Biologie des flavivirus émergents Zika et Dengue : importance de la protéine structurale M

Biology of emerging flaviviruses Zika and Dengue : importance of the structural protein M

• Auteur / Autrice : Jason Decotter
• Direction : Gilles Gadéa, Philippe Desprès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie moléculaire
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Processus infectieux en milieu insulaire tropical (Saint-Denis, Réunion) - Processus Infectieux en Milieu Insulaire Tropical / PIMIT
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Gonthier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Courageot, Vincent Lotteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Chazal, Didier Hober

Mots clés

Mots clés contrôlés

Virus Zika

Dengue

Mots clés libres

Flavivirus

Dengue

Zika

Protéine de membrane (prM/M)

Protéine d'enveloppe (E)

Peptides apoptotiques

Flavivirus

Dengue

Zika

Membrane protein (prM/M)

Envelope protein (E)

Apoptotic peptides

Résumé

Le virus Zika (ZIKV) et le virus de la Dengue (DENV) sont des arbovirus majeurs en termes de santé publique. Appartenant au genre flavivirus (famille Flaviviridae), ZIKV et DENV sont principalement transmis par les moustiques du genre Aedes. Au cours des 30 dernières années, l'émergence des flavivirus n’a fait que croître avec une augmentation de répartition géographique, en particulier dans les régions tropicales et subtropicales de la planète. ZIKV se distingue en deux lignées principales, asiatique et africaine, qui présentent une pathogenèse et des réponses moléculaires distinctes. La lignée asiatique contenant pratiquement toutes les souches ayant provoqué des émergences épidémiques. DENV est classé en plusieurs génotypes et en quatre sérotypes antigéniquement distincts : DENV-1, DENV-2, DENV-3 et DENV-4. Les épidémies récentes de dengue ayant lieu dans les régions tropicales étant principalement associées au sérotype DENV-2 et à la distribution géographique croissante du génotype Cosmopolitan. Au cours de la dernière décennie, les territoires du sud-ouest de l'océan Indien (SOOI) ont connu des épidémies fulgurantes de dengue, avec plusieurs dizaines de milliers de cas d’infection signalés à l'île de La Réunion entre 2018 et 2023. La présence de moustiques vecteurs et de conditions environnementales favorables serait propice à l’endémicité de DENV et une potentielle introduction de ZIKV sur l’île de La Réunion. Devant ce constat, l’UMR PIMIT a lancé plusieurs programmes de recherche portant sur l’étude des protéines virales connues pour leur rôle dans le pouvoir pathogène des flavivirus DENV et ZIKV. Dans le cadre de ma thèse, mes travaux se sont focalisés sur l’étude des protéines structurales de membrane (prM/M) et d’enveloppe (E) de ces virus, qui sont connues pour être essentielles d’une part dans la structuration de la particule virale et son infectiosité, et d’autre part dans les interactions hôte-pathogène et l’activation de la réponse immunitaire. L'analyse moléculaire des souches asiatiques et africaines de ZIKV, nous a permis d'identifier la substitution de trois résidus aux positions E-152, E-156 et E-158 dans la boucle de glycosylation (GL) de la protéine E. Mes travaux ont démontré le rôle majeur des résidus E-152/156/158 dans la réactivité antigénique de la GL de ZIKV, leur substitution entraînant une perte du motif de glycosylation et des changements conformationnels perturbant la reconnaissance de la protéine E par des anticorps neutralisants. La protéine prM/M des flavivirus qui sert de chaperon pour le bon repliement de la protéine E, semble être le support de déterminants viraux associés à la pathogénicité des flavivirus. L’ectodomaine de la protéine M contient un peptide pro-apoptotique que nous avons nommé ZAMP chez ZIKV, et D2AMP chez DENV-2. Nous avons démontré pour la première fois à notre connaissance qu’une activité pro-apoptotique était associée aux peptides, ZAMP et D2AMP, tout en démontrant le rôle important des résidus M-33/35/38 dans cette activité pro-apoptotique. Par ailleurs, une grande partie de mes travaux s’est concentrée sur la caractérisation des protéines prM et E des souches virales DENV-2 du génotype Cosmopolitan retrouvées dans la région SOOI. Nous avons démontré que la nature du résidu en position M-36 de la protéine M impact le comportement biologique des protéines prM/M et E. Nos résultats révèlent que la substitution d’un résidu Ile en Val à la position M-36 affecte l’expression et la cytotoxicité de la glycoprotéine E exprimée comme un complexe prME et la capacité de l’oligopeptide D2AMP à activer la voie apoptotique. L’ensemble de mes travaux de thèse apportent de nouvelles connaissances sur les caractéristiques biologiques des protéines structurales prM et E, qui permettront de mieux comprendre le pouvoir pathogène des flavivirus ZIKV et DENV.

Zika virus (ZIKV) and Dengue virus (DENV) are major arboviruses in terms of public health. Belonging to the flavivirus genus (family Flaviviridae), ZIKV and DENV are mainly transmitted by Aedes mosquitoes. Over the last 30 years, the emergence of flaviviruses has constantly increased, with a growing geographical distribution, particularly in tropical and subtropical regions of the world. ZIKV can be divided into two main lineages, Asian and African, with distinct pathogenesis and molecular responses. The Asian lineage contains almost all the strains that have caused epidemic outbreaks. DENV is classified into several genotypes and four antigenically distinct serotypes: DENV-1, DENV-2, DENV-3 and DENV-4. Dengue recent epidemics in tropical regions are mainly associated with the DENV-2 serotype and the increasing geographical distribution of the Cosmopolitan genotype. Over the past decade, the south-west Indian Ocean territories (SOOI) have experienced dramatic epidemics of dengue fever, with tens of thousands of infection cases reported in La Réunion between 2018 and 2023. The presence of mosquito vectors and suitable environmental conditions would be propitious to the endemicity of DENV and the potential introduction of ZIKV in La Réunion. In response, the UMR PIMIT lab has launched several research programs focusing on the study of viral proteins known to play a role in the pathogenicity of DENV and ZIKV flaviviruses. As part of my thesis, my work focused on the study of the structural membrane (prM/M) and envelope (E) proteins of these viruses, which are known to be essential in one hand for the structure of the viral particle and its infectivity, and in other hand for host-pathogen interactions and the activation of the immune response. Molecular analysis of Asian and African strains of ZIKV has allowed us to identify the substitution of three residues at positions E-152, E- 156 and E-158 in the glycosylation loop (GL) of the E protein. My work demonstrated the major role of residues E-152/156/158 in the antigenic reactivity of the ZIKV GL, as their substitution leads to a loss of the glycosylation motif and conformational changes that disrupt the recognition of the E protein by neutralizing antibodies. The flavivirus prM/M protein, which acts as a chaperone for the correct folding of the E protein, appears to be the support of viral determinants associated with the pathogenicity of flaviviruses. The ectodomain of the M protein contains a pro-apoptotic peptide that we have named ZAMP in ZIKV and D2AMP in DENV-2. We demonstrated for the first time to our knowledge that pro-apoptotic activity was associated with the peptides ZAMP and D2AMP, while also demonstrating the important role of residues M-33/35/38 in this pro-apoptotic activity. Furthermore, a large part of my work focused on the characterization of the prM and E proteins of DENV-2 viral strains of the Cosmopolitan genotype found in the SOOI region. We demonstrated that the nature of the residue at position M-36 of the M protein has an impact on the biological behavior of the prM/M and E proteins. Our results reveal that the substitution of an Ile residue for Val at position M-36 affects the expression and cytotoxicity of the E glycoprotein expressed as a prME complex and the ability of the D2AMP oligopeptide to activate the apoptotic pathway. Taken together, my thesis work provides new insights into the biological characteristics of the structural proteins prM and E, which will help us to better understand the pathogenicity of the Cosmopolitan genotype flaviviruses ZIKV and DENV-2 found in the SOOI region.