La transcriptase inverse (RT) est un hétéro-dimère p66/p51 avec des activités ADN polymérase et ribonucléase H qui jouent un rôle critique dans le cycle viral du VIH-1. La RT convertit l’ARN génomique viral simple brin en ADN proviral double brin dans le cytoplasme de la cellule infectée. L’efficacité de la RT est augmentée par la protéine de la nucléocapside (NC) grâce à son activité chaperonne vis-à-vis des acides nucléiques et/ou une coopération entre les deux protéines. Dans ce travail, nous avons étudié par la technique de smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) les effets de la NC sur l’interaction entre la RT et un substrat d’ADN au niveau de deux sites de pause de la synthèse de l’ADN(+). Nous avons d’abord réalisé et validé le montage de smFRET. Lors de la validation du montage avec des fluorophores Cy3 encapsulés dans des vésicules lipidiques, nous avons mis en évidence deux mécanismes différents entrainant le photoblanchiment du Cy3. Ensuite, après avoir déterminé les propriétés de liaison à l’équilibre de la RT et la NC sur différents substrats amorce/matrice à l’aide de mesures d’ensemble en solution, nous avons confirmé par smFRET que la RT adopte plusieurs conformations sur son substrat d’ADN, incluant celle qui conduit à la polymérisation de l’ADN. En présence de la NC, nous n’avons observé qu’une réorganisation modérée des différentes conformations du complexe RT/substrat. Par contre, une réorganisation beaucoup plus importante est induite par la NC en présence du dNTP, avec une très forte exaltation des conformations compétentes pour la polymérisation. Nous avons également montré que la NC augmente l’efficacité de synthèse de l’ADN au niveau de sites de pause en diminuant ou en augmentant le temps de dissociation du complexe RT/substrat/dNTP selon le type de site de pause. L’ensemble de ces données permet de mieux comprendre les mécanismes polyvalents par lesquels NC facilite l’activité de la RT. / The reverse transcriptase (RT) is a p66/p51 hetero-dimer with DNA polymerase and ribonuclease H activities which plays a critical role in the viral cycle of HIV-1. RT converts the viral genomic RNA to proviral DNA in the cytoplasm of infected cells. The efficiency of RT is increased by the nucleocapsid protein (NC) through its nucleic acids chaperone properties and/or via direct interaction with RT. In the present work, we investigated the effects of NC on the interaction between RT and its DNA substrate attwo pause sites during the synthesis of (+)DNA by using the smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) technique. In a first step, we implemented and validated the smFRET set-up. Within the validation step, using Cy3 fluorophores encapsulated, in lipid vesicles, we monitored the photobleaching of Cy3 dyes and found out that it was governed by two parallel mechanisms. In a second step, we determined the affinity of RT and NC to different primer/template substrates by using steady-state fluorescence. Then, we confirmed by smFRET that RT adopts different conformations on its DNA substrate, including the one that leads to DNA polymerization. In the presence of NC, we observed only a moderate reorganization of the different conformations of RT/substrate complex. However, NC was found to induce a more important reorganization in the presence of dNTP, with a very strong promotion of the polymerization-competent conformations. We also showed that NC increases the efficiency of DNA synthesis at pause sites by either decreasing or increasing the dissociation time of the RT/substrate/dNTP complex, depending on the type of pause site. Together, these data allow us to further elucidate the mechanisms by which NC facilitates the RT.

La tri-thérapie utilisée pour le traitement du VIH-1 est efficace mais limitée par l'apparition de résistances. Par conséquent, des cibles virales alternatives sont nécessaires. Une des cibles les plus prometteuses est la protéine nucléocapside (NC), qui est hautement conservée et qui joue un rôle essentiel dans le cycle viral. Dans ce contexte, le projet européen THINPAD a eu pour but de développer des inhibiteurs de la NC en combinant plusieurs approches : criblage virtuel, criblage secondaire in vitro, tests antiviraux et de toxicité. Pour le criblage in vitro, nous avons utilisé le test de déstabilisation de cTAR, hautement spécifique de l’activité chaperonne de NC. Cinq séries de molécules ont été sélectionnées par les premiers criblages et tests antiviraux. Après des études de relation structure-activité, une seule des cinq séries a été poursuivie jusqu’aux tests d'efficacité chez les souris. Les composés de cette série présentent une activité antivirale à des concentrations nanomolaires, mais ne sont pas actifs dans le modèle murin. Les études de mécanisme d'action ont révélés que leur activité antivirale était bien consécutive au ciblage de la NC. / Highly Active Anti-Retroviral Therapy (HAART) is successfully used for HIV-1 treatment, but is hampered by the appearance of drug resistance. Thereby, alternative drug targets are required. One of the most promising target is the nucleocapsid protein (NC), which is highly conserved and plays essential role in HIV life cycle. In this context, the European project THINPAD was organized with the aim to develop NC inhibitors. To fulfil this objective, several approaches were used, including virtual screening, in vitro secondary screening, in cellulo antivirals tests, and toxicity evaluation. For in vitro screening, the specific NC-promoted cTAR destabilization assay was used. Five series of molecules were selected by the first screenings and antiviral tests. After structure-activity relationship studies, only one series was continued until efficacy testing in mice. The compounds of this series exhibit antiviral activity at nanomolar concentrations but are not active in the murine model. The mechanisms of action studies revealed that their antiviral activity was indeed consecutive to the targeting of the NC.

Étant donnée la séquence hautement conservée de la NC et son rôle crucial dans le cycle viral de VIH-1, les molécules inhibant la NC sont susceptibles d'agir comme complément aux thérapies anti-rétrovirales à haute activité (HAART) basées sur des médicaments ciblant les enzymes virales, Des médicaments anti-NC sont ainsi susceptibles d'entraîner un maintien de l'inhibition de la réplication d'un large panel d'isolats VIH-1 incluant des lignées virales résistantes aux médicaments ciblant les enzymes virales. Récemment, dans le cadre du consortium Européen TRIoH, de nouvelles stratégies visant à cibler spécifiquement les propriétés chaperonnes de la NC sur les acides nucléiques ont été développées. Selon une stratégie protégée par un brevet soumis, une série de peptides a été conçue afin d'agir comme compétiteurs de la NC et pouyant ainsi inhiber la réplication du virus. Au sein de cette série, plusieurs peptides ont montré une inhibition efficace des propriétés de déstabilisation des acides nucléiques par la NC. Quatre de ces peptides ont été testés en milieu cellulaire et trois d'entre eux ont montré qu'ils pouvaient inhiber efficacement la réplication du HIV-1 dans les lymphocytes. Dans ce contexte, un premier objectif de cette thèse fût de caractériser avec précision les propriétés de ces peptides. En outre, un objectif supplémentaire fût de caractériser le mécanisme moléculaire vis-à-vis de la NC de petites molécules anti-virales développées par les groupes de D. Daelemans (Leuven) et M. Botta (Sienne). / Due to the highly conserved §equence ofNC and its crucial function during HIV-I life cycle, molecules directedagainst NC are believed to be able to complement the highly active anti-retroviral therapies (HAART) based on drugstargeting the viral enzymes. Anti-NC drugs are thought to provide a sustained replication inhibition of a large panel ofHIV-I isolates including virus strains resistant to drugs targeting viral enąrmes. Recently, within the Europeanconsortium TRIoH, new strategies to specifically target the nucleic acid chaperone properties ofNC were developed.According to a strategy protected by a submitted patent, a series of peptides have been desigrred to act as competitorsforNC and thus, inhibit virus replication. Among this series, several peptides were found to efficiently ińibit therrrrcleic acid destabilization properties ofNC. Four of them have been tested in the cellular context and t}ree out ofthemwere found to efficientĘ ińibit the replication of HIV-I in lymphocytes. In this context, the objective of the thesis wasto characterize in depth the properties ofthese peptides. Moreover, an additional objective was to characterize themolecular mechanism in respect to NC of small antiviral drugs developed by the group of D. Daelemans (Leuven) andM. Botta (Siena).

Au cours de ce travail de thèse expérimental, nous nous sommes intéressés à l’étude de la localisation nucléaire et nucléolaire de la protéine de la nucléocapside (NC) du VIH-1. Des études antérieures menées au laboratoire avaient mis en évidence une très forte accumulation de la NC dans les nucléoles. Ce compartiment nucléaire est connu pour être ciblé par de nombreux virus afin de promouvoir leur réplication. Des expériences de microscopie électronique avaient révélé la structure complexe du nucléole et montré qu’il est composé de trois sous-compartiments : les centres fibrillaires, le compartiment fibrillaire dense et le compartiment granulaire dans lesquels se déroule la synthèse des ribosomes. Afin de caractériser la localisation de la NC dans ces trois sous-compartiments, nous avons développé une approche de microscopie optique à haute résolution permettant d’obtenir des images à deux couleurs avec une résolution spatiale améliorée. Pour cela, nous avons mis au point un protocole qui permet d’utiliser simultanément une protéine fluorescente photocommutable et un fluorophore organique introduit par immunomarquage. Après avoir minimisé les aberrations optiques et corrigé les dérives mécaniques inhérentes au montage, nous avons visualisé simultanément la localisation de la NC surexprimée dans des cellules HeLa avec des marqueurs spécifiques des trois sous-compartiments nucléolaires (immunomarquage). La microscopie de fluorescence à haute résolution a permis de résoudre pour la première fois les différents compartiments et de montrer que la NC se localise préférentiellement dans le compartiment granulaire. Finalement, des expériences préliminaires avec des cellules vivantes ont permis de mettre en évidence que la NC est transportée de manière active dans le noyau et qu’elle pourrait interagir directement avec des protéines nucléolaires / During this experimental thesis work, we investigated the nuclear and nucleolar localization of the nucleocapsid protein (NC) of HIV-1. Previous studies performed in our laboratory evidenced a strong accumulation of NC in a subnuclear structure called nucleolus. Playing role in multiple cellular processes, nucleolus is often targeted by viruses to promote their replication. Electron microscopy revealed three nucleolar components (fibrillar centers, dense fibrillar component and granular component) associated to specific steps of the ribosome biogenesis. To characterize the distribution of the NC in these three sub-compartments and therefore shed light on the nucleolar localization of NC during the replication cycle, we developed a high-resolution optical microscopy approach. After having minimized the optical aberrations and corrected the mechanical drifts inherent to the imaging setup, the NC-mEos2 fusion protein overexpressed in HeLa cells was visualized simultaneously with immunolabeled nucleolar markers. The use of high-resolution fluorescence microscopy enabled us to resolve for the first time the three nucleolar compartments and to demonstrate the preferential localization of NC in the granular compartment of nucleolus. Finally, preliminary experiments performed with living cells showed that NC is actively transported in the nucleus and therefore may interact directly with nucleolar proteins.

Étant donnée la séquence hautement conservée de la NC et son rôle crucial dans le cycle viral de VIH-1, les molécules inhibant la NC sont susceptibles d'agir comme complément aux thérapies anti-rétrovirales à haute activité (HAART) basées sur des médicaments ciblant les enzymes virales, Des médicaments anti-NC sont ainsi susceptibles d'entraîner un maintien de l'inhibition de la réplication d'un large panel d'isolats VIH-1 incluant des lignées virales résistantes aux médicaments ciblant les enzymes virales. Récemment, dans le cadre du consortium Européen TRIoH, de nouvelles stratégies visant à cibler spécifiquement les propriétés chaperonnes de la NC sur les acides nucléiques ont été développées. Selon une stratégie protégée par un brevet soumis, une série de peptides a été conçue afin d'agir comme compétiteurs de la NC et pouyant ainsi inhiber la réplication du virus. Au sein de cette série, plusieurs peptides ont montré une inhibition efficace des propriétés de déstabilisation des acides nucléiques par la NC. Quatre de ces peptides ont été testés en milieu cellulaire et trois d'entre eux ont montré qu'ils pouvaient inhiber efficacement la réplication du HIV-1 dans les lymphocytes. Dans ce contexte, un premier objectif de cette thèse fût de caractériser avec précision les propriétés de ces peptides. En outre, un objectif supplémentaire fût de caractériser le mécanisme moléculaire vis-à-vis de la NC de petites molécules anti-virales développées par les groupes de D. Daelemans (Leuven) et M. Botta (Sienne).

Du fait de sa haute conservation et de ses fonctions clés dans le virus VIH-1, la protéine de la nucléocapside NC est une cible de choix pour développer de nouveaux anti-viraux. Bien que la compréhension mécanistique des propriétés chaperonnes de NC vis-à-vis des acides nucléiques ait connu d’importants progrès, les aspects dynamiques de ces propriétés restent mal comprises, faute notamment d’outils appropriés pour les suivre au niveau moléculaire. L’objectif de ce travail de thèse a été de caractériser au niveau moléculaire la dynamique des interactions de NC avec les acides nucléiques, à l’aide d’outils fluorescents développés au laboratoire ou en collaboration. En utilisant des peptides NC et des oligonucléotides marqués en différentes positions par des analogues fluorescents d’acides aminés et de nucléosides, respectivement, nous avons pu donner une image complète du processus dynamique sous-tendant le mécanisme chaperon de NC dans le second transfert de brins de la transcription inverse du cycle du VIH-1. Cette compréhension est fondamentale pour concevoir des stratégies rationnelles afin de cibler le rôle spécifique de NC dans ses interactions avec ses cibles nucléiques. / Due to its high conservation and key functions in the HIV-1 virus, the nucleocapsid protein NC is a potential target for the development of new anti-viral drugs. Although the mechanistic understanding of the NC nucleic acid chaperone properties has achieved a significant progress, the dynamic aspects of these properties remain poorly understood, mainly due to the lack of the appropriate tools to monitor them at the molecular level. The objective of this thesis was to characterize the dynamic interactions of NC with nucleic acids at the molecular level using new fluorescent tools developed in the laboratory or in collaboration. Using NC peptides and its target oligonucleotides labeled in different positions by fluorescent amino acid and nucleoside analogs, respectively, we were able to give a complete picture of the dynamic processes underlying the chaperone activity of NC in the second strand transfer of HIV-1 reverse transcription. This understanding is fundamental to design rational strategies in order to target the specific role of NC in interaction with its nucleic acid targets.