Les norovirus sont l'une des causes principales de gastroentérite. Depuis 2002, des variants de norovirus GII.4 successifs ont circulé dans la population par cycle de 2-3 ans, ce qui suscite des interrogations quant au rôle de leurs ligands, les antigènes tissulaires de groupes sanguins (HBGA), dans leur évolution. Nous avons analysé l'interaction entre des variants de GII.4 représentatifs et des HBGA, et déterminé le rôle d’acides aminés (aa) clés. Par mutagénèse dirigée, nous avons montré qu’une configuration stricte des aa directement impliqués dans l’accroche est indispensable. La suppression de la thréonine 395, caractéristique des variants après 2002, confère la capacité de se lier à Lex et Si-Lex, démontrant que les aa en dehors du site de liaison peuvent modifier les propriétés d’attachement. L'analyse de l'accroche de VLP de 6 variants isolés de 1987 à 2007 à des échantillons de salive phénotypés et des HBGA synthétiques montre que tous les variants sont capables de s’attacher à la salive des sécréteurs indépendamment du phénotype ABO et aux oligosaccharides propres au phénotype sécréteur. Deux variants récents ont pu également s’accrocher aux sucres présents dans la salive des nonsécréteurs Le(+). Nos données suggèrent que la capacité de se lier à Lex et Si-Lex serait une conséquence de la variation génétique des aa situés à proximité du site de liaison. L'analyse des propriétés d’attachement par résonance plasmonique de surface a montré que seuls les variants après 2002 présentent une affinité forte pour les antigènes A et B, suggérant que l’accélération évolutive des GII.4 pourrait être liée à une affinité accrue des variants pour les HBGA après 2002. / Noroviruses are one of the leading causes of gastroenteritis worldwide. Since 2002 successive GII.4 variants have circulated in the population before being replaced every 2-3 years, which raises questions about the role of their histo-blood group antigen (HBGAs) receptors in their evolution. We analyzed the interaction between representative GII.4 variants and HBGAs and determined the role of selected amino acids (aa) in the binding profiles. By mutagenesis, we showed that there was a strict structural requirement for the aa directly implicated in HBGA bindings. The ablation of the threonine 395 residue, an epidemiological feature of the post 2002 variants, allowed to gain the capacity to bind to the Lewis x and sialyl-Lewis x antigens, demonstrating that aa residues outside the HBGA binding site can modify the binding properties. The analysis of the attachment of VLPs from 6 variants isolated from 1987 to 2007 to phenotyped saliva samples and synthetic HBGAs shows that all variants could attach to saliva of secretors irrespective of the ABO phenotype and to oligosaccharides characteristic of the secretor phenotype. Interestingly, two recent variants additionally bound to carbohydrates present in the saliva of Lewis-positive non-secretors. Our data suggest that GII.4 binding to Lex and Si-Lex antigens might be a by-product of the genetic variation of the aa located in the vicinity of the binding site. Analysis of the binding properties by surface plasmon resonance showed that only post 2002 variants presented a strong affinity for A and B antigens, suggesting that the GII.4 evolution could be related to an increased affinity for HBGAs for the post 2002 variants.

Les rotavirus et les norovirus sont les principaux agents étiologiques des gastro-entérites en Tunisie. Pendant l’hiver 2011-2012, nous avons collecté les selles et les salives de 114 enfants âgés de moins de 6 ans, souffrant de gastro-entérites et admis à l’Hôpital Fattouma Bourguiba de Monastir. L’analyse des salives a montré que la cohorte se répartissait entre 79% de sécréteur et 21% de non-sécréteur (absence d’antigène dans les salives). Parmi les sécréteurs, les individus du groupe O étaient les plus représentés (42%) suivis des groupes A (30%), B (21%) et AB (7%) alors que 96% des patients étaient positifs pour l’antigène Lewis. Pour 98 patients, l’analyse génétique du sang a montré que le gène FUT2 se répartissait entre 77.6% de sécréteur (Se+/Se+ et Se+/se-) et 22.4% de non-sécréteurs (se-/se-, N=22).L’analyse des fèces a montré que les rotavirus et les norovirus étaient responsables respectivement de 22% et 31% des cas, les infections mixtes représentant 6% des cas. Parmi les norovirus, le génotype GII.3 était prédominant (69% de tous les NoV) tandis que le génotype G9P[8] était le plus fréquemment détecté de tous les rotavirus (37,5%). Les rotavirus ont été détectés chez les individus sécréteurs (N=28) mais aussi chez 4 patients non-sécréteurs (3 souches G9P[8] et une souche G3P[8]). Nous n’avons pas observé de distribution particulière des rotavirus en fonction des antigènes A, B et H parmi les enfants sécréteurs. En revanche, nous avons constaté que l'infection à rotavirus ne s’était produite que chez les individus positifs pour l’antigène Lewis (P=0.017). La présence de génotype P[8] chez des non-sécréteurs est inédite, elle a été confirmée par le séquençage du segment correspondant à VP8* de ces rotavirus.La majorité des infections à norovirus a été détectée chez les patients sécréteurs et cela sans distribution particulière en fonction des antigènes A, B, H et Lewis. Cinq GII.3, un GII.1 et un norovirus de génotype GII.7 ont été détectés chez les non-sécréteurs, Lewis-positifs. La production de particules de synthèse (VLP) de norovirus GII.3 en baculovirus à partir des selles d’un des patients non-sécréteurs nous a permis de tester les échantillons salivaires de toute la cohorte. L’absence d’attachement de ces VLP sur les salives des non-sécréteurs montre que la présence ou l’absence des antigènes de groupe ne reflète pas nécessairement le pouvoir infectieux des norovirus chez les jeunes enfants. Les résultats obtenus sur les rotavirus et les norovirus suggèrent qu’ils existent des voies alternatives aux antigènes de groupe sanguin pour l’attachement des rotavirus et des norovirus dans l’intestin. / Rotavirus and norovirus are the main aetiological agents of gastroenteritis in Tunisia. Stool specimens and saliva were collected from children younger than 6 years of age, admitted to the Fattouma Bourguiba Hospital (Monastir, Tunisia) for gastroenteritis during the winter 2011-12. Saliva analysis showed that 79% and 21% patients had secretor and non-secretor phenotypes, respectively. Group O blood type was predominant (42%) followed by groups A (30%), B (21%) and AB (7%), whilst 96% of the patients were positive for Lewis antigen. For 98 patients, blood samples were available and were used for FUT2 genotyping. 77.6% of the cohort were secretor (Se+/Se+ and Se+/se-) and 22.4% were non-secretor (se-/se-).Rotavirus and norovirus were found alone in 22% and 31% of the stool specimens, respectively. Mixed rotavirus-norovirus infections accounted for 6% of the cases. GII.3 noroviruses were predominant among the noroviruses whilst the G9P[8] genotype was predominant for the rotaviruses.Rotaviruses were detected in secretor (N=28) as well as in non-secretor individuals (three G9P[8] strains and one G3P[8]). No significant association was found between ABO antigens or the secretor status and RV infection. Inversely, we observed that RV infection always occurred in Lewis-positive patients (P=0.017). The presence of the P[8] genotype was confirmed by sequencing part of the VP8* coding region.There was no significant association between norovirus infection and ABO antigens and the FUT2 genotype. Five GII.3, one GII.1 and one GII.7 noroviruses were found in Lewis-positive non-secretor patients. Virus-like particles from a GII.3 norovirus infecting a non-secretor patient from the cohort were expressed in baculovirus and used for binding assay with the 114 saliva samples of the study group. VLP binding with non-secretor saliva was negative and suggested that saliva binding assay might not reflect norovirus infectivity. Overall, our data suggested that rotavirus and norovirus infection might involve non-HBGA binding pathways as well as the canonical HBGA ligands.

Currently, human norovirus is the leading cause of acute gastroenteritis and accounts for most cases of foodborne illnesses in the United States each year. Due to its tissue culture inefficiency, studies of human norovirus have been crippled for more than forty years.Tulane virus (TV) stands out as a suitable surrogate of human norovirus given its high amino acid identity with human norovirus and its well-established cell culture system. It was first isolated from rhesus macaques (Macaca mulatta) in 2008 and identified as a novel Calicivirusrepresenting a new genus, Recovirus genus (Farkas et al., 2008). However, there are still unanswered questions about its infectious cycle and the essential factors for its infection. In this study, we have obtained a TV variant (the 9-6-17 strain) that has lost the binding ability to the B-type histo-blood group antigen (HBGA), which was proposed to be the receptor of both TV and human norovirus. In the first chapter, we outline how the sequence analysis,structural biology studies, and mutagenesis studies of the 9-6-17 TV strain have shed light on the interaction with its host cell receptor. To investigate the key residues for HBGA binding, we established the full-length infectious clone of the 9-6-17 TV strain. We present a highly selective transformation of serine 367, located in the predicted HBGA binding site, into a lysine residu e. Our results advance the understanding of genetic changes in TV required for adaptation to cell culture environments. Cryo-EM is an awarding winning technique that has been the greatest scientific breakthrough in recent years. It was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2017. Despite the technological advances of the direct electron detector and image processing software, several major roadblocks remain for high-resolution structure determination with cryo-EM. In the later chapters, we explored the most efficient way of using VPP to enhance image contrast, how to tackle the airwater interface problem by encapsulating target protein, how to reach a higher resolution by refining high order parameters, and the helical indexing problem in real space. These technical advances would benefit the whole cryo-EM community by providing convenient tools or insights for future directions.

Les norovirus sont l'une des causes principales de gastroentérite. Depuis 2002, des variants de norovirus GII.4 successifs ont circulé dans la population par cycle de 2-3 ans, ce qui suscite des interrogations quant au rôle de leurs ligands, les antigènes tissulaires de groupes sanguins (HBGA), dans leur évolution. Nous avons analysé l'interaction entre des variants de GII.4 représentatifs et des HBGA, et déterminé le rôle d'acides aminés (aa) clés. Par mutagénèse dirigée, nous avons montré qu'une configuration stricte des aa directement impliqués dans l'accroche est indispensable. La suppression de la thréonine 395, caractéristique des variants après 2002, confère la capacité de se lier à Lex et Si-Lex, démontrant que les aa en dehors du site de liaison peuvent modifier les propriétés d'attachement. L'analyse de l'accroche de VLP de 6 variants isolés de 1987 à 2007 à des échantillons de salive phénotypés et des HBGA synthétiques montre que tous les variants sont capables de s'attacher à la salive des sécréteurs indépendamment du phénotype ABO et aux oligosaccharides propres au phénotype sécréteur. Deux variants récents ont pu également s'accrocher aux sucres présents dans la salive des nonsécréteurs Le(+). Nos données suggèrent que la capacité de se lier à Lex et Si-Lex serait une conséquence de la variation génétique des aa situés à proximité du site de liaison. L'analyse des propriétés d'attachement par résonance plasmonique de surface a montré que seuls les variants après 2002 présentent une affinité forte pour les antigènes A et B, suggérant que l'accélération évolutive des GII.4 pourrait être liée à une affinité accrue des variants pour les HBGA après 2002.

<p>Human noroviruses (HuNoVs) are the leading cause of an acute form of non-bacterial gastroenteritis, where strains belonging to genogroup (G) II are dominant. Upon expression with the baculovirus culture system, virus-like particles (VLPs) of HuNoVs are expected to assemble into T = 3 icosahedral capsid particles resembling the structure of the infectious virion particles. However, some strains were found to assemble into either T = 1 or T = 4 capsids, or a combination of two different capsid forms. In this study, we showed that VLPs of the Virginia 1997 387 (VA387) GII.4 outbreak strain assembled into T = 1, T = 3, and T = 4 capsids upon expression in insect cell culture, the first case for a naturally occurring HuNoV strain to assemble into all three capsid states. TEM analysis revealed that T = 1 icosahedral particles were the most abundant in purified samples, which contrasts previous findings where either T = 3 or T = 4 were the most abundant. We resolved the cryo-EM structures of the T = 1 shell (S) domain, T = 3, and T = 4 particles to 2.24, 2.44, and 3.43 Å, respectively, making them the most resolved norovirus (NoV) structures to date. Single particle cryo-EM 3D analysis showed that the protruding (P) domain of T = 1 and T = 4 VLPs are highly dynamic. Additionally, we showed that T = 3 VLPs are resistant while T = 1 and T = 4 VLPs are sensitive to digestion in the presence of trypsin. This suggested that T = 1 and T = 4 capsids are less stable among the VLPs, which is consistent with the highly dynamic P domain inferred from our cryo-EM 3D analysis. During infection, HuNoVs travel through the gastrointestinal (GI) tract where they encounter a broad range of variable conditions that include pH, ionic strength, and host defenses (e.g., proteases). Our analyses suggest that virions are T = 3 particles as they can survive the GI tract upon exiting the host. We determined the first cryo-EM structure of T = 3 VLPs in complex with the known HuNoV host cell receptor, histo-blood group antigen (HBGA), to a resolution of 2.51 Å, demonstrating that NoV VLPs can serve as a platform in the structural characterization of small ligand molecules. Lastly, we identified a histidine residue retained in the S domain of all identified caliciviruses critical in the assembly of capsids. Our structures and their characterization will contribute to the development of therapeutic agents to combat noroviruses. </p>