Genomic Adaptations to the Loss of a Conserved Bacterial DNA Methyltransferase.

UNLABELLED: CcrM is an orphan DNA methyltransferase nearly universally conserved in a vast group of Alphaproteobacteria. In Caulobacter crescentus, it controls the expression of key genes involved in the regulation of the cell cycle and cell division. Here, we demonstrate, using an experimental evolution approach, that C. crescentus can significantly compensate, through easily accessible genetic changes like point mutations, the severe loss in fitness due to the absence of CcrM, quickly improving its growth rate and cell morphology in rich medium. By analyzing the compensatory mutations genome-wide in 12 clones sampled from independent ΔccrM populations evolved for ~300 generations, we demonstrated that each of the twelve clones carried at least one mutation that potentially stimulated ftsZ expression, suggesting that the low intracellular levels of FtsZ are the major burden of ΔccrM mutants. In addition, we demonstrate that the phosphoenolpyruvate-carbohydrate phosphotransfer system (PTS) actually modulates ftsZ and mipZ transcription, uncovering a previously unsuspected link between metabolic regulation and cell division in Alphaproteobacteria. We present evidence that point mutations found in genes encoding proteins of the PTS provide the strongest fitness advantage to ΔccrM cells cultivated in rich medium despite being disadvantageous in minimal medium. This environmental sign epistasis might prevent such mutations from getting fixed under changing natural conditions, adding a plausible explanation for the broad conservation of CcrM. IMPORTANCE: In bacteria, DNA methylation has a variety of functions, including the control of DNA replication and/or gene expression. The cell cycle-regulated DNA methyltransferase CcrM modulates the transcription of many genes and is critical for fitness in Caulobacter crescentus. Here, we used an original experimental evolution approach to determine which of its many targets make CcrM so important physiologically. We show that populations lacking CcrM evolve quickly, accumulating an excess of mutations affecting, directly or indirectly, the expression of the ftsZ cell division gene. This finding suggests that the most critical function of CcrM in C. crescentus is to promote cell division by enhancing FtsZ intracellular levels. During this work, we also discovered an unexpected link between metabolic regulation and cell division that might extend to other Alphaproteobacteria.

Identification of two novel mutations in CDHR1 in consanguineous Spanish families with autosomal recessive retinal dystrophy.

Inherited retinal dystrophies present extensive phenotypic and genetic heterogeneity, posing a challenge for patients' molecular and clinical diagnoses. In this study, we wanted to clinically characterize and investigate the molecular etiology of an atypical form of autosomal recessive retinal dystrophy in two consanguineous Spanish families. Affected members of the respective families exhibited an array of clinical features including reduced visual acuity, photophobia, defective color vision, reduced or absent ERG responses, macular atrophy and pigmentary deposits in the peripheral retina. Genetic investigation included autozygosity mapping coupled with exome sequencing in the first family, whereas autozygome-guided candidate gene screening was performed by means of Sanger DNA sequencing in the second family. Our approach revealed nucleotide changes in CDHR1; a homozygous missense variant (c.1720C > G, p.P574A) and a homozygous single base transition (c.1485 + 2T > C) affecting the canonical 5' splice site of intron 13, respectively. Both changes co-segregated with the disease and were absent among cohorts of unrelated control individuals. To date, only five mutations in CDHR1 have been identified, all resulting in premature stop codons leading to mRNA nonsense mediated decay. Our work reports two previously unidentified homozygous mutations in CDHR1 further expanding the mutational spectrum of this gene.

p21 as a Transcriptional Co-Repressor of S-Phase and Mitotic Control Genes

It has been previously described that p21 functions not only as a CDK inhibitor but also as a transcriptional co-repressor in some systems. To investigate the roles of p21 in transcriptional control, we studied the gene expression changes in two human cell systems. Using a human leukemia cell line (K562) with inducible p21 expression and human primary keratinocytes with adenoviral-mediated p21 expression, we carried out microarray-based gene expression profiling. We found that p21 rapidly and strongly repressed the mRNA levels of a number of genes involved in cell cycle and mitosis. One of the most strongly down-regulated genes was CCNE2 (cyclin E2 gene). Mutational analysis in K562 cells showed that the N-terminal region of p21 is required for repression of gene expression of CCNE2 and other genes. Chromatin immunoprecipitation assays indicated that p21 was bound to human CCNE2 and other p21-repressed genes gene in the vicinity of the transcription start site. Moreover, p21 repressed human CCNE2 promoter-luciferase constructs in K562 cells. Bioinformatic analysis revealed that the CDE motif is present in most of the promoters of the p21-regulated genes. Altogether, the results suggest that p21 exerts a repressive effect on a relevant number of genes controlling S phase and mitosis. Thus, p21 activity as inhibitor of cell cycle progression would be mediated not only by the inhibition of CDKs but also by the transcriptional down-regulation of key genes.

Targeting the undruggable: immunotherapy meets personalized oncology in the genomic era.

Owing to recent advances in genomic technologies, personalized oncology is poised to fundamentally alter cancer therapy. In this paradigm, the mutational and transcriptional profiles of tumors are assessed, and personalized treatments are designed based on the specific molecular abnormalities relevant to each patient's cancer. To date, such approaches have yielded impressive clinical responses in some patients. However, a major limitation of this strategy has also been revealed: the vast majority of tumor mutations are not targetable by current pharmacological approaches. Immunotherapy offers a promising alternative to exploit tumor mutations as targets for clinical intervention. Mutated proteins can give rise to novel antigens (called neoantigens) that are recognized with high specificity by patient T cells. Indeed, neoantigen-specific T cells have been shown to underlie clinical responses to many standard treatments and immunotherapeutic interventions. Moreover, studies in mouse models targeting neoantigens, and early results from clinical trials, have established proof of concept for personalized immunotherapies targeting next-generation sequencing identified neoantigens. Here, we review basic immunological principles related to T-cell recognition of neoantigens, and we examine recent studies that use genomic data to design personalized immunotherapies. We discuss the opportunities and challenges that lie ahead on the road to improving patient outcomes by incorporating immunotherapy into the paradigm of personalized oncology.

High prevalence of PRPH2 in autosomal dominant retinitis pigmentosa in france and characterization of biochemical and clinical features.

PURPOSE: To assess the prevalence of PRPH2 in autosomal dominant retinitis pigmentosa (adRP), to report 6 novel mutations, to characterize the biochemical features of a recurrent novel mutation, and to study the clinical features of adRP patients. DESIGN: Retrospective clinical and molecular genetic study. METHODS: Clinical investigations included visual field testing, fundus examination, high-resolution spectral-domain optical coherence tomography (OCT), fundus autofluorescence imaging, and electroretinogram (ERG) recording. PRPH2 was screened by Sanger sequencing in a cohort of 310 French families with adRP. Peripherin-2 protein was produced in yeast and analyzed by Western blot. RESULTS: We identified 15 mutations, including 6 novel and 9 previously reported changes in 32 families, accounting for a prevalence of 10.3% in this adRP population. We showed that a new recurrent p.Leu254Gln mutation leads to protein aggregation, suggesting abnormal folding. The clinical severity of the disease in examined patients was moderate with 78% of the eyes having 1-0.5 of visual acuity and 52% of the eyes retaining more than 50% of the visual field. Some patients characteristically showed vitelliform deposits or macular involvement. In some families, pericentral RP or macular dystrophy were found in family members while widespread RP was present in other members of the same families. CONCLUSIONS: The mutations in PRPH2 account for 10.3% of adRP in the French population, which is higher than previously reported (0%-8%) This makes PRPH2 the second most frequent adRP gene after RHO in our series. PRPH2 mutations cause highly variable phenotypes and moderate forms of adRP, including mild cases, which could be underdiagnosed.

The whereabouts of an ancient wonderer: Global phylogeography of the solitary ascidian Styela plicata

Genetic tools have greatly aided in tracing the sources and colonization history of introduced species. However, recurrent introductions and repeated shuffling of populations may have blurred some of the genetic signals left by ancient introductions. Styela plicata is a solitary ascidian distributed worldwide. Although its origin remains unclear, this species is believed to have spread worldwide by travelling on ship's hulls. The goals of this study were to infer the genetic structure and global phylogeography of S. plicata and to look for present-day and historical genetic patterns. Two genetic markers were used: a fragment of the mitochondrial gene Cytochrome Oxidase subunit I (COI) and a fragment of the nuclear gene Adenine Nucleotide Transporter/ADP-ATP Translocase (ANT). A total of 368 individuals for COI and 315 for ANT were sequenced from 17 locations worldwide. The levels of gene diversity were moderate for COI to high for ANT. The Mediterranean populations showed the least diversity and allelic richness for both markers, while the Indian, Atlantic and Pacific Oceans had the highest gene and nucleotide diversities. Network and phylogenetic analyses with COI and ANT revealed two groups of alleles separated by 15 and 4 mutational steps, respectively. The existence of different lineages suggested an ancient population split. However, the geographic distributions of these groups did not show any consistent pattern, indicating different phylogeographic histories for each gene. Genetic divergence was significant for many population-pairs irrespective of the geographic distance among them. Stochastic introduction events are reflected in the uneven distribution of COI and ANT allele frequencies and groups among many populations. Our results confirmed that S. plicata has been present in all studied oceans for a long time, and that recurrent colonization events and occasional shuffling among populations have determined the actual genetic structure of this species.

A Diagnostic view of the Genetics of CASADIL

Cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CADASIL, OMIM #125310) is an inherited vascular disease. The main symptoms include migraineous headache, recurrent strokes and progressive cognitive impairment. CADASIL is caused by mutations in the NOTCH3 gene which result in degeneration of vascular smooth muscle cells, arteriolar stenosis and impaired cerebral blood flow. The aims of this study were assessment of the genetic background of Finnish and Swedish CADASIL patients, analysis of genetic and environmental factors that may influence the phenotype, and identification of the optimal diagnostic strategy. The majority of Finnish CADASIL patients carry the p.Arg133Cys mutation. Haplotype analysis of 18 families revealed a region of linkage disequilibrium around the NOTCH3 locus, which is evidence for a founder effect and a common ancestral mutation. Despite the same mutational background, the clinical course of CADASIL is highly variable between and even within families. The association of several genetic factors with the phenotypic variation was investigated in 120 CADASIL patients. Apolipoprotein E allele 4 was associated with earlier occurrence of strokes, especially in younger patients. Study of a pair of monozygotic twins with CADASIL revealed environmental factors which may influence the phenotype, i.e. smoking, statin medication and physical activity. Knowledge of these factors is useful, since life-style choices may influence the disease progression. The clinical CADASIL diagnosis can be confirmed by detection of either the NOTCH3 mutation or granular osmiophilic material by electron microscopy in skin biopsy, although the sensitivity estimates have been contradictory. Comparison of these two methods in a group of 131 diagnostic cases from Finland, Sweden and France demonstrated that both methods are highly sensitive and reliable.

Utilization of microsatellites for the analysis of genomic alterations in colorectal cancers in Brazil

Two different pathogenetic mechanisms are proposed for colorectal cancers. One, the so-called "classic pathway", is the most common and depends on multiple additive mutational events (germline and/or somatic) in tumor suppressor genes and oncogenes, frequently involving chromosomal deletions in key genomic regions. Methodologically this pathway is recognizable by the phenomenon of loss of heterozygosity. On the other hand, the "mutator pathway" depends on early mutational loss of the mismatch repair system (germline and/or somatic) leading to accelerated accumulation of gene mutations in critical target genes and progression to malignancy. Methodologically this second pathway is recognizable by the phenomenon of microsatellite instability. The distinction between these pathways seems to be more than academic since there is evidence that the tumors emerging from the mutator pathway have a better prognosis. We report here a very simple methodology based on a set of tri-, tetra- and pentanucleotide repeat microsatellites allowing the simultaneous study of microsatellite instability and loss of heterozygosity which could allocate 70% of the colorectal tumors to the classic or the mutator pathway. The ease of execution of the methodology makes it suitable for routine clinical typing

The P48T germline mutation and polymorphism in the CDKN2A gene of patients with melanoma

CDKN2A has been implicated as a melanoma susceptibility gene in some kindreds with a family history of this disease. Mutations in CDKN2A may produce an imbalance between functional p16ink4a and cyclin D causing abnormal cell growth. We searched for germline mutations in this gene in 22 patients with clinical criteria of hereditary cancer (early onset, presence of multiple primary melanoma or 1 or more first- or second-degree relatives affected) by secondary structural content prediction, a mutation scanning method that relies on the propensity for single-strand DNA to take on a three-dimensional structure that is highly sequence dependent, and sequencing the samples with alterations in the electrophoretic mobility. The prevalence of CDKN2A mutation in our study was 4.5% (1/22) and there was a correlation between family history and probability of mutation detection. We found the P48T mutation in 1 patient with 2 melanoma-affected relatives. The patient descends from Italian families and this mutation has been reported previously only in Italian families in two independent studies. This leads us to suggest the presence of a mutational "hotspot" within this gene or a founder mutation. We also detected a high prevalence (59.1%) of polymorphisms, mainly alleles 500 C/G (7/31.8%) or 540 C/T (6/27.3%), in the 3' untranslated region of exon 3. This result reinforces the idea that these rare polymorphic alleles have been significantly associated with the risk of developing melanoma.

Molecular and cellular pathogenesis of autosomal recessive polycystic kidney disease

Autosomal recessive polycystic kidney disease (ARPKD) is an inherited disease characterized by a malformation complex which includes cystically dilated tubules in the kidneys and ductal plate malformation in the liver. The disorder is observed primarily in infancy and childhood, being responsible for significant pediatric morbidity and mortality. All typical forms of ARPKD are caused by mutations in a single gene, PKHD1 (polycystic kidney and hepatic disease 1). This gene has a minimum of 86 exons, assembled into multiple differentially spliced transcripts and has its highest level of expression in kidney, pancreas and liver. Mutational analyses revealed that all patients with both mutations associated with truncation of the longest open reading frame-encoded protein displayed the severe phenotype. This product, polyductin, is a 4,074-amino acid protein expressed in the cytoplasm, plasma membrane and primary apical cilia, a structure that has been implicated in the pathogenesis of different polycystic kidney diseases. In fact, cholangiocytes isolated from an ARPKD rat model develop shorter and dysmorphic cilia, suggesting polyductin to be important for normal ciliary morphology. Polyductin seems also to participate in tubule morphogenesis and cell mitotic orientation along the tubular axis. The recent advances in the understanding of in vitro and animal models of polycystic kidney diseases have shed light on the molecular and cellular mechanisms of cyst formation and progression, allowing the initiation of therapeutic strategy designing and promising perspectives for ARPKD patients. It is notable that vasopressin V2 receptor antagonists can inhibit/halt the renal cystic disease progression in an orthologous rat model of human ARPKD.

N-acétyltransférase lysosomale : organisation, fonctionnement et défauts moléculaires chez les patients atteints du syndrome de Sanfilippo type C

L’acétylation des résidus de glucosamine terminaux par la N-acétyltransférase lysosomale (HGSNAT) est une étape essentielle de la dégradation catabolique de l’héparan sulfate. Des défauts dans cette réaction causent une maladie de surcharge lysosomale autosomale récessive rare : le désordre de Sanfilippo type C (SFC). À ce jour, 54 mutations ont été rapportées chez des patients SFC, incluant 13 mutations des sites d’épissage, 11 insertions et délétions, 8 mutations non-sens, 18 mutations faux-sens et 4 polymorphismes, avec différentes manifestations phénotypiques. Nous avons identifié 10 d’entre elles et effectué une étude exhaustive portant sur l’éventail des mutations SFC, leur distribution dans la population de patients, ainsi que leur impact potentiel sur la structure de la HGSNAT. Les erreurs d’épissage, les mutations non-sens, les insertions et les délétions devraient toutes entraîner un ARN non fonctionnel qui est rapidement dégradé par des mécanismes de contrôle qualité cellulaire. Les 4 polymorphismes identifiés sont des changements d'acides aminés qui ne modifient pas l'activité enzymatique, la glycosylation ou la localisation et n'ont donc pas de signification au niveau clinique. Au niveau des enzymes, les polymorphismes sont des changements d’acides aminés qui n’affectent pas la fonction, mais dans un contexte d’acides nucléiques ils peuvent être considérés comme des mutations faux-sens. Les dix-huit mutations faux-sens qui ont été exprimées ont produit des protéines inactives, en raison d'erreurs dans leur repliement. Ceci expliquerait donc la progression sévère de la maladie chez les personnes porteuses de ces mutations. Les protéines mutantes mal repliées sont anormalement glycosylées et conservées dans le réticulum endoplasmique. La thérapie par amélioration de l’activité enzymatique par des chaperonnes est une option thérapeutique potentielle, spécifiquement conçue pour exploiter l'activité enzymatique résiduelle de mutants mal repliés, afin d’éliminer les substrats stockés. Nous avons démontré que le traitement de plusieurs lignées de fibroblastes de patients SFC avec le chlorhydrate de glucosamine, un inhibiteur spécifique de la HGSNAT, a partiellement restauré l’activité de l'enzyme mutante, fournissant une preuve de l’utilité future de la thérapie par des chaperonnes dans le traitement de la maladie de SFC.

Étude sur le rôle des mutations de novo dans l’étiologie génétique de la schizophrénie

La schizophrénie est une maladie psychiatrique grave qui affecte approximativement 1 % de la population. Il est clairement établi que la maladie possède une composante génétique très importante, mais jusqu’à présent, les études ont été limitées au niveau de l’identification de facteurs génétiques spécifiquement liés à la maladie. Avec l’avènement des nouvelles avancées technologiques dans le domaine du séquençage de l’ADN, il est maintenant possible d’effectuer des études sur un type de variation génétique jusqu’à présent laissé pour compte : les mutations de novo, c.-à-d. les nouvelles mutations non transmises de manière mendélienne par les parents. Ces mutations peuvent avoir deux origines distinctes : une origine germinale au niveau des gamètes chez les parents ou une origine somatique, donc au niveau embryonnaire directement chez l’individu. L’objectif général de la présente recherche est de mieux caractériser les mutations de novo dans la schizophrénie. Comme le rôle de ces variations est peu connu, il sera également nécessaire de les étudier dans un contexte global au niveau de la population humaine. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations de novo dans la partie codante (exome) de patients atteints de schizophrénie. Nous avons pu constater que non seulement le taux de mutations était plus élevé qu’attendu, mais nous avons également été en mesure de relever un nombre anormalement élevé de mutations non-sens, ce qui suggère un profil pathogénique. Ainsi, nous avons pu fortement suggérer que les mutations de novo sont des actrices importantes dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. La deuxième partie du projet porte directement sur les gènes identifiés lors de la première partie. Nous avons séquencé ces gènes dans une plus grande cohorte de cas et de contrôles afin d’établir le profil des variations rares pour ces gènes. Nous avons ainsi conclu que l’ensemble des gènes identifiés par les études de mutations de novo possède un profil pathogénique, ce qui permet d’établir que la plupart de ces gènes ont un rôle réel dans la maladie et ne sont pas des artéfacts expérimentaux. De plus, nous avons pu établir une association directe avec quelques gènes qui montrent un profil aberrant de variations rares. La troisième partie du projet se concentre sur l’effet de l’âge paternel sur le taux de mutations de novo. En effet, pour la schizophrénie, il est démontré que l’âge du père est un facteur de risque important. Ainsi, nous avons tenté de caractériser l’effet de l’âge du père chez des patients en santé. Nous avons observé une grande corrélation entre l’âge du père et le taux de mutations germinales et nous avons ainsi pu répertorier certaines zones avec un grand nombre de mutations de novo, ce qui suggère l’existence de zone chaude pour les mutations. Nos résultats ont été parmi les premiers impliquant directement les mutations de novo dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. Ils permettent de jeter un nouveau regard sur les réseaux biologiques à l’origine de la schizophrénie en mettant sous les projecteurs un type de variations génétiques longtemps laissé pour compte.

Rôles du stress du réticulum endoplasmique et de l'immunité innée dans l'inhibition de la transcription du gène de l'insuline : étude du facteur de transcription ATF6 et du récepteur TLR4

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens.

Étude de la traduction IRES-dépendante du VIH-1

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable de la pandémie du SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise). Des souches virales résistantes aux antirétroviraux actuellement utilisés apparaissent rapidement. Il est donc important d’identifier de nouvelles cibles dans le cycle de réplication du VIH-1 pour développer de nouveaux agents contre ce virus. La traduction des protéines de structure et des enzymes du VIH-1 est une étape essentielle du cycle de réplication virale. Ces protéines sont exprimées à partir de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur (ARNmPL) à la fin du cycle de réplication. L’ARNmPL du VIH-1 peut utiliser un mode d’initiation de la traduction coiffe-dépendant, comme la majorité des ARNm cellulaires, mais peut aussi utiliser un mode d’initiation alternatif, car sa région 5’ non-traduite (5’UTR) contient un site interne d’entrée du ribosome (IRES), ce qui lui permet d’initier la traduction suivant un mode IRES-dépendant. L’initiation IRES-dépendante permet à l’ARNmPL d’être traduit quand l’initiation coiffe-dépendante est inhibée. L’activité de l’IRES de la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1 (IRES5’UTR) est faible dans des conditions physiologiques, mais est stimulée lorsque la cellule est arrêtée à la transition G2/M du cycle cellulaire, un arrêt qu’induit l’infection par le VIH-1. Une grande portion de l’IRES5’UTR, que nous nommons IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux et a une activité semblable à celle de l’ IRES5’UTR, ce qui indique que le mode IRES-dépendant peut être utilisé par tous les messagers du VIH-1. Lors de mes études doctorales, j’ai caractérisé le fonctionnement de l’IRES5’UTR du VIH-1. J’ai transfecté des cellules lymphocytaires Jurkat T, dérivées des cibles naturelles du VIH-1, avec un vecteur dual-luciférase contenant les séquences codantes des luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) séparées par la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1. La traduction de la Rluc est coiffe-dépendante alors que celle de la Fluc dépend de l’IRES5’UTR. J’ai d’abord effectué une analyse mutationnelle et j’ai identifié trois régions qui stimulent l’activité de l’IRES5’UTR et une tige-boucle qui réprime l’activité de cet IRES, que j’ai nommée IRENE (IRES negative element). J’ai montré que l’effet répresseur d’IRENE est aboli lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, un type de stress induit lors d’une infection par le VIH-1. Nous proposons que IRENE maintiendrait l’IRES5’UTR dans une conformation peu active dans des conditions physiologiques. On sait que les IRES sont activés par divers facteurs cellulaires, appelés ITAF (IRES trans-acting factors). Nous proposons que l’IRES5’UTR adopterait une conformation active suite à la liaison d’un ITAF exprimé ou relocalisé lors d’un stress oxydatif. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication (Gendron et al., 2011, Nucleic Acids Research, 39, 902-912). J’ai ensuite étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’activité de l’IRES5’UTR. En plus de son rôle essentiel dans la transactivation de la transcription des ARNm viraux, Tat stimule leur traduction coiffe-dépendante, en empêchant l’inhibition d’un facteur d’initiation canonique, eIF2, induite par la protéine kinase modulée par l’ARN double-brin (PKR) et en déroulant la structure TAR présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. Elle affecte aussi l’expression de plusieurs gènes cellulaires. J’ai montré que les isoformes Tat86 et Tat72, mais non Tat101, stimulent l’activité de l’IRES5’UTR. Cet effet est indépendant de PKR et de TAR, mais dépendrait de la conformation de Tat. Nous proposons que Tat activerait un facteur de transcription cellulaire qui déclenche l’expression d’un ITAF de l’IRES5’UTR ou encore qu’elle activerait directement un tel ITAF. J’ai de plus montré que PKR stimule l’activité de l’IRES5’UTR, ce qui est surprenant puisque PKR est une protéine antivirale. Cet effet est indépendant de l’inhibition d’eIF2 par PKR et pourrait résulter de l’activation d’un ITAF. Sachant qu’une portion active de l’IRES5’UTR, IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux, notre hypothèse est que la stimulation de cet IRES par PKR permettait de traduire l’ARNm de Tat au début du cycle de réplication, ce qui permettrait ensuite la traduction coiffe-dépendante des ARNm du VIH-1, qui est stimulée par Tat. Ces travaux font l’objet d’un manuscrit (Gendron et al., soumis à RNA). Mes résultats, couplés aux données de la littérature, me conduisent à la conclusion que, à la fin du cycle de réplication du VIH-1, l’activité de l’IRES5’UTR est stimulée par le stress oxydatif, l’arrêt en G2/M et la présence de quantités élevées de Tat, alors que la traduction coiffe-dépendante est compromise. L’initiation IRES-dépendante serait alors indispensable pour que le VIH-1 traduise l’ARNmPL. L’IRES5’UTR constituerait donc une cible très intéressante pour développer des agents anti-VIH.

The Role of Second Generation Antiretroviral Drugs in HIV-1 Subtype B and non-B Variants Harboring Natural Polymorphisms and Drug Resistance Mutations.

Cette thèse traite de la résistance du VIH-1 aux antirétroviraux, en particulier de l'activité antivirale de plusieurs inhibiteurs non nucléosidiques de la transcriptase inverse (INNTI) ainsi que des inhibiteurs de protéase (IP). Nous avons exploré l’émergence et la spécificité des voies de mutations qui confèrent la résistance contre plusieurs nouveaux INNTI (étravirine (ETR) et rilpivirine (RPV)) (chapitres 2 et 3). En outre, le profil de résistance et le potentiel antirétroviral d'un nouvel IP, PL-100, est présenté dans les chapitres 4 et 5. Pour le premier projet, nous avons utilisé des sous-types B et non-B du VIH-1 pour sélectionner des virus résistants à ETR, et ainsi montré que ETR favorise l’émergence des mutations V90I, K101Q, E138K, V179D/E/F, Y181C, V189I, G190E, H221H/Y et M230L, et ce, en 18 semaines. Fait intéressant, E138K a été la première mutation à émerger dans la plupart des cas. Les clones viraux contenant E138K ont montré un faible niveau de résistance phénotypique à ETR (3,8 fois) et une diminution modeste de la capacité de réplication (2 fois) par rapport au virus de type sauvage. Nous avons également examiné les profils de résistance à ETR et RPV dans les virus contenant des mutations de résistance aux INNTI au début de la sélection. Dans le cas du virus de type sauvage et du virus contenant la mutation unique K103N, les premières mutations à apparaître en présence d’ETR ou de RPV ont été E138K ou E138G suivies d’autres mutations de résistance aux INNTI. À l’inverse, dans les mêmes conditions, le virus avec la mutation Y181C a évolué pour produire les mutations V179I/F ou A62V/A, mais pas E138K/G. L'ajout de mutations à la position 138 en présence de Y181C n'augmente pas les niveaux de résistance à ETR ou RPV. Nous avons également observé que la combinaison de Y181C et E138K peut conduire à un virus moins adapté par rapport au virus contenant uniquement Y181C. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que les mutations Y181C et E138K peuvent être antagonistes. L’analyse de la résistance au PL-100 des virus de sous-type C et CRF01_AE dans les cellules en culture est décrite dans le chapitre 4. Le PL-100 sélectionne pour des mutations de résistance utilisant deux voies distinctes, l'une avec les mutations V82A et L90M et l'autre avec T80I, suivi de l’addition des mutations M46I/L, I54M, K55R, L76F, P81S et I85V. Une accumulation d'au moins trois mutations dans le rabat protéique et dans le site actif est requise dans chaque cas pour qu’un haut niveau de résistance soit atteint, ce qui démontre que le PL-100 dispose d'une barrière génétique élevée contre le développement de la résistance. Dans le chapitre 5, nous avons évalué le potentiel du PL-100 en tant qu’inhibiteur de protéase de deuxième génération. Les virus résistants au PL-100 émergent en 8-48 semaines alors qu’aucune mutation n’apparaît avec le darunavir (DRV) sur une période de 40 semaines. La modélisation moléculaire montre que la haute barrière génétique du DRV est due à de multiples interactions avec la protéase dont des liaison hydrogènes entre les groupes di-tétrahydrofuranne (THF) et les atomes d'oxygène des acides aminés A28, D29 et D30, tandis que la liaison de PL-100 est principalement basée sur des interactions polaires et hydrophobes délocalisées à travers ses groupes diphényle. Nos données suggèrent que les contacts de liaison hydrogène et le groupe di-THF dans le DRV, ainsi que le caractère hydrophobe du PL-100, contribuent à la liaison à la protéase ainsi qu’à la haute barrière génétique contre la résistance et que la refonte de la structure de PL-100 pour inclure un groupe di-THF pourrait améliorer l’activité antivirale et le profil de résistance.