Alors que d’énormes efforts sont mis de l’avant pour mettre en place des stratégies thérapeutiques contre l’infection au VIH-1, il est nécessaire de mieux cerner les déterminants viraux qui aideront à l’efficacité de celles-ci. En ce sens, une volumineuse littérature scientifique suggère que les anticorps contre le VIH-1 possédant une capacité à induire une réponse effectrice dépendante de leur portion Fc puissent jouer un rôle important dans la prévention de l’infection et dans la progression de la maladie. Cependant, peu d’information est disponible concernant les déterminants reconnus par ces anticorps et comment le virus s’en protège. Le but des travaux présentés dans cette thèse est donc d’élucider les mécanismes viraux contrôlant la reconnaissance des cellules infectées par ces anticorps capables d’induire une réponse effectrice. De par les corrélats de protection identifiés au cours de l’essai vaccinal RV144, les travaux présentés ici se concentrent sur la réponse cytotoxique dépendante des anticorps (ADCC), puisqu’il s’agit d’une réponse effectrice suggérée pour avoir joué un rôle dans la protection observée dans le RV144, seul essai vaccinal anti-VIH à avoir démontré un certain degré de protection. De plus, plusieurs anticorps capables d’induire cette réponse contre le VIH sont connus pour reconnaître les glycoprotéines de surface du virus (Env) dans une conformation dite ouverte, c’est-à-dire la conformation adoptée lors de la liaison d’Env avec son récepteur CD4 (épitopes CD4i). Nous avons mis au point deux techniques in vitro permettant d’étudier ces changements de conformation ainsi que leur impact sur la réponse ADCC. Les techniques mises au point, un ÉLISA sur base cellulaire pour mesurer les changements de conformation d’Env ainsi que la mesure de la réponse ADCC par cytométrie en flux, nous ont permis de démontrer comment le virus empêche l’exposition des épitopes d’Env CD4i. L’activité simultanée des protéines accessoires virales Nef et Vpu sur le retrait du récepteur CD4 de la surface des cellules infectées et l’inhibition du facteur de restriction Tétherine / BST-2 par Vpu contrôlent à la fois les niveaux d’Env et de CD4 à la surface cellulaire et donc modulent l’interaction Env-CD4 et ultimement la susceptibilité à la réponse ADCC contre les épitopes CD4i reconnus par des anticorps hautement prévalents lors de l’infection au VIH. Également, nous démontrons comment de petits composés mimant la liaison de CD4 sur Env sont capables de forcer l’exposition des épitopes CD4i, même en présence des protéines Nef et Vpu, et donc d’augmenter la susceptibilité des cellules infectées à la réponse ADCC. Une autre découverte présentée ici est la démonstration que la portion soluble d’Env produite par les cellules infectées peut interagir avec le récepteur CD4 des cellules non-infectées avoisinantes et induire leur reconnaissance et élimination par la réponse ADCC contre Env. Somme toute, la modulation de la réponse ADCC par l’interaction Env–CD4 représente un important pilier de la relation hôte – pathogène du VIH-1 de la perspective des réponses Fc-dépendantes. Les travaux présentés dans cette thèse ont le potentiel d’être utilisés dans l’élaboration de nouvelles stratégies antivirales tout en élargissant les connaissances fondamentales de cette interaction hôte – pathogène. / While huge efforts are put forth to develop therapeutic strategies against HIV-1 infection, it is necessary to better understand the viral determinants that will help the effectiveness of these approaches. Moreover, a voluminous scientific literature suggests that antibodies against HIV-1 that have the ability to induce an Fc-mediated effector response can play an important role in the prevention and control of the disease. However, little information is available regarding the determinants recognized by these antibodies and how the virus protects itself from this response. The aim of the work presented in this thesis is therefore to better elucidate the viral mechanisms controlling recognition of infected cells by antibodies capable of inducing effector responses. In regards to the correlates of protection identified in the RV144 vaccine trial, the work presented here focuses on antibody-dependant cellular cytotoxicity (ADCC), since this effector response was suggested to have played a role in the protection observed in the RV144 trial. In addition, many antibodies that induce this response against HIV are known to recognize the virus surface glycoprotein (Env) in an open conformation, that is to say, the conformation adopted by the binding of Env with the CD4 receptor (CD4i epitopes). We have developed two in vitro techniques to study these conformational changes and their impact on ADCC responses. The techniques developed, a cell-based ELISA to measure Env conformational changes and the measure of ADCC responses by flow cytometry, allowed us to demonstrate how the virus prevents exposure of Env CD4i epitopes. The simultaneous activity of viral accessory proteins Vpu and Nef on the removal of CD4 from the surface of infected cells and the Vpu-mediated inhibition of the restriction factor Tetherin / BST-2 control both Env and CD4 levels at the cell surface, thus modulating Env-CD4 interaction. This ultimately results in a decrease in the susceptibility of infected cells to ADCC responses against CD4i epitopes recognized by antibodies that are highly prevalent during HIV infection. Also, we demonstrate how using small compounds mimicking the CD4 binding of Env forces the exposure of CD4i epitopes, even in the presence of Nef and Vpu proteins, and therefore increases the susceptibility to ADCC responses against infected cells. Another discovery is presented here that demonstrates how the soluble portion of Env produced by infected cells can interact with the CD4 receptor on the bystanders non-infected cells and induce their recognition and elimination by ADCC responses against Env. Overall, the modulation of ADCC responses by Env-CD4 interaction is an important pillar of HIV-1 host – pathogen interaction from the perspective of Fc effector functions. The work presented in this thesis has the potential to be used in the development of new antiviral strategies while expanding the fundamental understanding of HIV-1 host - pathogen interactions.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La transmission mère-enfant (TME) est un modèle naturel permettant d’explorer le rôle des anticorps neutralisants dans la protection vis-à-vis de l’infection par le VIH-1 ainsi que les caractéristiques des virus transmis aux enfants malgré la présence d’anticorps maternels. Au cours de mes travaux, nous avons confirmé l’importance de la région V2 de la glycoprotéine de surface (gp120) du VIH-1 dans la résistance du virus à la neutralisation. L’analyse des propriétés de variants transmis à l’enfant et de variants maternels a mis en évidence une grande hétérogénéité de leurs propriétés biologiques sans pour autant identifier de propriétés spécifiques conférant un avantage sélectif aux virus transmis. Cependant, nous avons montré que les virus transmis étaient plus sensibles à la neutralisation par deux anticorps monoclonaux humains largement neutralisants récemment identifiés, PG9 et PG16, une observation qui pourrait avoir des applications intéressantes en termes de prévention de la TME ou de développement vaccinal. Enfin, nous avons identifié deux résidus très conservés de la gp120 impliqués dans la sensibilité à la neutralisation par PG9 et/ou PG16. / Mother-to-child transmission (MTCT) provides a natural model for studying the role of neutralizing antibodies in preventing HIV-1 infection, and the characteristics of the virus transmitted to the infants despite the presence of maternal antibodies. During my thesis works, we confirmed that the V2 domain of the surface envelope glycoprotein (gp120) of HIV-1 plays a major role in resistance to neutralization. The analysis of properties of variants transmitted to infant and maternal variants showed a wide spectrum of their biological properties, but we did not identify any specific property conferring a selective advantage for transmission of the virus to the infant. Nevertheless, we showed that the transmitted variants were more sensitive to neutralization by the two recently described broadly neutralizing monoclonal antibodies PG9 and PG16. This observation should have interesting applications in terms of prevention of MTCT or vaccine development. Finally, we identified two gp120 cross-clade conserved residues involved in neutralization sensitivity to PG9 and/or PG16.

Les mécanismes moléculaires d'assemblage et de bourgeonnement des virus tels que le VIH-1 dans les cellules infectées sont encore relativement mal connus. Toutefois, il semble établi que la multimérisation de la protéine Gag s'effectue à la membrane plasmique et que le bourgeonnement des particules virales a lieu au niveau de zones enrichies en tétraspanines. Ces protéines transmembranaires forment un réseau d'interactions protéiques à la surface de la cellule et s'organisent en microdomaines différents des radeaux lipidiques, bien qu'enrichis en cholestérol.En utilisant la technique de suivi de molécules uniques fluorescentes sur des cellules HeLa exprimant la protéine Gag, l'objectif de mon travail de thèse était d'abord de déterminer l'influence de l'assemblage et le bourgeonnement de pseudoparticules virales sur la dynamique et la répartition membranaires des tétraspanines CD9 et CD81. Nos résultats renforcent l'émergence d'un nouveau concept, selon lequel les composants cellulaires et viraux, plutôt que de se regrouper au niveau de plateformes membranaires préexistantes, s'organisent en structures de taille croissante où les tétraspanines sont peu à peu concentrées avec leurs partenaires pour former une architecture propice à l'assemblage et la sortie du VIH-1.Par ailleurs, nous avons montré que CD81 était plus confiné et moins dynamique que CD9 et avons donc étudié les mécanismes moléculaires expliquant cette différence de comportement membranaire. L'utilisation du pistage en molécule unique couplé à des marquages d'ensemble, l'emploi de protéines chimériques et de drogues spécifiques ont permis de révéler que la dynamique membranaire de CD81 est restreinte par le réseau d'actine, via l'ezrine, mais implique aussi EWI-2 et CD9P-1, deux partenaires membranaires de CD9 et de CD81. Enfin, cette étude montre que cette interaction avec le cytosquelette est impliquée dans le recrutement de CD81 et indirectement de CD9, lors de l'assemblage du VIH. / Molecular mechanisms of assembly and budding of HIV-1 particles in infected cells are still a matter of debate. However it is now well established that Gag assembly occurs at the plasma membrane and that budding involves tetraspanin-enriched areas. Tetraspanins are transmembrane proteins that form a network of protein interaction at the cell surface organized into microdomains enriched in cholesterol but distinct from rafts.Using single molecule tracking of fluorescent markers with Gag-expressing HeLa cells, the aim my PhD thesis was first to determine the influence of Gag assembly and budding of pseudo particles on the dynamics and partitioning of the tetraspanins CD9 and CD81 at the plasma membrane. Our results support an emerging concept that cellular and viral components, instead of clustering at preexisting microdomains or platforms, direct the organization of growing structures where tetraspanins are more and more concentrated with their partners, in order to form a membrane scaffold that helps HIV-1 assembly and egress.In a second work, we showed that CD81 is more confined and less dynamic than CD9, and tried to clarify the molecular mechanisms involved in this differential behavior at the plasma membrane. Single molecule tracking, in addition to ensemble labeling experiments, CD9/CD81 chimeric proteins, as well as specific drugs, demonstrated that CD81 membrane dynamics is restricted by the actin network through ezrin proteins, but also implicates EWI-2 and CD9P-1, primary partners of CD9 and CD81. Finally, this study reveals that this interaction with the cytoskeleton is in part responsible of the recruitment of CD81 and indirectly of CD9 during HIV-1 assembly.

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), est un rétrovirus dont le génome est composé de deux molécules d’ARN simple brin. La transcriptase inverse codée par le VIH-1 utilise l’ARNt3Lys de la cellule hôte pour amorcer la réplication de son génome ARN en ADN proviral. L’ARNt3Lys est encapsidé dans les virions lors de l’assemblage; la lysyl-ARNt synthétase (LysRS) cellulaire est impliquée dans ce mécanisme et sert de co-transporteur à l’ARNt3Lys.Chez l’homme, il existe deux formes de LysRS, une forme cytoplasmique (cLysRS) et une forme mitochondriale (pmLysRS) qui donnera la forme mature (mLysRS) après translocation dans la mitochondrie. Les deux LysRS sont issues d’un même gène par épissage alternatif. Il a été démontré que seule la forme mitochondriale est présente dans les particules virales.Nous avons établi un modèle des interactions protéine-protéine impliquées dans la formation du complexe d’encapsidation de l’ARNt3Lys. En recherchant les interactions des précurseurs Gag et GagPol avec les LysRS et leurs domaines, nous avons démontré que seul le domaine Pol du précurseur GagPol a la capacité de s’associer à la LysRS. Ce sont les sous-domaines transframe TF et intégrase IN du domaine Pol qui permettent l’association entre LysRS et GagPol. Cette association se fait via le domaine catalytique de l’enzyme. La sélectivité de l'encapsidation de la forme mitochondriale de LysRS aux dépens de sa forme cytoplasmique pourrait résider dans la stricte compartimentation cellulaire de ces deux formes enzymatiques. Nous avons voulu établir à quel stade l’encapsidation de la LysRS mitochondriale a lieu, soit avant sa translocation mitochondriale sous forme de précurseur pmLysRS, soit après sous forme mLysRS maturée. Nous avons déterminé le site de maturation du précurseur pmLysRS puis caractérisé les deux formes mitochondriales de la LysRS, en déterminant leurs paramètres cinétiques et leur affinité pour l’ARNt3Lys. Alors que la forme pmLysRS ne forme pas de complexe stable avec l’ARNt, la forme maturée mLysRS est la plus apte à interagir avec l’ARNt3Lys. Ce serait donc la mLysRS qui serait impliquée dans le transport de l’ARNt3Lys dans les particules virales lors du bourgeonnement.Comme l'interaction GagPol:LysRS n'est pas spécifique in vitro de la forme mLysRS qui est la seule espèce de LysRS encapsidée, nous avons recherché si d’autres protéines virales pouvaient intervenir dans la formation du complexe d’encapsidation et conférer la spécificité pour la seule mLysRS. Nous avons montré que les protéines auxiliaires Rev et Vpr ont la capacité à s’associer à la LysRS sans distinction d'origine, mais ne peuvent interagir dans le contexte du complexe d'encapsidation GagPol:mLysRS:ARNt3Lys. Les différentes formes de LysRS pourraient ainsi réguler l'activité de Vpr et Rev à d'autres étapes du cycle viral. / The Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is a retrovirus with a genome composed of two molecules of single stranded RNA. The reverse transcriptase encoded by HIV-1 uses the cellular tRNA3Lys to prime the replication of its RNA genome into a proviral DNA. The tRNA3Lys is packaged into the viral particles during their assembly; the cellular lysyl-tRNA synthetase (LysRS) is involved in this mechanism as a co-carrier of tRNA3Lys.In human, there are two forms of LysRS, a cytoplasmic form (cLysRS) and a mitochondrial form (pmLysRS) that will be maturated into mLysRS after translocation into the mitochondrion. Both LysRS arise from the same gene by alternative splicing. It was demonstrated that only the mitochondrial species is present in the viral particles.We established a model of the protein-protein interactions which are implied in the formation of the packaging complex of tRNA3Lys. By searching for interactions of the viral precursors Gag and GagPol with the LysRS species and their domains, we demonstrated that only the Pol domain of the GagPol precursor has the capacity to interact with LysRS. The transframe (TF) and integrase (IN) domains of the Pol region of the polyprotein GagPol are required for association of LysRS with GagPol. This association is mediated by the catalytic domain of the enzyme. The selectivity of the packaging of the mitochondrial species of LysRS but not of its cytoplasmic species would rest on the cellular compartmentalization of these two enzyme forms. To establish at which step the mitochondrial LysRS is packaged, either as the pmLysRS precursor before its mitochondrial translocation, or after as the mature mLysRS, we determined the site of maturation of the pmLysRS precursor, then we characterized both mitochondrial forms of LysRS, by determining their kinetic parameters and their affinity for tRNA3Lys. Whereas the pmLysRS species did not form a stable complex with tRNA, the mature pmLysRS species did. Thus, mLysRS is the only LysRS species which could be implied in the transport of tRNA3Lys into the viral particles during the budding step. In vitro, the interaction GagPol:LysRS is not specific for the mLysRS species, but only the mitochondrial LysRS is packaged into the viral particles. We determined if another viral protein could impact the specificity of mLysRS packaging. We showed that the auxiliary proteins Rev and Vpr have the capacity to interact with LysRS but this intercation is not recovered in the context of the GagPol:mLysRS:tRNA3Lys packaging complex. These data suggest that the different forms of LysRS might regulate the activity of Vpr and Rev at other steps of the viral cycle.

Lors de la transmission sexuelle du VIH-1, un seul ou un nombre très limité de variants viraux sont transmis parmi ceux présents chez le donneur. Il est important de comprendre si le variant transmis est sélectionné aléatoirement parmi ceux présents chez le donneur ou s’il possède un avantage sélectif qui le prédispose à établir plus efficacement une nouvelle infection. Lors de nos différents travaux, nous avons pu observer chez quatre patients une évolution parallèle des propriétés génétiques, antigéniques et fonctionnelles de la glycoprotéine d’enveloppe au cours de l’infection. L’évolution de certaines propriétés est répercutée à l’échelle populationnelle. Néanmoins nous avons montré que malgré ces évolutions, les virus transmis au sein d’une même chaîne de transmission présentent des propriétés biologiques conservées. L’ensemble de nos résultats vont en faveur d’une sélection d’un variant viral avec des propriétés particulières lors de la transmission. De plus le variant transmis possède une région V3 particulièrement conservée associée à un tropisme CCR5, une sensibilité au Maraviroc et semble avoir besoin d’un taux élevé de CD4 à la surface de la cellule cible. / During HIV-1 sexual transmission, a single virus among the numerous viral variants present in the donor is transmitted most often. The key question is to understand if transmitted variants are randomly selected among variants from the donor or they have biological properties that predispose them to establish more efficiently a new infection. We observed a parallel evolution of genetic, antigenic and functional properties of the envelope glycoprotein in four patients during the infection. In addition, the evolution of some properties is also observed at the populational level. However, we showed that transmitted variants from a same transmission chain share similar biological properties. Together our results suggest that the transmission bottleneck is mainly non-stochastic and involves the selection viral variants harboring specific phenotypic properties. Despite transmitted variants have a conserved V3 region associated with a CCR5 tropism, sensitivity to Maraviroc and seem to require high level of CD4 to efficiently infect target cells.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La latence post-intégrative du VIH-1 génère des réservoirs qui empêchent l'éradication du virus avec les thérapies actuelles. La compréhension des mécanismes moléculaires de la latence servirait à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques et le développement de molécules de type LRA (Latency Reversing Agent) permettant la guérison fonctionnelle des patients et un arrêt des traitements. Nous avons démontré que la combinaison de deux types différents de LRAs à base de composés libérant P-TEFb (JQ1, I-BET, I-BET151 et HMBA) ou des agonistes de PKC (prostratine, bryostatine-1 et Ing-B) conduit à une robuste activation synergique de la production du VIH-1 dans divers modèles cellulaires de latence post-intégrative et dans des réservoirs de lymphocytes T CD4+ primaires. Le répresseur transcriptionnel CTIP2 recrute des complexes multienzymatiques pour favoriser l'établissement et la persistance de la latence du VIH-1 dans les cellules microgliales, le principal réservoir viral du système nerveux central. De plus, CTIP2 s’associe au complexe 7SK snRNP pour inhiber P-TEFb, un facteur d’élongation indispensable à l’expression du VIH-1 et à la réactivation des provirus latents. Des expériences d’immunoprécipitations de CTIP2, couplées à la spectrométrie de masse, nous ont permis d’identifier près de 900 partenaires protéiques de CTIP2. Parmi ces nouveaux partenaires, nous avons identifié la SUMO E3 ligase KAP1. Nous montrons que KAP1 réprime les phases précoce et tardive Tat dépendante de la transcription du VIH-1. KAP1 induit une dégradation de Tat, qui est sensible aux modulations de la voie SUMO. En effet, la sumoylation favorise l'association de Tat avec KAP1, de même que sa dégradation. Globalement, nos résultats suggèrent que KAP1 contribue à l'établissement et à la persistance des réservoirs latents du VIH-1. Cibler les voies SUMO constituerait un nouveau champ d'investigation dans le cadre du développement de nouvelles classes de LRAs. / The HIV-1 post-integration latency generates reservoirs that prevent the eradication of the virus with the current therapies. The understanding of the molecular mechanisms of this latency enable the identification of new therapeutic targets and the development of LRA (Latency Reversing Agent) for functional cure and treatments interruption. We have demonstrated that the combination of two different LRAs based on P-TEFb releasing compounds (JQ1, I-BET, I- BET151 and HMBA) or PKC agonists (prostratin, bryostatin-1 and Ing-B) leads to robust synergistic activation of HIV-1 production in various cellular models of post-integration latency and in primary CD4+ T cells reservoirs. The transcriptional repressor CTIP2 recruits multienzymatic complexes to promote the establishment and persistence of HIV-1 latency in microglial cells, the main viral reservoir of the central nervous system. Furthermore, CTIP2 binds to the 7SK snRNP complex to inhibit P-TEFb, an elongation factor essential for HIV-1 expression and reactivation of latent proviruses. Immunoprecipitation experiments of CTIP2 coupled to mass spectrometry allowed us to identify almost 900 proteins partners of CTIP2. Among these new partners, we have identified the E3 SUMO ligase KAP1. We found that KAP1 contributes to HIV-1 gene silencing by repressing the initiation and the Tat–dependent steps of the viral gene transcription. KAP1 induces Tat degradation via a SUMO-sensitive pathway. Indeed, favoring the sumoylation promotes Tat association with KAP1 and the resulted Tat degradation. Altogether, our results suggest that KAP1 contributes to the establishment and the persistence of the latently infected HIV-1 reservoirs. Moreover, these results suggest that targeting the SUMO pathways may be a new field of investigation to develop new classes of LRAs for cure strategies.

Le promoteur viral module la transcription et par conséquent la réplication virale. Le promoteur du VIH-1 est polymorphe pour une variété de sites de fixation de facteurs de transcription, toutefois l'impact de ce polymorphisme sur la réplication virale in vivo n'est pas élucidé. Nous avons construit des virus chimères isogèniques portant le promoteur minimal des sous-types B, C, et E du VIH-1 dans le génome du VISmac239. Dans quatre macaques rhésus co-infectés avec les trois chimères, une discordance entre les génotypes des virus associés aux rPBMCs et des virions du sérum est observée lors de la primo-infection. Un changement dans le génotype viral est également visible entre la primo-infection et la phase asymptomatique. Nos résultats montrent que le polymorphisme du promoteur des sous-types du VIH-1 constitue un déterminant majeur pour la réplication et la dissémination virale, et que la virémie en primo-infection est majoritairement due à la réplication virale dans l'intestin.

Les protéines accessoires du VIH-1 Vif et Vpr jouent un rôle indirect dans la variabilité génétique virale. La protéine Vpr limite le taux d'erreurs induites par la TI en interagissant avec l'UNG2. La protéine Vif intervient en prévenant l'apparition de mutations résultant de l'activité des cytidines désaminases APOBEC3 sur l'ADN viral. La variabilité génétique induite par ces protéines pourrait jouer un rôle dans la résistance aux antirétroviraux. Dans une première partie de la thèse, nous avons identifié la mutation K22H dans vif chez des patients en échec. Cette mutation favorise l'apparition de mutations G-vers-A dans le génome viral (par perte partielle d'interaction avec la désaminase cellulaire APOBEC3G) et participe à l'apparition de mutations de résistance (M184I dans la TI) pouvant expliquer l'échec virologique chez ces patients. Dans un autre travail, nous montrons que deux mutations de résistance (E138K et M184I dans TI) fréquemment retrouvées en cas d'échec virologique à la combinaison emtricitabine-ténofovir et rilpirivine apparaissent de façon concomitante sous l'action d'APOBEC3 en dehors de tout traitement. Enfin, dans la dernière partie de ce travail, nous avons identifié la mutation E17A dans vpr associée aux " thymidin analog mutations " ou TAMs (M41L, L210W, et T215Y) dans la TI et à la prise de didanosine chez des patients en échec virologique. Des études phénotypiques ont montré que le virus E17A+TAMs confère une résistance à la didanosine supérieure à celle conférée par les TAMs seules ou le virus E17A seul. Ce travail met en évidence un nouveau rôle de Vpr dans les mécanismes de résistance aux antirétroviraux.