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In prokaryotes, CRISPR/Cas9 system provides molecular immunity to bacteria and archaea against invading phages, conjugative plasmids and nucleic acids. CRISPR/Cas9 system has been adapted for targeted genome editing across diverse eukaryotic species for a variety of applications in basic and applied research. In this dissertation, I propose to adapt the CRISPR/Cas9 system to function as molecular immunity machinery against plant DNA viruses. Therefore, to test whether the CRISPR/Cas9 system is portable to plants, I produced plants stably over-expressing Cas9 and sgRNAs against single or multiple DNA viruses in Nicotiana benthamiana (N. benthamiana) and tomato (Solanum lycopersicum) plants. sgRNAs targeting the Cas9 endonuclease against different coding and non-coding viral sequences were tested in virus- interference experiments. I explored the possibility of generating robust interference against single and multiple DNA viruses. Subsequently, I studied the possibility of virus evasion of the CRISPR/Cas9 machinery and evolution of the virus escapees. Finally, I produced N. benthamaiana and tomato plants stably expressing the CRISPR/Cas9 machinery for developing durable virus resistance. Furthermore, developing effective viral-interference system in plants will help to understand the molecular underpinning of virus biology and host-defense mechanisms against plant viruses. In conclusion, my research project attempted to establish the efficacy and extend the utility of CRISPR/Cas9 system for viral interference in plants which promise exciting applications including producing engineered plants resistant to multiple viral infection.

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin, 1954. / Typescript (carbon copy). Each leaf of plates accompanied by leaf with explanatory letterpress. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves [77]-80).

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Nipah virus (NiV) and Hendra virus (HeV) have been identified as the causes of outbreaks of fatal meningitis, encephalitis, and respiratory disease in Australia, Malaysia, Bangladesh, and India from 1994 until 2004. In order to accommodate the unique genomic characteristics of NiV and HeV, a new genus within the family Paramyxoviridae was created, named Henipavirus. NiV encodes two surface glycoproteins: the attachment glycoprotein (G) binds to the cellular receptor for the virus, while the fusion glycoprotein (F) mediates membrane fusion between the virus and cell membranes. Expression of F and G in the same cell results in cell-cell fusion in transfected cell monolayers, while expression of F and G on their own in cell monolayers does not result in fusion. Co-culture of singly-transfected F and G cells also does not result in fusion. Expression of NiV G in transgenic CRFK cells results in resistance to NiV- and HeV-induced cytopathic effect. Additionally, neither NiV nor HeV nucleic acid could be detected in CRFK-NiV G that had been exposed to NiV or HeV. NiV G expression also prevents NiV F+NiV G-mediated cell-cell fusion, but does not affect cell surface expression of either virus receptor, ephrin-B2 and ephrin-B3. Chimeric glycoproteins derived from NiV G and CDV H were constructed and characterized. None of the chimeric glycoproteins were able to fuse when coexpressed with either NiV F or CDV F. Only one of the chimeric glycoproteins (H145/G458) was detected on the cell surface by immunofluorescence assay (IFA). None of the chimeric glycoproteins altered cell surface expression levels of ephrin-B2 and ephrin-B3. Finally, recombinant NiV genomes (rNiV and rNiV eGFPG) were constructed, as well as chimeric CDV genomes with NiV ORF substitutions (rCDV eGFPH NiVFG and rCDV eGFPH NiVMFG). The only chimeric virus that was generated, rCDV eGFPH NiVFG, was assessed for its release from infected cells. rCDV eGFPH NiVFG was poorly released from infected cells without a freeze-thaw cycle, but was also found to induce the cellsurface down-regulation of the viral receptors ephrin-B2 and ephrin-B3. / October 2007

Das 1995 entdeckte GB-Virus C (GBV-C) gehört als Pegivirus zur Familie der Flaviviridae und ist nichtpathogen. In Industrieländern sind 2 bis 12,5 % der gesunden Bevölkerung und bis zu 45 % der Personen aus Risikokollektiven, z.B. Patienten mit Infektionen mit dem humanen Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) oder dem Hepatitis-C-Virus (HCV), virämisch. Die Mehrzahl der klinischen Studien und Metaanalysen zu GBV-C/HIV-1-Koinfektionen zeigten, dass GBV-C mit einem verlangsamten Krankheitsverlauf und einer erhöhten Überlebenswahrscheinlichkeit von GBV-C/HIV-1-koinfizierten Patienten korreliert. In der Hemophilia Growth and Development Study konnte dieser Effekt bei GBV-C/HCV-/HIV-1-infizierten Kindern und Jugendlichen jedoch nur bedingt nachgewiesen werden. Dafür wurde ein Zusammenhang zwischen einer GBV-C/HCV-Koinfektion und dem Ausheilen der HCV-Infektion beobachtet und in einer weiteren Patientenkohorte aus der Anti-D-Studie bestätigt. GBV-C/HCV-koinfizierte Patienten haben schlechtere Chancen, die HCV-Infektion auszuheilen. Der Einfluss von GBV-C auf die HIV-1-Replikation wurde in Zellkulturexperimenten untersucht. Es zeigte sich, dass sich die verschiedenen GBV-C-Isolate hinsichtlich ihrer inhibitorischen Kompetenz unterschieden. Folgende mögliche Ursachen wurden untersucht: 1.) die IRES-Aktivität als Indikator für die Translationseffizienz, 2.) die NS5A-Sequenz des in der Literatur beschriebenen HIV-1-inhibitorisch aktiven 16mer-Peptids sowie 3.) die E2-Sequenz und die HIV-1-inhibitorische Wirkung von 18mer-E2-Peptiden. Es konnten weder Unterschiede in der IRES-Aktivität noch in der NS5A-Sequenz zwischen den unterschiedlich inhibitorisch-kompetenten GBV-C-Isolaten nachgewiesen werden. Im E2-Protein hingegen wurden zwei für alle HIV-1-nichtinhibitorischen GBV-C-Isolate einheitliche Mutationen, E143K/H und T204A, identifiziert. Diese könnten eine Ursache für die Varianz in der Fähigkeit, HIV-1 zu inhibieren, darstellen. Die Mutation an Position E143 ist an der Oberfläche des nativen E2-Proteins exponiert und spielt möglicherweise im Hemmmechanismus eine wichtige Rolle. Hinweise darauf gaben die Untersuchungen mit synthetischen 18mer-Peptiden, von denen das Peptid mit dem größten inhibitorischen Potenzial die Aminosäure an Position 143 beinhaltete. Eine mögliche Theorie des Wirkmechanismus des E2-Proteins wäre wie folgt denkbar: Das E2-Protein interagiert über eine Domäne um die Aminosäure E143 mit dem gp41 des HIV-1, verhindert somit die Fusion von Virus- und Zellmembran und in der Folge den Eintritt des HIV-1 in die Zielzelle.

Nipah virus (NiV) and Hendra virus (HeV) have been identified as the causes of outbreaks of fatal meningitis, encephalitis, and respiratory disease in Australia, Malaysia, Bangladesh, and India from 1994 until 2004. In order to accommodate the unique genomic characteristics of NiV and HeV, a new genus within the family Paramyxoviridae was created, named Henipavirus. NiV encodes two surface glycoproteins: the attachment glycoprotein (G) binds to the cellular receptor for the virus, while the fusion glycoprotein (F) mediates membrane fusion between the virus and cell membranes. Expression of F and G in the same cell results in cell-cell fusion in transfected cell monolayers, while expression of F and G on their own in cell monolayers does not result in fusion. Co-culture of singly-transfected F and G cells also does not result in fusion. Expression of NiV G in transgenic CRFK cells results in resistance to NiV- and HeV-induced cytopathic effect. Additionally, neither NiV nor HeV nucleic acid could be detected in CRFK-NiV G that had been exposed to NiV or HeV. NiV G expression also prevents NiV F+NiV G-mediated cell-cell fusion, but does not affect cell surface expression of either virus receptor, ephrin-B2 and ephrin-B3. Chimeric glycoproteins derived from NiV G and CDV H were constructed and characterized. None of the chimeric glycoproteins were able to fuse when coexpressed with either NiV F or CDV F. Only one of the chimeric glycoproteins (H145/G458) was detected on the cell surface by immunofluorescence assay (IFA). None of the chimeric glycoproteins altered cell surface expression levels of ephrin-B2 and ephrin-B3. Finally, recombinant NiV genomes (rNiV and rNiV eGFPG) were constructed, as well as chimeric CDV genomes with NiV ORF substitutions (rCDV eGFPH NiVFG and rCDV eGFPH NiVMFG). The only chimeric virus that was generated, rCDV eGFPH NiVFG, was assessed for its release from infected cells. rCDV eGFPH NiVFG was poorly released from infected cells without a freeze-thaw cycle, but was also found to induce the cellsurface down-regulation of the viral receptors ephrin-B2 and ephrin-B3.

Nipah virus (NiV) and Hendra virus (HeV) have been identified as the causes of outbreaks of fatal meningitis, encephalitis, and respiratory disease in Australia, Malaysia, Bangladesh, and India from 1994 until 2004. In order to accommodate the unique genomic characteristics of NiV and HeV, a new genus within the family Paramyxoviridae was created, named Henipavirus. NiV encodes two surface glycoproteins: the attachment glycoprotein (G) binds to the cellular receptor for the virus, while the fusion glycoprotein (F) mediates membrane fusion between the virus and cell membranes. Expression of F and G in the same cell results in cell-cell fusion in transfected cell monolayers, while expression of F and G on their own in cell monolayers does not result in fusion. Co-culture of singly-transfected F and G cells also does not result in fusion. Expression of NiV G in transgenic CRFK cells results in resistance to NiV- and HeV-induced cytopathic effect. Additionally, neither NiV nor HeV nucleic acid could be detected in CRFK-NiV G that had been exposed to NiV or HeV. NiV G expression also prevents NiV F+NiV G-mediated cell-cell fusion, but does not affect cell surface expression of either virus receptor, ephrin-B2 and ephrin-B3. Chimeric glycoproteins derived from NiV G and CDV H were constructed and characterized. None of the chimeric glycoproteins were able to fuse when coexpressed with either NiV F or CDV F. Only one of the chimeric glycoproteins (H145/G458) was detected on the cell surface by immunofluorescence assay (IFA). None of the chimeric glycoproteins altered cell surface expression levels of ephrin-B2 and ephrin-B3. Finally, recombinant NiV genomes (rNiV and rNiV eGFPG) were constructed, as well as chimeric CDV genomes with NiV ORF substitutions (rCDV eGFPH NiVFG and rCDV eGFPH NiVMFG). The only chimeric virus that was generated, rCDV eGFPH NiVFG, was assessed for its release from infected cells. rCDV eGFPH NiVFG was poorly released from infected cells without a freeze-thaw cycle, but was also found to induce the cellsurface down-regulation of the viral receptors ephrin-B2 and ephrin-B3.

L'hépatite C pose un problème de santé publique majeur, dans la mesure où le risque de développer une infection chronique est relativement élevé (40 à 60%) et où la résistance au traitement de choix - l’interféron alpha pégylé et la ribavirine - touche près de la moitié des patients. Cette persistence virale repose avant tout sur de puissantes stratégies d’évasion du système immunitaire inné de l’hôte par le virus. Dans ce projet, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de la réponse antivirale dans des hépatocytes primaires humains normaux et chroniquement infectés avec le VHC, un domaine encore largement inconnu dû à la difficulté d’obtenir ce type de matériel primaire. Nous avons étudié la fonctionnalité de deux voies majeures de détection des pathogènes viraux suite à l’exposition d’hépatocytes primaires humains à de l’ARNdb intracellulaire, via le récepteur et adaptateur RIG-I/MDA5-CARDIF, et extracellulaire via TLR3-TRIF, mimant ainsi les étapes précoces de la détection d’un virus par la cellule hôte. Nous avons établi par RT-PCR quantitatif et analyse transcriptomique par microarray, que ces deux voies de stimulation sont fonctionnelles dans des hépatocytes primaires normaux et que leur activation entraîne à la fois l’expression de gènes antiviraux communs (ISG56, ISG15, CXCL10, …) mais aussi spécifiques avec les gènes IL28A, IL28B et IL29 qui sont une signature de l’activation de la voie de détection de l’ARNdb intracellulaire. La protéine virale NS3/4A joue un rôle majeur à la fois dans le clivage de la polyprotéine virale initiale, mais aussi en interférant avec les cascades de signalisation engagées suite à la détection par la cellule hôte de l’ARN du VHC. Plus particulièrement, nous avons démontré que l’expression ectopique de NS3/4A dans des hépatocytes primaires humains normaux entraîne une diminution significative de l’induction des gènes antiviraux dûe au clivage de CARDIF au cours de l’activation de la voie de signalisation médiée par RIG-I. Nous avons également démontré que l’expression de la NS3/4A entraîne des modifications de l’expression de gènes-clé impliqués dans la régulation de l’apoptose et du programme de mort cellulaire, en particulier lorsque la voie TLR3 est induite. L’ensemble de ces effets sont abolis en présence de BILN2061, inhibiteur spécifique de NS3/4A. Malgré les stratégies de subversion de l’immunité innée par le VHC, nous avons démontré l’induction significative de plusieurs ISGs et chemokines dans des hepatocytes primaires provenant de patients chroniquement infectés avec le VHC, sans toutefois détecter d’interférons de type I, III ou certains gènes antiviraux précoces comme CCL5. Ces observations, concomitantes avec une diminution de l’expression de CARDIF et une correlation inverse entre les niveaux d’ARNm des ISGs et l’ARN viral révèlent une réponse antivirale partielle dûe à des mécanismes interférents sous-jacents. Cette réponse antivirale détectable mais inefficace est à mettre en lien avec l’échec du traitement classique PEG-IFN-ribavirine chez la moitié des patients traités, mais aussi en lien avec l’inflammation chronique et les dommages hépatiques qui mènent ultimement au développement d’une fibrose puis d’une cirrhose chez une grande proportion de patients chroniquement infectés. / Hepatitis C infection is a worldwide health problem since the risk to develop a persistent infection is relatively elevated (40 to 60%) and nearly half of the infected patients do not respond to the classical anti-HCV therapy based on a combination of PEG-IFNα and ribavirin. Viral persistence is based on powerful evasion strategies of the host’s innate immune system. In our study, we characterized antiviral response in primary human normal and chronically HCV-infected hepatocytes, a cutting-edge in our field due to the difficulty to isolate this particular cell type. In order to better define the antiviral response in freshly isolated human primary hepatocytes, we stimulated these cells with extracellular and intracellular dsRNA to trigger TLR3/TRIF and RIG-I-MDA5/CARDIF-mediated antiviral signaling pathways. By using qRT-PCR and microarray analysis, we report that both detection pathways are functional in normal human hepatocytes, their activation leading to the expression of both common (IFIT1, OASL, ISG15 and CXCL10) and specific genes (IL28A, IL28B and IL29), these last ones being a signature of the intracellular dsRNA-mediated pathway. HCV NS3/4A plays a key role in the viral polyprotein processing and upon viral RNA detection by interfering with the host’s antiviral signalling cascades. We report that major antiviral genes induction following activation of RIG-I mediated pathway are severely impaired in ectopically NS3/4A expressing normal hepatocytes due to CARDIF cleavage, but can be restored by specific NS3/4A inhibitor BILN2061. Our microarray analysis also revealed a role for NS3/4A following TRL3-mediated pathway activation on regulation of apoptosis and programmed cell death, which could be linked to strategies for the virus to persist in its host. Despite HCV strategies to circumvent the host’s immune defense system, we observed significant upregulation of ISGs and chemokines in liver biopsies and corresponding isolated hepatocytes from chronically HCV-infected patients. However, no type I and III interferon, neither key-antiviral genes (e.g., CCL5) were detected, underlying an ongoing –but inefficient- antiviral response unable to eradicate the virus. Moreover, we obtained significant inverse correlations between ISGs mRNAs and viral RNA in addition to CARDIF decrease, clearly unravelling efficient viral interfering strategies in a context of chronic HCV infection. This sustained -albeit incomplete- hepatic innate immune response is certainly associated to the failure of the classical IFN-based therapy in half of the infected patients and to the chronic inflammation causing liver damages and eventually leading to hepatocarcinoma which is often observed at late stage of the disease.

L'hépatite C pose un problème de santé publique majeur, dans la mesure où le risque de développer une infection chronique est relativement élevé (40 à 60%) et où la résistance au traitement de choix - l’interféron alpha pégylé et la ribavirine - touche près de la moitié des patients. Cette persistence virale repose avant tout sur de puissantes stratégies d’évasion du système immunitaire inné de l’hôte par le virus. Dans ce projet, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de la réponse antivirale dans des hépatocytes primaires humains normaux et chroniquement infectés avec le VHC, un domaine encore largement inconnu dû à la difficulté d’obtenir ce type de matériel primaire. Nous avons étudié la fonctionnalité de deux voies majeures de détection des pathogènes viraux suite à l’exposition d’hépatocytes primaires humains à de l’ARNdb intracellulaire, via le récepteur et adaptateur RIG-I/MDA5-CARDIF, et extracellulaire via TLR3-TRIF, mimant ainsi les étapes précoces de la détection d’un virus par la cellule hôte. Nous avons établi par RT-PCR quantitatif et analyse transcriptomique par microarray, que ces deux voies de stimulation sont fonctionnelles dans des hépatocytes primaires normaux et que leur activation entraîne à la fois l’expression de gènes antiviraux communs (ISG56, ISG15, CXCL10, …) mais aussi spécifiques avec les gènes IL28A, IL28B et IL29 qui sont une signature de l’activation de la voie de détection de l’ARNdb intracellulaire. La protéine virale NS3/4A joue un rôle majeur à la fois dans le clivage de la polyprotéine virale initiale, mais aussi en interférant avec les cascades de signalisation engagées suite à la détection par la cellule hôte de l’ARN du VHC. Plus particulièrement, nous avons démontré que l’expression ectopique de NS3/4A dans des hépatocytes primaires humains normaux entraîne une diminution significative de l’induction des gènes antiviraux dûe au clivage de CARDIF au cours de l’activation de la voie de signalisation médiée par RIG-I. Nous avons également démontré que l’expression de la NS3/4A entraîne des modifications de l’expression de gènes-clé impliqués dans la régulation de l’apoptose et du programme de mort cellulaire, en particulier lorsque la voie TLR3 est induite. L’ensemble de ces effets sont abolis en présence de BILN2061, inhibiteur spécifique de NS3/4A. Malgré les stratégies de subversion de l’immunité innée par le VHC, nous avons démontré l’induction significative de plusieurs ISGs et chemokines dans des hepatocytes primaires provenant de patients chroniquement infectés avec le VHC, sans toutefois détecter d’interférons de type I, III ou certains gènes antiviraux précoces comme CCL5. Ces observations, concomitantes avec une diminution de l’expression de CARDIF et une correlation inverse entre les niveaux d’ARNm des ISGs et l’ARN viral révèlent une réponse antivirale partielle dûe à des mécanismes interférents sous-jacents. Cette réponse antivirale détectable mais inefficace est à mettre en lien avec l’échec du traitement classique PEG-IFN-ribavirine chez la moitié des patients traités, mais aussi en lien avec l’inflammation chronique et les dommages hépatiques qui mènent ultimement au développement d’une fibrose puis d’une cirrhose chez une grande proportion de patients chroniquement infectés. / Hepatitis C infection is a worldwide health problem since the risk to develop a persistent infection is relatively elevated (40 to 60%) and nearly half of the infected patients do not respond to the classical anti-HCV therapy based on a combination of PEG-IFNα and ribavirin. Viral persistence is based on powerful evasion strategies of the host’s innate immune system. In our study, we characterized antiviral response in primary human normal and chronically HCV-infected hepatocytes, a cutting-edge in our field due to the difficulty to isolate this particular cell type. In order to better define the antiviral response in freshly isolated human primary hepatocytes, we stimulated these cells with extracellular and intracellular dsRNA to trigger TLR3/TRIF and RIG-I-MDA5/CARDIF-mediated antiviral signaling pathways. By using qRT-PCR and microarray analysis, we report that both detection pathways are functional in normal human hepatocytes, their activation leading to the expression of both common (IFIT1, OASL, ISG15 and CXCL10) and specific genes (IL28A, IL28B and IL29), these last ones being a signature of the intracellular dsRNA-mediated pathway. HCV NS3/4A plays a key role in the viral polyprotein processing and upon viral RNA detection by interfering with the host’s antiviral signalling cascades. We report that major antiviral genes induction following activation of RIG-I mediated pathway are severely impaired in ectopically NS3/4A expressing normal hepatocytes due to CARDIF cleavage, but can be restored by specific NS3/4A inhibitor BILN2061. Our microarray analysis also revealed a role for NS3/4A following TRL3-mediated pathway activation on regulation of apoptosis and programmed cell death, which could be linked to strategies for the virus to persist in its host. Despite HCV strategies to circumvent the host’s immune defense system, we observed significant upregulation of ISGs and chemokines in liver biopsies and corresponding isolated hepatocytes from chronically HCV-infected patients. However, no type I and III interferon, neither key-antiviral genes (e.g., CCL5) were detected, underlying an ongoing –but inefficient- antiviral response unable to eradicate the virus. Moreover, we obtained significant inverse correlations between ISGs mRNAs and viral RNA in addition to CARDIF decrease, clearly unravelling efficient viral interfering strategies in a context of chronic HCV infection. This sustained -albeit incomplete- hepatic innate immune response is certainly associated to the failure of the classical IFN-based therapy in half of the infected patients and to the chronic inflammation causing liver damages and eventually leading to hepatocarcinoma which is often observed at late stage of the disease.