Role of HIV-1 Gag protein multimerization in the generation of nanodomains in lipid membranes

par Naresh Yandrapalli

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Cyril Favard.

  • Titre traduit

    Rôle de la multimérisation de la protéine Gag du HIV-1 dans la génération de nanodomaines lipidiques membranaires


  • Résumé

    La polyprotéine Gag du VIH-1 qui contient quatre principaux domaines (Matrix (MA), capside (CA), nucléocapside (NC), et P6) est l’orchestrateur privilégié de l'assemblage du virus HIV-1, assemblage qui a lieu pendant la phase tardive de la réplication. Il est bien connu que Gag interagit avec les lipides de la membrane plasmique de la cellule hôte et s’auto-assemble sur le feuillet interne de cette dernière afin de générer de nouvelles particules virales. Le bourgeonnement de ces particules virales hors de la cellule hôte est décrit comme étant dépendant de la machinerie cellulaire ESCRT. Différentes études structurales, fonctionnelles ainsi que des simulations de dynamique gros grain ont montré que la liaison de Gag à la membrane est médiée par une interaction duale. Une spécifique de nature éléctrostatique, qui associe une région hautement basique (HBR) du domaine MA de Gag au lipide acide,phosphatidyl inositol biphosphate (PI(4,5)P2) du feuillet interne de la membrane plasmique. Une de type hydrophobe, qui consiste en l’insertion du myristate de Gag dans la membrane plasmique. Savoir si Gag reconnait spécifiquement des domaines lipidiques pré-existants de type « rafts » ou si, au contraire, Gag tri ses lipides et les réorganise latéralement afin d’optimiser sa multimérisation et son bourgeonnement est une question à la fois fondamentale et d’actualité en virologie.Durant ma thèse, j’ai vérifié l’existence de la seconde hypothèse en utilisant des membranes modèles contenant du PI (4,5) P2 marqué de façon fluorescente et différent mutants et produits de la protéine Gag non-myristoylée. Ces expériences ont montré de fortes affinités de ces protéines pour les membranes contenant du PI (4,5) P2. S’appuyant sur les propriétés d’auto-extinction de fluorescence du marqueur choisit et à l’aide des différents variants de la protéine Gag, j'ai pu montré que la multimérisation de Gag génère l’existence de nanodomaines contenant du PI (4, 5) P2 et du cholestérol, la sphingomyéline étant au contraire exclue de ces domaines. En marquant la protéine Gag par un autre fluorophore, j’ai pu montrer par microscopie optique sur des vésicules lipidiques géantes (GUVs) que la protéine Gag partitionnait préférablement dans des microdomaines lipidiques de type liquide désordonnés (Ld). Par la suite, j’ai testé la capacité de la protéine Gag d’induire la formation de vésicules sur des membranes modèles (Bicouches supportés et GUVs) contenant du PI(4,5) P2 et de la phosphatidyl sérine (PS). En utilisant une microbalance à cristal de quartz (QCM-D) et des techniques de microscopie de fluorescence, j’ai suivi l'auto-assemblage de Gag dans le temps et ai montré que la protéine Gag était suffisante pour générer une courbure de la membrane et libérer des vésicules lipidiques. Grâce à différents produits de maturation de cette protéine, j’ai montré que la présence des domaines MA et CA est suffisante pour produire ces vésicules.L’ensemble de ces résultats suggèrent que la liaison et la multimérisation de la protéine Gag ne se produit pas dans des domaines lipidiques préexistants de type « raft », mais, au contraire, que la liaison et multimérisation de la protéine Gag génère l’existence de domaines lipidiques enrichis en PI (4,5) P2 et en cholestérol. La générescence de ces domaines lipidiques pourrait participer à la courbure de la membrane plasmique nécessaire au bourgeonnement du virus.


  • Résumé

    Gag polyprotein of HIV-1 is made of four main domains Matrix (MA), Capsid (CA), Nucleocapsid (NC), and P6 and is the prime orchestrator of virus assembly that occurs during the late phase of replication. It is well known that Gag interacts with host cell lipids and self-assemble along the inner-leaflet of the plasma membrane in order to generate virus like particles (VLPs). Budding of these VLPs out of the living cell is described to be ESCRT dependent. Structural, functional and simulation based studies has shown that Gag membrane binding is mediated by a bipartite interaction. One specific electrostatic interaction, between the highly basic region (HBR) of its MA domain and the host cell acidic lipid phosphatidyl inositol bisphophate (PI(4,5)P2), plus a hydrophobic interaction through Gag’s myristate insertion in the plasma membrane. It is still an opened question whether Gag would specifically recognize pre-existing lipid domains such as rafts to optimize its multimerization or, on the contrary, would reorganize lipids during its multimerization. During my Ph.D. I explored the second hypothesis using purified myr(-) Gag protein and model membranes containing fluorescently labelled PI(4,5)P2.Bonding experiments have shown strong affinities of these purified proteins towards PI(4,5)P2 containing lipid bilayers. Using PI(4,5)P2 fluorescence self-quenching properties, I found that multimerization Gag generates PI(4,5)P2/Cholesterol enriched nanoclusters. On the opposite, sphingomyelin was excluded from these nanoclusters. In addition to this, using a fluorescently labelled myr(-) Gag, I have observed its preferable partitioning into lipid disordered (Ld) phases of giant unilamellar vesicles (GUVs). Further, possibility of whether HIV-1 Gag alone, as a minimal system, can induce the formation of vesicles on PI(4,5)P2/PS containing supported lipid bilayers (SLBs) & GUVs was tested. Using quartz crystal microbalance (QCM-D) and fluorescence microscopy techniques, I monitored the self-assembly of HIV-1 Gag with time and found that Gag was sufficient to generate membrane curvature and vesicle release. Moreover, using mutants of this protein, I found that having MA and CA domain is enough for Gag to produce vesicle like structures. Taken together, these results suggest that binding and multimerization of Gag protein does not occur in pre-existing lipid domains (such as “rafts”) but this multimerization is more likely to induce PI(4,5)P2/Cholesterol nanoclusters. This nanophase separation could locally play a role in the membrane curvature needed for the budding of the virus.


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