Structural and functional characterization of the interaction between influenza polymerase and the cellular transcription machinery

La grippe est une maladie infectieuse qui se traduit par des épidémies saisonnières et pandémies occasionnelles et qui a des conséquences importantes sur la santé publique. Elle est causée par le virus influenza, un virus à ARN négatif segmenté. Chaque segment du génome est transcrit et repliqué dans le noyau de la cellule hôte par la polymérase virale, une ARN polyméraseARN-dépendente. Afin de pouvoir produire un ARN messager (ARNm) viral qui peut être reconnu par la machinerie de traduction de la cellule, la polymérase de la grippe se sert d’un mécanisme appelé ‘cap-snatching’ (mécanisme de ‘vol de coiffe’). La polymérase virale intéragit avec un ARNm coiffé, produit par l’ARN polymérase II de la cellulle hôte, coupe cet ARN à proximité de la coiffe et l’utilise comme amorce pour l’initiation de la transcription de son propre matériel génétique. Par conséquence, la transcription virale est fonctionnellement liée à la transcription cellulaire. L’objet des recherches présentées dans cette thèse portait sur l’intéraction entre la polymérase de la grippe et la machinerie de transcription de la cellule hôte et plus précisément, la caractérisation structurale et fonctionelle de l’association entre la polymérase de la grippe et le domain C-terminal de l’ARN polymérase II (CTD), qui sert de support pour la coordination des processus de synthèse et les modifications post-transcriptionelles de l’ARNm. Les structures cristallographiques obtenues de la polymérase d’influenza A et B, associées aux peptides dérivés du domain CTD de l’ARN polymérase II, ont permis d’élucider comment la polymérase virale reconnait spécifiquement la polymérase cellulaire. La perturbation de cette intéraction mène à l’inhibition de l’amplification du virus, ce qui confirme que cette association est essentielle. Dans la seconde partie de la thèse, un complexe actif de ‘cap-snatching’ a été assemblé in vitro et caractérisé fonctionellement, constitué du complexe d’élongation contenant l’ARN polymérase II avec un ARNm coiffé et son domain CTD phosphorylé, lié à la polymérase virale elle-même transcriptionnellement active. De plus, l’intéraction de la polymérase virale avec deux facteurs impliqués dans la régulation de l’élongation par l’ARN polymérase II, DRB sensitivity-inducing factor et Tat stimulatory factor 1, a été caractérisée. En conclusion, le travail de thèse présenté ici a contribué à élucider le mécanisme de recrutement de la polymérase d’influenza à la machinerie de transcription cellulaire et a montré que l’association entre les polymérases virale et cellulaire est essentielle pour la réplication du virus. La perturbation de cette intéraction est une piste prometteuse pour la conception de nouveaux médicaments contre le virus influenza.Influenza is an infectious disease causing seasonal epidemics and occasional pandemics, which are a significant health burden for the global human population. The causative agent, influenza virus, is a negative-strand segmented RNA virus. Each segment of the viral genome is transcribed and replicated by a virally-encoded RNA-dependent RNA polymerase in the nucleus of the infected cell. In order to produce a functional viral messenger RNA (mRNA) that can be processed by the cellular translation machinery, influenza polymerase employs a mechanism called‘cap-snatching’. The viral polymerase binds to a nascent, capped transcript, produced by the cellular RNA polymerase II, cleaves it shortly after the cap and uses it as a primer for the transcription of its own genomic segments. Viral transcription is therefore functionally dependent on cellular transcription. The studies described in this thesis aimed to investigate the interaction between influenza polymerase and the cellular transcription machinery. The main focus was to characterize structurally and functionally the association of influenza polymerase with the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II, which serves as a scaffold for coordinating co-transcriptional events during mRNA synthesis and processing. Crystal structures of influenza A and B polymerase bound to phosphorylated peptides mimicking the CTD of RNA polymerase II gave new insight on how the viral polymerase directly recognizes the transcribing cellular polymerase. Moreover, disrupting this interaction was found to be severely detrimental to viral replication, confirming the essentiality of this association. In the second part of this work, an active cap-snatching complex was assembled in vitro and characterized functionally. This comprised a reconstituted RNA polymerase II elongation complex with emerging capped transcript and phosphorylated CTD with bound and transcriptionally active influenza polymerase. Additionally, the interaction of the viral polymerase with two factors involved in the regulation of transcription elongation by RNA polymerase II, DRB sensitivity-inducing factor and Tat stimulatory factor 1, was analyzed biochemically. Overall, the work presented here gives insights into the mechanism of recruitment of the influenza polymerase to the cellular transcription machinery and shows that the association of the viral and cellular polymerase is essential for the viral replication. Targeted disruption of this interaction is therefore a promising avenue for the design of novel anti-influenza drugs