Etude biophysique et structurale du complexe de réplication des virus à ARN négatif

Functional and structural studies of a RNA replication complex of negative sense RNA virus

• Auteur / Autrice : Ivan Yavorov Ivanov
• Direction : Rob W. H. Ruigrok, Marc Jamin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 02/12/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European molecular biology laboratory (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Joseph Zaccai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rob W. H. Ruigrok, Marc Jamin, Denis Gerlier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Gaudin, Laurent Roux

Mots clés

Mots clés libres

Diffusion de X-Ray aux petits angles

Diffusion de Neutrons aux petits angles

Complexe de replication

Phosphoprotein

Diffusion de lumière et réfractométrie

Small Angle X-Ray Scattering

Small Angle Neutron Scattering

Replication complex

Phosphoprotein

Multi Angle Laser-light Scattering and Refractometrie

Résumé

Les rhabdovirus, dont les virus de la stomatite vésiculaire (VSV) et de la rage (RAV) constituent des prototypes, sont des virus enveloppés dont le génome est constitué d'une seule molécule d'ARN simple brin de polarité négative qui font partie de l'ordre des Mononegavirales (MNV). La machinerie de transcription/réplication de ces virus est constituée de l'ARN génomique et de trois protéines qui sont communes à tous les virus de l'ordre des MNV, la (N) qui encapside le génome viral, la grande sous-unité de l'ARN polymérase ARN dépendante (L) et la phosphoprotéine (P) qui est un cofacteur non-catalytique de la L et sert de chaperonne à la N. Le premier objectif de mon travail de thèse consistait à déterminer la structure cristallographique du domaine de dimérisation de la phosphoprotéine du virus de la rage. La P des rhabdovirus est une protéine modulaire qui contient deux régions intrinsèquement désordonnée, un domaine central responsable la dimérisation et un domaine C-terminal responsable de la fixation sur la matrice N-ARN. Le modèle atomique obtenu à une résolution de 1.5A montre que la structure est très différente de celle du domaine correspondant chez VSV. Le second objectif de mon travail était la caractérisation structurale de la grande sous-unité L de la polymérase du virus de la stomatite vésiculaire. Cette enzyme de 2109,aa, possède six régions conservées. Le domaine conservé III comprend les régions impliquées dans l'activité de polymérisation et les domaines V et VI sont responsables de la formation de la coiffe des ARNm. Plusieurs stratégies ont été envisagées successivement. (1) Sur la base de prédictions de structures secondaires et de prédictions de désordre, nous avons essayé d'exprimer différents fragments en système d'expression bactérien. Les constructions testées se sont avérées insolubles et certaines d'entre elles fixaient GroEL, indiquant un problème de repliement. (2) Nous avons alors essayé d'exprimer la L seule ou en complexe avec la P en système d'expression eucaryote. La purification s'est avérée impossible, la protéine L restant toujours associées à des protéines cellulaires visibles par coloration au bleu de Coommassie. (3) Finalement nous avons réussi à purifier la polymérase à partir de virus entier. La préparation de la polymérase était très homogène et a permis d'entreprendre une caractérisation par microscopie électronique. Une classification d'images a permis de construire un premier modèle à basse résolution. Le modèle révèle la présence d'un domaine annulaire avec plusieurs domaines structurés attachés au coeur de la polymérase. La cryo-microscopie électronique et la tomographie permettront d'obtenir plus de détails sur cette protéine.

Rhabdoviruses, including vesicular stomatitis virus (VSV) and rabies virus (RAV), are enveloped viruses which genome is made of a single molecule of negative-sense RNA and are classified in the order Mononegavirales (MNV). The transcription/replication machinery of these viruses consists of the genomic RNA and of three proteins, which are common to all other viruses of the order MNV, a nucleoprotein (N) that encapsidates the viral genome, a large subunit of the RNA-dependent RNA polymerase (L) and a phosphoprotein (P) that acts as a non-catalytic cofactor of L and a chaperone of N. The first goal of my research project was to determine the crystallographic structure of the dimerization domain of the rabies virus phosphoprotein. The P protein of the rhabdoviruses is a modular protein, which contains two intrinsically disordered regions, a central dimerization domain and a C-terminal domain involved in binding to the N-RNA template. The atomic model obtained at a resolution of 1.5 A showed that the structure is different from that of the corresponding domain of VSV. The second goal was the structural characterization of the large subunit L of VSV polymerase. The enzyme of 2109 aa has six conserved regions. Conserved region III includes the residues involved in the RNA synthesis activity, whereas domains V and VI are involved in mRNA capping formation. Three strategies were successively developed: (1) On the basis of secondary structure and disorder predictions, we tried to express different fragments in bacterial expression systems. These constructions appeared to be insoluble and some of them bound GroEL suggesting a folding problem; (2) We tried to express L alone or co-express it with P in eukaryotic expression system. The purification appeared to be impossible, the L protein always remaining associated with host-cell proteins in amounts detectable by Coommassie staining; (3) We succeeded in purifying the L protein from the virus. The L samples were homogenous and allowed a characterization by electron microscopy. Image classes allowed the reconstruction of a first low-resolution model. This model revealed the presence of a large ring-like domain and several globular domains. Cryo-electron microscopy and tomography should lead to a more detailed description of this protein.