Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

The human immunodeficiency virus type-1 matrix (HIV-1 MA) is best described as a multi-functional, structural protein. However, the multitude of functional activities ascribed to this viral component is not nearly as interesting as are its seemingly paradoxical and opposing roles during the viral life cycle. At the time of virus infection, HIV-1 MA remains associated with the reverse transcription complex, in which viral nucleic acids are synthesized, and facilitates its translocation to the host cell nucleus (Bukrinsky, Sharova et al. 1992; Bukrinsky, Sharova et al. 1993). This activity of MA has been proposed to form the basis for the infection of non-dividing cells (Bukrinsky, Haggerty et al. 1993). An interaction between the C-terminally phosphorylated form of MA and HIV-1 integrase, an integral component of the complex, was initially proposed to mediate this association (Gallay, Swingler et al. 1995; Gallay, Swingler et al. 1995). However, conditions which promote dissociation of integrase from the reverse transcription complex do not reduce MA association (Miller, Farnet et al. 1997). The possibility of a direct interaction between MA and the viral genome is discussed in Chapter III. The nucleophilic nature of HIV-1 MA is paradoxical with its reported activity in targeting the viral precursor proteins to the cytoplasmic membrane (Krausslich and Welker 1996), during the particle production phase of the viral life cycle. Furthermore, MA when expressed in the absence of other viral proteins exhibits a cytoplasmic localization (Fouchier, Meyer et al. 1997); a result which does not support a nuclear translocation role for this protein. The work presented here resolves this seemingly controversial issue. We demonstrate that MA exhibits a strong nuclear export activity. This newly discovered activity is designed to effectively counteract the protein's innate nucleophilic nature, thus maintaining a cytoplasmic localization. The nuclear export function of MA is sensitive to changes within the conformation of the protein as C- and N-terminal deletions, as well as point mutations in the protein, abolish the activity. Furthermore, the export activity is mediated by the Crm1 NES receptor (Fornerod, Ohno et al. 1997; Fukuda, Asano et al. 1997; Ossareh-Nazari, Bachelerie et al. 1997) despite the lack of a leucine-rich export signal within the matrix coding region. Therefore, the interaction between matrix protein and Crm1 is most likely to be mediated by another, perhaps cellular, protein. Any changes in matrix structure may lead to the disruption of this protein-protein interaction. We discuss a model implicating a phosphorylation event in the inactivation of this nuclear export signal. An even more fascinating issue regards the role of this nuclear export activity, during the viral life cycle, and is detailed in Chapter II. In short, mutations in MA which impair its nuclear export activity result in nuclear accumulation of the precursor Gag polyprotein (Pr55) and the nucleocapsid-associated viral genomic RNA. As a result, non-infectious virions deficient in genomic viral RNA are produced. Therefore, drugs designed to block this export activity can undermine the carefully orchestrated course of events during HIV replication and can shut down the growth of the virus.

Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

La sélection de l’ARNg des rétrovirus repose sur des interactions entre le domaine nucléocapside (NC) du précurseur Gag et des régions de l’ARN viral appelées ψ (ou Psi) localisées dans la région 5’ non traduite (5’-UTR) de l’ARNg et/ou dans le début du gène gag.Malgré des nombreuses études, les mécanismes moléculaires gouvernant l’incorporation de l’ARNg dans les particules virales en cours d’assemblage sont encore mal compris. La protéine Gag est notoirement sensible à la protéolyse et la plupart des études ont été menées avec une Gag dépourvue du domaine p6 (GagΔp6) qui ne reflètepas correctement les propriétés de fixation de la protéine Gag entière à l’ARNg. Les travaux réalisés aux cours de cette thèse nous ont permis de montrer que Pr55Gag et ses produits de maturation NCp15 et NCp7 sont capables de distinguer l’ARNg du VIH-1 des ARN viraux épissés. La stabilisation des formes dimériques ou la perturbation des interactions à longue distance n’ont aucune influence sur la reconnaissance spécifique de Gag pour l’ARNg. Par des expériences de mutagénèse dirigée et de compétition, nous avons montré non seulement que la dimérisation de l’ARNg et le motif SL1 (surtout sa boucle interne) joue un rôle crucial pour la fixation de Gag mais aussi que l’intégrité de la région Psi est indispensable pour une fixation optimale. Ces résultats nous ont amené à déterminer plus précisément l’empreinte de Gag sur l’ARNg et les résidus requis pour la fixation de Gag qui on confirmé le rôle crucial de SL1 comme le siganl major pour la reconnaissance spécifique de l’ARNg par le pr55Gag. / Packaging of HIV-1 genomic RNA (gRNA) is a highly regulated and selective process that leads to prefrential selection and packaging of dimeric gRNA from a cellular medium containing a large excess of cellular and spliced viral mRNAs. This event underlies interaction between the nucleocapsid domain in the context of the uncleaved Gag precursor and a Packaging signal located in the 5’ untranslated region (5’ UTR) of the gRNA and/or the beginning of gag gene. Despite a considerable effort, the molecular mechanisms beyond the selective encapsidation of HIV-1 gRNA is still unknown. To address this, we first characterized the relative affinities of Pr55gag to various HIV-1 RNA fragments (spliced and unspliced) by biochemical and spectroscopic approaches which all revealed that Pr55gag exhibits a higher binding affinity for viral gRNA than for viral spliced species. Interestingly, we noticed that Pr55Gag, through its nucleic acid chaperone activity, was able to stabilize the dimeric form of almost all viral RNA species (spliced and unspliced) suggesting that RNA dimermaturation does not allow the gRNA discrimination. Further characterization of specific Gag binding sites to short RNA fragments corresponding to the minimal packaging signal by competition experiments, inhibition of Gag/RNA interaction by antisense oligo-deoxynucleotides, as well as the detection of Pr55Gag RNA binding sites on gRNA by enzymatic and chemical footprinting confirmed the crucial role of SL1 (or DIS) as a specific binding site for Pr55Gag. Taken together, our results strongly suggest that SL1 and/or RNA dimerization is a specific recognition signal for Pr55Gag to specifically select and probably induce HIV-1 gRNA packaging.

Les protéines ERMs (Ezrine, radixine et moésine) jouent un rôle central in cellulo, dans de nombreux processus cellulaires tels que les infections, la migration et la division cellulaire. Parmi celles-ci, la moésine est plus particulièrement impliquée dans la formation de la synapse immunologique, l’infection virale et bactérienne, et les métastases cancéreuses. D’un point de vue structural, les ERM peuvent être en conformation inactive (replies sur elles-mêmes) ou actives (ouvertes), ce qui permet leur interaction a la fois avec les constituants du cytosquelette (actine et tubuline) via leur domaine C-terminal et la membrane plasmique via leur domaine FERM. La liaison a la membrane plasmique se fait principalement et spécifiquement via un lipide de la famille des phosphoinositides, le phosphatidyl 4,5 bisphosphate (PIP2). De plus, les protéines peuvent être phosphorylées, ce qui contribue à leur ouverture structurale. Cependant, le rôle de la phosphorylation sur les interactions ERM/membrane et ERM/cytosquelette, bien que beaucoup étudié in cellulo, est peu compris au niveau moléculaire.Le but de cette thèse est précisément d’étudier, au niveau moléculaire et à l’aide de systèmes biomimétiques, les interactions entre des protéines recombinantes et des membranes biomimétiques contenant du PIP2. Pour cela, nous avons mis au point des membranes lipidiques sous forme de vésicules unilamellaires (petites ou larges) et de bicouches lipidiques supportées, qui permettent de caractériser les interactions entre protéines et membranes par des techniques biophysiques complémentaires, notamment la cosédimentation quantitative, la microscopie et spectroscopie de fluorescence, et la microbalance à cristal de quartz. Dans une première partie, nous avons étudié le rôle de la double phosphorylation de la moésine (réalisée par mutation sur site spécifique) sur les interactions moésine/membrane biomimétique, en comparaison de la protéine sauvage, les protéines recombinantes et les mutants ayant été produites et purifiées au laboratoire.Nos résultats mettent en évidence une interaction spécifique et coopérative pour le double mutant phosphomimétique alors que cette interaction est simple dans le cas de la protéine sauvage. Dans une seconde partie, nous avons employé les bicouches lipidiques supportées contenant le PIP2 pour étudier les mécanismes molécules d’adsorption de la protéine virale Gag et de ses mutants. Les méthodologies développées dans ce travail de thèse ouvrent des perspectives en biophysique moléculaires car elles sont facilement transposables à l’étude d’autres protéines sur des membranes lipidiques modèles contenant des phosphoinositides.Mots clés: Ezrine-Radixine-Moésine, phosphoinositides, PIP2, interactions protéine-lipide, membrane lipidique biomimétique, protéine virale Gag, cytosquelette. / ERM (ezrin, radixin, moesin) proteins play a central role in cellulo in a large number of physiological and pathological processes, including cell infection, migration and cell division. Among the ERMs, moesin is particularly involved in the formation of the immunological synapse, viral and bacterial infection, and cancer metastasis. From a structural point of view, ERMs can be in inactive (closed) conformation or active (open), which enable them to interact on one side with the cytoskeleton (actin and tubulin) via their C-terminal domain and on the other side with the plasma membrane via their FERM domain. Binding to the plasma membrane is mediated via a specific lipid of the phosphoinositide family, the phosphatidylinositol(4,5)bisphosphate (PIP2). In addition, ERM can be phosphorylated, which contribute to their structural opening. To date, the role of the phosphorylation in ERM/membrane and ERM/cytoskeleton interactions, although widely studied in cellulo, remains poorly understood at the molecular level.The aim of this PhD thesis is precisely to study, at the molecular level and using biomimetic systems, interactions between recombinant proteins and biomimetic membranes containing PIP2. To this end, we have engineered lipid membranes in the form of large and small unilamellar vesicles and supported lipid bilayers. These biomimetic membranes are used to characterize interactions between proteins and membranes by complementary biophysical techniques, notably quantitative cosedimentation, fluorescence microscopy and spectroscopy, and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring. In a first part, we studied the role of double phosphorylation on moesin, achieved via a site-specific mutation on threonine residues, on moesin/biomimetic membrane interactions, in comparison to the wild type protein. The recombinant proteins and mutants were produced in our laboratory.Our results show that there is a specific and cooperative interaction for the double phosphomimetic mutant while interactions is 1:1 in the case of the wild type protein. In a second part, we used supported lipid bilayers containing PIP2 to study the molecular adsorption mechanism of the viral protein Gag and of its mutants. The methodologies that were developed in this work open perspectives in molecular biophysics since they are easily adaptable to other proteins on model lipid membranes containing phosphoinositidesKeywords: Ezrin-Radixin-Moesin, phosphoinositides, PIP2, protein/lipid interactions, biomimetic lipid membrane, Gag viral protein, cytoskeleton.