Les vaccins ont été l'un des succès les plus spectaculaires de la médecine depuis les travaux révolutionnaires d'Edouard Jenner (1749-1823) et Louis Pasteur (1822-1895). L'approche traditionnelle de conception de vaccins, reposant principalement sur l'inoculation de pathogènes inactivés ou atténués, ne peut plus répondre aux besoins actuels en vaccinologie. En effet, l'émergence de nouveaux pathogènes (VIH, VHC) a poussé les scientifiques à raffiner leur approche en identifiant des nouvelles cibles immunoprotectrices (épitopes) et en inventant des nouveaux modes de présentation de ces cibles au système immunitaire. Ceux-ci ont pour objectif d'augmenter l'immunogénicité de cibles qui souvent sont peu immunogènes en raison de leur faible durée de vie dans l'organisme. Dans ce contexte, les pseudovirions (PV) constitués d'une protéine structurale capable de se multimériser et mimer l'organisation hautement répétitive d'un virus sauvage, sont des modes de présentation prometteurs. L'objectif de mon doctorat a été d'étudier et caractériser le potentiel d'un de ces pseudovirions formé à partir des nucléocapsides du virus de la Mosaïque de la Papaye (PapMV). Dans un premier temps, les résultats ont montré que les PV de PapMV sont capables d'induire in vivo une forte réponse humorale contre un épitope du VHC présenté à surface en de nombreuses copies. Cette réponse humorale est diversifiée (Th1/Th2), de longue durée, et entièrement dépendante du niveau de multimérisation de la nucléocapside. En effet, la nucléocapside mutée, présentant le même épitope et incapable de s'assembler en pseudovirion, perd toute immunogénicité. Dans un second temps, il a été démontré que les PV de PapMV présentant un épitope hautement conservé d'influenza (M2) sont capables de fournir une protection partielle in vivo contre une infection virale. Cette protection peut être améliorée de façon très importante si les PV de PapMV (PapMVCP-M2) sont adjuvantés avec des PV de PapMV sans fusion (PapMVCP). Ces résultats soulignent la nature versatile des PV de PapMV, pouvant être utilisés à la fois comme système de présentation d'épitopes mais aussi comme adjuvant. En outre, des expériences ont démontré que les modes de purification des PV pouvaient influer sur l'immunogénicité des PV de PapMVCP-M2. L'ensemble de ces résultats, associés à des études montrant l'efficacité des PV de PapMV pour induire une réponse cellulaire (LCT) protectrice, font des PV de PapMV un outil hautement attractif pour la conception des vaccins modernes.

La surface externe du virus de la mosaïque de la papaye (PapMV) a été caractérisée par deux approches différentes : biochimique et immunologique. Sept régions ont été identifiées. Trois régions de surface (les extrémités N- et C-terminales, ainsi que la région 117 à 136) peuvent être considérées comme étant dominantes puisqu’elles ont été ciblées par les deux approches. Les régions 141-152, 173-184, 189-200 et 205-215 ont été révélées par l’approche immunologique seulement. De plus, un criblage de l’épitope HA11 du virus de l’Influenza à plusieurs sites a permis de valider le potentiel du PapMV à présenter des épitopes en surface. Les extrémités N- et C-terminales et la position 187 supportent l’insertion du peptide HA11 à la surface. Seulement la fusion à l’extrémité N-terminal en position 12 donne des particules stables à température corporelle des animaux et permettent de lever une réponse immunitaire contre le peptide HA11. Donc, la stabilité des nanoparticules est essentielle à l’obtention d’une bonne réponse immunitaire. / Surface-exposed regions of Papaya Mosaic Virus (PapMV) were evaluated by two different methods: immunoblot assay and chemical modifications followed by mass spectrometry. Three regions were targeted by both techniques: the N- and C-termini and region 125-136. These regions are therefore considered to be major surface epitopes. Four other regions were only detected by the immunological technique: regions 117-128, 141-152, 173-184 and 189-200. Sites of fusion using the Influenza virus HA11 peptide were evaluated on the PapMV vaccine platform. Fusions of HA11 at three functional sites located after amino acids 12 and 187 and at the C-terminus led to the production of PapMV particles. It was successfully demonstrated that the HA11 epitope was located at the surface of the particles. The stability and immunogenicity of the nanoparticles were evaluated, and a direct correlation was established between the stability of the particles and their ability to trigger an efficient immune response against HA11.

La protéine de capside du virus de la mosaïque de la papaye (PapMV CP) s’assemble autour d’un ARN simple brin pour former des nanoparticules. Nous avons montré que ces nanoparticules peuvent être fusionnées à des épitopes peptidiques permettant le développement d’une réponse immunitaire protectrice. Le C-terminal de la protéine a été utilisé comme site de fusion dans nos études précédentes. Récemment, nous avons découvert que des fusions après le résidu 12 ou 187 de la CP démontrent aussi un potentiel pour fusionner les épitopes d’intérêt. Le but de ce projet de recherche est de déterminer la capacité d’induire une réponse cellulaire en utilisant des nanoparticules PapMV CP fusionnées à un épitope cellulaire sur différents sites de fusion. L’immunisation de souris avec les particules recombinantes a permis de démontrer qu’une fusion au N-terminus était plus efficace pour induire la prolifération des lymphocytes T CD8+ spécifiques. De plus, les résultats révèlent que la multimérisation de la CP sous forme de nanoparticules est un critère requis pour induire une réponse cellulaire.

La stimulation de la réponse immunitaire dans les poumons est d’intérêt majeur pour la prévention des infections respiratoires. Nous avons démontré précédemment que les nanoparticules du virus de la mosaïque papaye (PapMV) augmentent les réponses immunitaires spécifiques contre des antigènes et induisent une activation systémique de l’immunité innée. Dans cette étude, l’accumulation d’IL-6, TNF-α, KC, MIP-1α, MIP-1β, MIP-2, IL-9 et IP-10 et le recrutement de neutrophiles, de monocytes/macrophages et de lymphocytes dans les poumons de souris a permis de démontrer la capacité des nanoparticules du PapMV à stimuler l'immunité innée pulmonaire. De plus, cette stimulation est suffisante pour protéger des souris contre une infection létale au virus influenza en absence d’antigènes spécifiques du virus. Ces résultats suggèrent que les nanoparticules du PapMV stimulent efficacement l'immunité innée des muqueuses en établissant un état antimicrobien, et renforcent leur potentiel comme adjuvant mucosal. / Stimulation of immune responses in the lungs is one of the most effective ways to prevent respiratory infections. We previously demonstrated that papaya mosaic virus (PapMV) nanoparticles can increase specific immune responses towards antigens and can induce systemic activation of the innate immunity. In this study, the accumulation of IL-6, TNF-α, KC, MIP-1α, MIP-1β, MIP-2, IL-9 and IP-10 followed by the recruitment of neutrophils, monocytes/macrophages and lymphocytes in the lungs of mice demonstrated the ability of PapMV nanoparticles to stimulate lung innate immunity. In addition, this stimulation was sufficient to protect mice against a lethal influenza virus challenge in the absence of specific antigens. These results suggest that PapMV nanoparticles efficiently stimulate mucosal innate immunity and therefore are promising candidates to establish a non-specific antimicrobial state at mucosal surfaces. Moreover, these data strengthen the potential of PapMV nanoparticles as a mucosal adjuvant.

Le Virus de la Mosaïque de la Papaye (PapMV) est un virus filamenteux flexible. Sa protéine structurale, la capside (CP), est composée de 215 acides aminés. Le but du projet est de déterminer les domaines de la CP du PapMV impliqués dans l'assemblage viral. En utilisant un système d'auto-assemblage dans E. coli, nous avons confirmé que l'extrémité C-terminale de la CP est exposée à la surface des pseudo nucléocapsides virales (PNVs) et que la partie N-terminale est impliquée dans la multimérisation de la protéine. De plus, nous avons identifié les acides aminés importants dans l'interaction avec l'ARN. Les résidus cystéine de la CP sont importants à la stabilité de la protéine et à sa capacité à former des PNVs. La mutation de la Glu128 en alanine a permis d'augmenter l'efficacité de l'auto-assemblage en PNVs. Il s'agit d'un travail original et unique chez les virus filamenteux du genre potexvirus.

La vaccination demeure à ce jour le moyen le plus efficace dans la prévention et le contrôle de maladies infectieuses. Les nanoparticules du PapMV ont été efficacement utilisées comme plateforme vaccinale permettant l’augmentation de l’immunogénicité d’antigènes. Bien que ces nanoparticules aient démontré un grand potentiel, la fusion d’antigène directement dans l’ORF de la protéine de capside (CP) peut nuire à sa capacité d’autoassemblage en nanoparticules. Nous avons développé une nouvelle méthode de modification du PapMV basé sur l’utilisation de la transpeptidase bactérienne sortase A (SrtA) permettant la conjugaison d’antigènes directement sur les nanoparticules post-assemblage. La SrtA a permis la conjugaison de longs antigènes (M2e et T20) sans affecter l’intégrité structurale et immunologique des nanoparticules. Ces nanoparticules ont induit de fortes réponses humorales spécifiques aux antigènes et ont induit une protection complète contre une infection à l’influenza chez les souris vaccinées avec PapMV-SrtA-M2e. La plateforme PapMV-SrtA permet l’ingénierie facile et rapide de nouveaux vaccins. / Vaccination remains to date the most effective intervention in the prevention and control of infectious diseases. PapMV nanoparticles have shown to be an efficient vaccine platform to increase antigens immunogenicity. While they have shown great potential, the insertion of antigens in the open reading frame (ORF) of the coat protein (CP) can affect its capacity to assemble into nanoparticles. We developed a new method to modify PapMV nanoparticles based on the use of bacterial transpeptidase sortase A (SrtA) to attach antigens directly onto assembled nanoparticles. SrtA attached long antigenic peptides (M2e and T20) onto PapMV nanoparticles without affecting their structural of immunological integrity. These nanoparticles induced strong antigen specific antibodies and fully protected PapMV-SrtA-M2e vaccinated mice against an influenza challenge. The use of the PapMV-SrtA platform will enable the faster and easier development of new vaccines.

La vaccination est l’une des interventions humaines ayant le plus contribué à la diminution de la mortalité reliée aux maladies infectieuses. Les succès enregistrés par les vaccins traditionnels, composés de pathogènes atténués ou inactivés, ont été obtenus principalement grâce à la stimulation d’anticorps neutralisants. Or, ce corrélat de protection immunologique ne convient plus aux nouveaux pathogènes émergeants tels que le virus de l’hépatite C ou le virus de l’immunodéficience humaine, qui requiert également la stimulation d’une réponse de type cellulaire forte. Une solution intéressante à ce problème est l'ajout d'un adjuvant au vaccin, une méthode reconnue pour augmenter l'ampleur et la diversité de la réponse immunitaire contre le vaccin. Cependant, peu d’adjuvants sont reconnus pour leur capacité à générer des réponses cellulaires et aucun n’est disponible en vaccination humaine en Amérique du nord. A cet effet, les pseudo-particules virales (PPVs) du virus de la mosaïque de la papaye (PapMV) ont précédemment démontré un certain potentiel adjuvant au niveau de la réponse cellulaire. L’objectif de ma thèse de doctorat a donc été d’étudier le potentiel adjuvant des PPVs du PapMV sur des vaccins commerciaux, ainsi que sur des cibles protéiques complètes. Dans un premier temps, nous avons évalué l’effet adjuvant des PPVs de PapMV sur le vaccin inactivé utilisé pour lutter contre le virus influenza. Ensuite, nous avons évalué l’effet de cet adjuvant, ainsi que d’une version de haute avidité, sur la nucléoprotéine (NP) du virus influenza, une cible intéressante dans le développement d’un vaccin universel contre cet important pathogène. Finalement, nous avons évalué la possibilité de développer un vaccin candidat contre le virus de l’hépatite C (VHC) basé uniquement en tout ou en partie sur la protéine de coque du VHC, protéine la plus conservée du virus, en combinaison avec notre adjuvant. Globalement, l’adjuvant s’est avéré efficace à augmenter l’immunogénicité de l’ensemble des cibles vaccinales utilisées et a même contribué à augmenter l’effet protecteur généré par le vaccin inactivé et la protéine NP contre le virus de l’influenza. Son utilité pour le développement d’un vaccin protecteur contre l’hépatite C, comprenant uniquement la protéine de coque, reste à déterminer. / Vaccination is one of the human interventions that having the most contributed to the decrease of mortality attributed to infectious diseases. The successes recorded by the traditional vaccines, composed of attenuated or inactivated pathogens, were principally obtained by the induction of neutralizing antibodies. Now, this correlate of immunologic protection is no longer suitable for new emergent pathogens such as the hepatitis C virus or the human immunodeficiency virus that equally require the stimulation of a strong T-cell response. An interesting solution to this problem is the addition of adjuvants to vaccines, a method known to increase the breadth and diversity of the immune response against the vaccine. However, few adjuvants are known for their ability to generate cellular responses and no adjuvant of this type is available for human vaccination in North America. To this end, the virus-like particles (VLP) of Papaya mosaic virus (PapMV) have previously demonstrated potential adjuvant effect towards the cellular responses. The objective of my Ph.D. thesis was to study the adjuvant potential of the PapMV VLPs on commercial vaccines and on complete protein targets. First, we evaluated the effect of PapMV VLPs adjuvant on the inactivated vaccine used to fight the influenza virus. Secondly, we evaluated the adjuvant effect of this adjuvant, and the high avidity version, on the nucleoprotein (NP) of influenza virus, a promising target to develop a universal vaccine against this important pathogen. Finally, we evaluated the possibility of developing a candidate vaccine against the hepatitis C virus (HCV) based in whole or in part on the core protein of HCV, the most conserved protein of the virus, in combination with our adjuvant. Overall, the adjuvant was effective of increasing the immunogenicity of all vaccine targets used and even helped to increase the protective effect generated by the inactivated influenza vaccine and the NP protein. Its usefulness for the development of a protective vaccine against hepatitis C based solely on the core protein, remains to be determined.

Le Virus de la Mosaïque de la Papaye est un virus végétal filamenteux flexible. Son unique protéine structurale, la protéine de capside, est composée de 215 acides aminés. Le but de ce présent projet de recherche est de déterminer l'importance de l'extrémité N-terminale de la CP dans l'assemblage du PapMV. Des études antérieures à ce projet ont démontré que la délétion des cinq premiers acides aminés de la CP (CP6-215) n'affectait pas la capacité de la CP à se multimériser, alors qu'une délétion des vingt-six premiers acides aminés (CP27.215) conduisait à une incapacité de la CP à se multimériser. L'élaboration de mutants de délétion à l'extrémité N-terminale ainsi que leur expression dans la bactérie E. coli a permis de mettre en évidence l'importance de la phénylalanine retrouvée à la position 13 de la CP. Des mutations ponctuelles pour cet acide aminé ont permis de révéler le rôle que jouait l'hydrophobicité à l'extrémité N-terminale dans la multimérisation de la protéine de capside.

Le virus de la mosaïque de la papaye (PapMV) est un virus filamenteux flexible dont son unique protéine structurale est la protéine de capside (CP), composée de 215 acides aminés. La structure tertiaire de cette protéine, tout comme celle de ses homologues, n'est pas connue. Le but de ce projet est de caractériser la structure et la dynamique de la PapMV CP par RMN multidimensionnelle. Afin d'y arriver, une forme de protéine utilisable pour la RMN, d'un poids moléculaire évitant d'outrepasser les 30 kDa, a d'abord été identifiée : la PapMV CP27-215. Un protocole d'expression à haut rendement a été développé et nous avons marqué cette protéine avec le 15N et le 13C, ce qui impliquent une expression en milieu minimum. La RMN est aussi une méthode qui exige une très grande pureté de la protéine. Par conséquent, une approche de purification efficace a été développée. En plus d'une protéine pure et marquée, la RMN exige que celle-ci soit soluble, concentrée et stable. Ces exigences ont été répondues afin de répondre à l'objectif premier de ce projet.