Propriétés physiques de capsides virales étudiées à l'échelle du virus unique par microscopie à force atomique : exemples du rétrovirus VIH-1 et du parvovirus AAV

Physical properties of viral capsids studed at the single virus level by atomic force microscopy (AFM) : examples of HIV-1 retrovirus and AAV parvovirus

• Auteur / Autrice : Julien Bernaud
• Direction : Cendrine Moskalenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/10/2015
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Arezki Boudaoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cendrine Moskalenko, Arezki Boudaoud, Pierre-Emmanuel Milhiet, Guillaume Tresset, Martin Castelnovo, Giovanni Cappello, Delphine Muriaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Emmanuel Milhiet, Guillaume Tresset

Mots clés

Mots clés contrôlés

VIH (virus)

Nanoindentation

Microscopie à force atomique

Mots clés libres

Virologie physique

Microscopie à Force Atomique

Imagerie AFM

Nano-indentation

Rétrovirus VIH-1

Rétro-transcription

Virus adéno associé

Physical virology

Atomic Force Microscopy

AFM imaging

Nano-indentation

HIV-1 retrovirus

Reverse transcription

Adeno-associated virus

Résumé

Les virus sont des parasites biologiques de taille nanométrique. Détournant la machinerie cellulaire de la cellule infectée, ils mettent en place une stratégie de réplication permettant la production de nouveaux virus. Un virus est constitué d’une capside protéique protégeant le génome viral, long polymère d’ADN ou ARN, et possède dans certains cas une enveloppe lipidique. Des travaux récents suggèrent que les propriétés physiques des virus sont importantes pour comprendre certaines étapes du cycle viral. Dans le but de relier le comportement biologique des virus à leurs propriétés physiques, nous avons utilisé une approche combinant l’imagerie AFM et des mesures mécaniques à l’échelle nanométrique, en lien avec la modélisation physique des capsides virales. Nous avons développé des outils d’analyse automatisée des images et courbes de forces obtenues pour quantifier les propriétés physiques de capsides virales et l’effet du microenvironnement. Nous avons étudié deux virus très différents : le rétrovirus VIH-1, responsable du SIDA et le vecteur AAV, utilisé en thérapie génique. Ce travail a permis la caractérisation des propriétés morphologiques et mécaniques de pseudo-particules virales et de cores du VIH-1, à l’échelle du virus unique et sur des populations de centaines de virus. En nous intéressant à l’effet de la nature de l’ARN encapsidé dans les particules virales in cellulo, nous avons montré un rôle structurant pour l’ARN viral du VIH-1 et en particulier son signal d’encapsidation psi. Enfin, nous avons initié l’étude de l’effet de la retro-transcription (conversion du génome viral ARN en ADN) au sein du core VIH-1 sur la stabilité de celui-ci. L’étude du parvovirus AAV existant sous forme de plusieurs variants naturels (sérotypes) nous a permis de comparer les propriétés physiques des capsides à l’équilibre thermodynamique et hors d’équilibre. En faisant varier le microenvironnement (température et pH), nous avons sondé son influence sur la stabilité des capsides AAV. Nous avons pu montrer en particulier que la capside AAV8 est plus rigide que AAV9 alors que sa stabilité thermique est réduite, en relation avec des propriétés biologiques différentes pour ces deux sérotypes. En outre, la rigidité des capsides AAV8 diminue dans un environnement acide imitant l’endosome tardif, et ceci se traduit par une plus grande stabilité thermique. Enfin, nous avons quantifié l’effet de la longueur et de la nature du génome sur la stabilité des capsides AAV.

Viruses are nanometer size biological parasite, which highjack the cellular machinery of the infected cells to replicate and thereby produce new viruses. A virus consists of a protein capsid, protecting the viral genome, a long polymer of DNA or RNA, and in some cases is surrounded by a lipid envelope. Recent work suggests that the physical properties of viruses are important in order to understand the viral cycle. In order to link the biological behavior of the virus to their physical properties, we used an approach combining AFM imaging and mechanical measurements at the nanometer scale, in connection with the physical modeling of viral capsids. We have developed automated image and force curves analysis tools to quantify the physical properties of viral capsids and the effect of the microenvironment. We have focused on two very different viruses: the HIV-1 retrovirus, responsible for AIDS and the AAV vector used in gene therapy. This work has led to the characterization of the morphological and mechanical properties of virus-like particles and cores of HIV-1 at the single virus level and on populations of hundreds of viruses. Focusing on the effect of the nature of the RNA encapsidated inside the viral particles in cellulo, we have highlighted the structural control of the viral RNA, and more precisely the psi packaging signal, on both HIV-1 VLPs and cores. Finally, we have initiated the study of the effect of reverse transcription (conversion of viral genomic RNA into DNA) within the cores HIV-1 on its stability. The study of parvovirus AAV existing form of several natural variants (serotypes) allowed us to compare the capsid physical properties at thermodynamic equilibrium and out of equilibrium. By varying the microenvironment (temperature and pH), we probed its influence on the stability of the AAV capsid. We have shown in particular that the AAV8 virus is stiffer than AAV9 while thermal stability is reduced, in relation to different biological properties for these two serotypes. In addition, the rigidity of AAV8 capsids decreases in an acidic environment mimicking the late endosome transport, and this results in a higher thermal stability. Finally, we quantified the effect of the length and nature of the confined genome on the thermal stability of AAV capsids.