Structural and functional analysis of physicochemical interactions of the hemagglutinin of influenza A viruses : evolutionary constraints and perspectives for the development of broad-spectrum therapeutic antivirals and universal vaccines - Génétique moléculaire des virus à ARN Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Structural and functional analysis of physicochemical interactions of the hemagglutinin of influenza A viruses : evolutionary constraints and perspectives for the development of broad-spectrum therapeutic antivirals and universal vaccines

Analyse structurale et fonctionnelle des interactions physico-chimiques de l'hémagglutinine des virus de la grippe de type A : contraintes évolutives et perspectives pour le développement d'antiviraux thérapeutiques à large spectre et de vaccins universels

Résumé

Influenza A viruses (IAVs) cause yearly epidemics and occasional pandemics that represent a global health threat of major concern. Virus entry within cells is carried out by the hemagglutinin (HA), a trimeric surface glycoprotein of which each protomer is constituted of two sub-units (HA1, HA2). The HA binds its receptor at the cell surface and induces the endocytosis of the particle. The exposure of the HA to acidic pH upon maturation of the endosome triggers a drastic conformational change (CC), which enables the fusion between endosomal and viral membranes. The HA is intrinsically extremely variable, it has been classified in subtypes, clades and groups. Based on 269 trimeric prefusion structures, we computed six interaction types, including electrostatic interactions, along with their distribution intra- and inter-protomer (ITA-p/ITR-p) and intra- and inter-sub-unit. We revealed distinct clade-dependent physicochemical profiles of interaction networks. These different profiles of networks enable the folding of highly similar trimeric metastable structures carrying identical function and thus suggested that HA evolution is constrained accordingly and that the function may be carried out by different CC molecular drivers. We then computed the conserved interactions across HA classifications. We characterized a buried complex consisting of two connected ITR-p salt-bridges, located at a crucial area for the CC. The first is the ITR-p HA2-HA2 (E742-R762) salt-bridge, strictly conserved among all HAs except clade 7 HAs and H17. The second is the ITR-p HA1-HA2 (E1041-R762) salt-bridge, conserved among almost every subtype of group 1 HAs, whereas the ITR-p HA2-HA2 (R762-E812) salt-bridge is strictly conserved among clade 3 HAs. The functional importance of the complex was analyzed through mutagenesis, fusion assays and reverse genetics in two viruses from clade 1 (H1) and 3 (H3), which displayed distinct physicochemical profiles. Mutations were tolerated in the H3 context, in vitro, whereas in the H1 context any mutation disrupting the complex resulted in a loss of function and unviable mutant viruses. The results therefore indicated that HA evolution is constrained according to the underlying physicochemical profile of interaction networks. The strict conservation of the complex in structures sharing the H1 physicochemical profile and several other factors, that include the identical geometric arrangement of the complex in space, suggested that the essential nature of the complex in H1 is likely to be extrapolated to other HAs sharing the same physicochemical profile. Finally, we tracked the modulation of interactions during the CC based of structures of fusion intermediates (H3). We revealed various molecular drivers, especially the disruption of highly conserved ITR-p HA2-HA2 salt-bridges located at the membrane-proximal domain, which might be key in the context of the clade 3 physicochemical profile. Overall, assessments of the functional importance of the conserved ITR-p salt-bridges complex in different environments highlighted that underlying clade-dependent physicochemical profile of interaction networks influences CC molecular drivers and how function is performed. These profiles influence the mutational tolerance of specific residues and thereby limit HA evolution. Our results demonstrated that comprehensive analysis of interaction networks in the context of HA variability enables to better understand its evolution as well as to take advantage of the variability to identify crucial conserved interactions. Most importantly, we highlighted the value of combining interaction conservation assessments and functional validation to provide insightful data for the research of broad and non-escapable therapeutic targets and vaccine epitopes.
Les virus de la grippe provoquent chaque année des épidémies et parfois des pandémies qui représentent une menace mondiale. L'entrée du virus dans les cellules est assurée par l'hémagglutinine (HA), une glycoprotéine trimérique de surface dont chaque protomère est constitué de deux sous-unités (HA1, HA2). La HA se lie à son récepteur à la surface de la cellule, ce qui induit l'endocytose de la particule. L'exposition de la HA au pH acide lors de la maturation de l'endosome déclenche un changement conformationnel (CC) drastique, qui permet la fusion entre les membranes endosomale et virale. La HA est extrêmement variable, et a été classée en sous-types, clades et groupes. Sur la base de 269 structures trimériques pré-fusion, nous avons calculé six types d'interactions ainsi que leur distribution intra- et inter-protomères (ITA-p/ITR-p) et intra- et inter-sous-unités. Nous avons révélé des profils physico-chimiques de réseaux d'interactions distincts en fonction des clades. Ces réseaux permettent le repliement de structures métastables trimériques très similaires, ayant une fonction identique, ce qui suggère que l'évolution des HA est limitée en conséquence. Nous avons ensuite calculé les interactions conservées en fonction des classifications et caractérisé un complexe composé de deux ponts salins ITR-p connectés, situé dans une zone cruciale pour le CC. Le premier est le pont salin ITR-p HA2-HA2 (E742-R762), strictement conservé parmi toutes les HA sauf celles du clade 7 et H17. Le second est le pont salin ITR-p HA1-HA2 (E1041-R762), conservé parmi presque tous les sous-types de HA du groupe 1, tandis que le pont salin ITR-p HA2-HA2 (R762-E812) est strictement conservé au sein du clade 3. L'importance fonctionnelle du complexe a été caractérisée par mutagenèse, test de fusion et génétique inverse dans deux virus du clade 1 (H1) et 3 (H3), qui présentent des profils physico-chimiques distincts. Les mutations ont été tolérées dans le contexte H3, in vitro, tandis que dans le contexte H1, toute mutation perturbant le complexe a donné lieu à une perte de fonction et des virus mutants non viables. Les résultats indiquent donc que l'évolution de la HA est limitée par le profil physico-chimique des réseaux d'interactions et suggèrent différents moteurs moléculaires du CC. La conservation du complexe au sein des structures partageant le profil physico-chimique H1, et plusieurs autres facteurs dont l'arrangement géométrique identique du complexe dans l'espace, suggèrent que la nature essentielle du complexe est susceptible d'être extrapolée aux HA partageant le même profil physico-chimique. Enfin, nous avons suivi la modulation des interactions au cours du CC à partir des structures des intermédiaires de fusion (H3). Nous avons révélé divers moteurs moléculaires, notamment la rupture de nombreux ponts salins ITR-p HA2-HA2 très conservés, à la base du trimère. Dans l'ensemble, l'évaluation de l'importance fonctionnelle, dans différents contextes, du complexe de ponts salins ITR-p largement conservé a mis en évidence que le profil physico-chimique des réseaux d'interactions influence les moteurs moléculaires du CC et la façon dont la fonction est réalisée. Les profils physico-chimiques des réseaux d'interactions influencent la tolérance mutationnelle de résidus spécifiques, contraignant ainsi l'évolution de la HA. Nos résultats ont démontré que l'analyse des réseaux d'interactions dans le contexte hypervariable de la HA permet de mieux comprendre son évolution et de tirer parti de la variabilité pour identifier des interactions conservées essentielles. Enfin, nous avons souligné l'intérêt de combiner l'évaluation de la conservation des interactions et leur validation fonctionnelle afin de fournir des données bénéfiques pour la recherche de cibles thérapeutiques et d'épitopes vaccinaux larges ne pouvant muter.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04658349 , version 1 (22-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04658349 , version 1

Citer

Valentin Ozeel. Structural and functional analysis of physicochemical interactions of the hemagglutinin of influenza A viruses : evolutionary constraints and perspectives for the development of broad-spectrum therapeutic antivirals and universal vaccines. Human health and pathology. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP5179⟩. ⟨tel-04658349⟩
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