Le virus de la rage appartient à l'ordre des Mononegavirales. Ces virus sont enveloppés, et leur génome est<br />composé d'une seule molécule d'ARN de polarité négative. Dans le cas du virus de la rage, cet ARN encode<br />cinq protéines virales dont la nucléoprotéine (N) qui est fortement impliquée dans la réplication et la<br />transcription du virus. L'objectif de mon travail de thèse consistait à obtenir des informations structurales à<br />la meilleure résolution possible sur la nucléoprotéine (N) du virus de la rage, ceci afin de mieux comprendre<br />les mécanismes impliqués dans la multiplication virale. La nucléoprotéine existe sous deux formes : en<br />complexe « soluble » avec la phosphoprotéine (P), ou associée à l'ARN viral. Le complexe N-ARN viral est<br />la matrice utilisée par l'ARN-polymérase pour effectuer la transcription et la réplication. Il est possible de<br />produire de manière recombinante des complexes N-ARN en forme d'anneaux composés d'un nombre de<br />nucléoprotéines allant de 9 à 15 sous-unités par complexe. La mise au point d'une technique biochimique<br />pour purifier ces différentes espèces suivie d'études en microscopie électronique et en cristallographie aux<br />rayons X ont conduit à l'obtention d'un modèle atomique à une résolution de 3.5 Å. L'ultrastructure du<br />complexe dont la structure a été résolue est formée par l'association entre 11 nucléoprotéines et un brin<br />d'ARN de 99 bases. Il s'agit de la première structure de nucléoprotéine d'un virus à ARN négatif associée à<br />son substrat, l'ARN. Cette structure permet de constater que la nucléoprotéine séquestre étroitement l'ARN<br />limitant ainsi la formation d'ARN double brin et le protégeant de la réponse immunitaire innée. Pour devenir<br />accessible à la polymérase virale, l'ARN génomique du virus de la rage doit être dissocié localement de<br />quelques protomères de nucléoprotéine. Ce mode de fonctionnement spécifique existe probablement pour<br />d'autres virus comme celui de la rougeole, Ebola ou la grippe, responsables eux aussi de pathologies<br />humaines graves. La nucléoprotéine est une cible antivirale intéressante puisqu'elle n'existe qu'au sein des<br />virus.

Thèse de doctorat : Aspects cellulaires et moléculaires de la biologie : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 135-145.

La génétique inverse est devenue une méthode clé pour la production de virus à ARN génétiquement modifiés et pour comprendre les propriétés cellulaires et biologiques des virus. Cependant les méthodes les plus fréquemment utilisées, basées sur le clonage de génomes viraux complets dans des plasmides, sont laborieuses et imprévisibles. La première partie de cette thèse présente des études sur la mise au point d'un nouveau système de génétique inverse, appelé méthode ISA (Amplicons-Sous génomique-Infectieux), qui permet la génération, en quelques jours, de virus infectieux sauvages et génétiquement modifiés appartenant à trois familles différentes de virus à ARN simple brin de polarité positive, avec une grande maîtrise des séquences virales. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons appliqué pour la première fois à un arbovirus (CHIKV), le ré-encodage des codons - une méthode développée récemment et très excitante pour le développement de vaccins vivants atténués. En utilisant une approche aléatoire de ré-encodage des codons qui attribue au hasard des codons sur la base de la séquence en acides aminés correspondante, nous avons mis en évidence des pertes importantes de fitness réplicatif sur des cellules de primates et d'arthropodes. La diminution du fitness réplicatif est en corrélation avec le degré de ré-encodage, une observation qui peut aider à la modulation de l'atténuation virale. En utilisant l'expérience acquise avec le CHIKV, nous avons transposé avec succès ce mécanisme d'atténuation au JEV et amélioré notre maîtrise du processus d'atténuation en utilisant une combinaison de la synthèse de novo et de la méthode ISA. / Reverse genetics has become a key methodology for producing genetically modified RNA viruses and deciphering cellular and viral biological properties, but the most commonly used methods, based on the preparation of plasmid-based complete viral genomes, are laborious and unpredictable. The first part of this thesis presents studies relating to the development of a new reverse genetics system, designated the ISA (Infectious-Subgenomic-Amplicons) method, which enabled the generation of both wild-type and genetically modified infectious viruses belonging to three different families of positive, single stranded RNA viruses within days with great control of the viral sequences. In the second part of this thesis, we applied for the first time to an arbovirus (CHIKV), codon re-encoding - a recently developed and very exciting method for the development of live attenuated vaccines. Using a random codon re-encoding approach which randomly attributed nucleotide codons based on their corresponding amino acid sequence, we identified major fitness losses of CHIKV in both primate and arthropod cells. The decrease of replicative fitness correlated with the extent of re-encoding, an observation that may assist in the modulation of viral attenuation. Detailed analysis of these observed replicative fitness losses indicated that they are the consequence of several independent re-encoding induced events. Using the experience acquired on the CHIKV, we successfully transposed this attenuation mechanism to JEV and improved our control of the attenuation process by using a combination of de novo synthesis and the ISA method.

Le virus de la stomatite vésiculaire (VSV) et le virus Nipah (NiV) appartiennent respectivement aux familles des Rhabdoviridae et des Paramyxoviridae. VSV est un modèle du virus de la rage tandis que NiV est un virus émergeant, appartenant à la sous-famille des Paramyxovirinae, pour lequel les données moléculaires et structurales sont limitées. Ces sont des virus enveloppés dont le génome code pour cinq à neuf protéines. Le complexe de réplication de ces virus est constitué de trois protéines : la phosphoprotéine (P), la nucléoprotéine (N) et la polymérase virale (L). La N encapside le génome viral et l'ensemble N-ARN sert de matrice pour la transcription et la réplication. La P joue deux rôles : elle sert de cofacteur pour la polymérase et forme le complexe N0-P qui maintient la N sous une forme soluble, compétente pour l'encapsidation des génomes néo-synthétisés. Un premier objectif de mon travail de thèse consistait à étudier la structure et la dynamique des protéines P de VSV et de NiV. Ce sont des protéines modulaires qui contiennent des domaines structurés, séparés par des régions flexibles. A mon arrivée au laboratoire un travail important avait été déjà réalisé sur la P de VSV et j'ai participé à l'achèvement de cette étude. Je me suis ensuite intéressé à la protéine P de NiV. J'ai cristallisé et résolu par diffraction des rayons X les structures du domaine C-terminal et du domaine central (codes PDB : 4F9X et 4GJW). La combinaison de ces modèles cristallographiques avec des données de SAXS sur la P entière et des données de résonance magnétique nucléaire (RMN, collaboration IBS) va permettre d'obtenir un modèle atomique de la P entière sous la forme d'un ensemble de conformères. Un deuxième objectif était d'étudier les complexes N0-P. J'ai activement participé au développement de la méthode de reconstitution et à la caractérisation structurale du complexe N0-P de VSV, entre un mutant de la N (NΔ21) et un peptide N-terminal de la P (code PDB : 3PMK). J'ai ensuite reconstitué, cristallisé et résolu la structure de complexe N0-P de NiV entre la N (tronquée de son domaine C-terminal) et la partie N-terminale de la P. Ces structures montrent par quel mécanismes moléculaires la P maintien la N sous forme monomérique, en empêchant sa polymérisation et son interaction avec l'ARN. Les résultats présentés ici ont permis de générer de nouvelles hypothèses pour expliquer les mécanismes d'encapsidation et d'initiation de la synthèse d'ARN chez ces virus. Le complexe N0-P étant essentiel pour la réplication du virus, l'information structurale obtenue au cours de ce travail devrait permettre d'envisager l'utilisation de ce complexe comme cible pour le développement de composés antiviraux. / Abstract Vesicular stomatitis virus (VSV) and Nipah virus (NiV) belong to the Rhabdoviridae and Paramyxoviridae families, respectively. VSV serves as model system for rabies virus while NiV is an emerging pathogen of the Paramyxovirinae subfamily, for which molecular and structural data are scarce. Both viruses are enveloped and their genomes encode five to nine proteins. Three proteins form their replication complex: the phosphoprotein (P), the nucleoprotein (N) and the viral polymerase (L). N encapsidates the viral genome and this N-RNA complex serves as template for transcription and replication. P has two functions: it serves as a polymerase cofactor and forms an N0-P complex, which keeps the N protein in a soluble and monomeric state, competent for the encapsidation of the newly synthesized genomes. The first goal during the PhD work was to study the structure and dynamics of the VSV and NiV P proteins. These proteins are modular, containing structured domains separated by flexible regions. Before my arrival, a large amount of work was already done on the VSV P protein in the lab and I was involved in the final stages of this work. Then this I studied the NiV P protein, crystallizing and solving the structures of its Central and C-terminal domains by X-ray crystallography (PDB codes: 4F9X and 4GJW). Combining these structures with small angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR, collaboration with IBS group) data obtained for the entire protein will allow the construction of an atomic model of the phosphoprotein in the form of a conformational ensemble. The second goal was to study the N0-P complex. I actively participated in the development of the method which permitted the reconstruction of the VSV N0-P complex, using a truncation mutant of the N protein (NΔ21) and an N-terminal peptide from P, and to its structural determination (PDB code: 3PMK). Then I reconstructed, crystallized and solved the structure of the NiV N0-P complex using a C-terminally truncated N protein and the N-terminal region of the P protein. Both structures yielded insights into the molecular mechanisms used by the phosphoproteins in order to maintain the corresponding nucleoproteins in their monomeric state, thus inhibiting their polymerization and interaction with RNA. The results presented here also offered new hypothesis about mechanisms of encapsidation and of RNA synthesis initiation. Given that the N0-P complex is an essential component of the replication complex, the structural information gained from this work allow us to consider this complex as a potential antiviral target.

Le virus de la mosaïque jaune du navet (TYMV) possède un génome monopartite constitué d’ARN de polarité positive codant pour trois protéines, dont seule la polyprotéine 206K est indispensable à la réplication virale.Elle subit une maturation protéolytique, générant les protéines 140K et 66K, localisées au niveau de l’enveloppe des chloroplastes, siège de la réplication virale.Adressée aux chloroplastes, la protéine 140K y recrute la 66K et se comporte comme une protéine intégrale membranaire.Le domaine d’adressage aux chloroplastes (DAC) de la protéine 140K a été défini grâce à la transfection et à des protoplastes d’Arabidopsis thaliana par différentes constructions codantpour des versions délétées de la protéine fusionnées à l’EGFP, et à leur observation en microscopie confocale. Le DAC comprend deux hélices alpha amphipathiques dont la présence a été attestée par dichroïsme circulaire. Leur nécessité pour la localisation aux chloroplastes, l’association aux membranes et la réplication virale, a été étudiée. Différents patterns de distribution subcellulaire de la protéine 140K ont été observés. Ils sont corrélés au taux d’expression de la protéine. Sa dimérisation a également été démontrée.L’implication d’autres résidus du DAC dans la localisation subcellulaire, la dimérisation et la réplication virale, a également été recherchée. / Turnip yellow mosaic virus (TYMV) is a positive single-stranded RNA virus. Among the three ORFs encoded by the TYMV genome, 206K is the only protein required for viral replication. It is cleaved into 140K and 66K, which are both present at the chloroplast envelope membrane, where viral replication takes place.The 140K protein is targeted to chloroplasts, where it recruits 66K, and behaves as an integral membrane protein. The chloroplast targeting domain (DAC) of the 140K protein was defined using Arabidopsis thaliana protoplasts transfected by various constructs encoding deleted versions of 140Kfused to EGFP and subsequent confocal microscopy. The DAC comprises two amphipathic alpha helices, as confirmed by circular dichroism. Their involvement in chloroplast localisation and membrane association has been assessed, as well as their contribution to viral replication.We observed different subcellular distribution patterns of 140K protein, which correlate with the expression level of the protein. Its capability to dimerize has also been demonstrated.The involvement of other DAC residues in subcellular localisation, dimerization and viral replication has been studied.

Le virus de l'hépatite C (HCV) est un virus à ARN qui synthétise ses nouveaux génomes dans les cellules hôtes infectées grâce à une ARN polymérase ARN dépendante (RdRp), appelée NS5B. Cette polymérase a été pendant longtemps une cible majeure dans la recherche d'antiviraux contre l'hépatite C. Aujourd'hui, de nombreux antiviraux ont été approuvés dans le traitement de l’hépatite C ciblant différentes protéines virales, entre autre, NS5B. Le sofosbuvir qui cible le site actif de NS5B est un antiviral qui a démontré une efficacité extraordinaire dans le traitement anti-HCV.Durant ces dernières années, les recherches sur NS5B ont permis de caractériser cette protéine, à la fois structuralement et biochimiquement. La richesse des connaissances ainsi accumulées fait de NS5B un excellent modèle pour les RdRp des virus à ARN.Toutefois, peu d'études portent sur le mécanisme d’acheminement et de sélection des ribonucléotides au site actif de NS5B, et de façon générale, sur la description atomique du mécanisme de réplication assuré par NS5B, qui implique deux dications magnésium pour la catalyse comme chez toutes les polymérases de cette famille.Durant ce travail, nous avons exploité les données structurales issues de complexes ternaires (NS5B+RNA+nucleotide) obtenus en 2015 par cristallographie à l'échelle atomique. Nous avons utilisé ces structures pour mener des études de modélisation moléculaire, essentiellement par dynamique moléculaire afin d’aborder la question de l'acheminement des nucléotides vers le site actif de NS5B.Nous avons eu recours à la fois à des méthodes de dynamiques moléculaires classiques et des méthodes de dynamiques moléculaires dites biaisées telles que différentes méthodes de dynamiques moléculaires dirigées (SMD et TMD) et la dynamique moléculaire accélérée (aMD).Nos résultats indiquent que l’acheminement du nucléotide au site actif associé à un magnésium Mg(B) est contrôlé tout au long du tunnel par différents éléments de NS5B. Initialement, le nucléotide se lie à une région proche de la boucle qui surplombe le tunnel lui permettant, grâce aux interactions qu’il établit avec sa partie triphosphate, de s’orienter base en avant. Ensuite, le nucléotide atteint un point de contrôle formé essentiellement par le motif F3 (R158) et le motif F1(E143). Le nucléotide reste lié à ce site jusqu’à l’arrivée du second dication magnésium (Mg(A)) qui provoque des réarrangements structuraux, notamment au niveau du motif F3, entrainant l’avancée du nucléotide vers le site actif. Une fois ce point de contrôle passé, le nucléotide interroge alors la base du brin d’ADN matrice sans s’insérer entièrement dans le site actif.Nos simulations ont clairement établi que les dernières étapes d’entrée du nucléotide sont finement régulées par l’arrivée du second dication magnésium qui a donc un rôle de coordinateur en plus de son rôle connu dans la catalyse.Ce mécanisme d’entrée semble être spécifique aux RdRp virales et permet de comprendre pourquoi les analogues de nucléotides peuvent être aussi efficaces contre les virus à ARN. / The hepatitis C virus is an RNA virus that synthesises its new genomes in the infected host cells thanks to an RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) termed NS5B. This polymerase has been a prime target for antiviral therapy. Numerous direct antiviral drugs are now approved in the HCV treatment and allow very high rates of treatment success. These drugs target among others the HCV NS5B RdRp with the sofosbuvir being one of the most successful drugs.Tremendous efforts have been made in the past decades to characterize NS5B, in particular structurally and biochemically. However, there is little information about the molecular mechanisms of NS5B ribonucleotides entry and selection and in general on the atomistic details of the RNA replication mechanism, although the involvement of two magnesium dications in catalysis is well established in this family of polymerases. Since 2015, structures of ternary complexes of NS5B have been resolved by crystallography offering very valuable details about the binding of nucleotides at the NS5B active site.In this work, we took advantage of these structural data to address the ribonucleotides entry and to further explore the nucleotide addition cycle in NS5B using molecular modelling and molecular dynamics simulations. We used both conventional molecular dynamics techniques and biased simulations that enhance sampling such as Steered Molecular Dynamics (SMD), Targeted Molecular Dynamics (TMD) or accelerated Molecular dynamics (aMD).Based on our modelling results, we found that the access to the active site through the nucleotides tunnel is checked by successive NS5B elements. First, the entering ribonucleotide together with an associated magnesium Mg(B) binds next to a loop that overhangs the nucleotide tunnel and interactions with its triphosphate moiety orient it base-first towards the active site. Second, the ribonucleotide encounters a checkpoint constituted by the residues of motif F3(R158) and motif F1(E143) where it is blocked until the arrival of a second magnesium ion, the Mg(A). This allowed the motif F3 to undergo small structural rearrangements leading to the advancement of the nucleotide towards the active site to interrogate the RNA template base prior to the complete nucleotide insertion into the active site.Our simulations pointed out that these dynamics are finely regulated by the second magnesium dication, thus coordinating the entry of the correct magnesium-bound nucleotide with shuttling of the second magnesium necessary for the two-metal ion catalysis. This entry mechanism is specific to viral RdRps and may explain why modified ribonucleotides can be so successful as drugs against RNA viruses.

Wild-type viruses with intrinsic oncolytic capacity in human includes DNA viruses like some autonomous parvoviruses and many RNA viruses. Recent advances in molecular biology have allowed the design of several genetically modified viruses, such as adenovirus and herpes simplex virus that specifically replicate in, and kill tumor cells. However, still several hurdles regarding clinical limitations and safety issues should be overcome before this mode of therapy can become of clinical relevance. It includes limited virus spread in tumor masses, stability of virus in the blood, trapping within the liver sinusoids, transendothelial transfer, and/or vector diffusion of viral particles to tumor cells, limited tumor transduction, immune-mediated inactivation or destruction of the virus. For replication-competent vectors without approved antiviral agents, suicide genes might be used as fail-safe mechanism. Cancer stem cells are a minor population of tumor cells that possess the stem cell property of self-renewal. Therefore, viruses that target the defective self-renewal pathways in cancer cells might lead to improved outcomes.<p>In this thesis, data we generated in the field of oncolytic autonomous parvoviruses are presented.<p>We replaced capsid genes by reporter genes and assessed expression in different types of human cancer cells and their normal counterparts, either at the level of whole cell population, (CAT ELISA) or at the single cell level, (FACS analysis of Green Fluorescent Protein). Cat expression was substantial (up to 10000 times background) in all infected tumor cells, despite variations according to the cell types. In contrast, no gene expression was detected in similarly infected normal cells, (with the exception of an expression slightly above background in fibroblasts.). FACS analysis of GFP expression revealed that most tumor cells expressed high level of GFP while no GFP positive normal cells could be detected with the exception of very few (less than 0.1%) human fibroblast cells expressing high level of GFP. We also replace capsid genes by genes coding for the costimulatory molecules B7-1 and B7-2 and show that, upon infection with B7 recombinant virions, only tumor cells display the costimulatory molecules and their immunogenicity was increased without any effect on normal cells. Using a recombinant MVM containig the Herpes Simplex thymidine kinase gene, we could get efficient killing of most tumor cell types in the presence of ganciclovir, whithout affecting normal proliferating cells. We also produced tetracycline inducible packaging cell lines in order to improve recombinant vectors yields. The prospects and limitations of these different strategies will be discussed.<p>An overview is given of the general mechanisms and genetic modifications by which oncolytic viruses achieve tumor cell-specific replication and antitumor efficacy. However, as their therapeutic efficacy in clinical trials is still not optimal, strategies are evaluated that could further enhance the oncolytic potential of conditionally replicating viruses in conjunction with other standard therapies. <p>Another exciting new area of research has been the harnessing of naturally tumor-homing cells as carrier cells to deliver oncolytic viruses to tumors. The trafficking of these tumor-homing cells (stem cells, immune cells and cancer cells), which support proliferation of the viruses, is mediated by specific chemokines and cell adhesion molecules and we are just beginning to understand the roles of these molecules. Finally, we will explore some ways deserving further study in order to be able to utilize various oncolytic viruses for effective cancer treatment. <p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le virus de la stomatite vésiculaire (VSV) sert de modèle pour l'étude de la multiplication des virus (Mononegavirales) alors que la rage(RV) reste un sérieux problème de santé publique. Le génome de VSV et RV code notamment la nucléoprotéine (N) et la phosphoprotéine (P). N s'associe étroitement à l'ARN viral. Ce complexe N-ARN sert de matrice pour la réplication et la transcription virale. P est le cofacteur de la polymérase virale (L) et chaperonne N. En interagissant avec N-ARN (domaine C-terminal) et avec L (domaine N-terminal), P assure le lien physique entre l'ARN viral et L. La stœchiométrie de P, sa structure et son rôle exact pendant la transcription et la réplication restent incertains. Mon travail a consisté à une caractérisation biophysique et structurale de P et des complexes N-ARN-P pour mieux comprendre la dynamique du complexe de réplication de ces virus.<br />L'analyse biophysique montre que P RV & VSV existent sous forme de dimère allongé en solution. L'analyse bioinformatique a révélé une organisation modulaire, confirmé par des études biochimiques et biophysiques de mutants de P RV. La structure du domaine C-terminal de P VSV a été résolue par RMN et montre une homologie celle du C-ter de P RV. La caractérisation de l'interaction entre P et les anneaux N-ARN a révélé l'existence de deux types de complexes N-ARN-P (contenant un et 2 dimères de P par anneau). L'étude par ME des complexes nucléocapsides-P a permis de mettre en évidence un changement de conformation important.<br />Pour devenir accessible à L, l'ARN viral doit se dissocier localement de N. L'interaction N-ARN-P représente potentiellement une nouvelle cible pour le développement d'antiviraux.