Caractérisation biochimique et structurale de la protéine IFITM3, un facteur de restriction antiviral du système immunitaire inné

par Géraldine Mayeux

Thèse de doctorat en Biologie structurale et nanobiologie

Sous la direction de Winfried Weissenhorn.

Le président du jury était Marc Jamin.

Les rapporteurs étaient Andrea Cimarelli.


  • Résumé

    Les protéines IFITM (« InterFeron Inducible TransMembrane proteins »), et en particulier les membres 1, 2 et 3, sont des facteurs de restriction antiviraux dont l’expression est induite par le système immunitaire inné en réponse à une infection virale. Elles inhibent la réplication de nombreux virus pathogènes pour l’homme parmi lesquels figurent le virus de la grippe A, le VIH (Virus de l’Immunodéficience Humaine) de type 1 ou encore le virus de l’hépatite C. Ces virus entrent dans la cellule hôte, soit par fusion directe avec la membrane plasmique, soit par la voie de l’endocytose. Il est à présent communément admis que les protéines IFITM, localisées au sein des membranes plasmiques et endolysosomales, agissent en inhibant la fusion des membranes virales et cellulaires, empêchant par conséquent l’entrée du virus dans la cellule et donc sa réplication. D’autre part, dans le cas du VIH, leur incorporation dans les particules virales produites par la cellule hôte diminuerait la capacité de ces particules à infecter de nouvelles cellules cibles. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels les protéines IFITM interfèrent avec le cycle viral ne sont pas encore clairement définis.Parmi les membres de la famille IFITM, IFITM3 est celui qui présente l’effet antiviral le plus systématique selon les différentes études. Il constitue donc un modèle de référence pour étudier la famille IFITM.Déterminer la structure ainsi que la topologie membranaire d’IFITM3 sous sa forme active rendrait alors possible la réalisation d’études fonctionnelles, dont les résultats contribueraient sans nul doute à élucider le(s) mécanisme(s) par le(s)quel(s) IFITM3 exerce son activité antivirale.C’est pourquoi, nous nous sommes tout d’abord attelés à reconstituer IFITM3 au sein de membranes artificielles (liposomes, nanodisques), car contrairement aux micelles de détergent, ces membranes artificielles peuvent mimer l’environnement natif des protéines membranaires et par conséquent, offrir de plus grandes chances de les y étudier sous leur forme active. Nous avons ensuite procédé à la caractérisation biochimique et biophysique d’IFITM3 et avons mis en évidence la formation de dimère de la protéine ainsi que de plus grandes espèces oligomériques. L’analyse structurale d’IFITM3 reconstituée en nanodisques par RMN nous a quant à elle permis d’identifier une courte région hélicoïdale dans la région N-terminale extramembranaire d’IFITM3 encore jamais décrite auparavant et pouvant correspondre à un motif d’internalisation. Nous avons en outre observé, par microscopie électronique à coloration négative, de potentiels effets d’IFITM3 sur la courbure de la membrane de liposomes qui pourraient être à l’origine de son action inhibitrice sur la fusion virale. Et enfin, nous avons montré au travers d’expériences TEVC que lorsqu’IFITM3 est présente dans l’environnement extracellulaire d’ovocytes de xénope, celle-ci est capable d’engendrer des fuites ioniques au travers de la membrane des ovocytes qui pourraient résulter soit, d’une déstabilisation de la membrane par IFITM3 soit, d’une formation de pores membranaires par la protéine.

  • Titre traduit

    Biochemical and structural characterization of the innate immune antiviral restriction factor IFITM3


  • Résumé

    The host cell first line of defence against viral infections induces the production of interferons. These interferons are then released in the surrounding medium where they bind to target cells and induce the expression of hundreds of genes so called interferon-stimulated genes (ISGs). The interferon inducible transmembrane proteins IFITM are part of the products of these ISGs. IFITM1, 2 and 3 are antiviral factors able to restrict the replication of a broad variety of enveloped viruses, such as influenza virus, HIV-1 (Human Immunodeficiency Virus) and Hepatitis C virus. These viruses enter in the host cell either by direct fusion with the cell membrane or by endocytosis. IFITM proteins contain two membrane regions for insertion or interaction with plasma and endolysosomal membranes where they block the fusion of virus particles with cellular membranes by a mechanism which is still undefined. In addition, their incorporation into new HIV virions, in virus producing cells, has been correlated with decreased infectivity.Among the IFITM protein family members, IFITM3 is the one showing the most recurrent antiviral effect in the different studies. Therefore it represents a good model to study the whole IFITM family.The determination of its structure and membrane topology is crucial to be able to clarify, through structure-based functional studies, the mechanism(s) by which IFITM3 interfere with the viral cycle.Here we characterized and we studied IFITM3 structure and membrane topology in a lipidic environment close to its native environment such as liposomes and nanodiscs. We demonstrated that IFITM3 can self-associate to form at least a dimer. Some higher order associations of IFITM3 have been observed after its reconstitution into liposomes and big size nanodiscs. We discovered by NMR in solution that the N-terminal region of IFITM3 contains a small helical region, never described until now, which could correspond to an internalization motif. We also observed by negative staining electron microscopy some liposomal membrane curvature changes that could be assigned to the presence of IFITM3 in these liposomes. And we discovered through TEVC experiments that IFITM3 addition in the extracellular environment of xenopus oocytes produces ion leaks through the oocyte membrane which could result either from membrane destabilization or from a pore formation.


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