Études structurales et fonctionnelles des syncytines humaines : aperçu sur les mécanismes de fusion cellulaire placentaire

Structural and functional studies on human syncytins : insight into the molecular mechanisms of placental cell-cell fusion

• Auteur / Autrice : Catharina Ruigrok
• Direction : Félix Rey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale
• Date : Soutenance le 15/02/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Winfried Weissenhorn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Winfried Weissenhorn, Jose L. Nieva, Marija Backovic, Aurélie Albertini, Anne Dupressoir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Winfried Weissenhorn, Jose L. Nieva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion membranaire

Rétroviridés

Placenta

Mots clés libres

Syncytines

Protéines de fusion

Structure cristallographique

Erv

Placenta

Rétrovirus

Fusion membranaire

Syncytins

Fusion proteins

X-Ray structure

Erv

Placenta

Retrovirus

Membrane fusion

Résumé

Les syncytines sont des protéines cellulaires fusogènes impliquées dans la morphogenèse du placenta en 1) induisant la fusion des cytotrophoblastes (CTBs), les cellules progénitrices du placenta, formant le syncytium responsable de l'échange des gaz et des métabolites entre le foetus et la mère, et 2) entraînant l'invasion des CTBs, la réorganisation des vaisseaux sanguins maternels et leur assimilation au placenta. Les syncytines sont des vestiges d'anciennes infections rétrovirales au cours desquelles les gènes codant pour les protéines virales d'enveloppe ont été intégrés à l'ADN germinal de l'hôte. Leur architecture est caractéristique des protéines de fusion des gamma-rétrovirus. Cependant la connaissance des mécanismes moléculaires de la fusion induite par les syncytines se limite à quelques études de mutagenèse. Les maigres informations structurales reposent quant à elles uniquement sur la structure en conformation post-fusion, d'un fragment de la syncytine 2 dépourvue d'une partie de l'hélice N et de la totalité de l'hélice C. L'objectif de ma thèse était d'étudier les relations structure-fonction des syncytines humaines dans le but de mieux appréhender les mécanismes moléculaires de la fusion membranaire induite par les syncytines. Pour cela, j'ai réalisé des caractérisations biochimiques et fonctionnelles de syncytines humaines, les syncytines 1 et 2, et résolu la structure cristallographique de leur domaine transmembranaire en conformation post-fusion. Leur comparaison révèle que les syncytines humaines présentent une similarité importante avec les protéines d'enveloppe des gamma-rétrovirus et aux protéines de fusion des filovirus et reptarénavirus, qui ont toutes en commun un trimère d'hélices-alpha torsadées et le repliement en faisceau de six hélices-alpha, motif caractéristique de la plupart des protéines virales de fusion de classe I. Deux réseaux d'interactions polaires, orthogonaux et conservés ont été identifiés, permettant de proposer un mécanisme potentiel de stabilisation de la conformation post-fusion des protéines de fusion exprimées par les rétrovirus et filovirus. Les études fonctionnelles, basées sur les données structurales obtenues pour la syncytine 1, indiquent un mécanisme de fusion similaire à celui des protéines d'enveloppe des gamma-rétrovirus, comme celles du virus de la leucémie murine. Les efforts consentis au cours de ma thèse pour exprimer et stabiliser les ectodomaines entiers de syncytines, apportent une plus-value indéniable à nos efforts pour piéger les syncytines dans une conformation trimérique pré-fusionnelle, et ces travaux seront poursuivis.

Syncytins are cellular fusogens that mediate placenta morphogenesis by 1) inducing merger of cytotrophoblasts (CTB), the placenta-progenitor cells, forming a syncytium that allows exchange of gases and metabolites between fetus and mother, and 2) by driving the CTB invasion and reorganization of maternal blood vessels for assimilation into placenta. Syncytins are remnants of ancient retroviral infections during which the genes encoding the fusion envelope proteins (Env) integrated into the host germ-line DNA. The organization of syncytins is typical for the fusion proteins of gamma-retroviruses, but knowledge of the molecular mechanisms of syncytin-induced fusion is limited to a couple of mutagenesis studies. Structural information has been restricted to one post-fusion structure of a syncytin 2 fragment, lacking a part of N-helix and entire C-helix. The goal of my thesis was to investigate the structure-function relationship of human syncytins in order to understand better the molecular mechanism of syncytin-induced membrane fusion. I carried out biochemical and functional characterization of human syncytins, syncytin 1 and syncytin 2, and determined the X-ray structures of their transmembrane-subunit ectodomains in post-fusion conformation. Comparative structural analyses revealed that human syncytins resemble the most Env proteins of gamma-retroviruses and the fusion proteins of otherwise unrelated filoviruses and reptarenaviruses, all of which have in common the coiled-coils organized into six-helical bundles, fold typical for most class I type viral fusion. We identified two orthogonal, conserved networks of polar interactions that indicate a potentially common stabilization mechanism of the post-fusion fold of fusion proteins expressed by retroviruses and filoviruses. Results of the functional studies, designed based on the obtained structural information on syncytin 1, indicated a fusion mechanism that is similar to the one of gamma-retroviral Envs, such as expressed by murine leukemia virus. The results obtained for expression and stabilization of entire syncytin ectodomains have advanced our efforts in trapping syncytins in pre-fusion, trimeric conformation, and these studies will be continued.