Thèse de doctorat : Génomique : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

La macroautophagie, appelée ici autophagie, est un processus de dégradation lysosomale qui joue un rôle clé dans l'immunité en dégradant des micro-organismes intracellulaires mais également en activant des réponses immunitaires. Cependant, de nombreux virus ont développé des stratégies pour inhiber, utiliser voire détourner l'autophagie à leur propre bénéfice. L'objectif de cette thèse a été d'analyser la place de l'autophagie dans l'infection par le virus de la rougeole (VR). Ce travail démontre que les souches atténuées du VR utilisent plusieurs voies moléculaires successives d'induction d'autophagie dans les cellules infectées. En effet, elles sont capables d'induire une première vague d'autophagie très précoce mais transitoire par l'engagement de l'une des isoformes de leur récepteur d'entrée CD46. Après un bref retour à l'état basal, une deuxième vague d'autophagie est induite par l'interaction de la protéine virale non structurale C avec la protéine cellulaire autophagique IRGM. La formation de syncytia conduit à une troisième voie d'induction d'autophagie qui permet de maintenir l'autophagie mise en place. Cette autophagie soutenue est exploitée par le VR afin de limiter la mort des cellules infectées, ce qui promeut la production de particules virales. Les souches virulentes du VR, incapables de lier CD46, et utilisant comme récepteur d'entrée la protéine CD150, n'induisent que l'autophagie tardive qui est également utilisée pour favoriser la production de particules virales infectieuses. Ce travail de thèse montre donc que l'induction d'une autophagie soutenue lors de l'infection par le VR promeut l'infection, principalement en limitant la mort cellulaire / Macroautophagy, thereafter referred to as autophagy, is a lysosomal degradation which plays a key role in immunity by directly degrading intracellular pathogens but also by favouring innate and adaptive immune responses. However, several viruses have evolved strategies to inhibit, exploit or even hijack autophagy for their own benefit. The aim of this thesis was to analyse the role of autophagy in the course of measles virus (MeV) infection. This work demonstrates that attenuated strains of MeV induce successive autophagy signalling in infected cells, via distinct and uncoupled molecular pathways. First, attenuated MeV strains are able to induce a first early and transient wave of autophagy through the engagement of one of the isoform of their cellular receptor CD46. Soon after infection, a new autophagy signalling is initiated by the interaction of the non-structural MeV protein C with the cellular autophagic protein IRGM. Strikingly, this second autophagy signalling can be sustained overtime within infected cells via a third autophagy input resulting from cell-cell fusion and the formation of syncytia. Sustained autophagy is exploited by MeV to limit the death of infected cells and to improve infectious viral particle formation. Interestingly, virulent strains of MeV, which do not use CD46 as a cellular receptor but use CD150, are unable to induce the early autophagy wave, whereas they induce and exploit the late and sustained autophagy. Thus, this work demonstrates that the induction of a sustained autophagy during MeV infection promotes infectivity, mostly by limiting cell death. Overall, this work describes an unusual and complex interplay between autophagy and MeV

La macroautophagie, appelée ici autophagie, est un processus de dégradation lysosomale qui joue un rôle clé dans l'immunité en dégradant des micro-organismes intracellulaires mais également en activant des réponses immunitaires. Cependant, de nombreux virus ont développé des stratégies pour inhiber, utiliser voire détourner l'autophagie à leur propre bénéfice. L'objectif de cette thèse a été d'analyser la place de l'autophagie dans l'infection par le virus de la rougeole (VR). Ce travail démontre que les souches atténuées du VR utilisent plusieurs voies moléculaires successives d'induction d'autophagie dans les cellules infectées. En effet, elles sont capables d'induire une première vague d'autophagie très précoce mais transitoire par l'engagement de l'une des isoformes de leur récepteur d'entrée CD46. Après un bref retour à l'état basal, une deuxième vague d'autophagie est induite par l'interaction de la protéine virale non structurale C avec la protéine cellulaire autophagique IRGM. La formation de syncytia conduit à une troisième voie d'induction d'autophagie qui permet de maintenir l'autophagie mise en place. Cette autophagie soutenue est exploitée par le VR afin de limiter la mort des cellules infectées, ce qui promeut la production de particules virales. Les souches virulentes du VR, incapables de lier CD46, et utilisant comme récepteur d'entrée la protéine CD150, n'induisent que l'autophagie tardive qui est également utilisée pour favoriser la production de particules virales infectieuses. Ce travail de thèse montre donc que l'induction d'une autophagie soutenue lors de l'infection par le VR promeut l'infection, principalement en limitant la mort cellulaire

La macroautophagie assure l'homéostasie cellulaire en recyclant du matériel cytosolique obsolète ou délétère et sa dérégulation est associée à plusieurs pathologies. Elle constitue aussi un mécanisme de défense car elle peut éliminer des pathogènes intracellulaires. L'étape cruciale de l'autophagie est la maturation lors de laquelle la vésicule renfermant des substrats cytosoliques, l'autophagosome, fusionne avec des lysosomes et la dégradation a lieu. Nous nous intéressons à la régulation de l'autophagie et aux conséquences de sa perturbation lors des infections, notamment par le virus de la rougeole (VR). Les données de l'équipe montrent qu'il induit et utilise toutes les étapes de l'autophagie, afin de se répliquer efficacement. Mes travaux montrent que des protéines du virus peuvent interagir avec au moins deux protéines cellulaires NDP52 et T6BP qui sont des récepteurs autophagiques (protéines cytosoliques ayant un domaine de liaison aux autophagosomes et un domaine de liaison au substrat à dégrader, par exemple des pathogènes). J'ai alors étudié le rôle des récepteurs autophagiques T6BP, NDP52 et Optineurine dans la réplication virale. J'ai aussi participé à une étude décrivant que NDP52 et Optineurine régulent en plus la maturation. Mes travaux de thèse démontrent un tel double rôle pour T6BP. Cependant, seuls T6BP et NDP52 sont nécessaires à la réplication du VR bien qu'elle requiert la maturation autophagique. Ainsi mes résultats suggèrent d'une part que les trois récepteurs puissent réguler la maturation d'autophagosomes distincts.D'autre part, le VR pourrait exploiter individuellement les autophagosomes dont la maturation dépend de T6BP et NDP52 pour se répliquer / Macroautophagy ensures cell homeostasis through the recycling of obsolete or deleterious cytosolic components and its deregulation is associated with several pathologies. It is also a defense mechanism as it allows the elimination of intracellular pathogens. The most important autophagic step is maturation, during which the cytosolic substrate-containing vesicle, the autophagosome, fuses with lysosomes and the degradation occurs. We study autophagy regulation and the consequences of its disruption during infections and in particular by measles virus (MeV). Our team has shown that MeV induces and exploits all steps of autophagy, to replicate more efficiently. My results indicate that viral proteins can interact with at least two cellular proteins, NDP52 and T6BP, which are autophagy receptors (cytosolic proteins that carry an autophagosome-binding domain and a domain binding substrates that would be degraded, such as intracellular pathogens). I then studied the role of autophagic receptors T6BP, NDP52 and OPTINEURIN in viral replication. I also took part in a study describing NDP52 and OPTINEURIN as autophagosome maturation regulators. My work depicts the same dual role for T6BP. However, only T6BP and NDP52 are necessary for MeV replication even though it requires autophagosome maturation. Thus, my results suggest that the three autophagy receptors might regulate distinct autophagosome maturation on one hand. On the other, MeV could individually exploit autophagosomes, the maturation of which is regulated by T6BP or NDP2 to replicate efficiently

Le virus de la rougeole est un agent pathogène responsable d’immunosuppressions transitoires mais sévères chez les individus infectés. L’infection par ce virus peut ainsi mener à l’établissement d’infections secondaires opportunistes, souvent décrites chez les patients rougeoleux. Cependant, la contribution du virus de la rougeole sur des infections secondaires à l’échelle de la cellule co-infectée n’a jamais fait l’objet d’études. Notre équipe à précédemment démontré que le virus de la rougeole induit une autophagie productive dans les cellules infectées, requise pour une réplication optimale du virus. À l’opposé, certains pathogènes comme la bactérie Salmonella typhimurium sont restreints par l’autophagie. Le but de cette thèse est d’étudier la contribution de l’autophagie sur la prolifération bactérienne en condition de co-infection avec le virus de la rougeole. Au cours du projet, nous avons identifié que dans les cellules co-infectées avec le virus de la rougeole, la bactérie Salmonella typhimurium hyperprolifère. Cette prolifération intense prend place essentiellement dans des cellules multinucléées géantes (syncytia) formées par le virus. En outre, la bactérie, normalement localisée dans une vacuole cellulaire, se localise dans le cytosol de ces syncytia et semble insensible à l’autophagie. Au cours de cette thèse, nous avons identifié que le facteur antimicrobien TBK1 pourrait être détourné par l’infection virale, contribuant ainsi à l’échappement de la bactérie à l’autophagie. Ce travail de thèse met ainsi en évidence une nouvelle possibilité d’échappement de bactéries à l’autophagie lors d’une co-infection virale. / Measles virus is a pathogenic agent responsible for transient but severe immunosuppression in infected individuals. The infection can lead to the establishment of secondary infections, frequently described in measles virus infected patients. Nevertheless, Measles virus contribution to secondary infection at cell scale level have never been studied yet. Our team has previously described that Measles virus induce a fully functional autophagy in infected cells, which is mandatory for an efficient viral replication. On the opposite, some pathogens, as the bacteria Salmonella typhimurium are restricted by autophagy. The aim of this PhD project is to study the contribution of autophagy on bacterial proliferation upon Measles virus co-infection at cell level. During this project, we have identified that in Measles virus coinfected cells, Salmonella typhimurium hyperproliferates. This exacerbated proliferation takes place in multinucleated giant cells induced by the virus, which are called syncytia. In addition, the bacteria, which is normally localized in cellular vacuole, is localized directly inside the cytosol of syncytia. Furthermore, cytosolic bacteria appears to be insensitive to autophagy. During this PhD project, we have identified that the cellular factor TBK1 could be hijack by the viral infection. Thus, this could allow the auophagic escape of the bacteria. This study highlight a new opportunity of autophagic escape of bacteria during a viral co-infection.

La vaccination anti-rougeoleuse a permis de freiner le développement de cette infection responsable de près d'un demi-million de décès par an. Afin de mieux appréhender la biologie du virus de la rougeole (VR), nous avons étudié l'adaptation de ce virus au contexte cellulaire et établi une modélisation mathématique du cycle viral.<br />L'analyse génétique d'une souche sauvage, G954-PBL, et d'une souche adaptée par 13 passages en cellules Vero, G954-V13, a mis en évidence uniquement 5 substitutions d'acides aminés. Ces mutations ont affecté la athogénicité de la souche qui est devenue atténuée dans un modèle de souris transgéniques pour l'un des récepteurs du VR. L'adaptation à un contexte cellulaire au cours de la propagation limite la croissance d'une souche dans un autre environnement, sauf dans le cas des souches vaccinales, robustes. Contrairement au dogme établi, les IFN de type I ne semblent pas jouer un rôle majeur dans cette atténuation.<br />En parallèle, nous avons développé deux approches mathématiques du cycle viral permettant de mieux interpréter les interrelations virus/cellule. A l'échelle moléculaire, nous proposons plusieurs hypothèses du fonctionnement de la polymérase virale, permettant d'établir le gradient d'ARNm critique pour le développement du virus. Dans une optique multi-échelle, nous avons également modélisé l'ensemble du cycle infectieux du VR. Ces travaux constituent les bases d'une approche inédite de la pathogénie de ce virus.<br />A travers plusieurs approches expérimentales, ces travaux mettent en avant l'aspect complexe du virus de la rougeole et permettent d'envisager de nouvelles pistes thérapeutiques.

Environ 40 pour cent du protéome humain est composé d'importantes régions dépliées. Ces protéines intrinsèquement désordonnées (PID) n'adoptent pas de structures secondaires et tertiaires stables mais échantillonnent un vaste paysage conformationnel. Malgré cela, elles sont aujourd'hui connues pour intervenir dans de nombreux processus biologiques ou pathologiques. À l'instar des eucaryotes, les virus -- surtout les virus à ARN -- ont eux aussi recours aux propriétés particulières des PID pour effectuer les interactions nécessaires à leur réplication. Les paramyxovirus, comme le virus de la rougeole, sont des virus à ARN simple brin de polarité négative et environ 10 pour cent de leur génome de 15 à 18 kilobases code pour des régions dépliées. Cette thèse détaille l'étude de deux protéines virales directement impliquées dans la réplication, la nucléoprotéine et la phosphoprotéine. Elles interagissent l'une avec l'autre et sont composées à la fois de régions dépliées et repliées. Des données à résolution atomique ont été obtenues en spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) en ce qui concerne les parties désordonnées, et en cristallographie pour ce qui est des parties repliées. Les résultats apportent un nouvel aperçu du rôle du désordre conformationnel dans la transcription et la réplication des paramyxovirus. / About 40 percent of the human proteome contains large disordered regions. These intrinsically disordered proteins (IDPs) do not adopt stable secondary and tertiary structures, but sample a large conformational space. In spite of that, they are now known to be involved in many physiological as well as pathological processes. Following the example of eukaryotes, viruses -- especially RNA viruses -- benefit from the particular features of IDPs in their replication machinery. Paramyxoviruses, that includes Measles virus, are single stranded, negative sense RNA viruses and about 10 percent of their 15 to 18 kilobase RNA genome is known to encode for disordered regions. This thesis focuses on the study of two different proteins of paramyxoviruses, namely the nucleoprotein and the phosphoprotein that are directly involved in the replication of the viral genome. They interact with each other and are composed of folded and disordered domains. Atomic resolution information is obtained about the structure and dynamics of these proteins using a combination of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy measurements for the disordered parts and X-ray crystallography for the folded domains. The results provide novel insight into the role of conformational disorder in transcription and replication of paramyxoviruses.

Le virus de la rougeole est un virus à ARN négatif, membre de la famille des Paramyxoviridae. Le complexe de réplication viral comprend trois protéines principales : la polymérase à ARN ARN-dépendante (L), la nucléoprotéine (N) et la phosphoprotéine (P). Cette thèse présente une étude structurale, par des méthodes biochimiques et biophysiques, de la phosphoprotéine et de la nucléoprotéine produites dans la bactérie Escherichia coli. J'ai étudié les déterminants de la polymérisation de N et identifié un variant intéressant pour l'étude de N par cristallographie aux rayons X. J'ai aussi mis au point la purification d'un complexe de N et P, prélude à son étude structurale. Par ailleurs, j'ai montré que la partie N-terminale de P est intrinsèquement désordonnée. J'ai pu étendre ce résultat aux protéines P de nombreux virus apparentés par une étude bio-informatique. J'ai ensuite démontré l'importance du désordre structural au sein du complexe réplicatif des Paramyxoviridae #à la fois par son abondance et d'un point de vue fonctionnel#. Au-delà de leur intérêt pratique immédiat, ces résultats indiquent que la machinerie réplicative de ces virus pourrait constituer un système modèle pour l'étude du désordre structural dans les protéines. De plus, ils soulèvent de nombreuses questions et sont donc un prélude à une refonte de notre vision du complexe réplicatif de ces virus dont l'étude revêt une importance majeure en santé humaine.

Le virus de la rougeole (MV) provoque une maladie sévère chez les enfants qui induit une forte immunosuppression et peut dans certains cas infecter le système nerveux central (SNC). La protéine CD150, principal récepteur cellulaire du virus, permet l’entrée du MV en se liant à l’hémagglutinine (MV-H). L’altération fonctionnelle des cellules dendritiques (DC) étant considérée comme essentielle dans l’immunopathogénèse du MV, nous avons analysé les conséquences de l’interaction de MV-H avec les DC. Nous avons développé un modèle expérimental qui nous permet d’étudier l’interaction directe entre CD150 et MV-H hors contexte infectieux. Nos résultats montrent que cette interaction provoque une diminution de l’expression des molécules de surface CD80, CD83, CD86, et HLA-DR, de la production d’IL-12 par les DC, et de la capacité des DC à stimuler la prolifération des lymphocytes T. L’interaction CD150-MV-H a inhibé la phosphorylation des protéines kinases JNK1/2 dans les DC et les lymphocytes B (LB) induite par la stimulation de CD150 par un anticorps spécifique, mais pas celle des kinases ERK1/2. Par ailleurs MV-H seule induit la phosphorylation d’Akt via CD150 dans les DC et les LB. La liaison de CD150 par MV-H a réduit la réponse inflammatoire chez les souris transgéniques exprimant CD150 humain, ce qui confirme l’effet de l’interaction de CD150 et MV-H in vivo. Nos études ont révélé l’expression de CD150 dans les tumeurs du SNC et l’existence d’une nouvelle isoforme de CD150. Cette isoforme contient un exon supplémentaire de 83 pb et est exprimée dans les cellules lymphoïdes et les DC en plus des tumeurs du SNC. Bien que l’expression de CD150 soit uniquement intracellulaire dans les cellules tumorales, elle peut représenter un nouveau marqueur pour les tumeurs cérébrales humaines. Cette étude apporte un éclairage nouveau sur le rôle immunorégulateur de CD150 et sur la diversité de ses isoformes, et ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour leurs applications thérapeutiques. / Measles virus (MV) causes an acute childhood disease, associated in certain cases with the infection of the central nervous system (CNS). MV induces a profound immunosuppression, resulting in high infant mortality. The major cellular receptor for MV is CD150, which binds MV hemagglutinin (MV-H). As dendritic cell (DC) dysfunction is considered to be essential for the MV immunopathogenesis, we analyzed consequences of MV-H interaction with DCs. We developed an experimental model allowing us to analyze the direct CD150-MV-H interaction in the absence of infectious context. This interaction caused the downregulation of surface expression of CD80, CD83, CD86 and HLA-DR molecules and inhibition of IL-12 production in DCs. DCs also failed to activate T cell proliferation. The CD150-MV-H interaction in DCs and B cells decreased the phosphorylation of JNK1/2, but not ERK1/2 kinases, after subsequent CD150 ligation with anti-CD150 antibodies. Moreover, MV-H by itself induced Akt phosphorylation via CD150 in DCs and B cells. Engagement of CD150 by MV-H in mice transgenic for human CD150 decreased the inflammatory reaction, contact hypersensitivity response, confirming the immunosuppressive effect of CD150-MV-H interaction in vivo. Furthermore, our studies revealed the CD150 expression in CNS tumors and identified the novel CD150 isoform, containing an additional 83bp exon expressed in lymphoid cells, DCs and CNS tumors. Although its isoforms remain intracellular in tumor cells, CD150 may represent a new marker for human brain tumors. Novel mechanism of CD150-induced immunosuppression and new CD150 isoform identified in these studies shed new light on its immunoregulatory role and CD150 isoform diversity and open perspectives for their clinical applications.

Les virus Nipah (NiV) et Hendra (HeV) sont des paramyxovirus zoonotiques appartenant au genre Henipavirus. Les paramyxovirus possèdent un génome ARN simple brin de polarité négative encapsidé par la nucléoprotéine (N) au sein d’une nucléocapside hélicoïdale. Cette dernière sert de substrat pour la transcription et la réplication, réalisées par la polymérase virale qui consiste en un complexe entre la protéine L et la phosphoprotéine (P). A l’aide d’approches biophysiques, j’ai établit une cartographie de l’interaction entre la région C-terminale désordonnée de N (NTAIL) et la région C-terminale de P (PXD) chez NiV, HeV et MeV. L’observation à l’échelle atomique par RMN a confirmé l’intervention d’un élément de reconnaissance moléculaire (MoRE) qui subit un repliement α-hélical au contact de PXD. J’ai également montré la capacité des domaines NTAIL et PXD des henipavirus à former des complexes hétérologues soulignant leur proximité structurale. L’interaction NTAIL-PXD, cruciale pour le recrutement de la polymérase virale constitue une cible idéale pour des approches antivirales. Ainsi, un test de criblage à haut débit par HTRF a été mis en place dans le but d’identifier des inhibiteurs. Enfin, une approche structurale a révélé une organisation trimérique de la protéine P de NiV et HeV en solution. La résolution de la structure cristalline de la région de tétramérisation de P du virus de la rougeole montre la présence d’une région désordonnée à proximité du site putatif de recrutement de L. Collectivement, ces résultats représentent une étape clé vers l’élucidation du l’impact fonctionnel de l’oligomérisation de la protéine P sur le cycle réplicatif des paramyxovirus. / Nipah (NiV) and Hendra (HeV) viruses are zoonotic paramyxoviruses that belong to the Henipavirus genus. Paramyxoviruses possess a single-stranded negative-sense RNA genome that is encapsidated by the nucleoprotein (N) into a helical nucleocapsid. This latter is the substrate for both transcription and replication that are carried out by the polymerase, consisting of a complex between the large protein (L) and the phosphoprotein (P). Using various biophysical approaches, I was able to map the interaction between the C-terminal disordered region of N (NTAIL) and the C-terminal region of P (PXD) in NiV, HeV and MeV. Atomic resolution description of the HeV NTAIL-PXD interaction by NMR confirms the involvement of a molecular recognition element (MoRE) of α−helical nature in binding to PXD. I also showed that Henipavirus NTAIL-PXD form heterologous complexes, involving a structural similarity. As this interaction is crucial for the recruitment of the viral polymerase, it is a promising target for antiviral approaches. This prompted me to set up a protein-protein interaction (PPI) assay based on the HTRF technology to identify inhibitors. Finally, I provided the first experimental evidence of a trimeric organization of P proteins in NiV and HeV. We also solved the crystal structure of two different forms of MeV P tetramerization domain who unveiled the presence of a disordered region located near the putative L-binding site and reveal significant structural variations in coiled-coils organization. Collectively, these results represent a key step towards the elucidation of the functional impact of P protein oligomerization on the replicative cycle of paramyxoviruses.