Analysis of electron microscopy images of flexible helical bio-polymers

Le virus de la Rougeole reste le plus meurtrier des virus contre lesquels il existe un vaccin, avec environ 350000 décès par an dans le monde. Ce virus appartient à la famille des Paramyxoviridae, qui sont des virus enveloppés de forme sphérique dont le génome est composé d’un seul brin d’ARN de polarité négative. L’élément central de la réplication et de la transcription du génome viral est le complexe, de forme hélicoïdale, entre l’ARN du virus et la nucléoprotéine. Cette association intime appelée nucléocapside a des propriétés étonnantes non encore élucidées. En effet, l’ARN des virus à ARN négatif a la particularité de n’être jamais nu, même lors des étapes de réplication/transcription nécessitant pourtant le passage de la polymérase virale. On suppose que l’interaction avec la phosphoprotéine, cofacteur de la polymérase, provoque un changement de la conformation de la nucléoprotéine pour rendre l’ARN viral accessible à la polymérase. Lorsque la nucléoprotéine est exprimée dans des cellules d’insectes, elle se fixe aux ARNs cellulaires et forme des nucléocapsides recombinantes. Les études précédentes sur d’autres virus à ARN négatif (Rage, Marbourg, Sendaï) ont montré que les nucléocapsides recombinantes sont semblables aux nucléocapsides virales. Au sein de la nucléocapside, le domaine C-terminal de la nucléoprotéine joue un rôle crucial en interagissant avec de nombreux partenaires viraux et cellulaires, notamment avec la phosphoprotéine dans les étapes de réplication/transcription du génome viral. Cependant, des observations en microscopie électronique à transmission avaient montré que les nucléocapsides recombinantes contenant la nucléoprotéine entière était trop flexibles pour envisager leur reconstruction tridimensionnelle par analyse d’image, ce qui avait conduit à les rigidifier par un traitement protéasique dont l’effet latéral est justement l’élimination du domaine C-terminal de la nucléoprotéine. Nous avons mis au point des conditions de préparation en coloration négative permettant de rigidifier la nucléocapside intacte, afin d’en calculer une reconstruction tridimensionnelle à basse résolution et de la comparer avec celle de la nucléocapside protéolysée. Nous avons ainsi montré que les nucléocapsides de la Rougeole changeaient radicalement de structure tridimensionnelle en réponse au traitement protéolytique, non seulement en terme de pas de l’hélice ou de nombre de sous-unités par tour, mais aussi au niveau de la conformation de la nucléoprotéine et de ses contacts avec les sous-unités adjacentes, ce qui n’avait encore jamais été observé aussi clairement.Flexible helical protein polymers exemplified by actin filaments, microtubules and bacterial flagella areubiquitous in biology. Due to their size and intrinsic irregularities, the structure of these polymers cannot be solved by Xraycrystallography. Since half a century, three-dimensional (3D) reconstruction from two-dimensional (2D) ElectronMicroscopy (EM) images appears as a method of choice to solve the structure of large helical polymers. However,depending on the degree of flexibility of the analyzed helices, the 3D reconstruction process can still be a daunting task.For the most regular helices, the classical reciprocal space-based Fourier-Bessel approach can allow both to determinethe helical symmetry and to calculate 3D structures. For more flexible structures, recent “single-particle” approachesconsist in segmentation of long irregular helices into short (i.e. locally more regular) segments and their processing asasymmetrical objects with defined symmetry-imposed constraints (Egelman, 2000; Sachse et al., 2007). However, twomajor difficulties remain: the heterogeneous data must be sorted into homogeneous populations and the helical symmetryfor each population has to be determined. In the presented work, we explored various single-particle approaches,developed new analysis methods, and implemented most of them into a user-friendly processing pipeline. The targetbiological objects were helical nucleocapsids of two negative strand RNA viruses, Measles (MeV) and VesicularStomatitis Virus (VSV ; the prototype for Rabies), the latter being particularly flexible in terms of helical parameters(diameter, number of subunits per turn). Nucleocapsids are formed by the viral genomic RNA coated by thenucleoprotein and serve as a template for viral replication and transcription. To overcome the heterogeneity problem, weused 2D classification, described general processing protocols and applications for helical segments, and introduced anew classification method based on the power spectra of the images. The determination of helical symmetry(ies) wasaddressed by a novel approach relying on ab initio exhaustive search of helical parameters whereby we start from asingle 2D image, reconstruct as many 3D structures as parameters to test by cropping the image and assigning views tothe obtained segments, and calculate the cross-correlation (CC) of the reprojection of the 3D model with the initialimage. Applied to artificial data sets, the method was effectively able to detect a maximum of CC for the true symmetryparameters, but also showed intrinsic ambiguities of helical symmetry determination on which we extensively comment.Altogether, the result of this method-oriented work allowed us to address several biological questions. First, the 3Dreconstruction by negative stain EM of two forms of nucleocapsids of MeV coupled to a docking of a homologouscrystal structure enabled us to determine the orientation of the nucleoprotein and of the RNA in the nucleocapsids.Secondly, we assessed the structure of in vitro formed nucleocapsids of VSV and showed that assemblies close to thenative viral nucleocapsids can be formed in the absence of any other viral proteins, thus providing new insights into theassembly of this virus. As a perspective of this work, our pipeline of flexible helical analysis is being extended andsuccessfully used for other projects