Modélisation moléculaire de la protéine Core du virus de l'hépatite B : phosphorylation, dynamique et interactions avec l'ADN

par Jean-charles Carvaillo

Projet de thèse en Biochimie et biologie structurale

Sous la direction de Stéphane Bressanelli et de Yves Boulard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (2015-.... ; Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC) (laboratoire) , Fonction et architecture des assemblages macromoléculaires (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-03-2018 .


  • Résumé

    L'équipe d'accueil, qui est internationalement reconnue dans la recherche sur la polymérase du virus de l'hépatite C (Bressanelli, Science 2015), a démarré un nouvel axe de recherche en biologie structurale et biophysique de la protéine Core du virus de l'hépatite B (HBV Core). Ce projet de thèse s'inscrit dans ce nouvel axe. Le candidat réalisera des modélisations et simulations de dynamique moléculaire (MD) sur la protéine HBV Core pour explorer les bases structurales de deux questions fondamentales sur HBV Core, en lien étroit avec les expérimentateurs de l'équipe et ses collaborateurs : A) La première question touche au domaine C-terminal de Core (CTD). L'état de l'art fait apparaître l'intervention centrale du CTD dans les fonctions cytosoliques de Core. L'état de phosphorylation du CTD est modifié par des kinases et phosphatases cellulaires. Ces modifications du CTD modulent en particulier les propriétés suivantes de Core : interaction avec l'ARN prégénomique (pgRNA), auto-assemblage, exposition du CTD à l'extérieur de la nucléocapside assemblée (nécessaire à l'acheminement de celle-ci au noyau). Si la structure atomique du domaine N- terminal de Core est connue, aucune donnée structurale n'est actuellement disponible sur le CTD, celui-ci n'apparaissant pas dans les structures cristallographiques de capside ou de dimères de Core. La modélisation et les simulations auront pour but : - d'établir la dynamique et les conformations du CTD dans le dimère de Core (état pré- assemblage) en fonction de son état de phosphorylation (échéance 12 mois), - de réaliser la même étude dans le contexte de la capside (24 mois). Les simulations s'appuieront sur et guideront les études expérimentales développées en parallèle dans l'équipe d'accueil et en collaboration sur l'auto-assemblage cytosolique de Core autour de l'ARN prégénomique. B) En second lieu, les fonctions nucléaires de Core, qui sont liées à sa capacité à se lier à l'ADN double brin une fois importée dans le noyau, notamment à la forme épisomique du génome de HBV (ADNccc). Le candidat appliquera les calculs de MD permettant de calculer des énergies d'interaction entre macromolécules biologiques par la méthode MM/PBSA (Molecular Mechanics/Poisson Boltzmann Surface Area). L'équipe d'accueil a développé une méthodologie originale fondée sur le MM/PBSA pour balayer in silico une séquence d'ADN avec une structure de protéine (Garcin et al., BMC Struct. Biol. 2012). La comparaison des énergies calculées permet ANRS - Appel à Projets : 2018-1 CARVAILLO Jean-Charles Allocation de recherche Page 5 sur 28 bien de dégager les séquences ADN auxquelles la protéine se lie expérimentalement (Garcin et Boulard, non publié). Le candidat développera cette méthodologie pour l'appliquer à la question des interactions nucléaires HBV Core / ADN. Il sera amené successivement : - à adapter la méthodologie, en partant de la structure d'un dimère de Core et d'une séquence ADN générique, pour étudier sous quelle forme Core est susceptible de lier l'ADN dans le noyau des cellules infectées (12 mois). - à balayer par ces protocoles des séquences candidates de reconnaissance dans le génome humain et améliorer ainsi la fiabilité du modèle d'interaction (18 mois). - à balayer par ces protocoles la séquence de l'ADNccc (24 mois). - à balayer enfin l'ensemble du génome humain (36 mois). Cette deuxième partie permettra de clarifier les bases structurales des interactions Core / ADN et de rechercher les séquences préférentiellement reconnues par Core dans l'ADNccc et dans le génome humain.

  • Titre traduit

    Molecular modeling of the hepatitis B virus Core protein: phosphorylation, dynamic and ADN interactions


  • Résumé

    The applicant's prospective host team is internationally ackowledged as a leader in the research on hepatitis C virus polymerase (Bressanelli, Science 2015). It has recently started research on the structural biology and biophysics of the Core protein of hepatitis B virus (HBV Core). This PhD project applies in silico methodologies to this new research axis. In tight connection to the team's and collaborators' experimentalists, the PhD candidate will perform molecular modelling and molecular dynamics simulations (MD) on HBV Core to establish the structural basis of two basic Core biology questions: A) The first question involves Core's C-terminal domain (CTD). The state of the art indicates that Core's cytosolic functions are modulated by the CTD's phosphorylation state. The CTD is reversibly modified by cellular kinases and phosphatases, modulating interaction with pregenomic RNA (pgRNA), self-assembly, and CTD exposure outside the nucleocapsid (the latter a prerequisite for trafficking to the cell nucleus). The atomic structure of Core's N-terminal domain is known, but no atomic structural data are available for its CTD, that does not appear in crystallographic structures of capsid of Core dimeric subassemblies. Modelling and simulations will aim at: - establishing CTD's dynamics and conformations in the Core dimer (pre-assembly state) as a function of phosphorylation (estimated time of completion: 12 months), - performing the same studies in the context of the assembled capsid (24 months). These simulations will rely on and guide experiments developped in the host team and with collaborators on Core assembly around pgRNA. B) The second question relates to the nuclear functions of Core, based on its capability to bind double-stranded DNA once in the nucleus, particularly the HBV genome's episomic form (cccDNA). The candidate will apply the MM/PBSA method (Molecular Mechanics/Poisson Boltzmann Surface Area) that allows computation of interaction energies between (macro)molecules. The host team has been developing an original methodology based on MM/PBSA to perform an in silico scan of a DNA sequence by a protein atomic structure (Garcin et al., BMC Struct. Biol. 2012). Comparing the computed association energies indeed allows prediction of specific DNA sequences to which the protein binds experimentally (Garcin and Boulard, unpublished). The candidate will further refine this methodology to apply it to the question of nuclear interactions between Core and DNA. He will: - adapt the set of methods in order to ascertain what form of Core actually binds DNA, starting from a Core dimer and a short DNA model (12 months), - scan candidate human sequences and thus iteratively improve the Core-DNA interaction model (18 months), - scan the sequence of cccDNA with Core-optimized protocols (24 months), - finally, scan the human genome (36 months). This part will clarify the structural basis of Core/DNA interactions and will perform an efficient in silico search of human and cccDNA sequences putatively targeted by Core.