Caractérisation moléculaire de l’activité antivirale d’ISG20

Résumé de la thèse

La réponse interféron constitue un élément central de l’immunité innée, notamment par l’induction rapide d’un grand nombre de gènes dits « gènes régulées par l’interféron » ou ISGs, dotés de propriétés antivirales. Toutefois, les mécanismes d’action de nombreux ISGs demeurent encore mal compris. Parmi eux, ISG20 est une protéine qui dégrade l’ARN en partant de son extrémité 3’ inhibant ainsi la réplication de différents virus. Plusieurs études ont rapporté des mécanismes d’action variés, allant de la dégradation directe des ARN viraux à des effets indirects sur la cellule hôte. Dans ce contexte, notre laboratoire a, par le passé, mis en évidence un mécanisme antiviral distinct, selon lequel ISG20 inhibe la traduction des ARN viraux. Ce mécanisme, bien que dépendant de son activité exonucléasique, ne repose pas sur la dégradation directe des ARN viraux, suggérant qu’ISG20 pourrait cibler d'autres composants cellulaires impliqués dans la traduction des ARN viraux.

Le projet de thèse de Séverine Deymier a consisté à étudier deux aspects complémentaires d’ISG20 : la spécificité de son activité RNase vis-à-vis des ARN, ainsi que la dynamique de sa localisation subcellulaire, deux aspects encore peu élucidés à ce jour. 

Dans un premier temps, nous avons exploré la spécificité de l’activité exonucléasique d’ISG20. Nos résultats ont permis de mettre en évidence que certains éléments structuraux des ARN, notamment les structures secondaires situées en 3’ ainsi que la liaison de la protéine PABP aux queues poly(A), protègent les ARN de l’action exonucléasique d’ISG20, constituant ainsi un premier facteur de protection de la cellule contre cette activité. D’autre part, nous avons mené une étude approfondie de la localisation subcellulaire d’ISG20, qui s’est révélée être un élément clé de son activité antivirale. Les principaux résultats de mes travaux de thèse montrent qu’en réponse à l’infection virale, ISG20 se relocalise rapidement dans le nucléole, un phénomène essentiel à son activité antivirale, et associé à une inhibition de la traduction. Cette relocalisation s’accompagne d’un remodelage du nucléole, sans altération majeure des ARN ribosomiques ni des protéines associées aux ribosomes, mais avec une dérégulation ciblée de plusieurs ARN non codants. Notamment, nous avons observé une inhibition de l’expression de l’ARN U6, corrélée à des défauts d’épissage alternatif. Bien que le lien entre avec ces événements transcriptomiques reste à établir, ces données soulignent le rôle fonctionnel du nucléole dans l’activité d’ISG20.

Dans leur ensemble, les travaux de thèse de Séverine Deymier mettent en lumière deux aspects complémentaires de l’activité d’ISG20 : la spécificité de son action exonucléasique vis-à-vis des ARN, et l’importance de sa relocalisation nucléolaire dans le contrôle viral. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour comprendre les interactions complexes entre virus et hôte, et plus spécifiquement, pour comprendre les mécanismes d’action d’ISG20.

Molecular characterization of the antiviral activity of ISG20

The interferon response is a central component of innate immunity, particularly through the rapid induction of a large number of so-called interferon-stimulated genes (ISGs), which possess antiviral properties. However, the mechanisms of action of many ISGs are still poorly understood. Among them, ISG20 is a protein that degrades RNA from its 3’ end, thereby inhibiting the replication of various viruses. Several studies have reported diverse mechanisms of action, ranging from the direct degradation of viral RNAs to indirect effects on the host cell. In this context, our laboratory has previously identified a distinct antiviral mechanism in which ISG20 inhibits the translation of viral RNAs. This mechanism, although dependent on its exonuclease activity, does not rely on the direct degradation of viral RNAs, suggesting that ISG20 may target other cellular components involved in viral RNA translation.

The aim of Séverine Deymier's thesis was to study two complementary aspects of ISG20: the specificity of its RNase activity toward different RNAs, and the dynamics of its subcellular localization, two aspects that remain poorly characterized to date.

First, we investigated the specificity of ISG20’s exonuclease activity. Our results showed that structural features of RNAs, specifically secondary structures at the 3’ end and the binding of the PABP protein to poly(A) tails, can protect RNAs from ISG20-mediated degradation, thus representing an initial protective mechanism used by the cell against this activity. Second, we performed a comprehensive analysis of ISG20’s subcellular localization, which emerged as a key factor in its antiviral function. The main findings of my thesis show that, in response to viral infection, ISG20 rapidly relocates to the nucleolus, an event that is essential for its antiviral activity and is associated with translation inhibition. This relocalization occurs along with nucleolar remodeling, without major disruption of ribosomal RNAs or ribosome-associated proteins, but with dysregulation of several non-coding RNAs. Particularly, we observed inhibition of U6 RNA expression, which correlated with defects in alternative splicing. Although the connection between these transcriptomic events and ISG20 remains to be established, these data highlight the functional role of the nucleolus in ISG20-mediated antiviral activity.

Altogether, Séverine Deymier's thesis highlights two complementary aspects of ISG20 function: the specificity of its exonuclease activity on RNAs, and the importance of its nucleolar relocalization in the control of viral infection. These findings open new perspectives for understanding the complex interactions between viruses and host cells, and more specifically, for uncovering ISG20’s mechanisms of action.