CD4+CD8- T lymphocytes were not permissive to NiV. In NiV infected piglets, the expansion of the CD4+CD8- T cells early post infection was consistent with a functional humoral response. In contrast, significant drop in CD4+CD8- T cell frequency was observed in piglets which succumbed to the experimental infection, supporting vaccine studies that antibody development is a critical component of protective immune response. Thus, both aspects of innate and adaptive immune response are affected and contribute to NiV pathogenesis. These findings will help researchers to design and establish vaccination programs that would be more effective in pigs.

Thesis (Ph.D.)--UCLA, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 105-108).

Thesis (P.h.D.)--UCLA, 2006. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 144-166).

This thesis describes the production of adenovirus-based vaccines containing codon-optimized genes from Nipah virus and Crimean-Congo Hemorrhagic Fever virus. Genes encoding envelope proteins from Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus and Nipah Virus were codon-optimized for translation in human cells and constructed using a modified method of non-gapped gene synthesis, while the entire M segment encoding the glycoprotein precursor for Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus was commercially synthesized. Genes were cloned into recombinant human adenovirus serotype 5 and the resulting viral particles were amplified, titred and analyzed for in vivo efficacy. Results show that a modified method of non-gapped gene synthesis is an effective and efficient method of producing antigen-encoded DNA and at a fraction of the cost and time required for commercial synthesis. Furthermore, adenovirus-based vaccines induce both cellular and humoral immune responses providing for a highly efficacious vaccine during potential disease outbreaks, where time to completion is of utmost importance. This study has shown that recombinant adenoviral vaccines for Crimean-Congo Hemorrhagic Fever virus and Nipah virus can be produced rapidly and efficiently from virtual DNA sequence to optimized recombinant vaccines in just eight months.

This thesis describes the production of adenovirus-based vaccines containing codon-optimized genes from Nipah virus and Crimean-Congo Hemorrhagic Fever virus. Genes encoding envelope proteins from Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus and Nipah Virus were codon-optimized for translation in human cells and constructed using a modified method of non-gapped gene synthesis, while the entire M segment encoding the glycoprotein precursor for Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus was commercially synthesized. Genes were cloned into recombinant human adenovirus serotype 5 and the resulting viral particles were amplified, titred and analyzed for in vivo efficacy. Results show that a modified method of non-gapped gene synthesis is an effective and efficient method of producing antigen-encoded DNA and at a fraction of the cost and time required for commercial synthesis. Furthermore, adenovirus-based vaccines induce both cellular and humoral immune responses providing for a highly efficacious vaccine during potential disease outbreaks, where time to completion is of utmost importance. This study has shown that recombinant adenoviral vaccines for Crimean-Congo Hemorrhagic Fever virus and Nipah virus can be produced rapidly and efficiently from virtual DNA sequence to optimized recombinant vaccines in just eight months.

Les virus Nipah (NiV) et Hendra (HeV) appartiennent au genre Henipavirus au sein de la famille des Paramyxoviridae. Cette famille comporte de nombreux pathogènes tel que le virus de la rougeole (MeV). Les paramyxovirus possèdent un génome de type ARN simple brin encapsidé par la nucléoprotéine (N) au sein d'une nucléocapside hélicoïdale. N interagit avec la phosphoprotéine (P) et cette dernière recrute la polymérase (L) qui assure la transcription et la réplication du génome viral. L'objectif de mon projet de thèse était de caractériser les protéines N et P ainsi que les interactions qui existent entre elles chez les trois virus, NiV, HeV et MeV. A la différence du MeV, qui a été intensivement étudié au cours des dernières années, les données moléculaires et structurales sur les Henipavirus étaient très limitées. A l'aide d'analyses computationnelles, nous avons pu déchiffrer l'organisation modulaire de N et de P, et nous avons montré que les régions, C-terminale de N (NTAIL) et N-terminale de P (PNT), sont prédites comme intrinsèquement désordonnées (RIDs). Les RIDs sont des régions fonctionnelles dépourvues de structures secondaires et tertiaires stables dans des conditions physiologiques. En utilisant des approches biochimiques et biophysiques, nous avons confirmé que NTAIL et PNT sont désordonnées. Elles conservent toutefois des structures secondaires transitoires qui pourraient correspondre à des éléments de reconnaissance moléculaire (ou MoREs) impliqués dans de transitions structurales en présence d'un partenaire. / The Paramyxoviridae family includes many important human and animal pathogens, such as measles virus (MeV), a morbillivirus, and the emerging Nipah (NiV) and Hendra (HeV) viruses, members of the Henipavirus genus. Paramyxoviruses possess a negative-strand RNA genome that is encapsidated by the nucleoprotein (N) into a helical nucleocapsid. N interacts with the phosphoprotein (P), and this latter recruits the polymerase that ensures genome replication and transcription. My PhD project has mainly focused on the characterization of the N and P proteins and on the interactions between these two proteins from the three cognate viruses, namely NiV, HeV and MeV. While MeV has been extensively studied through the past years, structural and molecular information on Henipavirus N and P proteins were rather scarce. Using computational analyses, we deciphered the modular organization of Henipavirus N and P. Intrinsically disordered regions (IDRs) were predicted within these proteins, notably at the C-terminus of N (referred to as NTAIL), and at the N-terminus of P (referred to as PNT). IDRs are functional despite they lack of a well-defined 3-D structure under physiological conditions. Biochemical and biophysical approaches pointed out a mostly disordered state for both NTAIL and PNT, although they were shown to contain short-order prone segments (i.e. molecular recognition elements, MoREs). These latter are involved in partner recognition and in disorder-to-order transitions. The C-terminal domains of the P proteins (referred to as PXD) were found to bind to NTAIL and to induce an α-helical transition thereof.

Le objectif de ma thèse était la caractérisation moléculaire de la P des virus Nipah et Hendra (BL4) du genre Henipavirus. Le génome est encapsidé par la N qui sert de substrat pour la transcription et la réplication. La polymérase est composée par la L e son cofacteur la P. La P est composée d’un domaine N-terminal (PNT) désordonné et un domaine C-terminal (PCT) constitué d’une alternance de régions désordonnés et ordonnés (PMD domaine de multimerization). J'ai étudié PMD, PCT et PNT utilisant le «cross-linking», le CD, le SAXS, la RMN et la modélisation moléculaire. J'ai montré que le PMD du Hendra et Nipah sont un coiled-coil triméreric. La région PCT, est également un trimère en solution. Les protéines P des henipavirus constituent à ce jour le seul exemple de protéines P paramyxovirales ayant une organisation trimérique. En utilisant le SAXS, j'ai obtenu une description de Hendra PNT en tant qu’ensemble conformationnel. J'ai entrepris la caractérisation de la PNT par RMN. J’ai divisée la PNT avec l’approche divide et impera (PNT1,2,3,4). J’ai pu réaliser des expériences permettant l’attribution de PNT1, et j’ai également effectué des mesures de relaxation (R1, R2 et NOE) sur les fragments PNT1, PNT2 et PNT3. Les résultats issus des travaux effectués ont ouvert la voie vers l’obtention d’une description atomistique de la PNT en tant qu'ensemble conformationnel. Ces informations avec les informations structurales que j’ai sur PCT, PMD et XD, devraient conduire à une description atomistique de la P entière en tant qu’ensemble conformationnel. Ces informations structurales détaillées constitueront aussi un socle pour des approches antivirales rationnelles. / The objective of my PhD project was the molecular characterization of the P protein from the Nipah and Hendra viruses (BL4) belonging to the Henipavirus genus. The genome is encapsidated by the N that is the substrate for transcription and replication. The polymerase is made up the L and its cofactor the P. The P protein consists of an intrinsically disordered N-terminal domain (PNT), and a C-terminal domain (PCT) made of alternating disordered and ordered domain (PMD or P multimerization domain). I investigated the PMD, PCT and PNT regions, using cross-linking, AUC, CD, SAXS, NMR and molecular modeling. I showed that Hendra and Nipah PMD are a trimeric coiled-coil in solution. The Henipavirus proteins constitute so far the unique examples of a trimeric organization in paramyxoviral P proteins. The PCT is a trimer as well. Using SAXS, I obtained an ensemble description of PNT. To obtain site-specific information that improve SAXS-based models, I undertook the characterization of Hendra PNT by NMR. The latter was divided using the “divide et impera” approach to get four fragments (PNT1,2,3,4). Experiments for the assignment have been performed for PNT1. R1, R2 and NOE were carried out on PNT1,2,3. Altogether the results laid the basis for achieving an atomic-resolution conformational ensemble description of Hendra PNT. This information, combined with structural information that I collected on PCT, PMD and XD, is expected to lead an atomistic ensemble description of the full-length P, which would represent the first, such a description of a paramyxoviral P protein. This detailed structural information will also constitute an asset for rational antiviral approaches.

Le virus Nipah (NiV) est un virus hautement pathogène responsable d’encéphalites et de syndromes respiratoires sévères chez l’humain. Les chauves-souris appartenant au genre Pteropus sont le réservoir naturel du NiV et ne développent pas de symptômes cliniques d’infection. Comprendre les relations entre l’hôte réservoir et le pathogène requiert la disponibilité de modèles pertinents pour l’étude des interactions. Les études portent à la fois sur le virus et son hôte. Ainsi, nous avons caractérisé phylogénétiquement la souche cambodgienne du NiV isolée de chauves-souris Pteropus et nous l’avons comparée avec les souches isolées chez l’homme. De plus, en absence du génome de référence pour l’espèce de chauve-souris Pteropus giganteus, nous avons séquencé et assemblé le génome de cette espèce, hôte réservoir de la souche NiV-Bangladesh, qui est en circulation actuellement. Enfin, afin d’obtenir des phénotypes cellulaires plus pertinents que des cellules immortalisées pour l’étude des interactions entre le NiV et les chauves-souris du genre Pteropus – les seules disponibles actuellement - nous avons utilisé la reprogrammation somatique sur des cellules primaires de chauve-souris Pteropus. Cette technique permet d’obtenir des cellules souches présentant la capacité d’autorenouvellement et de différenciation. En utilisant une combinaison originale de trois facteurs de transcription, nous avons généré les premières cellules reprogrammées de chauves-souris Pteropus exprimant des caractéristiques de cellules souches. Nous avons démontré que ces cellules sont très susceptibles à l’infection par le NiV mais incapables de produire de l’interféron et d’activer les cascades de signalisations antivirales en réponse à une stimulation avec de l’ARN double brin, contrairement aux cellules primaires. Le développement de ce modèle original ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des interactions entre l’hôte réservoir et le pathogène et pour l’identification de facteurs contrôlant la susceptibilité à l’infection par le NiV, et potentiellement par d’autres virus hébergés par des chauves-souris. / Nipah virus (NiV) is a highly pathogenic virus that causes encephalitis and severe respiratory syndromes in humans. Pteropus bats are the reservoir of NiV and do not show any clinical symptoms. In order to understand the host reservoir - pathogen interactions, the relevant models are needed. Such studies focus on both the virus and its host. A phylogenetically characterization of the NiV Cambodian strain obtained from Pteropus bats was performed and this virus was compared with human ones. In addition, we sequenced and assembled the genome of Pteropus giganteus bat, the natural host of the NiV-Bangladesh strain, which is currently circulating. Up to date, most studies have used immortalized primary cells that are not natural target of the virus. In order to get reprogrammed stem cells, a somatic reprogramming approach was applied to various Pteropus primary cells. The reprogrammed cells are capable of self-renew and differente in different cell lineages. Using an original mix of transcription factors, we derived reprogrammed cells exhibiting stem cells features. We demonstrated the high susceptibly of these cells to henipavirus infections compared with the very low level of infection of the initial primary cells. Generated bat reprogrammed cells do not induce interferon production and signalisation in response to dsRNA. The development of this original model opens new perspectives on virus-host interaction studies, especially that of cellular anti-viral response by identifying factors controlling either susceptibility or restriction to the NiV infection, and possibly other viruses hosted by bats.

Le virus Nipah (NiV) est un paramyxovirus zoonotique du genre Henipavirus, qui a émergé en 1998. NiV infecte l'homme et cause des troubles respiratoires et des encéphalites avec une forte létalité. A l’inverse, chez les hôtes naturels de NiV, les chauves-souris de la famille des Pteropodidae, l’infection est asymptomatique. Cependant, les mécanismes permettant aux Pteropodidae de contrôler l’infection sont inconnus à ce jour. NiV produit des protéines non structurales, V, W et C, qui sont des facteurs de virulence. V, W et C inhibent les voies de l’interféron de type 1. De plus, la protéine W inhibe la production de chimiokines in vitro et module la réponse inflammatoire in vivo, mais son mécanisme d’action reste inconnu. La voie NF-κB étant le principal régulateur de la réponse inflammatoire, nous avons émis l’hypothèse que W pourrait moduler la voie NF-κB. Nous avons démontré que la protéine W inhibe l'activation de la voie canonique de NF-κB induite par TNFα et IL-1β, effet pour lequel sa région C-terminale spécifique est nécessaire. Nous avons également identifié quels signaux d’import et d’export nucléaires de W sont nécessaires à son effet inhibiteur et ainsi mis en évidence l’importance du trafic nucléo-cytoplasmique de W pour l’inhibition de NF-κB. L’étude des interactions de W avec les protéines cellulaires nous a permis d’identifier un partenaire prometteur connu pour son rôle dans le rétrocontrôle négatif de NF-κB. Enfin, le rôle de W dans l'inhibition de la voie NF-κB a été démontré pendant l'infection par NiV. Les résultats obtenus ouvrent la voie à la compréhension du mécanisme par lequel W module la réponse inflammatoire. Finalement, afin de mieux comprendre le contrôle de l’infection de NiV par son hôte naturel, nous avons généré des lignées cellulaires primaires et immortalisées de chauve-souris Pteropus giganteus. Ces cellules devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes par lesquels ces chauves-souris contrôlent l’infection virale. / Nipah virus (NiV), from Henipavirus genus, is a zoonotic paramyxovirus, which emerged in 1998. In humans, it causes acute respiratory distress and encephalitis with a high lethality. Conversely, the natural hosts of NiV, bats from the Pteropodidae family, are asymptomatic. The mechanisms by which the Pteropodidae control infection are unknown to date. NiV produces non-structural proteins, V, W and C, which are virulence factors. V, W and C inhibit the type 1 interferon pathways. Moreover, W inhibits the production of chemokines in vitro and modulates the inflammatory response in vivo, but its mechanism remains unknown. The NF-κB pathway being the main regulator of the inflammatory response, we hypothesized that W could modulate the NF-κB pathway. We demonstrated that protein W inhibits the activation of the NF-κB canonical pathway induced by TNFα and IL-1β. The specific C-terminal region of W is necessary for this effect. We have also identified which nuclear import and export signals of W are necessary for its inhibitory effect and thus highlight the importance of the nucleo-cytoplasmic trafficking of W for the inhibition of NF-κB. The study of the interactions of W with the cellular proteins allowed us to identify a promising partner known for its role in the negative feedback of NF-κB. Finally, the role of W in the inhibition of the NF-κB pathway was demonstrated during the infection with NiV. The results obtained open the way to understanding the mechanism by which W modulates the inflammatory response. Finally, to better understand the control of the infection of NiV by its natural host, we generated primary and immortalized cell lines of Pteropus giganteus bat. These cells should provide a better understanding of the mechanisms by which these bats control viral infection.

Le virus Nipah (NiV) est un Paramyxovirus zoonotique hautement pathogène, porté par les chauves-souris frugivores, qui a émergé en 1998 en Malaisie. Les épidémies liées à ce virus encéphalitogène continuent de se succéder en Inde et au Bangladesh avec une mortalité pouvant dépasser les 90%. Devant l’absence de traitement et de vaccin, le NiV a été placé parmi les pathogènes de classe 4 requérant le plus haut niveau de biosécurité pour sa manipulation. L’étude des interactions entre le virus et les cellules du sang nous a permis de montrer que le NiV utilise les héparanes sulfates présents sur les leucocytes pour s’accrocher et se disséminer dans l’organisme et atteindre les cellules endothéliales. L’héparine inhibe ce processus ainsi que l’infection in vitro et in vivo mettant en avant une perspective de traitement applicable dans les pays émergents. Par ailleurs, l’analyse transcriptomique des cellules endothéliales infectées par le NiV a révélé l’implication de chimiokines dans la pathogenèse. CXCL10 apparaît en effet comme un marqueur voir une cible dans le cadre du développement de l’encéphalite virale, et l’interféron type 1 comme l’un des facteurs essentiels de la résistance des souris au NiV. Enfin, j’ai montré que la protéine non structurale C du NiV joue un rôle essentiel dans sa virulence, en atténuant la réponse interféron, en perturbant la réponse chimiokine lors de l’infection et en intervenant dans le maintien de la balance génome / antigénome lors du cycle réplicatif viral. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la pathogenèse du NiV et ouvrent de nouvelles perspectives de traitement contre ce virus zoonotique très dangereux pour l’homme / Nipah virus (NiV) is a highly pathogenic zoonotic Paramyxovirus that emerged in 1998 in Malaysia from frugivorous bats. The outbreaks of this encephalitic virus still occur annually in India and Bangladesh with the mortality rate reaching up to 90%. The lack of an effective vaccine or treatment limits experimentation with live virus to specially equipped BioSafety Level 4 laboratories. Studies of the interaction between the virus and blood cells revealed that NiV uses Heparan sulfates to stick on the surface of leukocytes for its dissemination within the host and reach endothelial cells. Heparin provided de possibility to inhibit this mechanism of transinfection, such as the infection in vitro and in vivo, opening new perspectives of low cost treatment for emerging countries. Then, transcriptomic analysis of NiV infected endothelial cells revealed the importance of cytokine in the pathogenesis. While CXCL10 appears as a good marker of encephalitis, interferon type 1 explains why mice are resistant to the infection with NiV. Finally, we show the essential role of the non structural C protein of NiV in its virulence, by limiting the interferon response, unbalancing the chemokine response during the infection and through the regulation of the genomic/antigenomic balance during the viral replication cycle. These results shed new light on NiV related pathogenesis and open new perspectives of treatment against this highly lethal zoonotic virus