Étude de la sortie du virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) hors du noyau

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire.

Caractérisation de la migration du virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1) par protéomique

Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1), agent étiologique des feux sauvages, possède une structure multicouche comprenant une capside icosaédrale qui protège le génome viral d’ADN, une couche protéique très structurée appelée tégument et une enveloppe lipidique dérivant de la cellule hôte et parsemée de glycoprotéines virales. Tous ces constituants sont acquis séquentiellement à partir du noyau, du cytoplasme et du réseau trans-golgien. Cette structure multicouche confère à HSV-1 un potentiel considérable pour incorporer des protéines virales et cellulaires. Toutefois, l’ensemble des protéines qui composent ce virus n’a pas encore été élucidé. De plus, malgré son rôle critique à différentes étapes de l’infection, le tégument demeure encore mal défini et ce, tant dans sa composition que dans la séquence d’addition des protéines qui le composent. Toutes ces incertitudes quant aux mécanismes impliqués dans la morphogenèse du virus nous amènent à l’objectif de ce projet, soit la caractérisation du processus de maturation d’HSV-1. Le premier article présenté dans cette thèse et publié dans Journal of Virology s’attarde à la caractérisation protéique des virus extracellulaires matures. Grâce à l’élaboration d’un protocole d’isolation et de purification de ces virions, une étude protéomique a pu être effectuée. Celle-ci nous a permis de réaliser une cartographie de la composition globale en protéines virales des virus matures (8 protéines de la capside, 23 protéines du tégument et 13 glycoprotéines) qui a fait la page couverture de Journal of Virology. De plus, l’incorporation potentielle de 49 protéines cellulaires différentes a été révélée. Lors de cette étude protéomique, nous avons aussi relevé la présence de nouveaux composants du virion dont UL7, UL23, ICP0 et ICP4. Le deuxième article publié dans Journal of General Virology focalise sur ces protéines via une analyse biochimique afin de mieux comprendre les interactions et la dynamique du tégument. Ces résultats nous révèlent que, contrairement aux protéines ICP0 et ICP4, UL7 et UL23 peuvent être relâchées de la capside en présence de sels et que les cystéines libres jouent un rôle dans cette relâche. De plus, cet article met en évidence la présence d’ICP0 et d’ICP4 sur les capsides nucléaires suggérant une acquisition possible du tégument au noyau. La complexité du processus de morphogenèse du virus ainsi que la mise en évidence d’acquisition de protéines du tégument au noyau nous ont incités à poursuivre nos recherches sur la composition du virus à un stade précoce de son cycle viral. Les capsides C matures, prémisses des virus extracellulaires, ont donc été isolées et purifiées grâce à un protocole innovateur basé sur le tri par cytométrie en flux. L’analyse préliminaire de ces capsides par protéomique a permis d’identifier 28 protéines virales et 39 protéines cellulaires. Les données recueilles, comparées à celles obtenues avec les virus extracellulaires, suggèrent clairement un processus séquentiel d’acquisition des protéines du tégument débutant dans le noyau, site d’assemblage des capsides. Finalement, tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation d’HSV-1 via l’utilisation de techniques variées et innovatrices, telles que la protéomique et la cytométrie en flux, pouvant être appliquées à d’autres virus mais aussi permettre le développement de meilleurs traitements pour vaincre l’HSV-1.

Analyse des protéines cellulaires incorporées dans les particules matures du virus de l’Herpès simplex de type 1

Les virus exploitent la machinerie cellulaire de l’hôte de façon très variée et plusieurs types vont même jusqu’à incorporer certaines protéines cellulaires. Nous avons récemment effectué la première analyse protéomique du virion mature de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1), ce qui nous a permis de déterminer que jusqu’à 49 protéines cellulaires différentes se retrouvaient dans ce virus (Loret, S. et al. (2008). "Comprehensive characterization of extracellular herpes simplex virus type 1 virions." J Virol 82(17): 8605-18.). Afin de déterminer leur importance dans le cycle de réplication d’HSV-1, nous avons mis au point un système de criblage nous permettant de quantifier le virus produit et relâché dans le milieu extracellulaire en utilisant un virus marqué à la GFP ainsi que des petits ARN interférents (pARNi) ciblant spécifiquement ces protéines cellulaires. Cette approche nous a permis de démontrer que 17 des protéines identifiées précédemment jouaient un rôle critique dans la réplication d’HSV-1, suggérant ainsi que leur incorporation dans le virus n’est pas aléatoire. Nous avons ensuite examiné le rôle d’une de ces protéines, DDX3X (DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 3, X-linked), une protéine multifonctionnelle connue pour son implication dans les cycles de réplication de plusieurs virus humains. À l’aide de pARNi ainsi que de différentes lignées cellulaires, dont une lignée DDX3X thermosensible, nous avons démontré que l’inhibition de DDX3X résultait en une diminution du nombre de capsides intracellulaires et induisait une importante diminution de l’expression des gènes viraux. Nous avons aussi démontré que la fraction de DDX3X incorporée dans le virion contribuait activement au cycle infectieux d’HSV-1. Ces résultats confirment l’intérêt de notre approche afin d’étudier les interactions hôte-pathogène en plus de démontrer la contribution des protéines cellulaires incorporées à HSV-1 dans l’infection virale.

Herpes simplex virus type 1 and Alzheimer's disease: the autophagy connection.

The causes of Alzheimer's disease (AD) and of the characteristic pathological features—amyloid plaques and neurofibrillary tangles—of AD brain are unknown, despite the enormous resources provided over the years for their investigation. Indeed, the only generally accepted risk factors are age, Down syndrome, carriage of the type 4 allele of the apolipoprotein E gene (APOE-e 4), and possibly brain injury. Following the authors' previous studies implicating herpes simplex virus type 1 (HSV1) in brain of APOE-e 4 carriers as a major cause of AD, the authors propose here, on the basis of their and others' recent studies, that not only does HSV1 generate the main components of amyloid plaques and neurofibrillary tangles (NFTs)—ß -amyloid (Aß) and abnormally phosphorylated tau but also, by disrupting autophagy, it prevents degradation of these aberrant proteins, leading to their accumulation and deposition, and eventually to AD.

Mutagenicity of herpes simplex virus type 1 in a shuttle vector

The shuttle vector plasmid pZ189 was used to find the kinds of mutations that are induced by herpes simplex virus type-1 (HSV-1). In cells infected by HSV-1 the frequency of mutation in supF gene, the mutagenesis marker, was increased over background by from two- to seven-fold, reaching 0.14-0.45%. No increase was induced by infection by vaccinia virus under the same conditions. Mutagenesis was an early event, showing a four-fold increase in mutation frequency at only two hours after infection, and peaking at a seven-fold increase at four hours after infection. DNA sequencing and gel electrophoresis analysis were performed on 105 HSV-1 induced mutants and 65 spontaneous mutants and provided the following information: (1) A change in plasmid size was seen in 54% of HSV-1 related mutants, compared with only 37% of spontaneous mutants. (2) Among point mutations, the predominant type was G:C to A:T transition, which accounted for 51% of point mutations in mutants isolated from cells infected with HSV-1, and 32% of point mutations in spontaneous mutants. (3) Deletions of DNA were seen in HSV-1 related mutants at a frequency of 40%, compared with 29% in spontaneous mutants. The HSV-1 related deletions were about half the length of spontaneous mutants and three contained short filler sequences. (4) Fifteen (15%) of HSV-1 induced mutants revealed the altered restriction patterns on agarose gel electrophoresis analysis and were due either to rearrangements of plasmid DNA, and/or to insertion of sequences derived from chromosomal DNA (seven plasmids). No insertions of DNA from HSV-1 were detected. Among spontaneous mutants, only 5 (7.7%) were rearrangements and none had inserted chromosomal DNA. (5) DNA sequence analysis of seven plasmids with inserted chromosomal DNA revealed that four cases had repetitive DNA sequences integrated and the other three were unidentified sequences from the GenBank database. Three repetitive DNA included $\alpha$ satellite, Alu and KpnI family sequences. The other sequence was identified as tRNA-like component. The observed mutations have implications for the mechanism of malignant transformation of cells by HSV-1. ^

Social stress and the reactivation of latent herpes simplex virus type 1

Psychological stress is thought to contribute to reactivation of latent herpes simplex virus (HSV). Although several animal models have been developed in an effort to reproduce different pathogenic aspects of HSV keratitis or labialis, until now, no good animal model existed in which application of a psychological laboratory stressor results in reliable reactivation of the virus. Reported herein, disruption of the social hierarchy within colonies of mice increased aggression among cohorts, activated the hypothalamic-pituitary-adrenal axis, and caused reactivation of latent HSV type 1 in greater than 40% of latently infected animals. However, activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis using restraint stress did not activate the latent virus. Thus, the use of social stress in mice provides a good model in which to investigate the neuroendocrine mechanisms that underlie behaviorally mediated reactivation of latent herpesviruses.

Complementary intrastrand base pairing during initiation of Herpes simplex virus type 1 DNA replication

The herpes simplex virus type 1 origin of DNA replication, oriS, contains three copies of the recognition sequence for the viral initiator protein, origin binding protein (OBP), arranged in two palindromes. The central box I forms a short palindrome with box III and a long palindrome with box II. Single-stranded oriS adopts a conformation, oriS*, that is tightly bound by OBP. Here we demonstrate that OBP binds to a box III–box I hairpin with a 3′ single-stranded tail in oriS*. Mutations designed to destabilize the hairpin abolish the binding of OBP to oriS*. The same mutations also inhibit DNA replication. Second site complementary mutations restore binding of OBP to oriS* as well as the ability of mutated oriS to support DNA replication. OriS* is also an efficient activator of the hydrolysis of ATP by OBP. Sequence analyses show that a box III–box I palindrome is an evolutionarily conserved feature of origins of DNA replication from human, equine, bovine, and gallid alpha herpes viruses. We propose that oriS facilitates initiation of DNA synthesis in two steps and that OBP exhibits exquisite specificity for the different conformations oriS adopts at these stages. Our model suggests that distance-dependent cooperative binding of OBP to boxes I and II in duplex DNA is succeeded by specific recognition of a box III–box I hairpin in partially unwound DNA.

Creation of drug-specific herpes simplex virus type 1 thymidine kinase mutants for gene therapy.

Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) thymidine kinase is currently used as a suicide agent in the gene therapy of cancer. This therapy is based on the preferential phosphorylation of nucleoside analogs by tumor cells expressing HSV-1 thymidine kinase. However, the use of HSV-1 thymidine kinase is limited in part by the toxicity of the nucleoside analogs. We have used random sequence mutagenesis to create new HSV-1 thymidine kinases that, compared with wild-type thymidine kinase, render cells much more sensitive to specific nucleoside analogs. A segment of the HSV-1 thymidine kinase gene at the putative nucleoside binding site was substituted with random nucleotide sequences. Mutant enzymes that demonstrate preferential phosphorylation of the nucleoside analogs, ganciclovir or acyclovir, were selected from more than one million Escherichia coli transformants. Among the 426 active mutants we have isolated, 26 demonstrated enhanced sensitivity to ganciclovir, and 54 were more sensitive to acyclovir. Only 6 mutant enzymes displayed sensitivity to both ganciclovir and acyclovir when expressed in E. coli. Analysis of 3 drug-sensitive enzymes demonstrated that 1 produced stable mammalian cell transfectants that are 43-fold more sensitive to ganciclovir and 20-fold more sensitive to acyclovir.

Étude des fonctions anti-apoptotique et de chaperon moléculaire de la sous-unité R1 de la ribonucléotide réductase du virus de l'herpès simplex de type-2

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des fonctions anti-apoptotique et de chaperon moléculaire de la sous-unité R1 de la ribonucléotide réductase du virus de l'herpès simplex de type-2

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Analysis of contributions of herpes simplex virus type 1 UL43 protein to induction of cell-cell fusion

Purpose: To investigate whether UL43 protein, which is highly conserved in alpha- and gamma herpes viruses, and a non-glycosylated transmembrane protein, is involved in virus entry and virus-induced cell fusion. Methods: Mutagenesis was accomplished by a markerless two-step Red recombination mutagenesis system implemented on the Herpes simplex virus 1 (HSV-1) bacterial artificial chromosome (BAC). Growth properties of HSV-1 UL43 mutants were analyzed using plaque morphology and one-step growth kinetics. SDS-PAGE and Western blot was employed to assay the synthesis of the viral glycoproteins. Virus-penetration was assayed to determine if UL43 protein is required for efficient virus entry. Results: Lack of UL43 expression resulted in significantly reduced plaque sizes of syncytial mutant viruses and inhibited cell fusion induced by gBΔ28 or gKsyn20 (p < 0.05). Deletion of UL43 did not affect overall expression levels of viral glycoproteins gB, gC, gD, and gH on HSV-1(F) BAC infected cell surfaces. Moreover, mutant viruses lacking UL43 gene exhibited slower kinetics of entry into Vero cells than the parental HSV-1(F) BAC. Conclusion: Thus, these results suggest an important role for UL43 protein in mediating virus-induced membrane fusion and efficient entry of virion into target cells.