Characterization of functional determinants in the C-terminal part of hepatitis C virus E1 glycoprotein ectodomain

par Rehab Moustafa

Thèse de doctorat en Virologie

Sous la direction de Jean Dubuisson.

Soutenue le 08-03-2019

à Lille 2 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Centre d'infection et d’immunité de Lille (laboratoire) et de Centre d’Infection et d’Immunité de Lille (CIIL) - U1019 - UMR 8204 (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Caractérisation de déterminants fonctionnels dans la partie C-terminale de l'ectodomaine de la glycoprotéine E1 du virus de l'hépatite C


  • Résumé

    Aujourd’hui, le Virus de l'Hépatite C (VHC) infecte plus 70 millions de personnes dans le monde. L’Organisation mondiale de la santé prévoit l’élimination du virus VHC d’ici 2030, grâce aux récentes découvertes dans le milieu du développement médical. Ces derniers ont conduit à la production des antiviraux pangenotypiques à action directe (ADD). Le VHC est un virus enveloppé de l’ARN, avec une polarité positive. Il est constitué de nucléocapside entouré d’une membrane lipidique. La nucléocapside contient l’acide ribonucléique (ARN) et la protéine core. La membrane lipidique quant à elle contient à la surface les glycoprotéines E1 et E2. Ainsi ces protéines, sont les premières à rencontrer les hépatocytes, c’est donc grâce à elles que le virus parvient à entrer dans les cellules. Parmi les deux protéines, l’E2 a été la mieux caractérisée pour ses fonctions de liaisons aux récepteurs spécifiques. De plus les anticorps neutralisants ciblent majoritairement cette protéine. En se basant sur le fait que ce virus est membre de la famille des Flaviviridae, il a été suggéré par analogie, que le VHC contient des protéines de fusion de classe II et que la protéine E2 est la protéine de fusion. Cependant, les structures cristallines récentes d’E2 ont révélé qu'il lui manquait les caractéristiques structurelles des protéines de fusion de classe II. Ainsi, tous les regards se sont tournés sur la glycoprotéine E1, suggérant qu’elle est responsable de l’étape de fusion, seule ou à l’aide d’E2. En effet, la partie N-terminale de l'ectodomaine E1 a été récemment cristallisée. La caractérisation des résidus conservés dans cette région a démontré son importance pour l'infectivité du virus, pour l'interaction entre E1 et E2, ainsi que pour son implication dans l'interaction avec les récepteurs du VHC. En soutenant le rôle potentiel d'E1 dans le processus de fusion, différents segments de l'extrémité C-terminale de l'ectodomaine seraient impliqués dans les interactions avec les membranes modèles. Nous avons étudié en particulier deux régions d’intérêt. La première située dans la zone du peptide de fusion putatif (PFP) entre les acides aminés 270 et 291. Cette région se compose des séquences hydrophobes, soutenant son implication dans l'étape de fusion. La deuxième région englobant les acides aminés 314-342, d’une activité membranotrope située à proximité de la zone transmembranaire d’E1, a été démontrée par la cristallographie aux rayons X et les études de RMN comme comprenant deux hélices α (α2 et α3).Nous avons introduit 22 mutations dans la partie C-terminale de l'ectodomaine E1 dans le contexte d'un clone infectieux JFH1. Nous avons remplacé les résidus les plus conservés par de l'alanine, puis analysé l'effet des mutations sur le cycle de vie du virus. Vingt des vingt-deux mutants ont été atténué ou ont perdu leur pouvoir infectieux, ce qui indique leur importance dans le cycle viral. Nous avons observé différents phénotypes; certaines mutations ont modulé la dépendance du virus vis-à-vis des récepteurs CLDN1 et SRBI pour l’entrée cellulaire. Plusieurs mutations dans la région PFP, ont affecté la sécrétion et l'assemblage du virus, ainsi que l'hétérodimérisation E1E2. D’autres mutations, telles que les mutations de l'hélice α2 ont entraîné une atténuation grave ou une perte complète d'infectivité, sans affecter le repliement d’E1 et E2, ni la morphogenèse virale. Une caractérisation plus poussée de certains mutants au sein de la région hélice α2 a suggéré l'implication de cette région dans une étape tardive de l'entrée du VHC. Enfin, nos résultats montrent le rôle important joué par la glycoprotéine E1 dans l'hétérodimérisation de E1E2, la morphogenèse du virus, ainsi que son interaction avec les récepteurs du VHC et son implication potentielle dans l'étape de fusion.


  • Résumé

    Hepatitis C virus is currently estimated to infect around 71 million people around the world. However, recent advances in drug development led to the generation of pangenotypic direct acting antivirals (DAA), which may make it possible to eliminate HCV by 2030 as planned by the World health organization (WHO). HCV is a small RNA enveloped virus of positive sense. The RNA is encapsidated and surrounded by a lipid bilayer in which the E1 and E2 envelope glycoproteins are anchored on the surface. Thus, E1 and E2 are the first viral proteins to encounter the hepatocytes and mediate the entry step. HCV entry into hepatocytes is a sophisticated process that includes several steps ranging from interaction of glycoproteins with cellular host attachment factors and HCV specific-receptors, which is followed by internalization via clathrin-mediated endocytosis. Finally, viral and endosomal membranes merge at acidic pH leading to the release of viral RNA into the cytoplasm. Among the two glycoproteins, E2 has been the better characterized, as it is responsible for binding to cellular receptors and targeted by neutralizing antibodies. As a member of the Flaviviridae family, it has been suggested by analogy that HCV encodes class II fusion proteins and that E2 is the fusion protein. Nevertheless, the recent crystal structures of E2 revealed that it lacks structural features of class II fusion proteins. Thus, E1 glycoprotein became under the spotlight with the assumption that it is responsible for the fusion step whether alone or with the help of E2. Indeed, the N-terminal part of E1 ectodomain was recently crystallized, and the characterization of conserved residues within this region demonstrated its importance for virus infectivity, E1E2 interaction as well as its involvement in the interplay with HCV receptors. Supporting the potential role of E1 in the fusion process, different segments in the C-terminal of the ectodomain have been reported to be involved in interactions with model membranes. In particular, we investigated two regions of interest. The first one located in the putative fusion peptide (PFP) region between amino acid 270 and 291, containing hydrophobic sequences, supporting its involvement in the fusion step. The second region spanning amino acids 314-342, a membranotropic region located proximal to the transmembrane region of E1 and has been shown by X-ray crystallography and NMR-studies to comprise two α-helices (α2 and α3). We introduced 22 mutations in the C-terminal part of E1 ectodomain in the context of a JFH1 infectious clone. We replaced the most conserved residues with alanine and analyzed the effect of the mutations on the viral life cycle. Twenty out of the 22 mutants were either attenuated or lost their infectivity, indicating their importance for the viral life cycle. We observed different phenotypes; some mutations modulated the dependence of the virus on CLDN1 and SRBI receptors for cellular entry. Most mutations in the PFP region affected virus secretion and assembly as well as E1E2 heterodimerization. Nevertheless, the majority of mutations in the α2-helix (aa 315-324) led to severe attenuation or complete loss of infectivity without affecting E1E2 folding or viral morphogenesis. Further characterization of some mutants within this region suggested the involvement of the α2-helix in a late step of HCV entry. Finally, our results show the important role of E1 played in E1E2 heterodimerization, virus morphogenesis, interaction with HCV receptors and its potential involvement in the fusion step.


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