La dengue et le chikungunya sont des maladies transmises par Aedes aegypti et Aedes albopictus pouvant causer des pathologies sévères et des atteintes incapacitantes chroniques. Ce sont aussi les maladies qui se diffusent le plus rapidement, en partie à cause du changement climatique. Le Vietnam est une zone d’hyperendémicité pour la dengue et à risque pour le chikungunya comme le Cambodge voisin qui est atteint par les deux maladies.et représente une source de diffusion. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le statut de ces deux maladies et la présence du chikungunya, d’évaluer l’efficacité du système de surveillance et d’évaluer la diversité des populations de moustiques vecteurs et leurs rôles respectifs dans la transmission. Une première partie de la thèse est dévolue à une revue bibliographique. La seconde partie comprend trois chapitres associés à trois publications. Le premier chapitre est consacré à une étude de la surveillance à l’hôpital général de la province sud de Dong Thap. Une cohorte de 131 patents avec une fièvre aigue a été étudiée pour tester la présence de dengue et de chikungunya. 101 patients sur 131 ont été positifs pour la dengue et les quatre sérotypes ont été détectés avec une prédominance de DENV1 et DENV4. Aucun cas de chikungunya n’a été détecté. Une variation d’efficacité dans la détection sérologique de la dengue a été observée avec un passage de 29% lors de l’admission à 53% sept jours après admission. Il y a donc clairement un risque de sous-estimation de la dengue alors que le chikungunya, n’est pas du tout testé. Des changements dans la procédure de détection et de surveillance sont proposés pour améliorer l’efficacité de la surveillance et surveiller l’émergence du chikungunya. Le deuxième chapitre est consacré à l’étude du rôle respectif d’A. aegypti et A. albopictus dans l’épidémie de Dengue de 2011 à Hanoi. Seuls DENV1 et DENV2 ont été détectés chez les 140 patients étudiés. Une corrélation positive a été observée entre la densité de population d’A. aegypti et le nombre de cas humains et la durée des épidémies. Ceci n’a pas été observé chez A. albopictus. Trois lots d’A. aegypti se sont révélés positifs pour la dengue, deux pour DENV1 et un pour DENV2. Cette étude montre clairement le rôle d’A. aegypti dans l’épidémie de 2011 à Hanoi. Le dernier chapitre est consacré à une analyse transversale sur 5 provinces frontalières du Laos et du Cambodge. 558 sérums collectés chez des patients admis pour fièvre aigue et de symptômes compatibles avec la dengue et chikungunya entre 2012 et 2014 dans des centres de médecine préventive. Les quatre sérotypes ont été détectés mais pas tous dans la même province. Seulement deux sérotypes ont été détectés au maximum dans une même province. Le chikungunya n’a pas été détecté. Un total de 1104 moustiques adultes a été prélevé dans les mêmes zones à l’intérieur et à l’extérieur des habitations. La densité de population de moustiques et les indices entomologiques ont été évalués suite à la capture de larves. Des densités très différentes ont été observées et la densité la plus importante a été obtenue dans la province de Long An, voisine du Cambodge. Le virus de la dengue a été détecté principalement chez A. albopictus. Le virus du chikungunya a également été détecté chez A. albopictus. L’analyse phylogénétique des moustiques collectés a montré une grande diversité génétique avec des génotypes décrits sur d’autres continents. Cette partie de la thèse met en évidence le rôle différentiel d’A. aegypti et A. albopictus, le rôle croissant de ce dernier et le transport anthropique des moustiques sur de grandes distances. Ce travail souligne le besoin de nouvelles approches de surveillance, au niveau clinique et au niveau entomologique, pour s’attaquer de façon efficace au risque épidémique de dengue et de chikungunya. / Dengue and chikungunya are both transmitted by Aedes aegypti and Aedes albopictus and can cause potentially severe and or debilitating chronic disease. They are the fastest spreading diseases, in part because of the climate change. Vietnam is a hyperendemicity country for dengue and is at risk to be like neighboring Cambodia affected both by dengue and chikungunya and be an overlapping area of distribution for both viruses. The aim of this PhD work was therefore to assess the status of single and dual infections all over the country, investigate the presence of chikungunya, assess the efficiency of the surveillance procedures routinely established and assess the diversity of mosquito populations and their potential respective role. A first part of the PhD dissertation is devoted to a bibliographic review. The second part comprises three chapters associated to three different publications. The first chapter is devoted to a surveillance study in the general hospital if the Southern Province of Dong Thap. A cohort of 131 patients with acute fever symptoms was investigated for the presence of dengue and chikungunya. 101 patients out of 131 were confirmed with dengue. All four dengue serotypes were detected with a predominance of DENV2 and DENV4. No chikungunya infection was detected although reported in neighboring Cambodia. A differential efficiency of serological dengue detection was observed. Efficiency was 29% upon admission and 53% after seven days on the same patients. There is thus a clear risk of dengue being underestimated while chikungunya is not systematically detected. Changes in detection and surveillance procedures are therefore proposed to increase the efficiency of dengue detection and continue the monitoring the emergence of CHIKV. The second Chapter is dedicated to the respective role of A. aegypti and A. albopictus in the 2011 outbreak in the Northern capital city of Hanoi. Only DENV-1 and DENV-2 serotypes were detected from the 140 patients hospitalized. A positive correlation was found between the population density of A. aegypti and the number of human cases and duration of outbreaks. This was not observed for A. albopictus. Three pools of A. aegypti were positive with dengue virus, two with DENV-1 and one with DENV-2. This work indicate clearly the role of A. aegypti in the 2011 Hanoi epidemics. The last chapter of the PhD is devoted to a crosscutting country wide survey in five provinces border with Lao PDR and Cambodia. In this work, a total of 558 serum samples were collected from patients admitted in the 2012-2014 period in five provincial preventive medicine centers with acute fever and symptoms compatible to DENV-CHIKV infection. All four dengue serotypes were found altogether but not in the same province. Only two serotypes were found at the maximum in a single province. No CHIKV was detected. A total of 1104 adult mosquitoes were collected inside and outside houses at the same place. Mosquito population density and vector indexes were assessed following capture of larvae. Differing densities of mosquito populations were found with the highest one being in the Long An province border with Cambodia. Dengue viruses were detected mostly in A. albopictus. CHIKV was also detected in A. albopictus mosquitoes. The phylogenetic analysis of the collected mosquitoes showed a large diversity of genotypes, all of them having been described in other parts of the world. This part of the PhD work underline the dual role of A. aegypti and A. albopictus, the increasing role of the latter and the high level of man-related very long distance mobility of mosquitoes. This work underlines the need of novel approaches for surveillance both at the clinical and at the entomological level to efficiently tackle the risk of dengue and chikungunya outbreaks.

Le virus de la grippe A (le H1N1) pdm09, généralement connu comme le virus de la grippe porcine, a causé la toute première pandémie du 21e siècle. Le virus de grippe est un virus enveloppé à ARN qui utilise la machinerie cellulaire de l’hôte pour s’assembler à la membrane plasmique de la cellule et être relargué à l’extérieur. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la protéine virale de matrice M1 dans ce processus. M1 est la protéine la plus abondante et elle est extrêmement importante pour le virus de la grippe. Les 164 résidus de la protéine M1 situés en N-terminal comprennent deux domaines basiques qui sont : le triplet d’arginine (R76/77/78) sur l'hélice 5 et le signal de localisation nucléaire sur l'hélice 6. Ils sont très bien conservés parmi les sous types de la grippe. Premièrement, pour étudier l'interaction M1-membrane, nous avons développé et standardisé un système minimal regroupant M1+M2+NS1/NEP (±M) dans lequel nous pourrons aussi observer la production de VLPs incorporant M1. En utilisant ce système, nous avons créé des mutations dans le triplet d’arginine de M1 et avons regardé l'accrochage de M1 à la membrane ainsi que l'incorporation de M1 dans les VLPs. La conséquence de ces mutations est que la protéine M1 reste dans le cytosol et qu’il y a une réduction drastique du nombre de VLPs contenant M1 relargués. La mutation du triplet arginine par un triplet alanine inhibe complètement la production de VLPs. De plus, un virus mutant avec ce triplet d’alanine n’est plus capable de produire des virions infectieux. Ainsi nous avons mis en évidence l'importance du triplet arginine dans l'accrochage de M1 à la membrane et la production de virions. Par conséquent, pour étudier l’utilisation de l'actine et de ses cofacteurs par le virus, nous avons utilisé de petits ARN interférents pour inhiber l’expression de gènes dans un système minimal de production de VLPs. Nous avons observé une réduction de la production de VLPs contenant M1 en inhibant Rac1et une augmentation de la libération de VLPs contenant M1 en inhibant RhoA et Cdc42. En utilisant un virus IAV (H3N2)-nanoluciferase sur les cellules A549 pulmonaires, nous avons étudié l'effet de la déplétion des RhoGTPases et de leurs effecteurs sur la production virale. Nous avons observé qu'avec Rac1, l'inhibition de Wave2 et Arp3 réduit aussi le pouvoir infectieux du virus H3N2 au cours des étapes tardives de l'infection sans affecter la phase précoce de d'infection. Les protéines interagissant avec M1 ont été identifiées par LC-MS/MS et incluent la cofiline et l’annexine A2. La cofiline, déjà connue pour participer à la réorganisation de l’actine pendant la phase tardive de l’infection par le virus de la grippe, est aussi un effecteur activé par Rac1, Wave2, Pak1 et LIMK afin de former des lamellipodes. L’annexine A2 est aussi connue pour séquestrer la PS au niveau du feuillet interne de la membrane plasmique cellulaire. La reconnaissance de ces groupes de PS par la protéine virale M1 amorcera finalement le processus d’assemblage viral. Ainsi, nos résultats, en décrivant le mécanisme d'accrochage de M1 à la membrane, montrent aussi que Rac1, Wave2 et Arp3 sont probablement des facteurs pro-viraux de l’assemblage et de la libération des virus de la grippe A. / The influenza A(H1N1)pdm09 virus, commonly known as swine flu, caused the very first pandemic of 21st century. Influenza virus, an enveloped RNA virus, uses the host cellular machinery for its assembly and release from the host cell plasma membrane. In this study, we were interested in the role of the viral M1 matrix protein in this process. M1 is the most abundant and vitally important protein present in influenza virus. The N-terminal 164 residues of M1 protein comprise of two basic domains which are the arginine triplet (R76/77/78) on helix 5 and the nuclear localization signal on helix 6, which are very well conserved among the influenza A virus subtypes. Firstly, to study M1-membrane interaction, we developed and standardized a minimal system consisting of M1+M2+NS1/NEP(±M) in which we could also observe production of VLPs incorporating M1. Using this system, we performed mutations in the M1 arginine triplet and looked at changes in M1 membrane attachment and M1 incorporation in VLP. As a result of these mutations, the M1 protein remained cytosolic and there was a drastic reduction in M1 containing VLP release. Mutating the entire arginine triplet to an alanine triplet inhibited VLP production completely. Also, a mutant virus with this alanine triplet failed completely to produce infectious virions. Thus we established the importance of the arginine triplet in M1 membrane attachment and virion production. Consequently, to study manipulation of actin and its cofactors by the virus, we used siRNA mediated gene silencing in the VLP producing minimal system. We observed a reduction in M1 containing VLP production upon inhibition of Rac1 and enhancement of M1 containing VLPs released upon inhibition of RhoA and Cdc42. By using an IAV (H3N2)-nanoluciferase virus on pulmonary A549 cells, we studied effect of depletion of RhoGTPases and their effectors on virus production. We observed that along with Rac1, inhibition of Wave2 and Arp3 also reduces the infectivity of H3N2 virus at the late phase of infection without any effect on the early phase of infection. The proteins interacting with M1 were identified by LC-MS/MS and included cofilin and annexin A2. Cofilin, already known to take part in the actin reorganization during the late phase of influenza A virus infection, is also one of the downstream effector linked to Rac1, Wave2, Pak1 and LIMK, for lamellipodia formation. Annexin A2 is also known to sequester PS at the inner leaflet of the cell plasma membrane. The viral protein M1 is able to recognize these clusters of PS, which ultimately initiates the viral assembly process. Thus, our results, while defining the mechanism of M1 membrane attachment, also indicate the possible involvement of Rac1, Wave2 and Arp3 as pro-viral factors in IAV assembly and release.

Le virus influenza a (via) est responsable d'epidemies annuelles et de pandemies sporadiques. un element clef, impactant a la fois la replication du virus et les symptomes de l'hote, est la reponse immunitaire innee. le via perturbe les voies metaboliques des cellules infectees, notamment la macroautophagie. la macroautophagie, par la suite appelee simplement autophagie, est une voie du catabolisme cellulaire. l'autophagie est constitutive dans les cellules nucleees et participe au maintien de l'homeostasie cellulaire. en reponse a un stress cellulaire, l'autophagie peut etre stimulee. un grand nombre de virus perturbe l'autophagie, soit en la stimulant, soit en l'inhibant. le via induit l'autophagie mais inhibe sa phase finale, un mecanisme impliquant sa proteine de matrice 2 (m2). les impacts de cette perturbation de l'autophagie sur la replication virale et sur la reponse de la cellule hote sont encore peu compris. au cours de ma these, j'ai developpe des modeles cellulaires dans lesquels la capacite d'autophagie peut etre specifiquement restauree dans des lignees cellulaires autrement incapables d'autophagie. l'utilisation de ces modeles m'a permis de montrer que l'autophagie ne change ni l'infectiosite du virus ni si capacite de replication intracellulaire mais inhibe l'induction de l'interferon-β et des genes induits par celui-ci. j'ai mis en evidence que m2 n'inhibe la phase finale de l'autophagie que dans le cadre de l'infection et de l'activation de l'apoptose. une meilleure comprehension des perturbations de l'autophagie pourrait permettre de developper des molecules antivirales et de nouveau virus attenues induisant une plus forte reponse immunitaire. / Influenza a virus (iav) is responsible for yearly epidemics and sporadic pandemics. understanding the mechanism by which the inflammatory response is mounted and controlled is key to manage the disease. iav perturbs a variety of metabolic pathways including macroautophagy. macroautophagy, hereafter referred to as autophagy, is a catabolic pathway that is active in all nucleated cells. in stress condition, autophagic activity can be increased. a variety of viruses perturb autophagy. iav has been described to both induce autophagy and block its completion mainly through its matrix protein 2 (m2). however, the impact of such perturbation on viral replication and host cell response to infection is still unknown. i developed cellular models in which autophagy capacity can be specifically restored in cell lines that are otherwise autophagy-incompetent. using these models, i showed that autophagy does not impact iav infection and replication but inhibits interferon-β induction at early stages post infection, leading to dampened induction of interferon-stimulated genes. i showed that m2 does not prevent autophagy completion by itself but only in the context of iav in a caspase-activation dependent fashion. in summary, my thesis work, using these novel autophagy models, revealed that early autophagy induction post-iav infection inhibits ifn-β, leading to a global decrease in interferon stimulated gene expression. indeed, sustained autophagy perturbation through m2 may allow iav to limit the ifn-β response throughout its life cycle. preventing m2-mediated autophagy perturbation may allow us to develop new antiviral strategies as well as new live attenuated iav vaccines.

Lors de la réplication du virus de la grippe, la protéine de matrice M1 prend part au transport des complexes vRNP. Elle interagit également avec les queues cytoplasmiques des protéines virales membranaires et la membrane plasmique de la cellule hôte au site d'assemblage, et est responsable de la structure de la particule virale. Le domaine N-terminal de M1, composé des 164 premiers acides aminés, possède deux motifs basiques exposés : un signal de localisation nucléaire (NLS, 101-105) sur l'hélice 6 et un triplet d'arginines (76-78) sur l'hélice 5. L'objectif de cette thèse était d'étudier (1) le rôle de ce domaine basique, en comparaison avec le NLS, dans l'accrochage membranaire de M1 et dans l'assemblage du virus de la grippe A/H1N1pdm2009 et (2) de définir dans notre système expérimental cellulaire les protéines virales requises pour la production de VLP (Virus Like Particles) de la grippe contenant M1. In vitro, par des tests de cosédimentation de protéines recombinantes M1 (domaine N-terminal) sauvages ou mutées avec des LUVs (Large Unilamellar Vesicles) contenant des lipides chargés négativement, il fut possible d'observer que les domaines basiques (NLS et triplet d'arginines) sont impliqués dans l'interaction M1-membranes biomimétiques, via une interaction électrostatique entre M1 et les lipides chargés négativement (comme la PS). In cellulo, nous avons pu observer que M1, lorsqu'elle est exprimée seule, ne s'accroche pas de manière efficace à la membrane. Par contre, lorsque M2 et NS1/NEP sont coexprimées, la fraction de M1 liée aux membranes est dix fois plus importante. De plus, la coexpression de M1, M2 et NS1/NEP nous permet d'observer la production de VLP par Western blot et AFM (Atomic Force Microscopy), même en absence des glycoprotéines d'enveloppe HA et NA. Par mutagenèse dirigée, nous avons pu observer que les résidus chargés négativement de la queue cytoplasmique de M2 sont nécessaires à la localisation membranaire de M1 et à la production de VLP, comme décrits dans la littérature. De manière intéressante, quand un mutant du triplet d'arginines est exprimé, il y a trois fois moins de M1 accrochée aux membranes (M1 reste cytosolique), et la production de VLP est fortement diminuée. Un mutant du NLS diminue également l'accrochage membranaire de M1 mais seulement de 10%. Ces domaines basiques, et plus particulièrement le triplet d'arginines, semblent donc être impliqués dans des interactions électrostatiques entre M1 et les lipides chargés de la membrane, ou M1 et les résidus chargés de la queue cytoplasmique de M2, ou les deux. L'ensemble de ces travaux apporte une nouvelle vision moléculaire de l'assemblage du virus de la grippe A/H1N1. / The M1 matrix protein, lying beneath the viral lipid envelop, plays many roles in influenza virus assembly. Not only it structures the viral particle but it also associates to the vRNP complexes in the nucleus and it supposedly binds to the cell plasma membrane and to the cytoplasmic tails of the viral membrane proteins at the assembly site. M1 N-terminal domain, composed of 164 amino acids, exhibits two basic domains: the NLS (Nuclear Localization Signal) on helix 6 and a triplet of arginines on helix 5. We decided to investigate the role of those basic domains regarding the molecular assembly mechanism of the influenza A/H1N1pdm2009 virus and the attachment of M1 at the cell membrane. In vitro, we observed that when the triplet of arginines is mutated, the percentage of M1 bound to LUVs (Large Unilamellar Vesicles) containing negatively charged lipids decreases, as it is the case for a full mutant of the NLS motif. In cellulo, by using cellular fractionation, membrane flotation assays, and immunofluorescence microscopy, we observed that when expressed alone, M1 is poorly bound to the cellular membranes whereas in the presence of NS1/NEP (Non Structural protein 1 and Nuclear Export Protein) and M2 viral proteins, the M1 membrane bound fraction is increased by 10 times. M2 appears to be essential for M1 membrane localization. In order to decipher the mechanism, we used directed site mutagenesis of M1 and M2. When we mutated some negatively charged residues of the M2 cytoplasmic tail, we no longer observed either the localization of M1 at the cell membrane or VLP (Virus Like Particles) production, in agreement with the literature. In addition, when we mutated the M1 arginine triplet, M1 remained cytosolic and VLP production was almost completely abolished, even when M2 and NS1/NEP were coexpressed. Whereas a mutant of the arginine triplet decreases by 20% the percentage of M1 attached to cellular membranes, a mutant of the NLS has a mild effect (10% of decrease is observed). Thus, M1 basic domains, particularly the arginine triplet, can trigger electrostatic interactions between M1 and the lipids, or M1 and the cytoplasmic tail of M2, or both, at the viral assembly site. These results highlight the molecular mechanism of A/H1N1 influenza virus assembly.

L’intégration est une étape cruciale dans la réplication du VIH-1, assurant la stabilité et l’expression de son génome. Elle est donc la cible d’inhibiteurs de 1ère et 2nde génération, tels que le Dolutégravir (DTG). L’émergence de voies de résistance aux inhibiteurs de 1ère génération a mis en évidence leur faible barrière génétique à la résistance. Au contraire, aucune voie de résistance spécifique au DTG n’a encore émergé chez les patients, illustrant sa plus haute barrière génétique. Des mutations de résistance aux inhibiteurs de 1ère génération lui confèrent cependant de la résistance. Mes travaux de thèse ont permis la caractérisation de mutations conférant différents niveaux de résistance au DTG, notamment par des méthodes exploitant ses propriétés de fluorescence.D’autre part, nous avons étudié les rôles de l’ADN viral non intégré circulaire du VIH-1, formes minoritaires lors d’une infection intégrative mais accumulées en cas d’inhibition de l’intégration. Nos résultats indiquent deux voies d’échappement distinctes impliquant ces formes d’ADN viral non intégré circulaire dans l’intégration en cas de levée de traitement, et dans l’expression du VIH-1. Nos résultats suggèrent de plus un contrôle différentiel de l’expression virale selon le statut intégré ou non de l’ADN viral considéré. Ces formes d’ADNni permettraient une réplication basale indépendante de l’intégration, et soulignent l’importance des réservoirs dans la réplication du VIH-1.L’éradication du VIH-1 ne nécessite donc pas seulement de lutter contre l’émergence de mutations de résistance, mais doit aussi considérer l’élimination des réservoirs constitués par l’ADNni, qu’ils soient actifs ou activables. / Integration of the HIV-1 genome is a key step in its replication cycle, allowing both stability and high level of expression. Therefore, this reaction constitutes a target in the development of 1st and 2nd generation inhibitors, such as Dolutegravir.Despite their strong efficiency in inhibiting HIV-1 replication, first generation inhibitors are associated with a low genetic barrier to resistance leading to common resistance mutations that threaten the long-term efficacy of antiretroviral therapy. However, no specific pathway has been described for Dolutegravir resistance, highlighting its higher genetic barrier to resistance. Here we have characterized different mutants involved in Dolutegravir resistance, by classical cell-based and in vitro assays, but also using fluorescence properties of Dolutegravir. These mutations, selected under drug pressure, constitute a direct escape pathway for the virus.Moreover, we have studied the roles of unintegrated viral DNA, that can be found in the non dividing cells-reservoir. Under non integrative conditions, such as integrase inhibitor treatment, these forms accumulate. Our work provides evidence showing that unintegrated viral DNA constitutes two different pathways to ensure replication, through their integration after inhibitor removal, or through their expression.Thus, the fight against HIV requires not only monitoring of drug resistance mutation emergence, but also the need to purge all viral DNA reservoirs, being latent weakly productive or activable.

Here we review viral and cellular requirements for entry and intracellular trafficking of foamy viruses (FVs) resulting in integration of viral sequences into the host cell genome. The virus encoded glycoprotein harbors all essential viral determinants, which are involved in absorption to the host membrane and triggering the uptake of virus particles. However, only recently light was shed on some details of FV’s interaction with its host cell receptor(s). Latest studies indicate glycosaminoglycans of cellular proteoglycans, particularly heparan sulfate, to be of utmost importance. In a species-specific manner FVs encounter endogenous machineries of the target cell, which are in some cases exploited for fusion and further egress into the cytosol. Mostly triggered by pH-dependent endocytosis, viral and cellular membranes fuse and release naked FV capsids into the cytoplasm. Intact FV capsids are then shuttled along microtubules and are found to accumulate nearby the centrosome where they can remain in a latent state for extended time periods. Depending on the host cell cycle status, FV capsids finally disassemble and, by still poorly characterized mechanisms, the preintegration complex gets access to the host cell chromatin. Host cell mitosis finally allows for viral genome integration, ultimately starting a new round of viral replication.

Für die Bekämpfung sowie Behandlung einer Krankheit ist das vollständige Verständnis ihrer Pathogenese eminent. Die Masern werden durch das Masernvirus (MV) verursacht. Die Folge der Erkrankung kann nicht nur eine mehrerer Jahre anhaltende Schwächung des Immunsystems sein, ebenso können fatale neurologische (Spät-) Komplikationen auftreten. Die Mechanismen der Neuroinvasion, des Neurotropismus und der Neurovirulenz sind jedoch noch nicht vollständig verstanden, sodass es an spezifischen Behandlungsmöglichkeiten mangelt. Mit der vorliegenden Arbeit soll, unter Zuhilfenahme des reversen genetischen Systems und Gehirnschnittkulturen der Ratte, die Neuroadaptation des Masernvirus näher untersucht werden. Die Grundlagen bilden Mutationen des Matrix-, Fusions- und Polymerase-Gens welche von Dr. Soroth Chey und Prof. Dr. med. Uwe G. Liebert in Masernvirusisolaten aus Rattengehirnen nachgewiesen wurden. Untersucht wurden dabei zwei verschiedene MV-Isolate: das „MV-Isolat 1“ besitzt je eine Punktmutation des Matrix- und des Fusionsgens, während das „MV-Isolat 4“ eine Punktmutation des Matrixgens sowie vier Punktmutationen des Polymerase-Gens aufweist. Jede dieser Veränderungen bedingt einen Aminosäureaustausch. Separat und kombiniert wurden diese Substitutionen in der vorliegenden Arbeit in ein wildtypisches Masernvirus eingebracht. Die Nomenklatur dieser Virusklone ergab sich aus der Nummer des MV-Isolats und dem betroffenen Gen: „M1“, „F1“, „M1F1“, „M4“, „L4“ und „M4L4“. Mittels mutagener Primer erfolgte die Amplifikation und simultane Punktmutationsgenese eines, das Maserngenom-codierenden Plasmids. In dem hierfür verwendeten reversen genetischem System wird der Ribonukleoprotein-Komplex artifiziell in einer Helferzelllinie nachgebildet. Unter der Kontrolle des T7-Promotors wird in diesen Zellen auf Grundlage der mutierten Plasmide das virale Genom und Antigenom transkribiert. Die generierten Viren wurden in der Folge näher charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass alle generierten MV-Klone ebenso wie das parentale MV-IC323 in SLAM-exprimierenden Vero-Zellen unter Ausbildung von maserntypischen Synzytien replizieren. In Vero-Zellen mit und ohne den SLAM-Rezeptor bewirkt die M4 Mutation (R293Q) eine signifikant erhöhte Replikation gegenüber dem parentalen Virus. Ebenso ist das Auftreten der F1-Mutation (I225M) mit Synzytienbildung in SLAM-negativen Zellen korreliert. In unpolaren Zellen scheint demnach die C-terminal gelegene M4-Mutation die Bildung infektiöser Viruspartikel zu begünstigen. Die F1-Mutation scheint hingegen Synzytienbildung zu ermöglichen – dies, möglicher Weise unabhängig von der Bindung des H-Proteins an einen Rezeptor wildtypischer Masernviren. Für eine genauerer Untersuchung dieser Charakteristika in Bezug auf den eventuell induzierten Neurotropismus, wurden Gehirnschnitte der Lewis Ratte mit den generierten Masernviren infiziert. Es konnte gezeigt werden, dass 28 Tage nach der Infektion mit den Virus-Mutanten MV-F1 und MV-M1F1 signifikant mehr neuronale Zellen infiziert sind als im Vergleich zu allen anderen verwendeten Virusstämmen. Mittels des Gehirnschnitt-Kulturmodells konnte somit der Neurotropismus des „MV-Isolats 1“ ursächlich der F(I225M)-Mutation zugeordnet werden. Durch die hier gewonnenen Erkenntnisse wurde eine Grundlage zum Verständnis des Neurotropismus des MV gelegt sowie ein Modellsystem vorgestellt, welches ohne transgene Tiere die Analyse der neuronalen Adaptation des MV zulässt.

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der serologischen Forschung am Zika-Virus (ZIKV). Im ersten Teil wurden ZIKV NS1 und ZIKV Equad in ihrer Eignung als Antigene für serologische Assays zur spezifischen Detektion der ZIKV Infektion in Abgrenzung zu Infektionen mit anderen Flaviviren untersucht. Der zweite Teil vergleicht zwei Methoden zur Expression von ZIKV NS1: Drosophila S2 Zellen und in E. coli Bakterien. ZIKV zog 2014-2016 bei einem Ausbruch in Brasilien große Aufmerksamkeit auf sich, da Zusammenhänge mit einerseits gehäuft auftretenden Mikrozephaliefällen bei Infektionen in der Schwangerschaft und andererseits schweren neurologischen Komplikationen wie dem Guillain-Barré-Syndrom hergestellt wurden. ZIKV ko-zirkuliert mit anderen Flaviviren wie dem West-Nil Virus (WNV) und dem Dengue Virus (DENV). Da viele Infektionen mit Flaviviren asymptomatisch verlaufen oder nur mit unspezifischen Symptomen einhergehen, ist eine sichere labordiagnostische Unterscheidung von hoher Relevanz. Die Flavivirus-Diagnostik basiert dabei hauptsächlich auf zwei Methoden: dem direkten Virusnachweis aus Blut oder Urin (bis zu 14 Tage nach Symptomauftritt möglich) mithilfe von PCR und dem serologischen Nachweis von Antikörpern. Hohe strukturelle Ähnlichkeiten zwischen verschiedenen Flaviviren wie ZIKV und DENV, welche zum Auftreten kreuzreaktiver Antikörper führen, sorgen dafür, dass die spezifische Serologie bisher eine Herausforderung darstellt. Ein häufig verwendetes Antigen in der serologischen Flavivirus-Diagnostik ist das Envelope-Protein (E-Protein). Dieses ist bei der ZIKV-Diagnostik aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit mit den E-Proteinen anderer Flaviviren Ziel kreuzreaktiver Antikörper. Besonders eine Struktur, die Fusion-Loop Sequenz, ist hoch konserviert. Das Auftreten kreuzreaktiver Antikörper erschwert eine spezifische Diagnostik. Um die mangelhafte Spezifität der serologischen Tests zu verbessern, wurden zwei Antigene entwickelt. Ein Antigen basiert auf dem Nicht-Struktur-Protein 1 (NS1), ein anderes auf einer E-Protein-Mutante mit vier Aminosäureninsertionen in der Fusion-Loop-Sequenz. ZIKV NS1 zeigte bisher in zwei Studien durch Huzly et al. (2016) und Steinhagen et al. (2016) eine hohe Spezifität. Das modifizierte E-Protein konnte bereits bei WNV und DENV die serologische Spezifität verbessern. Diese beiden Antigene wurden in der vorliegenden Arbeit mit einem Panel aus Seren von Infektionen mit ZIKV, DENV, WNV und Tick-borne encephalitis Virus (TBEV) getestet. Als Referenzgruppe diente eine Reihe Flavivirus-negativer Seren. Nach Klonierung, Synthese und Aufreinigung des NS1 Proteins wurde dieses sowie das ZIKV Equad mit den Seren in IgM und IgG Assays getestet. Aus den Ergebnissen dieser Tests wurden für beide Proteine Sensitivität und Spezifität ermittelt, anschließend wurden beide Antigene verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass ZIKV NS1 statistisch signifikant im IgM- und IgG-Assay zwischen ZIKV und anderen Flavivirus-positiven Seren unterscheiden kann (p<0,05). Diese Unterscheidung war bei ZIKV Equad im IgG Assay zwischen ZIKV- und DENV-positiven Seren statistisch signifikant. Nach Ermittlung eines ROC-Cut-Offs war ZIKV Equad dem ZIKV NS1 in Hinblick auf Sensitivität (IgM: NS1 100%, Equad 86%; IgG: NS1, Equad 100%) und Spezifität (IgM: NS1 90%, Equad 85%; IgG: NS1 97% Equad 73%) jedoch unterlegen. Die Spezifität von ZIKV NS1 zu DENV positiven Seren ist mit 89% bereits gut. Dennoch zeigt sich anhand der hohen Signale zweier DENV positiver Seren, dass auch ZIKV NS1 Ziel kreuzreaktiver Antikörper ist. Diese Beobachtung wird durch die Studien von Chang et al. (2017) und Freire et al. (2017) bestärkt, welche ZIKV NS1 mit bioinformatischen Methoden untersuchten und so durch Vergleich mit DENV NS1 auf das Vorhandensein kreuzreaktiver Epitope schlossen. Für ZIKV Equad konnte von Rockstroh et al. (2018) durch einen Kompetitionsassay mit DENV Equad eine deutliche Verbesserung der Spezifität erreicht werden, die eine nahezu sichere Abgrenzung zu DENV ermöglicht. Daraus folgend könnte ein analog durchgeführter Kompetitionsassay mit ZIKV und DENV NS1 ebenfalls eine Verbesserung der Spezifität bringen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei Verfahren zur Synthese des ZIKV NS1 Proteins verglichen. Das im ersten Teil verwendete Protein wurde in Drosophila S2 Zellkulturen hergestellt. Eine sehr weit verbreitete Methode stellt die Synthese in E. coli Bakterien dar. Diese hat den Vorteil, dass mit wenig Aufwand, kostengünstig und in kurzen Zeitabschnitten eine große Proteinmenge synthetisiert werden kann. Sie hat im Vergleich zu eukaryontischen Zellkulturen wie der S2 Zelllinie den Nachteil, dass E.coli das Protein nicht in löslicher, sondern hauptsächlich in aggregierter Form produziert. Das Protein sammelt sich im Zellinneren an. Da das Protein bei der Extraktion denaturiert werden muss, ist im Anschluss eine Rückfaltung notwendig, um es in die korrekte Konformation zu überführen. Die richtige Faltung der Proteine ist in der serologischen Diagnostik besonders wichtig, da viele Antikörper strukturelle Epitope erkennen. Ziel dieser Arbeit war es daher, einen Vergleich und eine Bewertung der beiden unterschiedlich hergestellten Proteine in Hinblick auf Sensitivität und Spezifität mit einem Panel an ZIKV- und DENV-positiven Seren sowie negativen Seren durchzuführen. Daraus lässt sich ableiten, ob eine Proteinsynthese in E. coli äquivalente Sensitivtäten und Spezifitäten ergeben. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich auch mit dem E. coli synthetisierten NS1 Protein eine spezifische und sensitive ZIKV Diagnostik möglich ist. Die Spezifität in Abgrenzung zu DENV-positiven Seren war allerdings niedriger als bei ZIKV NS1, welches in Insektenzellen synthetisiert wurde. Außerdem ließ sich eine stärkere Hintergrundbindung der negativen Seren messen. Möglicherweise lässt sich dies aber durch eine weitere Aufreinigung durch Größenausschlusschromatographie verringern. Zusammengefasst ergibt sich, dass die ZIKV NS1 Synthese in Drosophila S2 Zellen im Hinblick auf die Spezifität der Synthese in E. coli überlegen ist. Aufgrund der geringen Anzahl untersuchter Seren ist die Beobachtung aber statistisch nicht signifikant und sollte mit einem größeren Serumpanel auch unter Einbeziehung von Seren mit Infektionen durch andere Flaviviren verifiziert werden.:1. Abkürzungsverzeichnis 5 2. Einleitung 7 2.1 Klinik & Historie 7 2.2 Epidemiologie der Flaviviren 8 2.3 Transmission 9 2.4 Struktur 9 2.5 Serologische Immunreaktion 11 2.6 Diagnostik 13 Direkter Virusnachweis 13 Serologischer Nachweis 13 2.7 Expression rekombinanter Proteine 14 3. Fragestellung 15 4. Material 17 4.1 Allgemeine Materialien: 17 4.2 Zellkulturmaterialen 17 4.3 Chemikalien 18 4.4 Kits 18 4.5 Puffer 19 4.6 Molekularbiologische Materialien 19 4.7 Antikörper 19 4.8 Geräte 20 4.9 DNA Sequenzen der Proteine 20 4.10 Primer 21 4.11 Verwendete Vektoren 21 4.12 Patient*innenproben 22 5. Methoden 23 5.1 Molekularbiologische Methoden 23 Klonierung 23 Transformation 26 Transfektion Drosophila S2 Zellen durch Calcium-Phosphat-Präzipitation 26 Analyse- und Messmethoden Molekularbiologie 28 Extraktions- und Reinigungsmethoden Molekularbiologie 28 5.2 Mikrobiologische Methoden 28 Bakterienkultivierung 28 Insektenzell-Kultivierung 28 Proteinexpression in Bakterienzellen 29 Proteinexpression in Insektenzellen 29 5.3 Proteinbiochemische Methoden 30 Aufreinigung der Insektenzell-exprimierten Proteine 30 Aufreinigung des E. coli-exprimierten ZIKV NS1 31 Proteinrückfaltung 32 Bicinchoninic Acid (BCA) Assay 32 Bradford Assay 33 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) 34 Western Blot 36 5.4 Immunologische Methoden 37 Antikörperfärbung des Western Blots 37 Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) 37 5.5 Statistische Methoden 38 Mann-Whitney-Test 38 Bestimmung der Cut-Off Werte mithilfe einer Receiver-Operating Curve 39 Ermittlung von Sensitivität und Spezifität 39 6. Ergebnisse 40 6.1 Vergleich ZIKV Equad und ZIKV NS1 40 Insektenzell-Expression von ZIKV NS1 40 IgM Assays 48 IgG Assays 54 6.2 Vergleich der Expression von ZIKV NS1 in Insektenzellen und in E. coli 59 ZIKV NS1 Expression in E. coli 59 Vergleich der Rückfaltung des NS1 Protein vor und nach PBS Dialyse 64 Vergleich der NS1 Expression durch SDS PAGE 66 Vergleichender ELISA der ZIKV NS1 Insektenzell-Expression mit der E. coli-Expression 67 7. Diskussion 69 7.1 Vergleich ZIKV NS1 und ZIKV Equad 69 Ausblick 73 7.2 Vergleich der ZIKV NS1 Expressionsmethoden 73 Ausblick 74 8. Zusammenfassung der Arbeit 75 9. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 78 10. Danksagung 79 11. Abbildungsverzeichnis 80 12. Tabellenverzeichnis 81 13. Quellenverzeichnis 82

Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob humane Antikörper gegen ZIKV-Kapsid und ZIKV-Kapsid selbst geeignete Biomarker für den Nachweis einer ZIKV-Infektion sind. Sie kann damit als erste Phase einer Studie zur Entwicklung neuer ZIKV-Diagnostika angesehen werden. Der Aufbau, das klinische Erscheinungsbild, die Epidemiologie und der Nachweis von ZIKV, bzw. einer ZIKV-Infektion, wurden erörtert. Die Möglichkeiten und Limitationen aktueller ZIKV-Diagnostika wurden beschrieben, insbesondere hinsichtlich der Spezifität. Durch Analyse des Genoms von ZIKV und anderen Flaviviren wurde gezeigt, dass die Aminoäuresequenzidentität zwischen den einzelnen Flaviviren für flavivirales Kapsid geringer ist als für andere Bestandteile und potenzielle Antigene von Flaviviren. Relevant ist insbesondere die Abgrenzung zu DENV, da eine akute oder abgelaufene DENV-Infektion eine häufige Ursache von Kreuzreaktivität beim Nachweis einer ZIKV-Infektion darstellt. Mittels webserverbasierten In-silico-Analysen konnten immunogene Regionen innerhalb des ZIKV-Kapsid-Proteins kartiert und mit den immunogenen Regionen, welche für ZIKV-Kapsid anderer Flaviviren In-silico oder experimentell ermittelt wurden, verglichen werden. Auf Basis dieser Analysen war die Erwartung, dass bei einer ZIKV-Infektion humane Antikörper gegen ZIKV-Kapsid gebildet werden, welche sich in ihren Paratopen von Antikörpern, die gegen Kapsid-Proteine anderer Flaviviren gebildet werden, unterscheiden. Der Umfang der humanen Antikörperantwort auf ZIKV-Kapsid wurde in dieser Arbeit anschließend untersucht. Dazu wurde das Antigen ZIKV-Kapsid eines ZIKV-Stamms aus der afrikanischen Linie (hier: Stamm MR766) rekombinant hergestellt. Rekombinantes ZIKV-Kapsid eines Stammes der asiatischen Linie (hier: Stamm Z1106033) wurde erworben. In 11 humanen Seren und einem Pool-Serum (WHO-Referenzserum) wurde versucht Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper mittels ELISAs und Western Blots nachzuweisen. Es fanden sich keine bis schwache Hinweise auf das Vorhandensein von Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörpern in diesen Seren. Im direkten Vergleich mit 10 Seren von ZIKV-negativen Blutspendern zeigten sich für die Seren des ZIKV-Serumpanels keine höheren ELISA-Extinktionswerte. Dies galt sowohl für den Einsatz von ZIKV-Kapsid des Stammes der afrikanischen Linie als auch beim Einsatz von ZIKV-Kapsid des Stammes der asiatischen Linie. Im Sinn der Ermittlung der Paralleltestreliabilität fand sich für Anti-ZIKV-Kapsid-IgG in einer Regressionsanalyse ein schwacher linearer Zusammenhang zu Messwerten eines gut validierten Referenztests, dem ZIKV-NS1-ELISA der Firma Euroimmun. Dies ist ein schwacher Hinweis auf die postinfektiöse Bildung von humanen Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörpern. Obwohl der lineare Zusammenhang signifikant war, ist die Aussagekraft dieses Ergebnisses eingeschränkt. Es fanden sich Hinweise auf unspezifische, im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig identifizierte, Einflüsse auf die Testergebnisse der eigenen Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper-ELISAs. Es ist vorstellbar, dass der gefundene lineare Zusammenhang zum Referenztest teilweise durch diese unspezifischen Einflüsse, im Sinn von Kovariablen, verursacht wird. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper-ELISAs zeigten Hinweise für falsch-positive Messergebnisse bei der Testung von fünf DENV-positiven Seren. Mit Hilfe von Western Blots, welche verglichen mit ELISAs als spezifischer gelten, konnten in Seren des ZIKV-Serumpanels keine ZIKV-Kapsid-spezifischen Antikörper nachgewiesen werden. Auch Antikörper aus Seren von ZIKV-negativen Blutspendern und IgG-Antikörper aus gereinigten IgG-Antikörper-Lösungen verursachten positive und somit unspezifische Testergebnisse (Banden). Eine mögliche Erklärung dafür liegt in der hohen Hydrophobizität von ZIKV-Kapsid, was für die Anlagerung nichtspezifischer humaner Antikörper sorgen könnte. Es ist möglich diese Arbeit in zwei Teile zu unterteilen, wobei sich der erste Teil vor allem dem Nachweis von humanen Antikörpern gegen ZIKV-Kapsid widmet und der Nachweis von ZIKV-Kapsid in Serum von Infizierten den zweiten Teil darstellt. Für den Nachweis des Antigens wurden polyklonale und monoklonale Antikörper eingesetzt. Durch Immunisierung von Mäusen mit ZIKV-Kapsid und anschließendem Einsatz der Hybridomtechnik konnten durch Dr. Sven Reiche (Friedrich-Löffler-Institut) und Prof. Christian Jassoy vier monoklonale Antikörper gegen ZIKV-Kapsid gewonnen werden. Diese Antikörper wurden in dieser Arbeit weiter charakterisiert. Sie zeigten sich als geeignet und spezifisch beim Nachweis von ZIKV-infizierten Vero-Zellen durch Immunfluoreszenzfärbungen. Durch Kompetitionstests hatte sich zuvor bereits gezeigt, dass alle Antikörper an dasselbe, oder mindestens nahe beieinander liegende Epitope binden. Da sie sich somit bei Einsatz in einem Sandwich-ELISA zum Nachweis von ZIKV-Kapsid als Antigen verdrängen würden, wurden zwei polyklonale Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper erworben. Ein Sandwich-ELISA, der polyklonale Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper als Fängerantikörper und monoklonale Anti-ZIKV-Kapsid-Antikörper als Detektionsantikörper nutzt, konnte erfolgreich zum Nachweis von ZIKV-Kapsid in verschiedenen Lösungen, u. a. nativem ZIKV-Kapsid in Zellkulturüberstand, eingesetzt werden. Der so aufgebaute Antigen-ELISA erreichte, abhängig von der Kombination an Antikörper und Antigen, eine untere Nachweisgrenze zwischen 2 bis 345 ng/ml. Um zum Nachweis von ZIKV-Kapsid in humanem Serum eines ZIKV-infizierten Patienten eingesetzt werden zu können, müsste seine Sensitivität um etwa zwei bis drei Logstufen steigen. Möglichkeiten dazu wurden diskutiert.:1 Inhaltsverzeichnis 2 2 Abkürzungsverzeichnis 7 3 Einführung 10 4 Aufgabenstellung 47 5 Materialien und Methoden 49 6 Ergebnisse 97 7 Diskussion 131 8 Zusammenfassung 156 9 Literaturverzeichnis 158 10 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 182 11 Anlagen 187