Le concept de quasi-espèce, introduit par Manfred Eigen dans les années 70, décrit l'état d'équilibre d'une population subissant des forces de mutation et sélection. La plupart des modèles classiques présentant un phénomène de quasi-espèce sont déterministes et considèrent une population de taille infinie. L'objectif de cette thèse est d'étudier plusieurs modèles stochastiques, dont la taille de la population est finie, afin de montrer que le phénomène de la quasi--espèce est aussi présent dans ces modèles comme dans le modèles déterministes. Nous étudions en détail les modèles de Galton-Watson, Wright-Fisher et Moran. Nous confirmons que les trois modèles présentent un phénomène de quasi--espèce, et que la distribution de la quasi--espèce est la même pour les trois modèles, ainsi que pour le modèle original d'Eigen. De plus, nous décrivons explicitement la distribution de cette quasi--espèce pour le paysage de fitness à un pic, ainsi que pour des fonctions de fitness qui ne dépendent que de la distance de Hamming à la master sequence. / Manfred Eigen introduced the concept of quasispecies in the early 70s, in order to describe the steady--state distribution of a population subject to mutation and selection forces. Most classical models showing a quasispecies phenomenon are deterministic and deal with a population of an infinite size. The aim of this thesis is to study several stochastic and finite--population models, and to show that a quasispecies phenomenon arises in these models too. We study in detail the Galton--Watson, Wright--Fisher and Moran models. We confirm that a quasispecies phenomenon is present in the three models, and that the distribution of this quasispecies is common to all three models as well as to Eigen's original model. Moreover, we describe explicitly the distributionof the quasispecies for the sharp peak landscape, as well as for fitness functions which depend only on the Hamming distance to the master sequence.

Les viroïdes sont de petites molécules d'ARN simple-brins circulaires qui infectent les plantes et induisent une variété de symptômes.Les viroïdes ne codent pour aucune protéine, mais possèdent une structure secondaire complexe qui leur permet d'accomplir différentes fonctions et d'interagir avec diverses composantes de leur hôte. Pour compléter leur cycle de réplication, les viroïdes doivent nécessairement interagir avec des protéines de leur hôte. Quelques protéines ont déjà été identifiées pour se lier à certains viroïdes. Toutefois, avant le début de mes études aucune protéine n'était connue pour interagir avec le viroïde de la mosaïque latente du pêcher (PLMVd). Notre laboratoire s'intéresse justement au PLMVd, un viroïde de la famille des Avsunviroidae qui se répliquent à l'intérieur des chloroplastes des plantes de pêcher infectés. Ce viroïde se réplique plus précisément par un mécanisme en cercle-roulant symétrique, ce qui implique que ses deux polarités utilisent exactement le même mécanisme et possèdent donc plusieurs caractéristiques similaires. Toutefois, quelques légères différences biochimiques avaient été recensées entre les deux polarités. Par le passé, l'équipe de notre laboratoire a déterminé la structure secondaire de la polarité positive à l'aide de différentes techniques. Afin de comparer les deux polarités, il devenait important de procéder à l'analyse de la structure secondaire de la polarité négative. Grâce à cette étude, des similitudes et des différences entre les deux ont pu être localisées. Ces résultats seront essentiels pour la poursuite de plusieurs études sur PLMVd. Par exemple, cette structure sera certainement utile pour étudier la liaison de différents partenaires protéiques ainsi que pour l'analyse des petits ARN interférents provenant de PLMVd. Une analyse plus approfondie de la structure secondaire et tertaire des deux polarités de PLMVd a été amorcée par la méthode d'acylation sélective de l'hydroxyle de l'ARN analysée par extension d'amorce (SHAPE). Cette étude a permis de comparer la structure de deux variants et a permis d'identifier de nouveaux motifs, tel qu'un cruciforme à l'intérieur de la tige P11 et un pseudonoeud entre les boucles L1 et L11. Une analyse informatique de toutes les séquences connues de PLMVd a été réalisée et a permis de vérifier le potentiel de ce pseudonoeud pour tous les variants de PLMVd. Par la suite, une étude sur des interactions possibles entre PLMVd et des protéines provenant de feuilles de pêcher a été entreprise. Lors de cette recherche, différentes méthodes de détection des interactions ARN-protéine ont été utilisées, certaines sans succès. L'approche faisant appel à des hybridations de type northwestern fut profitable et permis d'identifier quelques protéines cellulaires capables d'interagir avec PLMVd. La caractérisation de certaines interactions a par la suite été réalisée pour permettre de mieux définir la liaison du facteur d'élongation 1-alpha (eEF1A) sur PLMVd. Finalement, différents projets satellites ont été initiés et concernent l'implication de certains éléments de structure de PLMVd in vivo. Ils seront décrits au dernier chapitre. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec un groupe de recherche de Belgique et ont mené à l'inoculation de plusieurs mutants de PLMVd.

Ce travail a confirmé le rôle protecteur de certains anticorps neutralisants dans la TME du VIH-1, a permis de suggérer que certaines souches seraient de bons indicateurs d’anticorps neutralisants associés à la protection, et a confirmé le rôle de la région V2 de l’enveloppe virale en tant que cible des anticorps neutralisants. Les caractéristiques moléculaires des virus transmis dans le contexte de la TME confortent les données en faveur de la transmission à l’enfant d’une population virale restreinte génétiquement. Une gp 120 plus compacte et une moindre glycosylation ne sont pas des caractéristiques des virus transmis de la mère à l’enfant. Cependant, deux sites de N-glycosylation semblent être sélectionnés chez les virus transmis. L’identification de deux cas de TME liés à des variants issus de recombinaisons entre variants maternels a confirmé la présence d’un « hot spot » dans la région C2 du gène env, et a révélé pour la première fois un second « hot spot » dans la région C3. / A lower risk of MTCT was associated with higher NAb titers against the CRF01_AE strain, MBA, in Thailand. The results suggest that some primary isolates may be useful indicators for identifying protective antibodies, and confirm the role of the V2 region in neutralization. We found that only viruses of a restricted subset were transmitted to the infant. We did not find that shorter gp120 or fewer PNGS were characteristics of viruses transmitted from mother to infant. However, a limited number of PNGS, particularly at positions N301 and N384, may confer an advantage on the virus to be transmitted. Moreover, we identified two cases that suggest that recombination probably contributed to adaptation of HIV-1 to its environment to be successfully transmitted from mothers to their infants. In addition, our data allow both to confirm, in natural in vivo conditions, a hot spot for recombination in the C2 region of HIV-1 envelope gene, and to suggest another hot spot in the C3 region.

Les traitements actuels contre le virus de l’hépatite B (VHB) combinent un ou plusieurs analogues de nucléos(t)ides qui inhibent directement la réplication virale en bloquant l’étape de transcription inverse. Ces traitements très efficaces sont pourtant confrontés à l’émergence de virus résistants à ces traitements. Ces résistances sont la conséquence de l’émergence et la sélection de mutants parfois complexes présentant des mutations à la fois dans le gène de la polymérase (pol) et de l’enveloppe virale. Les objectifs principaux de ce doctorat ont été d’étudier la sensibilité des variants résistants du VHB vis-à-vis d’analogues de nucléos(t)ides et de nouveaux composés nonnucléos(t)idiques agissant contre la nucléocapside, mais également de comparer les performances virales de différents mutants afin de comprendre le processus de sélection des mutants qui s’opère chez le patient sous pression thérapeutique. Ces études ont caractérisé la sensibilité de certaines mutations de résistance aux analogues de nucléos(t)ides, de souligner l’importance des modifications de l’enveloppe dues aux mutations de résistance dans le processus d’émergence et de sélection des variants dans la quasi-espèce virale et d’identifier de nouvelles molécules antivirales efficaces permettant, en combinaison avec les analogues de nucléos(t)ide, de diminuer fortement les phénomènes de résistance du VHB. Mieux comprendre les phénomènes de résistance, les procédés d’émergence, de sélection et de transmission des mutants du VHB pour élaborer les meilleures stratégies cliniques de combinaisons thérapeutiques peut réduire considérablement le nombre de personnes touchées par ce virus / Current therapies against the hepatitis B virus (HBV) combine one or more nucleoside analogues that directly inhibit viral replication by blocking reverse transcription step. These treatments are very effective, however, faced with the emergence of viruses resistant to these treatments. These resistances are the result of the emergence and selection of mutants with mutations can be complex in both the polymerase gene (pol) and the viral envelope. The main objectives of this PhD was to study the sensitivity of resistant HBV variants vis-à-vis similar nucleos(t)ides and new compounds non-nucleos(t)idic acting against the nucleocapsid, but also compare the performance of different viral mutants to understand the process of selection of mutants that occurs in patients under therapeutic pressure. These studies have characterized the sensitivity of some resistance mutations to nucleoside analogues, to highlight the importance of the envelope changes due to resistance mutations in the process of emergence and selection of variants in the quasispecies virus and to identify new effective antiviral drugs may allow, in combination with nucleoside analogues, to greatly reduce the phenomenon of HBV resistance. Better understanding the phenomenon of resistance, the processes of emergence, selection and transmission of HBV mutants to develop the best clinical strategies of combination therapy can significantly reduce the number of people affected by this virus

Les arbovirus (dont le virus chikungunya, CHIKV) sont responsables de millions d'infections chaque année ; aucun vaccin n'est encore approuvé, et les traitements disponibles restent limités. De part leur circulation constante entre le moustique et l'humain, leur adaptation rapide à différents hôtes est un facteur clé pour leur pathogenèse. Le taux d'erreur particulièrement élevé de leur polymérase ARN permet une rapide diversification génique qui conduit à la génération d'un nuages de mutants, appelée quasi espèce. Les quasi espèces contiennent non seulement des génomes mutés, mais aussi des ARN recombinés à partir de deux génomes d'origine différente, ainsi que des génomes avec de grandes délétions, incapables de se répliquer sans l'aide d'un autre virion qui doit infection la même cellule, nommés génomes viraux défectifs (GVD). Une régulation étroite de la taille du nuage de mutants est clé pour une pathogenèse efficace : si trop petit, le potentiel adaptatif du virus sera impacté ; au contraire, une quasi-espèce trop grande peut mener à l'accumulation rapide de mutations délétères pour le virus. Alors que la régulation du paysage mutationnel est atteinte grâce à un taux d'erreur de la polymérase viral finement contrôlé, la recombinaison et la réplication des génomes défectifs sont influencés par le potentiel de co-infection des cellules cibles. Dans ce contexte, l'exclusion de la surinfection (ESI), un processus par lequel l'infection par un premier virus inhibe l'infection par un second virus, peut influer le dynamique de la quasi-espèce. Bien que décrite dans la plupart des familles virales, les mécanismes à l'origine de l'ESI restent mal caractérisés. Dans ce travail, je montre que CHIKV exclut une infection future par CHIKV, mais aussi par le virus Sindbis et le virus de la grippe A, mais non par le virus du Nil occidental. Je démontre que l'exclusion de CHIKV se situe au niveau de la pénétration du génome viral dans le cytoplasme, puis de sa réplication, mais n'influence ni l'attachement du virion ni la traduction de son génome. Je montre également que l'ESI est indépendant de l'action des interférons de type I, et qu'elle n'est médiée ni par la transcription cellulaire, ni par un facteur soluble. De plus, l'exclusion n'est pas due à une unique protéine virale, suggérant un potentiel rôle de la réponse cellulaire à l'infection.Déterminer l'influence des pressions immunologiques dans l'établissement de la quasi-espèce peut aider à une meilleure compréhension de l'interaction entre évolution virale et réponse immunitaire. Bien que la caractérisation non biaisée des mutations ponctuelles fût le fruit de nombreux travaux, les GVD restent peu caractérisées, en particulier chez les alphavirus. Dans la deuxième partie de ce travail, je développe des outils bio-informatiques pour isoler rapidement les GVD de données de séquençage à haut débit, et analyse les avantages et les inconvénients d'un ajout d'une étape de pré-amplification pour détecter et quantifier les GVD. À l'aide de ces outils, je fournis ensuite la première description complète des GVD produits par des passages séquentiels de CHIKV en culture cellulaire. En particulier, je montre que le type de GVD générés est très dépendants du type cellulaire, avec des motifs de séquences et des cadres de lecture ouverts différents lorsque les cellules hôtes sont des cellules de mammifère ou d'insecte. Ces résultats soulignent le role de l'environnement cellulaire dans le modelage de la quasi-espèce, et des GVD en particulier. Des travaux futurs aideront à dévoiler les mécanismes sous-jacents à cette interaction et pourraient permettre la conception de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant les dynamiques des quasi-espèces. / Arboviruses such as chikungunya virus (CHIKV) are responsible for millions of yearly infections, with no approved vaccines and limited treatments. Because they circulate between mosquitoes and humans, their fast adaptation potential to different hosts is key to pathogenesis. To achieve genome diversification, they rely on the error-prone nature of their self-encoded RNA-dependent RNA polymerase, which quickly generates a cloud of mutants, termed quasispecies. Quasispecies contain not only mutated genomes, but also shuffled genomes of different parental origin (through a process known as recombination), as well as genomes with large deletions, unable to replicate without the co-infection with a full-length helper genome, and thus termed defective viral genomes (DVGs). A tight regulation of the mutant cloud size is key to pathogenesis: if too small, it will limit the adaptation potential of the virus, whilst too big a quasispecies may lead to the fast accumulation of deleterious mutations. While regulation of the mutational landscape is achieved through the finely tuned error rate of the viral polymerase, recombination and DVG replication are influenced by the co-infection potential of the target cells.In this context, superinfection exclusion (SIE), a process by which infection by a first virus prevents infection by a second, closely related virus, can regulate quasispecies dynamics. While described in most viral families, mechanisms underlying SIE remain poorly characterised. Here, I show that CHIKV infection excludes subsequent infection by CHIKV, Sindbis virus and influenza A virus, but not West Nile virus. I demonstrate that CHIKV exclusion occurs at two steps, impacting independently viral penetration and replication, but does not directly influence binding, nor viral protein translation. I further show that SIE is interferon independent, and does not rely on host cell transcription nor on soluble cellular factors. Moreover, exclusion is not mediated by the action of a single CHIKV protein, suggesting that a cellular response may be at play. Assessing how different immunological pressures can shape quasispecies landscape may prove useful to a more thorough understanding of the interplay between viral evolution and the immune response. Although the unbiased study of point mutations has received much attention, less is known about the characteristics of DVGs, especially in alphaviruses. In the second part of this work, I develop bioinformatics tools to quickly isolate DVGs from next-generation sequencing data, and assess the advantages and drawbacks of pre-amplification steps to detect and quantify DVGs. Using these tools, I provide the first unbiased description of the DVG landscape generated through serial passaging of CHIKV in cell culture. In particular, I show that the DVG landscape is highly dependent on the cell type, with sequence patterns and open reading frames differing between DVGs generated in mammalian and insect cells. These results highlight the role of the cellular environment in shaping quasispecies, and DVGs in particular. Future work will help uncover the mechanisms underlying this crosstalk and may prove useful for the design of treatments targeting quasispecies dynamics.