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.

Cytotoxicity in L929 fibroblasts and inhibition of herpes simplex virus type 1 Kupka by estuarine cyanobacteria extracts

The cyanobacteria are known to be a rich source of metabolites with a variety of biological activities in different biological systems. In the present work, the bioactivity of aqueous and organic (methanolic and hexane) crude extracts of cyanobacteria isolated from estuarine ecosystems was studied using different bioassays. The assessment of DNA damage on the SOS gene repair region of mutant PQ37 strain of Escherichia coli was performed. Antiviral activity was evaluated against influenza virus, HRV-2, CVB3 and HSV-1 viruses using crystal violet dye uptake on HeLa, MDCK and GMK cell lines. Cytotoxicity evaluation was performed with L929 fibroblasts by MTT assay. Of a total of 18 cyanobacterial isolates studied, only the crude methanolic extract of LEGE 06078 proved to be genotoxic (IF > 1.5) in a dose-dependent manner and other four were putative candidates to induce DNA damage. Furthermore, the crude aqueous extract of LEGE 07085 showed anti- herpes type 1 activity (IC50 = 174.10 μg dry extract mL−1) while not presenting any cytotoxic activity against GMK cell lines. Of the 54 cyanobacterial extracts tested, only the crude methanolic and hexane ones showed impair on metabolic activity of L929 fibroblasts after long exposure (48–72 h). The inhibition of HSV-1 and the strong cytotoxicity against L929 cells observed emphasizes the importance of evaluating the impact of those estuarine cyanobacteria on aquatic ecosystem and on human health. The data also point out their potential application in HSV-1 treatment and pharmacological interest.

Seroepidemiology of Herpes Simplex virus type 1 and 2 in Western and Southern Switzerland in adults aged 25-74 in 1992-93: a population-based study.

BACKGROUND: Genital herpes is one of the most prevalent sexually-transmitted diseases, and accounts for a substantial morbidity. Genital herpes puts newborns at risk for very severe disease and also increases the risk of horizontal HIV transmission. It thus stands as an important public health problem. The recent availability of type-specific gG-based assays detecting IgG against HSV-1 and HSV-2 allows to establish the prevalence of each subtype. Worldwide, few data have been published regarding the seroprevalence in general populations of HSV-2, the major causative agent for genital herpes, while no data exist regarding the Swiss population. METHODS: To evaluate the prevalence of IgG antibodies against HSV-1 and HSV-2 in Switzerland, we used a population-based serum repository from a health examination survey conducted in the Western and Southern area of Switzerland in 1992-93. A total of 3,120 sera were analysed by type-specific gG-based ELISA and seroprevalence was correlated with available volunteers characteristics by logistic regression. RESULTS: Overall, seroprevalence rates were 80.0 +/- 0.9% (SE, 95% CI: 78.1-81.8) for HSV-1 and 19.3 +/- 0.9% (SE, 95% CI: 17.6-21.1) for HSV-2 in adults 35-64 year old. HSV-1 and HSV-2 seroprevalence increased with age, with a peak HSV-2 seroprevalence in elderly gentlemen, possibly a seroarcheological evidence of sexually transmitted disease epidemics during World War II. Risk factors for HSV-2 infection included female sex, marital status other than married, and size of town of residence larger than 1500 inhabitants. Unexpectedly and conversely to HSV-1, HSV-2 seroprevalence increased with educational level. HSV-2 infection was less prevalent among HSV-1 infected individuals when compared to HSV-1 uninfected individuals. This effect was most apparent among women at high risk for HSV-2 infection. CONCLUSIONS: Our data demonstrate that by the early nineties, HSV-2 had spread quite largely in the Swiss population. However, the epidemiology of HSV-2 in Switzerland presents paradoxical characteristics, e.g. positive correlation with education level, that have not been observed elsewhere.

Seroepidemiology of herpes simplex virus type 1 and 2 in pregnant women in Switzerland: an obstetric clinic based study.

OBJECTIVE: To assess the seroprevalence of herpes simplex virus type 1 (HSV-1) and type 2 (HSV-2) IgG antibodies and the seroincidence of HSV-1 and HSV-2 infections in pregnant women attending the maternity clinic of the University Hospital Lausanne. STUDY DESIGN: Blood samples from 1030 women were taken at the usual pregnancy visit in the first trimester to assess the prevalence rate of IgG antibodies against HSV-1 and HSV-2 using a type-specific assay. A second blood sample was taken 6-8 weeks postpartum from returning women who were seronegative for HSV-2 or HSV-1 to assess the incidence of seroconversion (primary infection). RESULTS: The seroprevalence rates were 79.4% (95% CI: 76.9-81.9) for HSV-1 and 21.2% (18.7-23.7) for HSV-2 in women 14-46 years old. Type-specific serostatus patterns were as follows: 17.3% HSV-1/-2: +/+, 62.1% HSV-1/-2: +/-, 3.9% HSV-1/-2: -/+, 16.7% HSV-1/-2: -/-. Two hundred and sixty five women (59 of the 212 seronegative for HSV-1 (27.8%) and 265 of the 812 seronegative for HSV-2 (32.6%)) returned to the outpatient clinic for the post-delivery check and a second blood sample was obtained. One HSV-1 seroconversion was detected (HSV-1 seroconversion rate 2.4%/100 patient×year (95% CI: 0.06-13.4)) in a patient who had symptoms compatible with primary genital herpes. No HSV-2 seroconversion was detected (HSV-2 seroconversion rate: 0/100 patient×year (97.5% one-sided CI: 0-2)). CONCLUSION: Compared to a previous population-based study, our study results suggest a rise in the prevalence of HSV-2 among pregnant women in Switzerland. The low incidence of seroconversion detected during pregnancy is consistent with the very low reported incidence of neonatal herpes in Switzerland. CONDENSATION: This study in a public hospital in Western Switzerland suggests an increasing prevalence of HSV-2, but a low incidence of primary infections in women of childbearing age.

Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) pathogenesis and HSV gene therapy of experimental autoimmune encephalomyelitis

The aim of this thesis was to develop new herpes simplex virus (HSV) vectors for gene therapy of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the principal model of multiple sclerosis (MS), and to study the pathogenesis of wild-type HSV-1 and HSV-1 vectors in vivo. By introducing potential immunomodulatory factors into mice with EAE we strived to develop therapies and possibly find molecules improving recovery from EAE. We aimed at altering the immune response by inducing favorable Th2-type cytokines, thus shifting the immune response from a Th1- or a Th17-response. Our HSV vector expressing interleukin (IL)-5 modulated the cytokine responses, decreased inflammation and alleviated EAE. The use of a novel method, bacterial artificial chromosome (BAC), for engineering recombinant HSV facilitated the construction of a new vector expressing leukemia inhibitory factor (LIF). LIF is a neurotropic cytokine with broad functions in the central nervous system (CNS). LIF promotes oligodendrocyte maturation and decreases demyelination and oligodendrocyte loss. The BAC-derived HSV-LIF vector alleviated the clinical symptoms, induced a higher number of oligodendrocytes and modulated T cell responses. By administering HSV via different infection routes, e.g. peripherally via the nose or eye, or intracranially to the brain, the effect of the immune response on HSV spread at different points of the natural infection route was studied. The intranasal infection was an effective delivery route of HSV to the trigeminal ganglion and CNS, whereas corneal infection displayed limited spread. The corneal and intranasal infections induced different peripheral immune responses, which might explain the observed differences in viral spread.

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.

La protéine majeure de la capside de l’HSV-1 est ubiquitinée

Le virus de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1) est le pathogène humain responsable des lésions herpétiques labiales, plus communément appelé « feux sauvages ». Annuellement, il est responsable de plusieurs cas d’encéphalites et d’infections de l’appareil visuel qui sont la principale cause de cécité en Amérique du Nord. Bien qu’il existe quelques traitements antiviraux, aucun vaccin ou médicament ne permet de prévenir ou de guérir les infections causées par ce virus. Aujourd’hui, les infections produites par l’HSV-1 sont présentes partout sur la planète. Récemment, une étude en protéomique effectuée sur les virus matures extracellulaires a permis d’identifier la présence d’ubiquitines libres et d’enzymes reliées à la machinerie d’ubiquitination dans le virus. De plus, le virus exploite cette machinerie au cours de l’infection. Il est connu que certaines protéines virales sont ubiquitinées durant une infection et que le virus imite même certaines enzymes d’ubiquitination. Nous avons donc entrepris des recherches afin d’identifier des protéines virales ubiquitinées qui pourraient être présentes dans les virus matures ainsi que leurs rôles potentiels. La protéine majeure de la capside, VP5, un constituant très important du virus, a été identifiée. Nos recherches nous ont permis de caractériser le type d’ubiquitination, une monoubiquitination sur les lysines K810 et/ou K1275 de VP5. Le rôle que pourrait jouer l’ubiquitination de VP5 dans le cycle de réplication virale et dans les virus matures n’est toutefois pas encore connu.