Dynamique structurale et fonctionnelle du domaine C-terminal de la protéine PB2 du virus de la grippe A

Structural and functional dynamics of the C-terminal domain of the Influenza A protein PB2

• Auteur / Autrice : Elise Delaforge
• Direction : Martin Blackledge, Darren Hart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 04/12/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Kieffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Receveur-Bréchot, Pau Bernadó
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cameron Mackereth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions protéine-protéine

Grippe aviaire

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Grippe

Adaptation inter especes

Dynamique

Domaines

Proteine

Resonance magnetique nucleaire (RMN)

Influenza

Inter species adaptation

Domain motion

Protein dynamics

Nuclear magnetic resonance (NMR)

Résumé

La capacité du virus de la grippe aviaire à traverser la barrière des espèces et à devenir fortement pathogène chez les mammifères est un problème majeur de santé publique. Chez les oiseaux, la réplication a lieu dans l'intestin, à 4C, tandis que chez les humains elle a lieu dans l'appareil respiratoire, plus froid, à 33C. Il a été montré que l'adaptation à la température du virus de la grippe a lieu par de nombreuses mutations de la polymérase virale, notamment dans le domaine 627-NLS situé en C-terminal de la protéine PB2. Ce domaine est impliqué dans l'adaptation à l'hôte et interagit avec la protéine de l'hôte, importine alpha, étant donc indispensable pour l'entrée de la polymérase virale dans le noyau de la cellule [Tarendeau et al., 2008]. Les structures cristallographiques du 627-NLS et du complexe importine alpha/NLS existent. Cependant, lors de la superposition de ces structures via leur domaine NLS commun, un important choc stérique entre le domaine 627 et l'importine alpha devient évident. Ceci indique qu'une autre conformation du 627-NLS est requise pour l'interaction avec l'importine alpha [Boivin and Hart, 2011]. Dans cette étude, nous avons examiné les bases moléculaires de l'adaptation inter-espèces du virus à travers l'étude de la structure et de la dynamique du 627-NLS aviaire et humain. Nous avons identifié deux conformations du 627-NLS en échange lent (10-100 s-1), correspondant apparemment à une conformation ouverte et une conformation fermée des deux domaines. Nous proposons que la conformation ouverte du 627-NLS est la seule conformation compatible avec l'interaction avec l'importine alpha, et que l'équilibre entre conformation ouverte et fermée pourrait jouer le rôle de thermostat moléculaire, contrôlant l'efficacité de la réplication virale chez différents hôtes. La cinétique et la dynamique de ce comportement conformationnel important ainsi que de l'interaction entre le 627-NLS et l'importine alpha ont été caractérisées par résonance magnétique nucléaire (déplacements chimique, augmentation paramagnétique de la relaxation, relaxation de spin, transfert de saturation par l'échange chimique), combinée à la diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles ainsi qu'au transfert d'énergie par résonance de type Förster. Aussi, nous avons déterminé les affinités d'une série de mutants évolutifs du 627-NLS pour l'importine alpha et du 627-NLS aviaire ou humain pour différents isoformes de l'importine alpha, montrant que les affinités observées sont cohérentes avec les préférences d'interactions vues in vivo.

The ability of avian influenza viruses to cross the species barrier and become dangerously pathogenic to mammalian hosts represents a major threat for human health. In birds the viral replication is carried out in the intestine at 40°C, while in humans it occurs in the cooler respiratory tract at 33°C. It has been shown that temperature adaption of the influenza virus occurs through numerous mutations in the viral polymerase, in particular in the C-terminal domain 627-NLS of the PB2 protein. This domain has already been shown to participate in host adaptation and is involved in importin alpha binding and therefore is required for entry of the viral polymerase into the nucleus [Tarendeau et al., 2008]. Crystallographic structures are available for 627-NLS and the complex importin alpha/NLS, however, a steric clash between importin alpha and the 627 domain becomes apparent when superimposing the NLS domain of the two structures, indicating that another conformation of 627-NLS is required for binding to importin alpha [Boivin and Hart, 2011]. Here we investigate the molecular basis of inter-species adaptation by studying the structure and dynamics of human and avian 627-NLS. We have identified two conformations of 627-NLS in slow exchange (10-100 s-1), corresponding to an apparently open and closed conformation of the two domains. We show that the equilibrium between closed and open conformations is strongly temperature dependent. We propose that the open conformation of 627-NLS is the only conformation compatible with binding to importin alpha and that the equilibrium between closed and open conformations may play a role as a molecular thermostat, controlling the efficiency of viral replication in the different species. The kinetics and domain dynamics of this important conformational behaviour and of the interaction between 627-NLS and importin alpha have been characterized using nuclear magnetic resonance chemical shifts, paramagnetic relaxation enhancement, spin relaxation and chemical exchange saturation transfer, in combination with X-ray and neutron small angle scattering and Förster resonance energy transfer. Also, we have determined the affinities of various evolutionnary mutants of 627-NLS to importin alpha and of avian and human 627-NLS to different isoforms of importin alpha, showing that the observed affinities are coherent with the preferred interactions seen in vivo.