Molecular insights into a putative potyvirus RNA encapsidation pathway and potyvirus particles as enzyme nano-carriers

par Jane Besong

Thèse de doctorat en Biochimie

Sous la direction de Thierry Michon et de Kristiina Makinen.

Soutenue le 14-06-2016

à Bordeaux en cotutelle avec Helsingin yliopisto , dans le cadre de École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Biologie du fruit et pathologie (équipe de recherche) et de Biologie du Fruit et Pathologie (laboratoire) .

Le président du jury était Teemu Teeri.

Les rapporteurs étaient Michael Taliansky, Vesa Hytönen, Christina Wege.

  • Titre traduit

    Aperçus moléculaires d'une voie potentielle d'encapsidation de l'ARN de potyvirus, et des particules de potyvirus comme nano-porteurs d'enzymes


  • Résumé

    La présente étude avait pour but d'identifier de nouvelles stratégies pour la présentation sélective d'enzymes à la surface de nanoparticules virales dans le but d’une application potentielle dans la technologie des biocapteurs ou des puces à protéines. Les potyvirus ont été choisis comme nanosupports modèles. Les Potyvirus, le genre le plus large de la famille des Potyviridae, la seconde plus grande famille de virus de plante, sont responsables de très graves pertes dans les cultures. Ils forment des capsides flexibles en forme de bâtonnet entourant une seule molécule d'ARN positif simple brin. Les événements moléculaires conduisant à la sélection et à l'encapsidation spécifiques de l'ARN potyviral sont inconnus. Afin de mieux exploiter le potentiel de ces virus comme nanosupports, la première étape de ce travail a porté sur l’étude, in vivo, du processus d'encapsidation de l'ARN de particules de potyvirus. Des études précédentes ont montré que la protéine d'enveloppe (CP) du virus de la pomme de terre A (PVA) interfère avec la traduction de l'ARN viral lorsqu'elle est fournie en excès en trans suggérant que cela pourrait se produire pour initier l’encapsidation de l’ARN viral. Dans cette étude, nous avons montré que cette inhibition est médiée par des interactions CP-CP co-traductionnelles se produisant entre deux populations de CP, produites en trans et en cis et permettant très probablement le recrutement spécifique de l'ARN potyviral pour son encapsidation. En accord avec les études d'assemblage in vitro publiées précédemment nous proposons un mécanisme selon lequel l’encapsidation de l'ARN viral est initiée par des interactions CP-CP co-traductionnelles. Dans la deuxième partie de ce travail, différentes approches ont été testées afin d’organiser des enzymes sur les plateformes virales dans le but d’optimiser la canalisation des intermédiaires réactionnels. Parmi les trois stratégies testées seule celle utilisant un peptide qui se liant aux anticorps, le peptide z33 de la protéine A de Staphylococcus aureus a été couronnée de succès. Une couverture de 87 % des sites sur les particules de potyvirus avec l'enzyme a été obtenue. Cette stratégie a été utilisée pour piéger deux enzymes, la 4-coumarate: coenzyme A ligase (4Cl2) et stilbène synthase (STS), catalysant des étapes consécutives dans la voie de synthèse de resvératrol à partir de lysats cellulaires solubles d’E. coli clarifiés, à la surface de particules de potyvirus immobilisées sur les parois d'un tube en polypropylène. Cette stratégie rassemble les approches ascendante et descendante pour construire des nanomatériaux à base de virus et offre un moyen efficace et économique pour co-immobiliser et purifier des enzymes


  • Résumé

    The present study intended to identify new strategies for the selective presentation of biocatalysts on the surface of viral nanoparticles with potential application in biosensor technology or protein chips. Potyviruses were chosen as model nanoscaffolds for biocatalysts. Potyviruses are the largest genus in the family Potyviridae and cause significant plant damage. They form flexible rod-shaped capsids surrounding a single stranded positive sense RNA molecule. The molecular events leading to the specific selection and encapsidation of potyviral RNA are unknown. To better exploit the potential of these viruses as nanocarriers, the first step in this study was to look into their in vivo RNA encapsidation process. Earlier studies showed that Potato virus A (PVA) coat protein (CP) interferes with viral RNA translation when provided in excess in trans and it was suggested this could occur to initiate viral RNA encapsidation. In this follow up study, we used the agroinfiltration approach for the transient expression of full length, truncated or mutated viral RNAs with wild type CP (CPwt) and showed that this inhibition is mediated by co-translational CPCP interactions occurring between two CP populations, produced in trans and in cis. Because CP inhibited translation of the entire viral genome and virus particles were formed later than during normal infection, it was assumed that the CP acted during this inhibition process to specifically recruit viral RNA for encapsidation. In line with previously published in vitro assembly studies, we propose a mechanism through which viral RNA encapsidation is initiated through co-translational CP-CP interactions. The second part of this work entailed the investigation of novel approaches for organizing biocatalysts on virus platforms. The aim was to control the display of enzymes on virus surfaces while maximizing channelling of reaction intermediates. Three strategies were tested but only one involving an antibody binding peptide, the z33 peptide from Staphylococcus aureus was successful. An 87 % occupancy of accessible sites on the potyvirus particles by the enzyme was achieved. The same strategy was used to graft potyvirus particles with two enzymes: 4- coumarate:coenzyme A ligase (4CL2) and stilbene synthase (STS), catalysing consecutive steps in resveratrol synthetic pathway or a protein chimera, generated by the genetic fusion of both enzymes. This was achieved by trapping either the monoenzymes or the protein chimera from clarified soluble E. coli cell lysates on to the surface of potyvirus particles preimmobilized in a polypropylene tube. Resveratrol was synthesized from both mono-enzymes and the protein chimera in solution and on potyvirus particles. This strategy brings together a bottom-up and top down approach for designing virus based nano-materials and offers a cost effective and efficient way to co-immobilize and purify enzymes.


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