Le Virus de l’Hépatite C (VHC) est un virus à ARN de polarité positive infectant plus de 130 millions de personnes dans le monde. Les inhibiteurs de Cyclophilines sont prometteurs en tant que nouvelles molécules thérapeutiques contre l'infection par le VHC. La Cyclophiline A, une protéine de l’hôte, joue un rôle essentiel pour la réplication de l’ARN viral mais sa fonction reste à élucider. La protéine non structurale du VHC NS5A (et plus particulièrement son domaine 2, NS5A-D2) est impliquée dans le mécanisme d’action de la CypA, étant donné que des mutations de résistances apparaissent dans ce domaine sous pression de sélection à la Cyclosporine A (CsA), l’inhibiteur connu de la CypA possédant une activité anti-VHC. NS5A est une protéine multifonctionnelle faiblement caractérisée au niveau moléculaire. Cette protéine est strictement requise pour la réplication de l’ARN viral mais ses fonctions moléculaires précises restent à élucider. Le domaine 2 désordonné de NS5A interagit directement avec la CypA et constitue un site substrat pour l’activité peptidyl-prolyl cis/trans isomérase de la CypA. Le site d’interaction au niveau de NS5A-D2 correspond à la région la plus conservée du domaine. Dans cette région la mutation D316E confère une résistance à la CsA. Au cours de ce travail, nous avons identifié et caractérisé par RMN un petit motif structural au sein de NS5A-D2 localisé au niveau de cette région particulière. Nous montrons que ce petit motif structural est essentiel pour la réplication de l’ARN du VHC. Nous avons également analysé les conséquences structurales des mutations de résistances aux inhibiteurs de Cyclophiline A, ainsi que les conséquences fonctionnelles de ces mutations de résistance vis-à-vis de la liaison et de l’activité PPIase de la CypA. L’alisporivir est un analogue non immunosuppresseur de la CsA actuellement en phase III de développement clinique. Nous avons analysé par cristallographie des rayons X la structure du complexe CypA-alisporivir permettant d’apporter une explication moléculaire au caractère non immunosuppresseur de cette molécule. Grâce à l’utilisation de deux stratégies de marquage de NS5A-D2 au fluor, nous avons caractérisé par RMN l’interaction moléculaire entre les protéines NS5A-D2 et NS5B, l’ARN-dépendante ARN polymérase du VHC.NS5A-D2 interagit avec l’Hexokinase 2 humaine, la première enzyme limitante de la glycolyse, cette interaction augmente l’activité enzymatique de l’HK2. Nous nous sommes intéressés aux relations structurales et fonctionnelles entre NS5A-D2 et HK2.Ces résultats apportent un nouvel éclairage sur le rôle de NS5A-D2 dans la réplication du VHC. / Hepatitis C Virus (HCV) is a positive strand RNA virus that has infected more than 130 million people worldwide. Cyclophilin inhibitors hold promise as a novel anti-HCV therapy. The host protein Cyclophilin A (CypA) plays an essential role in HCV RNA replication but its molecular function is unknown. The HCV protein NS5A (in its domain 2, NS5A-D2) has been shown to be implicated in the action of CypA as resistance mutations appeared in this domain under low doses of Cyclosporine A (CsA), the well-known CypA inhibitor with anti-HCV properties. NS5A is still an enigmatic multifunctional protein poorly characterized at the molecular level. This protein is strictly required for viral RNA replication but its precise molecular function(s) remain(s) to be elucidated. Its disordered domain 2 directly interacts with host CypA and is a substrate for the peptidyl-prolyl cis/trans isomerase activity of CypA. The binding site onto NS5A-D2 corresponds to the most conserved region of the domain. In this region a mutation D316E has been shown to confer CsA resistance. In this work we identified by NMR spectroscopy a short structural motif including this particular position in the otherwise disordered NS5A-D2, and report its structure. We show that this structural motif is essential for HCV RNA replication. In addition, we analyze the structural consequences of the resistance mutation to CypA inhibitors, and the functional consequences of these mutation regarding the binding and PPIase activity of CypA. Alisporivir in a non-immunosuppressive analogue of CsA with anti-HCV activity currently evaluated in phase III clinical trials, we analyzed by X-ray crystallography the structure of the CypA-Alisporivir complex in order to provide a molecular explanation for its non-immunosuppressive character. We also describe the interaction between NS5A-D2 and the HCV RNA dependent RNA polymerase NS5B. We use two different strategies to incorporate a 19F nucleus in NS5A-D2 and explore the use of 19F NMR to monitor the interaction between NS5A-D2 and NS5B. We also investigated the structural and functional relationship between NS5A-D2 and the human Hexokinase 2 (HK2), the first rate limiting enzyme of glycolysis. NS5A-D2 interacts with HK2 and this interaction is sufficient to increase HK2 activity. These results shed new light on the mechanisms by which NS5A-D2 contributes to the HCV replication cycle.

Les rétrovirus appartiennent à une famille de virus où les protéines virales sont codées par un transcrit sens pleine longueur suite à un épissage alternatif. Récemment, notre équipe a contribué à démontrer pour la première fois la présence d'une transcription antisens chez le rétrovirus HTLV-1 (Human T-cell Leukemia Virus). Ce transcrit antisens épissé a été caractérisé et semble être initié dans le LTR 3' (Long Terminal Repeat), permettant ainsi la production d'une nouvelle protéine virale, nommée HBZ (HTLV-1 bZIP factor). Cette dernière est une protéine nucléaire et a été décrite comme étant capable de réguler négativement la transcription virale dépendante de Tax en dimérisant avec des facteurs de transcription cellulaires tels que CREB-2 et certains membres de la famille Jun. Aussi, nous avons découvert et caractérisé des transcrits antisens chez HTLV-2, HTLV-3, HTLV-4 et VIH-l (Virus d'Immunodéficience Humaine). Ce projet de maîtrise avait pour objectif de caractériser les nouvelles protéines APH-3 et APH-4 codées par les transcrits antisens de HTLV-3 et HTLV-4 respectivement. Il s'agissait donc d'étudier leur localisation ainsi que leurs fonctions dans la réplication rétrovirale. D'abord, une comparaison de séquence avec HBZ a permis d'identifier deux régions basiques ainsi qu'un motif « bZIP-like ». Des études de localisation cellulaire de ces protéines ont ensuite été réalisées par microscopie confocale. Ainsi, nous avons démontré que APH-3 et APH4 apparaissent nucléaires, sous la forme de granules et, dans le cas d'APH-3 partiellement cytoplasmique. Ces granules co-localisent en partie avec HBZ et la nucléoline. Par la suite, des mutants de délétion dépourvus des motifs BR2, BR1 et DBD ont permis de conclure que APH-3 et APH-4 contrairement à HBZ délété se rendent au noyau. Aussi, des études faisant appel au gène rapporteur luciférase précédé d'un promoteur de collagénase (site AP-l), ont démontré que ces deux protéines contrairement à HBZ, activent la transcription dépendante de tous les membres des facteurs de transcription de la famille Jun. De plus, les mutants de délétions ont démontré que le motif « leucine zipper » atypique de ces protéines est impliqué dans cette régulation. Toutefois, une étude utilisant ces mutants de délétions et un gène rapporteur contenant le LTR 5' de HTLV-1 ont suggéré que le motif « leucine zipper » atypique ne semble pas être impliqué dans l'inhibition de la trans-activation par Tax. Finalement, ces travaux ont clairement mis en évidence que les transcrit antisens de HTLV-3 et HTLV-4 sont traduits tout comme chez d'autres rétrovirus. Ces protéines jouent d'importants rôles dans la réplication rétrovirale mais semblent avoir des fonctions différentes de celles de HBZ. Ces études ont permis d'approfondir la biologie moléculaire concernant la famille des rétrovirus et ainsi ouvrir de nouvelles perspectives dans ce domaine. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : APH, rétrovirus, HTLV, transcription antisens, HBZ, Jun, Tax.

Les maladies auto-immunes sont dues à une rupture de la tolérance au soi et donc à un dysfonctionnement du système immunitaire. La protéine auto-immune regulator (Aire) est un régulateur de la transcription exprimé par les cellules épithéliales medullaires thymiques (mTEC) qui joue un rôle très important dans la tolérance centrale en régulant l’expression d’antigènes spécifiques de tissus (TSA) et ainsi la sélection négative des lymphocytes T immatures présentant un TCR de haute affinité pour un auto-antigène. Cependant, le rôle de Aire dans la sélection et la fonction des lymphocytes T régulateurs (Tregs) reste controversé. Nous avons généré un modèle de rats déficients pour Aire en utilisant la technologie des ZFN. En effet, nous avons pu mettre en évidence l’expression chez le rat, tout comme chez l’Homme, de Aire au niveau du messager mais aussi de la protéine dans le thymus et en périphérie. Nous avons décrit que ces rats présentent de forts symptômes auto-immuns comme l’alopécie, le vitiligo et l’ongulo-dystrophie, mais également des lésions histologiques importantes et de nombreux auto-anticorps circulant dans le sérum contre de nombreux organes. Nous avons également pu mettre en évidence un défaut de fonction des Tregs CD4+CD25hiCD127low in vivo dans un modèle de wasting disease mais pas de défaut des TregsCD8+CD45RClow. / Autoimmune diseases are due to a break in selftolerance and to a dysfunction of the immune system. The autoimmune regulator protein (Aire) is a transcription regulator expressed by medullary thymic epithelial cells (mTEC). It is playing an important role in central tolerance by the negative selection of highly specific autoreactive T cells through the expression of tissue-specific antigens (TSA). However, the role of Aire in regulatory T cell selection remains unclear and controversial. We generated a model of Aire-deficient rat using the zinc finger nuclease (ZFN) technology. Indeed, we highlighted the same pattern of expression of Aire between rat and human in the thymus as well as in the periphery. We showed that Aire-deficient rats display strong auto-immune symptoms such as alopecia, vitiligo or nail dystrophy but also strong histological lesions and numerous circulating autoantibodies targeting numerous organs. We also evidenced a defect, in vivo, in a model of wasting disease, in the function of CD4+CD25hiCD127low Tregs but not CD8+CD45RClow.

Le travail de ma thèse porte sur l’étude des protéines chaperonnes des acides nucléiques chez le virus de l’immunodéficience humaine VIH-1.Ces protéines sont au nombre de trois : Tat, Vif et la Nucléocapside. Je me suis concentrée sur les deux dernières citées : Vif, dont j’ai réalisé une étude structurale et fonctionnelle en partant du gène, j’ai réussi à produire et purifier la protéine, que je l’ai caractérisée par des méthodes structurales comme la diffusion de lumière et le dichroïsme circulaire. J’ai étudié les interactions de cette protéine avec les acides nucléiques par spectroscopie de fluorescence et Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Et finalement j’ai participé aux tests d’activités chaperonnes. Pour la nucléocapside, qui est une protéine déjà connue au sein du laboratoire, j’ai examiné son rôle de protéine chaperonne lors de l’initiation de la transcription inverse. J’ai mis en évidence par RMN une interaction très controversée entre l’ARN génomique virale et l’ARNtLys3 qui joue le rôle d’amorce pour l’initiation de la transcription inverse. / Pas de résumé en anglais

NS5B est l’ARN polymérase du virus de l’hépatite C (VHC). Sa structure a beaucoup été étudiée par radiocristallographie, elle contient trois sous-domaines appelés doigts, paume et pouce. Cependant, les études structurales de cette protéine en solution sont très limitées. La résonance magnétique nucléaire (RMN) a été utilisée pour étudier NS5B en solution ainsi que son interaction avec différents partenaires. L’emploi d’un échantillon de NS5B (65kDa) perdeuterée et sélectivement enrichie au niveau des méthyles 1 des résidus d’isoleucines a permis d’obtenir un spectre simplifié et de bonne qualité. Cette étude a confirmé la présence d’une dynamique particulière dans le pouce et a permis de mettre en évidence des effets à longues distances que se transmettent aux autres sous-domaines. Cette approche a alors été utilisée pour étudier l’interaction entre NS5B et le domaine 2 de la protéine NS5A (NS5A-D2) du VHC. Celui-ci est un domaine intrinsèquement désordonné qui interagit directement avec NS5B in vitro. Nous avons identifié que NS5A-D2 se lie via deux sites d’interaction sur le sous-domaine du pouce. Puisqu’un de ces sites est le site de liaison de l’inhibiteur allostérique filibuvir, nous avons étudié la liaison de cette molécule à la polymérase. Sa liaison cause des effets à longues distances tout au long de NS5B. Enfin, nous avons caractérisé la liaison d’un ARN simple brin à NS5B et nous avons identifié que NS5A-D2 et filibuvir réduisent mais ne suppriment pas l’interaction de NS5B avec l’ARN. L’analyse de NS5B par RMN en solution a permis d’étudier des interactions et d’accéder à des paramètres dynamiques très complémentaires des études cristallographiques. / NS5B is the hepatitis C virus (HCV) RNA-dependent RNA polymerase. This protein has been extensively studied by X-ray crystallography and shows an organization in three subdomains called fingers, palm and thumb. Whereas static crystallographic data are abundant, structural studies of this protein in solution are limited. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to study the 65 kDa NS5B in solution as well as its interaction with binding partners. It was characterized using selective isotopic labeling of isoleucine side-chain methyl groups, which gives rise to a simplified NMR spectrum with an improved signal-to-noise ratio. This characterization confirmed the presence of particular dynamics in the subdomains, especially in the thumb, as well as long-range effects that are transmitted through to other subdomains. Furthermore, this system was used to investigate the binding of the domain 2 of NS5A (NS5A-D2), a disordered domain of another HCV protein that has been shown to directly interact with NS5B in vitro. With paramagnetic relaxation enhancement experiments we showed that NS5A-D2 binds to NS5B via, at least, two binding sites on the thumb subdomain. As one of these sites was the binding site of allosteric inhibitor filibuvir, we characterized the binding of this small molecule to NS5B by NMR and found long-range effects of its binding throughout the polymerase. Finally, we studied the binding of a small RNA template strand to NS5B and found that both NS5A-D2 and filibuvir reduce but do not abolish the interaction between the polymerase and RNA. In sum, NMR spectroscopy was used to study dynamic properties of NS5B and its interactions with binding partners.

Le principal défi des techniques de transfert de gènes est de garantir l’expression du gène d’intérêt tout en assurant l’innocuité des cellules génétiquement modifiées. La plupart des systèmes d’intégration, dérivés des transposons, assurent une intégration aléatoire au sein du génome de la cellule. L’enjeu de ce travail est de développer des outils permettant de cibler l’intégration du transgène au niveau d’un locus choisi dans le but d’améliorer la biosécurité. L’étude s’est portée sur l’utilisation des protéines à ZFD (Zinc Finger Domain) pour leur aptitude à être conçues à façon, in silico, en utilisant les nombreuses ressources disponibles sur Internet. Pour comparer, les propriétés de deux domaines de liaison, NterR2P, provenant de deux rétrotransposons R2 de type non-LTR, ont été étudiées pour leur capacité naturelle à reconnaître spécifiquement une région de 100 pb située dans l’ADN ribosomique 28S. Les résultats obtenus ont montré que les domaines NterR2P reconnaissent spécifiquement leur ADN cible avec une forte affinité de liaison. Deux protéines de fusion, utilisant le domaine NterR2P, ont ensuite été synthétisées dans le but d’intégrer le transgène au niveau de l’ADNr en utilisant le transposon Sleeping Beauty. L’idée originale de ce travail est de réaliser l’intégration du transgène via le ciblage indirect du transposon, ou de la transposase sans que celle-ci ne soit modifiée. L’impact de ces systèmes de ciblage sur les cellules nécessite de réexaminer une telle stratégie. / The main challenge of gene transfer technologies is to maintain and to sustain transgene expression and to confer innocuity on the genetically-modified cells. Most integration systems, derived from transposons, integrate randomly within the genome of cells. The issue of this work is to develop tools to target transgene integrations in a selected locus in order to improve biosecurity. This study consists in using ZFD (Zinc Finger Domain) proteins for their capability to be in silico synthesize, in using many bioinformatic sites. For compare, the properties of two DNA binding domains (DBD), NterR2P, originating from the endonucleases encoded by R2 non-LTR retrotransposons, are able to bind specifically within a 100-bp region of the 28S rRNA genes. The results show that NterR2P DBDs specifically recognize their DNA target with high affinity. Two fusion proteins, using NterR2P DBD, are synthesized in order to integrate the transgene within rDNA, using Sleeping Beauty transposon. The original idea of this work is to realize transgene integration via indirect targeting of transposon, or transposase without its modification. The use of such a targeting system will have to be extensively studied to determine its impacts on cells before it can be considered as safe for use.

L’amidon est un composé permettant le stockage d’énergie et du carbone par les plantes, ce qui en fait un des polysaccharides les plus abondants sur Terre. Malgré nos connaissances sur le métabolisme de l’amidon, le processus d'initiation de la synthèse des grains d’amidon n’est pas décrit. La découverte de l’amidon-synthase 4 (SS4) en tant que protéine principalement impliquée dans le processus d’initiation de l’amidon, a permis de faire de grands progrès dans ce domaine. En effet, cette enzyme est impliquée dans le contrôle du nombre, de la forme et de la taille des grains d’amidon synthétisés dans les chloroplastes.La recherche de facteurs protéiques interagissant avec SS4 a conduit à la découverte d’un nouveau facteur protéique faisant l’objet principal de ce manuscrit. Cette protéine nommée PII1 (protéine impliquée dans l'initiation de l'amidon ; 90KDa) interagit avec SS4 dans le chloroplaste. L’analyse du phénotype amidon associé à son inhibition révèle l'implication de la protéine PII1 dans le mécanisme déterminant le nombre de grains d'amidon dans les feuilles d'Arabidopsis thaliana. Afin d’avoir un aperçu plus global des connexions qui relient les différents facteurs protéiques impliqués dans l’initiation de la synthèse de l’amidon, des lignées doubles mutantes ont été sélectionnées et caractérisées : ss3pii1, ss4pii1 et ss4phs1. Les résultats mettent en évidence le rôle spécifique de PII1 dans l'initiation de l'amidon par rapport aux amidon-synthases. Ils ont également permis de mettre en avant l'implication de la phosphorylase, dans l'initiation de l'amidon dans les tissus non-photosynthétiques. / Most of photosynthetic organisms accumulate starch to store carbon and energy produced during photosynthesis. It is thus one of the most abundant storage polysaccharides on earth. Despite our knowledge of starch granule properties and metabolism, its initiation process remains poorly understood. Great progress in this field has been made through the discovery of the starch synthase 4 (SS4) as a major protein involved in starch priming in Arabidopsis chloroplasts. Indeed, this enzyme controls the number of the starch granules per chloroplast, but also their shape and their size. During my PhD, I focused my research on the analysis of a protein called PII1 (protein involved in starch initiation 90KDa) that interact with SS4 within the chloroplast. This study reveals the involvement of the PII1 protein in the machinery determining starch granules number in Arabidopsis thaliana leaves. Then, I tried to find new clues on the global comprehension of starch initiation. This was achieved by reporting the phenotypic analysis of double mutations including mutation of protein involved in starch initiation: ss3pii1, ss4pii1 and ss4phs1. These results highlight the specific role of PII1 in starch initiation compared to starch synthase. We also found evidence of the implication of phosphorylase PHS1 in starch initiation within non-photosynthetic organs.

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

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

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / p54nrb est une protéine de liaison à l'ARN nucléaire impliquée dans plusieurs processus cellulaires tels que la transcription, la maturation des ARNm et la rétention des ARNs hyper-édités. Cette protéine multifonctionnelle fait partie de la machinerie d'épissage et participe à ce processus en liant directement le site d'épissage en 5' du pré-ARNm. De plus, p54nrb se concentre dans un corps nucléaire nommé le paraspeckle en liant une fraction riche en G de l'ARNnc NEAT1. Récemment, nous avons démontré que la phosphorylation mitotique de la threonine 15 de p54nrb, située en N-terminal de deux RRMs en tandem, régule négativement sa capacité de liaison aux ARNs excepté pour ceux riches en G comprenant l'ARNnc NEAT1 (Bruelle et al., sous presse, annexe A). Afin de caractériser la liaison des différents RRMs de p54nrb à l'ARN, une dissection moléculaire de son domaine de liaison à l'ARN (DLA) a été réalisée. Cette section contient les deux RRMs de la protéine précédés d'une région riche en H, Q, et P contenant le résidu T15 phosphorylable. Des tests de liaison in vitro à l'ARN du site d'épissage en 5' (5'SS, 11 nucleotides) et à des ARNs de polyguanosines ont permis de démontrer que le RRM1 de p54nrb est responsable de l'affinité de la protéine pour ces ligands. De plus, la cartographie des sites d'interaction du RRM1 avec le 5'SS et avec un ARN de polyguanosines (polyG, 11 nucleotides) a été réalisée par RMN et a révélé un site de liaison unique pour chacune de ces molécules. En effet, nous avons démontré que le RRM1 de p54nrb lie l'ARN polyG par un site de liaison non classique différent du site de liaison classique utilisé par la protéine pour lier le 5'SS. Ces expériences ont aussi permis de voir que le RRM1 de p54nrb avait plus d'affinité pour le polyG que pour le 5'SS. Les résultats obtenus démontrent pour la première fois, à notre connaissance, la possibilité pour un seul RRM de posséder deux sites distincts de liaison à l'ARN. De plus, cette liaison non classique du RRM1 de p54nrb aux ARNs de polyguanosines pourrait potentiellement expliquer pourquoi la liaison de la protéine à ce type d'ARN n'est pas affectée par sa phosphorylation.