1. Introduction

2. Classification et taxonomie des virus

3. Entrée des virus enveloppés dans la cellule hôte

a. L'enveloppe
b. Incorporation des glycoprotéines dans l'enveloppe virale
c. Protéines de fusion virales et fusion [enveloppe du virus - membrane de l'hôte]
d. Les peptides de fusion
e. Incidence du pH des endosomes sur la fusion des membranes
f. Illustration du SARS-CoV-2

4. Entrée des virus non enveloppés dans la cellule hôte

a. Modification subséquente de la membrane par les protéines de la capside des virus non enveloppés
b. Mécanismes de perturbation des membranes pour la libération du contenu de la capside
c. Cas des bactéries Gram(-)

5. Intégration du génome viral

6. Réplication et transcription du génome viral, traduction des protéines virales

a. Exemple du virus de la grippe (influenza virus)
b. Exemple du virus HIV-1

7. La capside

a. Généralités
b. Le repliement "jelly roll"
c. Le nombre de triangulation T
d. Description de quelques protéines de capsides

8. Assemblage de la capside et empaquetage du génome

a. Illustration : modèle de morphogenèse d'entérovirus
b. Illustration : modèle pour l'assemblage de la capside et l'empaquetage des adénovirus
c. Illustration : capside pré-formée et complexe "portail" des bactériophages

9. Sortie du génome viral du noyau de la cellule hôte

a. Export du génome par les pores nucléaires et une protéine navette
b. Export par remodelage des membranes nucléaires ("nuclear egress")
c. Autres virus enveloppés : sortie avec les machineries ESCRT
d. Perturbation de l'enveloppe nucléaire

10. Bourgeonnement et sortie de la cellule hôte avec les machineries ESCRT

11. La maturation des virions

a. La transcriptase inverse des rétrovirus
b. Maturation des poly-protéines Gag-Pol et Gag

12. Lysogénie et lyse

13. Arbitrage entre lysogènie (voie latente) et voie lytique

14. Les protéines du virus Ebola

15. Médicaments antiviraux et développement de nouveaux antiviraux

16. Mise au point de vaccins contre le coronavirus SARS-CoV-2

17. Nanomatériaux biomimétiques : thérapies antivirales et développement de vaccins

18. Apport des méthodes d'apprentissage profond

19. Liens Internet et références bibliographiques

Ce cours est un aperçu de l'ensemble des connaissances en virologie. En effet, détailler les spécificités de toutes les étapes du cycle de vie de chaque classe de virus, et ce, pour tous les types de cellules infectées (animaux (mammifères, homme, ...), plantes, bactéries Gram+ et Gram-, ...) est l'objet d'ouvrages spécialisés.

Malgré tout, en focalisant sur les principes des interactions de certains couples [virus - cellule hôte], ce cours décrit les caractéristiques fondamentales des virus et de l'infection virale.

1. Introduction

Les virus sont des parasites de tous les types de vie cellulaire car ils ne peuvent pas se reproduire. Ils infectent une cellule hôte et utilise sa machinerie pour produire d'autres particules de virus.

La particule virale infectieuse, appelée virion, est constituée d'un acide nucléique (ADN ou ARN) entouré d'une enveloppe protéique, la capside, constituée de nombreux exemplaires d'un ou plusieurs types de protéines.

Source : Callaway E. (2017) - Animated Healthcare Ltd.

Les virus représentent la forme de vie la plus abondante et la plus diverse sur Terre. Ils peuvent infecter tous types d'organismes (vertébrés et invertébrés, plantes, champignons, bactéries, archées).

Les virus qui infectent les bactéries sont appelés bactériophages ou phages : ils représentent la forme biologique la plus abondante dans la biosphère avec environ 4,8 10³¹ phages (10 fois plus nombreux que les bactéries) et une biomasse estimée à 200 millions de tonnes.

• Les océans (environ 70% de la surface de la Terre) représentent le principal réservoir de virus : chaque mL d'eau de mer contient environ 10⁷ - 10⁸ phages et environ 10²³ infections par des phages se produisent chaque seconde.
• Les virus des archées jouent un rôle majeur dans la formation des sédiments océaniques en tuant leurs hôtes : cela entraîne la libération de 3 à 5 10⁸ tonnes de carbone par an.
• L'intestin des mammifères est également densément peuplé : 10¹³ - 10¹⁴ bactéries et jusqu'à 10⁸ particules virales (la plupart étant des bactériophages) par gramme de matière fécale (les phages d'Escherichia coli dominant : 10³ - 10⁴ phages chez l'homme et jusqu'à 10⁷ chez la vache et le porc).

Il est admis que les virus sont polyphylétiques et différents scénarios quant à leur origine sont envisagés :

• Une évolution à partir d'éléments génétiques primordiaux pré-cellulaires.
• A l'inverse, une régression d'ancêtres cellulaires.
• La "fuite" de gènes d'hôtes d'origine qui auraient acquis une autonomie de réplication partielle et auraient été transformés en éléments génétiques parasitaires.

L'étude des virus de plantes est à l'origine des premières expériences de biologie moléculaire. En 1935, Wendell Stanley (co-lauréat avec John Howard Northrop du Prix Nobel de chimie en 1946 "for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form") a purifié et partiellement cristallisé le virus de la mosaïque du tabac (dont il attaque les feuilles).

Quelques virus "célèbres"

Exemples d'infections virales médiatisées : virus du chikungunya (moustique "tigre" Aedes albopictus ou Aedes aegypti), virus de la dengue (moustiques du genre Aedes), virus HIV-1 (sida), virus Zika (Flavivirus, moustiques du genre Aedes).

Les virus de la grippe

Il existe 4 types de virus de la grippe : A, B, C et D. Le type A est celui dont l'infection est la plus virulente chez l'homme.

• Ce sont des virus à ARN qui codent jusqu'à 11 protéines dont l'hémagglutinine (HA) et la neuramidase (NA) : ces protéines ont une structure semblable à des pointes ("spike-like proteins") à la surface du virus (figure de gauche ci-dessous).
• Les sous-types du virus de la grippe A correspondent à 18 variants de HA et 11 variants de NA (figure de droite ci-dessous) : les nombres H et N indiquent la souche du virus (exemples : H1N1, H5N1 ou virus de la grippe aviaire).

Sources : Centers for Disease Control / Biopharma

L'ARN du virus Zika

Des structures peu communes en forme de nœud de certains ARN viraux résistants aux exoribonucléases ("viral exoribonuclease-resistant RNAs" - xrRNA) empêchent leur hydrolyse par les ribonucléases de l'hôte, augmentant ainsi le pouvoir infectieux et la pathogénicité de ces ARN viraux. Ces xrRNA empêchent l'hydrolyse du fait d'une résistance mécanique à leur dépliement.

Le dépliement d'un xrRNA du virus Zika avec des "pincettes optiques" montre qu'il s'agit de l'ARN le plus stable sur le plan mécanique observé à ce jour :

• Le nœud formé et les contacts tertiaires stabilisant l'extrémité 5′ sont nécessaires pour induire une résistance à une force extrême.
• La suppression d'une liaison à l'extrémité 5′ produit un nœud que la ribonucléase peut séparer et hydrolyser à nouveau correctement.
• Zhao & Woodside (2021)

Les coronavirus

Les coronavirus (Nidovirales, Coronaviridae, Coronavirinae) Ces virus tirent leur nom de leur halo en forme de couronne. Ce sont des virus enveloppés et sphériques de 100 à 160 nm de diamètre, contenant un génome à ARN simple brin positif de 27 à 32 kilo paire de bases.

• Le coronavirus SARS-CoV-2 ("Severe Acute Respiratory Syndrome COronaVirus 2", francisé en SRAS-CoV-2 (Syndrome Respiratoire Aigu Sévère), initialement 2019-nCoV puis "SARS-CoV-2 isolate Wuhan-Hu-1 genome".
• SARS-CoV-2 est un virus enveloppé qui utilise une ARN polymérase ARN dépendante pour la réplication de son génome et la transcription de ses gènes.
• Ce virus est responsable de la maladie Covid-19 ("Co" : corona, "vi" : virus, "d" : disease, "19" : 2019).

Figure ci-dessous : particules virales libérées de la surface d'une cellule infectée par le coronavirus SARS-CoV-2.

Source : Nicholls et al., Université de Hong Kong

• Voir le génome du SARS-CoV-2 et les séquences en acides aminés des protéines codées par ce génome (Wu et al., 2020) .
• Voir les modèles des structures des peptides matures probables du SARS-CoV-2 (serveur C-I-TASSER) .
• Un variant (mutation D614G de la protéine d'enveloppe S - "spike" - du SARS-CoV-2) apparemment plus infectieux semble prévalent dans le monde depuis fin février 2020 (Korber et al., 2020).
• Voir les structures PDB : 6M17 et 6VSB.
• Accès libre à un très grand nombre d'articles scientifiques consacrés au SARS-CoV-2 (Springer Nature 2020).

Autres exemples de coronavirus

• MERS-CoV : "Middle East Respiratory Syndrome COronaVirus" ou coronavirus du syndrome respiratoire du Moyen-Orient.
• SADS-CoV : "Swine Acute Diarrhoea Syndrome COronaVirus" ou coronavirus du syndrome de diarrhée aiguë porcine.
• Quatre autres coronavirus humains (HCoV-NL63, HCoV-229E, HCoV-OC43 et HKU1) induisent des maladies respiratoires supérieures légères chez des hôtes immunocompétents.

Quelques définitions

• Phage : un virus qui infecte un procaryote (bactérie et archée).
• Bactériophage : un virus qui infecte les bactéries. Exemples : phage λ, T2, T4, φ174, MV-11.
• Prophage : nom donné au génome d'un bactériophage quand il est intégré dans le chromosome de la bactérie hôte ou inséré dans cette batérie sous forme d'un plasmide extrachromosomique. C'est une forme latente du bactériophage qui ne perturbe pas la bactérie (phase lysogène).

Source : Clokie M.R.J. (2018)

• Virophage : un virus qui infecte un autre virus.
  • Exemple : le virophage Spoutnik est un virus satellite qui se reproduit dans des cellules infectées par un virus assistant.
  • Spoutnik utilise le virus assistant comme hôte pour la reproduction et inhibe la réplication de ce dernier. Le virus assistant est Mamavirus, un grand virus (famille Mimiviridae).
• Virulence : elle peut être définie de différentes manières. La définition la plus simple est la sévérité ou la nocivité d'un agent pathogène.
• Virus enveloppé : virus entouré d'une bicouche lipidique dérivée de la membrane de la cellule hôte. Cette enveloppe protège le contenu du virion (voir ci-dessous) et contient, parmi d'autres protéines dérivées de la cellule hôte ou codées par le génome du virus, les protéines virales nécessaires à la fixation, à la fusion et à l'entrée du virus dans la cellule hôte.
• Récepteurs de la cellule hôte : ils sont la cible des glycoprotéines de fusion d'un virus enveloppé pour sa fixation spécifique à la cellule hôte et l'initiation de la cascade des évènements [fusion - entrée].
• Virion : forme de transport d'un virus entre cellules. La maturation des virions a lieu après la sortie de la particule infectieuse virale de la cellule hôte soit par bourgeonnement soit par scellement de la capside sphérique. Cette maturation est un réarrangement et/ou un clivage irréversibles des protéines du virus qui activent le virion et le rendent compétent pour la réinfection.

Source : ViralZone

• Figure ci-dessus : virion d'un Baculoviridae enveloppé. Les virions extracellulaires des baculovirus peuvent être sous deux formes : BV (virus bourgeonné) et OV (virus occlus). La nucléocapside mesure environ 21 nm x 260 nm.

Les virus n'ont pas de structure cellulaire et ne peuvent pas effectuer de réactions métaboliques. En revanche, ils utilisent la machinerie métabolique et génétique de la cellule hôte qu'ils infectent pour se multiplier.

On peut les considérer comme des "parasites génétiques" et non comme des êtres vivants indépendants. Les caractéristiques structurales et fonctionnelles de leurs gènes sont semblables à celles des gènes de leurs cellules hôtes.

Contrairement aux génomes des autres êtres vivants, composés exclusivement d'ADN, certains génomes viraux sont constitués d'ARN. Certains virus sont dits à ARN négatif car leur matériel génétique est complémentaire de celui d'un ARN messager (qualifié de positif) et donc "illisible" par la cellule hôte.

Leur génome contient un nombre variable de gènes.

Exemple d'ontologie (termes et numéros d'accession GO, "Gene Ontology") pour l'annotation des évènements clés du cycle de vie d'un virus (VZ : page de la base de données ViralZone; KW : mot clé UniProtKB).

Source : Hulo et al. (2017)

2. Classification et taxonomie des virus

• Groupes des virus à ADN : groupe I = virus à ADN double brin ("double-stranded DNA virus" - "dsDNA"); groupe II = virus à ADN simple brin ("single-stranded DNA virus" - "ssDNA")
• Groupes des virus à ARN : groupe III = virus à ARN double brin; groupe IV = virus à ARN simple brin à polarité positive ("single-stranded RNA virus, positive-sense"); groupe V = virus à ARN simple brin à polarité négative ("single-stranded RNA virus, negative-sense")
• Groupes des virus (ADN ou ARN) à transcriptase inverse ("reverse transcriptase") : groupe VI = rétrovirus à ARN simple brin ("ssRNA(RT)"); groupe VII = rétrovirus à ADN double brin ("dsRNA(RT)")

Classification selon la méthode de David Baltimore sur la structure du génome (voir "Family Groups - The Baltimore Method") :

• Group I : dsDNA ("double-stranded DNA") viruses; group II : ssDNA ("single-stranded DNA") viruses
• Group III : dsRNA ("double-stranded RNA") viruses
• Group IV : (+)sense RNA viruses; group V : (-)sense RNA viruses
• Group VI : positive-sense single-stranded RNA viruses that replicate through a DNA intermediate (retroviruses - reverse transcriptase to convert the positive-sense RNA into DNA).
• Group VII : double-stranded DNA viruses that replicate through a single-stranded RNA intermediate (pararetrovirus - reverse transcriptase)

Source : ViralZone

David Baltimore a été co-lauréat du Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1975 pour la découverte de la transcriptase inverse (enzyme des rétrovirus), conjointement à Renato Dulbecco et Howard Martin Temin "pour leurs découvertes concernant l'interaction entre les virus tumoraux et le matériel génétique de la cellule".

Voir la classification taxonomique au NCBI.

Source : Antiviral InteliStrat Inc.

ICTV : International Committee on Taxonomy of Viruses

L'ICTV (anciennement "International Committee on Nomenclature of Viruses") est une organisation mondiale à but non lucratif. C'est un comité de la division de virologie de l'Union internationale des sociétés de microbiologie ("Virology Division of the International Union of Microbiological Societies" - IUMS).

L'ICTV est responsable de l'élaboration de la taxonomie (y compris la classification officielle) de tous les virus, viroïdes et satellites, ainsi que de la nomenclature des taxons approuvés. L'ICTV gère également plusieurs ressources Web au service de la communauté de virologie :

• La base de données taxonomique ICTV est accessible à l'aide d'un navigateur de taxonomie en ligne. La base de données est également utilisée pour générer une feuille de calcul téléchargeable de la taxonomie actuelle des virus (la Master Species List) publiée chaque année.
• Le rapport ICTV en ligne est un recueil de tous les taxons de virus avec des informations décrivant les propriétés et les caractéristiques des virus membres de chaque taxon.
• La ressource de métadonnées sur les virus (téléchargeable) comprend les noms de virus, les abréviations de noms de virus, les désignations d'isolats, les numéros d'accession GenBank et les groupes d'hôtes pour les virus exemples de chaque espèce de virus approuvée.

Classification de quelques familles de virus selon leur taille

• Geminivirus (15 - 20 nm) : génome à ADN, 2500 paires de bases.
• Phycodnavirus (110 nm) : génome à ADN double brin, 160.000 - 560.000 paires de bases.
• Iridovirus : (150 - 200 nm) : génome à ADN double brin, 100.000 - 220.000 paires de bases, environ 90 - 210 protéines prédites.
• Poxvirus (300 nm) : génome à ADN double brin, 130.000 - 300.000 paires de bases.
• Mimivirus (750 nm) : découverts en 2003 (Acanthamoeba polyphaga). Génome à ADN double brin (1,2 millions de paires de bases codant environ 900 protéines).
• Pandoravirus (1000 nm) : découverts en 2013. Ils possèdent un génome à ADN double brin avec la plus grande taille (2,5 millions de paires de bases, environ 2500 gènes) de tous les virus connus.
• Tupanvirus (Mimiviridae - 1200 nm) : découverts en 2018. Génome à ADN double brin (1,44 - 1,51 millions de paires de bases, 1276 à 1425 protéines prédites). Ces virus possèdent l'appareil de traduction le plus complet de la virosphère : en particulier, 70 ARN de transfert, 20 aminoacyl-tRNA synthétases, 11 facteurs pour les différentes étapes de la traduction, plusieurs facteurs de maturation des ARN de transfert et des ARN messagers .
• Pithovirus (1500 nm) : virus géant découvert en 2013. Il possède un chromosome circulaire à ADN double brin d'environ 610.000 paires de bases (467 gènes).
• Klothovirus (2500 nm) : virus géant mis en évidence en 2019 après ré-analyse de clichés anciens.

Les virus dits géants (découverts très récemment) ou virus à grand ADN nucléo-cytoplasmique ("NucleoCytoplasmic Large DNA Viruses", NCLDV) constituent l'un des plus grands groupes de virus qui infectent une grande variété d'hôtes eucaryotes. Exceptés les Poxvirus, les Pandoravirus et les Ascovirus, ils ont une forme approximativement icosaédrique.

Voir "The largest virus genomes and sequences" - PIT Bioinformatics Group, Eotvos Lorand University, Budapest.

Les connaissances sur les NCLDV sont principalement dérivées d'isolats viraux co-cultivés avec des protistes et des algues. Cependant, 2074 génomes de NCLDV ont été reconstruits à partir d'échantillons prélevés à travers le monde et les données des métagénomes (Schulz et al., 2020).

• Le résultat est une augmentation de la diversité fonctionnelle et phylogénétique d'un facteur 10 et d'un facteur 11, respectivement.
• L'analyse de plus de 58.000 protéines majeures des capsides de grands virus et de virus géants à l'aide de données métagénomiques a permis d'établir un schéma de la distribution mondiale et de la nature cosmopolite de ces types de virus.
• Les génomes viraux découverts codent une large gamme de protéines avec des rôles potentiels dans la photosynthèse et divers processus de transport, ce qui indique que la reprogrammation de l'hôte est probablement une stratégie courante des NCLDV.

La diversité des NCLDV (qui sont par ailleurs associés aux principales lignées des eucaryotes) est en faveur de l'hypothèse qu'ils sont des acteurs importants des écosystèmes à travers les biomes.

Les phages à très grand génome et leurs systèmes CRISPR-Cas

Les bactériophages ont généralement de petits génomes. Cependant, il existe des centaines de génomes de phages de plus de 200.000 paires de bases, jusqu'à 735.000 paires de bases. Dix clades de phages ont été identifiés et nommés : Mahaphage, Kabirphage, Dakhmphage, Jabbarphage, Kyodaiphage, Biggiephage, Whopperphage, Judaphage, Enormephage et Kaempephage (Al-Shayeb et al., 2020).

Les répertoires génétiques de ces phages à très grand génome contiennent divers systèmes CRISPR-Cas, des ARN de transfert (ARNt), des ARNt synthétases, des enzymes de modification de l'ARNt, des facteurs d'initiation et d'élongation de la traduction et des protéines ribosomales.

Les systèmes CRISPR-Cas de ces phages ont la capacité de réduire au silence les facteurs de transcription de la bactérie hôte et donc les gènes qui devraient être transcrits.

Les Biggiephages possèdent un système CRISPR-Cas très particulier :

• Leur enzyme Cas (une seule protéine d'environ 70 kDa) a une taille environ la moitié de celles des autres systèmes CRISPR-Cas.
• Cette protéine Cas-Φ virale, plus petite et plus compacte, est donc plus facile à transporter dans les cellules pour éditer leur génome, car elles peuvent être emballées dans de petits systèmes de transport, notamment le virus désactivé appelé virus adéno-associé ("Adeno-Associated Virus" - AAV).

Source : Pausch et al. (2020)

3. Entrée des virus enveloppés dans la cellule hôte

La reconnaissance et la fixation sur la cellule hôte est le préalable à toute infection par un virus. La membrane des cellules est caractérisée par de nombreux types de macromolécules (protéines, glycérophospholipides, glycanes, ...) dont le nombre, la structure et la composition sont la signature des cellules.

En conséquence, les nombreux virus ciblent ces macromolécules (qu'on appelle récepteurs) pour entrer dans la cellule hôte.

a. L'enveloppe

Certains virus (exemples : virus HIV, de l'herpès, ...) sont dits enveloppés ("enveloped virus") : en effet, ils possèdent une membrane, appelée enveloppe, qui provient de la cellule infectée : au cours du processus de bourgeonnement ("budding off"), les particules virales nouvellement formées ont une enveloppe qui, dès lors, entoure leur nucléocapside protéique.

L'enveloppe peut aider un virus à survivre, à contourner le système immunitaire défensif de l'hôte, à infecter d'autres cellules.

Source : Henderson C. (NIAID - NIH) - gp41 et gp120 sont des glycoprotéines d'enveloppe

L'enveloppe virale est constituée par des éléments provenant de la membrane plasmique (bicouches lipidiques et protéines) de la cellule hôte ou du virus. Les virus remplacent cependant les protéines membranaires d'origine par leurs propres protéines, en particulier des glycoprotéines qui "pointent" et leur permettent de reconnaitre leurs cellules cibles et de se fixer à leur surface.

• De nombreux virions sont donc recouverts de glycoprotéines ce qui leur confèrent l'aptitude à "communiquer" avec leur cellule hôte : le potentiel infectieux d'un virus dépend entièrement des glycoprotéines qui le caractérisent.
• De plus la membrane / enveloppe qui entoure les virus enveloppés leur permet d'entrer dans la cellule hôte par un mécanisme de fusion des membranes.

Illustration : la glycoprotéine d'enveloppe Env du rétrovirus (lentivirus) HIV-1

Cette glycoprotéine est synthétisée sous forme d'un précurseur appelé gp160 (PDB 4CC8) très flexible et recouvert de glucides. Ce précurseur est hydrolysé :

• En une sous-unité gp120 exposée à la surface et impliquée dans la liaison au récepteur CD4 de la cellule hôte.
• En une sous-unité gp41 ancrée dans la membrane du virus et impliquée dans la fusion des membranes virale et cellulaire.

Les sous-unités gp120 et gp41 s'associent de manière non covalente pour former un trimère d'hétérodimère [gp120-gp41]₃. Du point de vue ultra-structural, elles forment des pointes dans l'enveloppe du virion.

Le trimère [gp120-gp41]₃ du HIV-1 interagit avec le récepteur primaire CD4 et un corécepteur (tel que le récepteur de la chimiokine CCR5, un RCPG) pour fusionner les membranes du virus et de la cellule cible.

L'interaction entre gp120 et le corécepteur semble l'élément déclencheur de l'acquisition du potentiel de fusion de gp41.

Le récepteur CD4 ("Cluster of Differentiation 4") est une glycoprotéine présente à la surface de cellules immunitaires (cellules T auxiliaires, monocytes, macrophages, cellules dendritiques).

Figure adaptée de "HIV Envelope Glycoprotein - PDB"

b. Incorporation des glycoprotéines dans l'enveloppe virale

• L'appareil de synthèse des protéines de la cellule hôte ("producer cell") est utilisé pour synthétiser les glycoprotéines de la future enveloppe virale Env (figure ci-dessous).
• Ces glycoprotéines sont ensuite glycosylées et repliées correctement dans le réticulum endoplasmique de cette même cellule hôte.
• Elles sont enfin sécrétées (après transit par l'appareil de Golgi) et enchâssées dans la membrane de la cellule hôte. Elle sont alors prêtes à être recrutées par les nouvelles particules bourgeonnantes des virions en cours de formation.

La synthèse de protéines virales dans la cellule hôte peut provoquer un stress dans le réticulum endoplasmique : les cellules hôtes disposent d'un mécanisme (appelé "Unfolded Protein Response" - UPR) pour répondre au stress lié à l'accumulation de protéines mal repliées dans le réticulum endoplasmique et ainsi l'atténuer.

Une particularité importante de l'UPR est sa capacité à augmenter la voie de dégradation des protéines associée au réticulum endoplasmique ("ER-Associated protein Degradation pathway" - ERAD), notamment via son mécanisme de contrôle de la qualité du repliement des protéines. C'est donc une "lutte évolutive" incessante entre les virus et la machinerie ERAD de leurs hôtes.

Modèles (non mutuellement exclusifs) d'incorporation des glycoprotéines Env dans l'enveloppe virale de nouveaux virions

• Mécanisme 1 (figure ci-dessous) : les glycoprotéines Env à la surface de la cellule hôte pourraient être incorporées passivement dans les virions à mesure que les particules virales acquièrent une membrane dérivée de l'hôte pendant l'assemblage et le bourgeonnement.
• Voir la structure du génome d'un rétrovirus.

Source : Freed E.O. (2015) - CA : capside / NC : nucléocapside
Dans la figure originale, d'autres schémas décrivent les 3 autres mécanismes.

• Mécanisme 2 : les protéines Gag et Env cibleraient toutes deux conjointement un site spécifique de la membrane plasmique, par exemple un microdomaine de type "radeau lipidique", concentrant ainsi Env sur les sites d'assemblage.
• Mécanisme 3 : des données expérimentales suggèrent que le domaine de la protéine Gag orienté vers la matrice et la queue de la sous-unité gp41 orientée vers le cytoplasme (voir ci-dessous) de la protéine Env interagissent, ce qui induit la rétention des complexes Env au niveau des sites de bourgeonnement et leur recrutement dans les virions.
• Mécanisme 4 : cette interaction pourrait être indirecte par le biais d'une protéine de l'hôte reliant les deux protéines virales.

c. Protéines de fusion virales et fusion [enveloppe du virus - membrane de l'hôte]

Les glycoprotéines assurent le processus dit de fusion entre l'enveloppe virale et les membranes des cellules hôtes. Les glycoprotéines de fusion virales sont en conséquence de plus en plus des cibles de médicaments antiviraux (voir Vigant et al., 2015).

Source : Xiong Laboratory - Yale University

Trois classes de glycoprotéines de fusion virales sont pour l'instant identifiées sur la base des similitudes de structures.

Mécanisme de fusion [enveloppe du virus - membrane de l'hôte]

C'est la mise en contact intime de 2 bicouches membranaires distinctes suivie de leur fusion en une seule. Les peptides de fusion sont les séquences hydrophobes qui interagissent directement avec la membrane cible.

Les étapes (quasiment identiques pour les 3 classes de protéines de fusion) sont les suivantes :

• apposition rapprochée
• hémifusion : étape au cours de laquelle seules de petites régions des monocouches externes des membranes en contact se confondent. Les feuillets internes des deux bicouches sont encore distincts et le contenu du virion n'a pas accès au cytoplasme de la cellule hôte
• petits pores de fusion puis grands pores de fusion

Source : Vigant et al. (2015)

Les protéines adoptent des structures quaternaires très particulières :

• La structure pré-épingle à cheveux ("pre-hairpin intermediate") est une conformation intermédiaire (étendue et métastable) de la protéine de fusion virale, juste avant qu'elle ne se replie dans la conformation stable après la fusion.
• La structure trimère d'épingles à cheveux ("trimer of hairpins") .
• Voir ci-dessous.

d. Les peptides de fusion

Induit par un signal associé à l'entrée dans la cellule à infecter (exemples : liaison au [récepteur/co-récepteur], fixation de protons dans un endosome), les glycoprotéines de fusion subissent plusieurs changements de conformation. Un segment hydrophobe de la chaîne polypeptidique, appelé peptide de fusion (ou boucle de fusion) interagit avec la membrane de la cellule cible et cet intermédiaire de pontage rapproche les deux membranes (virus et cellule).

Les peptides de fusion sont localisés de 3 manières dans la séquence polypeptidique :

• à l'extrémité N-terminale ou proche : la plupart des protéines de fusion de la classe I ont un peptide de fusion N-terminal généré par protéolyse
• boucle simple interne
• boucle bipartite interne

Exemple des peptides de fusion des protéines de fusion de la classe I

Lors de son activation pour la fusion, l'ectodomaine de la sous-unité de la protéine de fusion ancrée dans la membrane subit des changements de conformation :

• En premier lieu, l'intermédiaire dit en pré-épingle à cheveux ("pre-hairpin intermediate") est formé pour ancrer les membranes virale et cellulaire via les domaines transmembranaire et le peptide de fusion, respectivement.
• La présence du peptide de fusion dans l'ectodomaine exposé à la phase aqueuse est une caractéristique commune à toutes les protéines de fusion virales et une nécessité absolue pour leur fonction fusogène. Il semble que la séquence hydrophobe du peptide de fusion (habituellement à l'extrémité N-terminale, ou à proximité, de la sous-unité fusogénique, voir le tableau ci-dessus) est impliquée dans la partition initiale de la protéine de fusion dans la membrane cible.
• Au cours de cette première étape, la formation (exemple, hémagglutinine IF) ou la complétion (exemple, protéine Env du VIH) d'un enroulement prolongé par des hélices N-terminales serait la force de propulsion qui provoque l'exposition et la translocation du peptide de fusion au voisinage immédiat de la membrane cible.
• La structure suivante est le trimère d'épingles à cheveux (à faible énergie) dans laquelle, les extrémités N- et C-terminales de l'ectodomaine se rejoignent : l'enroulement à l'extrémité N-terminale crée des sillons dans lesquels les hélices C-terminales se logent selon une orientation antiparallèle via des interactions hydrophobes.
• L'énergie libérée pendant la formation du trimère d'épingles à cheveux serait utilisée pour rapprocher les membranes et induire leur fusion.

e. Incidence du pH des endosomes sur la fusion des membranes

Un pH bas est un élément déclencheur de la fusion pour certains virus (orthomyxovirus, rhabdovirus, alphavirus, flavivirus, bunyavirus et arénavirus). Ces virus pénètrent dans les cellules par endocytose et fusionnent avec des endosomes précoces (exemple, le virus VFS) ou tardifs (exemple, le virus de la grippe).

Un pH faible induit des réarrangements de la structure des 3 classes de protéines de fusion qui permettent de positionner le peptide de fusion afin qu'il puisse s'enfouir dans la membrane cible.

Pour les protéines de fusion de la classe I, cela implique la séparation des domaines de la tête globulaire qui fixent la sous-unité de fusion dans son état de pré-fusion. Par exemple, la glycoprotéine G attache le virus VSV aux récepteurs LDL de l'hôte, induisant une endocytose du virion dépendante de la clathrine. Dans l'endosome, le pH acide induit des modifications conformationnelles du trimère de la glycoprotéine qui déclenchent la fusion entre le virus et la membrane endosomale.

Illustration du virus de la grippe

Dans le cas du virus de la grippe, la glycoprotéine de liaison au récepteur de la cellule cible est l'hémagglutinine (HA) :

• C'est une protéine de fusion virale de la classe I. Elle représente 80% des protéines de l'enveloppe virale.
• Elle se lie aux molécules d'acide sialique (voir ci-dessous) constitutives du récepteur de la cellule cible ce qui induit l'internalisation du virion (par endocytose dépendante de la clathrine ou par une voie indépendante de la clathrine et de la cavéoline).
• HA est donc resposnable de la fusion de l'enveloppe virale avec la membrane de l'endosome.

HA est une protéine trimérique et chaque sous-unité est constituée de 2 domaines (HA1 et HA2 ) reliées par des ponts disulfures :

• Le plus grand domaine HA1 (le plus distant de l'enveloppe virale) assure la liaison aux récepteurs.
• HA2 est un domaine plus petit. Il ancre HA dans l'enveloppe virale et il contient le peptide de fusion impliqué dans l'interaction entre les membranes.

Le faible pH des endosomes active la fusion en facilitant les changements conformationnels irréversibles de la glycoprotéine :

• Les structures de HA à pH neutre et au pH de fusion révèlent plusieurs formes distinctes de HA, en particulier une conformation de HA2 sous forme d'une bobine triple hélicoïdale (longueur 150 Å) qui établit un pont entre les membranes du virus et de l'endosome (Voir Benton et al., 2020).
• Voir les structures PDB : 6Y5G, 6Y5H, 6Y5I, 6Y5J, 6Y5K & 6Y5L.

f. Illustration du SARS-CoV-2

La glycoprotéine de pointe et le domaine de fixation à la cellule hôte

Un coronavirus pénètre dans la cellule hôte via sa glycoprotéine de pointe : celle-ci est synthétisée sous forme d'un précurseur inactif qui doit être protéolysé pour médier la fusion des membranes du virus et de l'hôte.

Chaque virion du SARS-CoV-2 possède 24 à 40 glycoprotéines de pointe (ou protéine d'enveloppe S - "spike glycoprotein") distribuées au hasard à sa surface :

• La glycoprotéine de pointe du SARS-CoV-2 est enrobée de glycanes qui la "camouflent" au système immunitaire humain.
• Elle est extrêmement flexible ("hankle" : cheville; "hip" : "hanche" - figure ci-dessous) autour de 3 parties (sous-unités S1 et S2 et site S2'), permettant ainsi au virion de mieux analyser la composition de la surface de la cellule hôte et, en conséquence, que plusieurs glycoprotéines de pointes s'y lient.

La glycoprotéine de pointe est synthétisée sous forme d'un précurseur inactif protéolysé en :

• Une sous-unité S1 N-terminale (environ 700 résidus d'acides aminés) qui contient le domaine de liaison au récepteur de la cellule hôte.
• Une sous-unité S2 C-terminale (environ 600 résidus d'acides aminés) qui contient le peptide de fusion hydrophobe et deux régions répétées.
• Le site de clivage S2' (inclu dans la sous-unité S2) est le siège de l'hydrolyse par une protéase (forme post-fusion de la glycoprotéine de pointe).

Trois hétérodimères [S1/S2] s'assemblent pour former la glycoprotéine de pointe qui sort de l'enveloppe virale.

Source : Scudellari M. (2021)

Un domaine particulier situé dans la sous-unité S1 de la glycoprotéine de pointe du SARS-CoV-2 est appelé "Receptor Binding Domain" (RBD) : il se fixe au récepteur ACE2 situé en surface de la plupart des cellules hôtes de la gorge et des poumons de l'homme.

• Le RBD (résidus d'acides aminés 306 - 524) a une structure en feuillets antiparallèles à cinq brins torsadés (β1, β2, β3, β4 et β7) avec de courtes hélices et des boucles de connexion qui forment le coeur du domaine.
• L'ACE2 ("Angiotensin-Converting Enzyme 2") est présente notamment dans les cellules du poumon, du système cardiovasculaire et du système nerveux central.
• L'ACE2 a plusieurs rôles physiologiques : régulateur négatif du système rénine-angiotensine, facilitateur du transport des acides aminés et récepteur du SARS-CoV-2. Ces fonctions expliquent le lien critique entre l'immunité, l'inflammation, l'ACE2 et les maladies cardiovasculaires.

Voir une remarquable vidéo : "How does SARS-CoV-2 enter and replicate in cells ?" ("Comment le SARS-CoV-2 pénètre-t-il et se réplique-t-il dans les cellules ?")

Entrée du SARS-CoV-2 dans la cellule hôte

La glycoprotéine de pointe S est une protéine de fusion de la classe I trimèrique. Elle doit être activée par protéolyse pour médier la fusion des membranes du virus et de la cellule hôte.

Selon la séquence en acides aminés à la jonction entre les sous-unités S1 et S2, cette protéolyse est effectuée :

• Soit par une cathepsine L (protéase) dans l'endosome tardif.
• Soit par la furine (E.C. 3.4.21.75) ET par une protéase à sérine (exemple : TMPRSS2), toutes deux appartenant à la cellule hôte. L'infection par cette voie est plus rapide et évite au virus d'être piégé dans les endosomes.

Source : Promocell

Exemple de la protéase à sérine transmembranaire TMPRSS2 ("TransMembrane PRoteaSe Serine 2" - E.C. 3.4.21.B60) présente en grand nombre à la surface des cellules hôtes respiratoires.

• TMPRSS2 hydrolyse le site E229 qui expose une série d'acides aminés hydrophobes qui s'enfouissent rapidement dans la membrane de la cellule hôte.
• Puis la pointe se replie sur elle-même, forçant les membranes du virus et de la cellule hôte à fusionner. Le virus injecte alors son génome dans la cellule.

Les variants du SARS-CoV-2

Le récepteur ACE2 est également le point d'ancrage du SARS-CoV : cependant le SARS-CoV-2 se lie à l'ACE2 deux à quatre fois plus fortement que ne se lie le SARS-CoV. La protéine de pointe du SARS-CoV et celle du SARS-CoV-2 ont 76,5% d'identité d'acides aminés et une forte homologie.

• Cependant, les séquences de leur RBD diffèrent par la mutation de plusieurs résidus d'acides aminés clés.
• Ces mutations augmentent l'affinité de liaison du SARS-CoV-2 au récepteur ACE2, ce qui peut expliquer la plus grande transmissibilité / pathogénicité du SARS-CoV-2.

L'isolat Wuhan-Hu D614 a été la première souche du SARS-CoV-2 décrite au début de la pandémie (décembre 2019) et il appartient au clade 19A.

• En avril 2020, le variant D614G est devenu la souche prépondérante dans le monde.
• Depuis, plusieurs dizaines de milliers de mutations et [insertions/suppressions] des souches du SRAS-CoV-2 ont été décrites.

Source : InvivoGen

Description de quelques variants du SARS-CoV-2

• Le variant Alpha ou variant 20I/501Y.V1 ou VOC ("Variants Of Concern") 202012/01 - lignée Pango B.1.1.7 : il contient plusieurs mutations (notamment A570D, P681H et 2 délétions) dans la séquence de la protéine de pointe. Certaines de ces mutations (en particulier N501Y) confèrent au RBD une conformation qui facilite l'entrée du virus dans les cellules hôtes.
• Les 3 variants Beta (variants 20H/501Y.V2 - lignée pango B.1.351) possèdent, entre autres, les mutations du RBD (K417N, E484K et N501Y).
• Le variant Gamma (variant 20J/501Y.V3 - lignée pango B.1.1.28.1 ou P1) possède, entre autres, les mutations K417N/T et E484K qui augmentent la liaison du RBD au récepteur ACE2.
• Le variant Delta (variant 21A/478K.V1 - lignée pango B.1.617.2) contient de multiples mutations. En particulier :
  • 3 mutations dans le RBD qui augmentent la liaison du RBD au récepteur ACE2. Ce variant semble ainsi plus difficile à détecter par le système immunitaire.
  • La mutation P681R du variant Delta modifie l'hydrolyse par la furine du site S₆₈₀PRRAR/SV₆₈₇ situé à la frontière entre les sous-unités S1 et S2 (voir ci-dessus). Cette modification accroît le taux de réplication du virus en augmentant la dissociation des sous-unités S1 et S2 (Liu et al., 2021).
• Le variant Omicron (variant 21K - GR/484A - lignée pango B.1.1.529) détecté en Afrique du sud en novembre 2021 : mutations Δ69/70, Δ144, K417N, T478K, H655Y, P681H et d'autres mutations.
• Figure ci-dessous : variation du taux des variants en suivant la progression des cas signalés quotidiennement en Afrique du Sud (mars 2020 à décembre 2021).

Source : Viana et al. (2022)

Voir des explications complémentaires de la nomenclature des variants.

Des infections par le SARS vieilles de plusieurs décennies déclenchent une réponse puissante aux vaccins contre la COVID. La production spectaculaire d'anticorps chez les personnes infectées lors de l'épidémie de 2002 - 2004 renforce les espoirs d'un vaccin contre de nombreux coronavirus (Moyo-Gwete et al., 2021).

4. Entrée des virus enveloppés dans la cellule hôte

Les cellules de mammifères sont couvertes de protéines et de lipides glycosylés et les acides sialiques (exceptés les glycosaminoglycanes) sont les unités les plus externes des constituants glycosylés de la membrane plasmique.

Les acides sialiques sont donc les récepteurs de plusieurs classes de virus (les rôles spécifiques de l'acide sialique et des autres récepteurs du virus dépendent du virus et du type de cellule).

Les deux formes les plus courantes d'acide sialique reconnues par les virus qui ciblent des cellules de l'homme et de mammifères sont l'acide 5-N-acétylneuraminique (Neu5Ac) et l'acide 5-N-glycolylneuraminique (Neu5Gc). De manière générale, le terme acide sialique désigne les dérivés de l'acide neuraminique.

Source : Neu et al. (2008)

La plupart des virus non enveloppés ne fusionnent pas avec la membrane plasmique car ils ne possèdent pas de revêtement sous forme d'une bicouche lipidique (à l'inverse des virus enveloppés) : ces virus transitent par des vésicules d'endosomes, par l'appareil de Golgi ou le réticulum endoplasmique.

Ainsi, après s'être liés aux récepteurs à la surface de la cellule cible, les virus non enveloppés pénètrent dans les cellules hôtes par macropinocytose, par endocytose médiée par la clathrine, par endocytose médiée par cavéole (invagination) ou par une combinaison de ces modes d'entrée.

a. Modification subséquente de la membrane par les protéines de la capside des virus non enveloppés

Après leur internalisation, les virus non enveloppés (exemples : Adenoviridae, Papillomaviridae, Polyomaviridae, Parvoviridae, ...) doivent [rompre / solubiliser / dégrader] :

• La membrane plasmique (dans le cas des virus non enveloppés qui entrent par fusion des membranes comme les virus enveloppés).
• Ou la membrane de la vésicule ou du compartiment sub-cellulaire où ils se trouvent.

La libération dans le cytosol de la nucléocapside de ce type de virus est généralement le fruit de peptides (de 10 à 60 résidus d'acides aminés*) de caractère global hydrophobe ou amphipathique.

• Ces peptides sont générés par protéolyse (autocatalytique ou par des protéases du virus ou de l'hôte) de polyprotéines précurseurs de la capside virale.
• Toute anomalie lors du clivage protéolytique réduit donc considérablement le pouvoir infectieux de ces virus.
• Ces peptides sont des molécules d'intérêt thérapeutique pour le transfert de gènes.
• *Certains de ces peptides sont de plus longs fragments protéiques.

Illustration : structure du génome des picornavirus et maturation des polyprotéines par protéolyse

Le génome des picornavirus est un ARN simple brin de 7100 à 8900 paires de bases.

• Une protéine virale (VPg) est liée de manière covalente à l'extrémité 5' de l'ARN et une queue poly(A) en 3'.
• La région codante est flanquée de régions 5' et 3' non traduites (NTR).

Source : Jiang et al. (2014)

La longue région 5' non traduite contient un site d'entrée interne des ribosomes qui dirige la traduction des polyprotéines. Le cadre de lecture ouvert unique du génome est organisé en 1ABCD / 2ABC / 3ABCD, les numéros indiquant les 3 domaines différents et chaque lettre représentant une polyprotéine.

• La région P1 code pour les protéines de structure de la capside.
• Les régions P2 et P3 codent pour les protéines non structurales associées à la réplication.
• Les polyprotéines de certains picornavirus possèdent une protéine supplémentaire, la protéine L.

Ces polyprotéines sont des entités biologiques remarquables : elles possèdent toutes les propriétés (structurales et fonctionnelles) nécessaires à ces étapes du cycle de vie du virion. Voir un détail de l'une d'entre elles.

Illustration : génome à ARN monocaténaire à sens positif du SARS-CoV-2

Source : Li et al. (2023)

Les cibles des médicaments antiviraux sont indiquées sous la carte du génome. Protéines accessoires non cartographiées. NiRAN : domaine nucléotidyltransférase associé au nidovirus RdRp; NSP : protéine non structuralle; ORF : cadre de lecture ouvert.

b. Mécanismes de perturbation des membranes pour la libération du contenu de la capside

L'extrémité N-terminale de VP1 est un domaine phospholipase A2 (PLA2) : l'activité PLA2 réarrange la bicouche lipidique de l'endosome de manière transitoire et sur une échelle limitée.

La protéine μ1 (76 kDa, protéine majeure de la capside des Réovirus de mammifères) est hydrolysée (autocatalytise) en deux fragments protéiques associés au virion : μ1N (4 kDa, myristoylé) et μ1C (72 kDa). La protéine μ1N forme des pores sélectifs dans la membrane endosomale. Il n'est pas certain que ces pores soient liés à la lyse osmotique de l'endosome, mais ils pourraient expliquer que le gros noyau de ce type de virus soit transfèré dans le cytoplasme.

La protéine VI (issue de la pré-protéine VI par protéolyse) des Adenovirus s'insère dans la foliole de la membrane endosomale, induisant une courbure positive de celle-ci et une fragmentation totale de l'endosome.

Figures adaptées de : Tsai B. (2007)

c. Cas des bactéries Gram(-)

Les virus qui infectent une bactérie doivent tout d'abord traverser une enveloppe dont la structure et la composition sont complexes.

L'enveloppe des bactéries Gram(-) est généralement constituée d'une membrane cellulaire, d'une paroi mince de peptidoglanes périplasmiques recouverte d'une membrane externe contenant des lipopolysaccharides.

L'enveloppe des bactéries Gram(+) n'a pas de membrane externe, mais sa couche de peptidoglycane est beaucoup plus épaisse et contient les polymères d'oses de la paroi cellulaire. De plus, ces structures peuvent être entourées d'autres structures protectrices telles que des polysaccharides de la capsule (exemples : l'acide polysialique, l'acide hyaluronique, des protéines de la couche S ou les acides mycoliques).

• Deux protéines, une holine et une endolysine, sont généralement nécessaires pour la lyse programmée des bactéries hôtes des bactériophages à ADN double brin.
• La holine (P06808) est une petite protéine membranaire qui déclenche et contrôle la dégradation de la membrane cellulaire de l'hôte à la fin du cycle lytique. En effet, elles s'accumulent dans la membrane de la cellule hôte jusqu'à ce qu'à un moment programmé (probablement lorsqu'une concentration critique est atteinte), elles s'agrègent en oligomères et perméabilisent la membrane de l'hôte (perte de polarisation).
• La formation de pores dans la membrane permet alors à l'endolysine (P00720) de s'échapper du cytoplasme pour dégrader le peptidoglycane.
• Des protéines appelées spanines (P39503) sont également nécessaires pour la lyse des bactéries Gram(-) qui possèdent une membrane externe et une membrane interne car elles solubilisent la première. Les spanines recouvrent la membrane interne et externe sous forme de monomère (u-spanine) ou d'hétérodimère.
• Les étapes clés sont régulées par l'activation de la membrane et par des inhibiteurs spécifiques de la holine, appelés antiholines.

Voir un schéma du processus.

Dégradation de la capsule

De nombreuses enveloppes bactériennes sont protégées par un réseau de polysaccharides (la capsule) qui les protège de l'environnement et empêche les virus d'atteindre leur récepteur d'entrée à la surface de ces cellules. En conséquence, les virus qui infectent des bactéries encapsulées possèdent une enzyme qui dégrade l'exopolysaccharide pour atteindre la membrane externe ou la couche de peptidoglycane. La capsule peut être composée d'alginates, d'acides polysialiques et de l'acide hyaluronique.

Exemples de dépolymérases codées par certains phages qui dégradent la capsule :

• sialidases (hydrolyse des liaisons α-2,8 internes de l'acide polysialique)
• endo-N-acétylneuraminidases, poly(β-1,4-GlcA-α-1,4-GlcNAc) lyase
• glycanase, glycosidase, galactosidase, pectate lyase
• rhamnosidases (hydrolyse de la liaison O-osidique α-1,3 entre le L-rhamnose et le D-galactose du lipopolysaccharide constitutif de l'antigène O de Salmonella)
• exemples de structures : PDB 1LKT et PDB 1TYV

5. Intégration du génome viral

Il existe 3 types d'intégration du matériel génétique viral dans les chromosomes de la cellule hôte.

• Les virus pour lesquels cette intégration est obligatoire au cours de la réplication virale. C'est le cas par exemple des retroviridae, metaviridae et des siphoviridae.

• L'intégration dite occasionnelle car elle n'est pas nécessaire pour la réplication du virus. Cependant, elle confère des avantages au couple [virus - cellule hôte]. Elle peut aussi faciliter l'infection asymptomatique des cellules à long terme (latence).

• Éléments viraux endogènes : il s'agit de génomes viraux intégrés il y a longtemps et conservés dans le génome de l'hôte (processus rare et parfois accidentel). Il existe 2 types de virus endogènes : les rétrovirus endogènes et les virus à ARN rare.

De nombreux virus n'entrent pas dans le noyau. Exemples :

• La plupart des virus à ARN (à l'exception des rétrovirus et des orthomyxovirus) qui possèdent leur propre ARN polymérase : ils se répliquent et assemblent leur génome dans le cytoplasme.
• De même, certains virus géants (Poxviridae, Asfarviridae et Mimiviridae) sont dotés d'un mécanisme complet de réplication et de transcription et ne nécessitent pas les enzymes du noyau de l'hôte pour se multiplier.

D'autres virus se répliquent dans le noyau et doivent passer la barrière de l'enveloppe nucléaire lors de l'infection. Il existe plusieurs mécanisme qui dépendent du type de virus (figure ci-dessous).

(a) Dans le cas du virus de l'herpès, la capside à laquelle sont attachées les protéines du tégument interne arrive au complexe du pore nucléaire (CPN). Après changement de conformation et ouverture de l'anneau "portail" au sommet de la capside, l'ADN est éjecté dans le noyau.

(b) Cas des adénovirus : après avoir été relargué de l'endosome, la capside de l'adénovirus est amarrée au CPN, où des moteurs moléculaires perturbent la capside et la structure du CPN, libérant ainsi l'ADN viral dans le noyau.

(c) Les ribonucléoprotéines des orthomyxovirus sont libérées de l'endosome dans le cytoplasme après la fusion de l'enveloppe virale (enrichie en glycoprotéines virales) avec la membrane de l'endosome. Les ribonucléoprotéines diffusent vers le CPN et elles entrent dans le noyau par un transport actif à l'aide de karyophérine (importines, exportines).

Figure adaptée de : Kobiler et al. (2012) - ADN viral en noir; ADN hôte en vert; ARN viral en rouge; CPN en bleu
capside et protéines de capside en orange; autres protéines virales en violet.

(d) Après désassemblage dans le cytoplasme, l'ARN des lentivirus est rétrotranscrit en ADN double brin. Le complexe [ADN - protéines virales], appelé complexe de pré-intégration, favorise l'entrée de l'ADN viral dans le noyau (par interaction avec les protéines du CPN). Celui-ci s'intègre alors dans le chromosome de l'hôte.

(e) Les capsides des hépadnavirus pénètrent dans le CPN. Elles sont cependant trop volumineuses pour passer au travers des filaments qui adoptent une disposition dite en panier ("basket") et elles ne peuvent pas penétrer dans le noyau. Les capsides matures contenant l'ADN sont donc désassemblés dans le panier ce qui libère le génome viral circulaire dans le nucléoplasme.

(f) Les capsides de parvovirus pénètrent intactes dans le noyau. Le domaine N-terminal de VP1 est extrudé dans l'endosome, ce qui déclenche l'activité de la phospholipase A. L'extrusion de l'extrémité N-terminale expose également 4 domaines signaux de localisation nucléaire qui semblent participer à l'entrée dans le noyau par le biais du NPC. Un autre modèle suggère une entrée directe dans le noyau via des perturbations locales de l'enveloppe nucléaire.

(g) Les polyomavirus sont désassemblés dans le réticulum endoplasmique. Le génome "nu" quitte ce compartiment via les viroporines créées par les protéines de la capside interne. Il existe deux mécanismes : l'un provient directement de la lumière du réticulum endoplasmique à travers la membrane nucléaire interne et l'autre via le cytoplasme et le CPN. Les viroporines sont une famille de petites protéines hydrophobes de nombreux virus enveloppés. Elles interagissent avec différentes membranes cellulaires et s'auto-assemblent pour former des pores qui transportent des ions.

6. Réplication et transcription du génome viral, traduction des protéines virales

Ces processus sont aussi divers qu'il existe de classes de virus donc de types de génome : ADN (+/-) ou ARN (+/-), simple brin ou double brin, linéaire ou circulaire, plusieurs segments ou pas, ...

La figure suivante résume les "opérations" pour aboutir aux ARN messagers selon le type de génome viral d'origine :

Source : "Virology blog" Racaniello V.

a. Exemple du virus de la grippe (influenza virus)

1. Après la fusion des membranes virale et endosomale, les ribonucléoprotéines virales (vRNP, "viral ribonucleoproteins") sont libérées dans le cytoplasme de la cellule hôte puis transportées dans le noyau (figure ci-dessous). Le terme ribonucléoprotéine désigne l'ARN génomique encapsidé.

Dans le noyau :

• 2. D'une part l'ARN polymérase dépendante de l'ARN viral ("viral RNA-dependent RNA polymerase") réplique les 7 ou 8 segments (influenza A, B ou C) de l'ARN viral simple brin à polarité (-) (vRNA, "single-stranded negative-sense viral RNA") en ARN complémentaires (cRNA, "complementary RNA"). Les cRNA sont des ARN à polarité (+) qui forment des ribonucléoprotéines complémentaires (cRNP, "complementary RNP") et servent de matrices pour la synthèse de vRNA.

• 3. D'autre part, l'ARN polymérase virale effectue également la transcription des segments de vRNA en ARN messagers (mRNA, maturés avec la coiffe ("cap") en 5' et la queue polyadénylée en 3' (A_n)). Les ARN messagers sont exportés vers le cytoplasme et y sont traduits.

Figure adaptée de : Te Velthuis & Fodor (2016) - HA: hémagglutinine; M1 et M2 : protéines de la matrice; NA : neuraminidase
NEP : protéine d'export du noyau; NS1 : protéine non structurale 1

4. Les sous-unités d'ARN polymérases virales nouvellement synthétisées (trimère constitué des polymérases basiques 1 et 2, PB1 et PB2, et de la polymérase acide, PA) et la nucléoprotéine (NP) sont à leur tour importées dans le noyau : elles se lient aux segments génomiques de vRNA et aux cRNA pour assembler les vRNP et les cRNP, respectivement. NP encapside le vRNA et le protége des nucléases.

5. Les vRNP nouvellement synthétisées sont exportées dans le cytoplasme. Elles sont transportés (de manière dépendante de RAB11) dans des endosomes de recyclage vers la membrane cellulaire.

6. L'assemblage des nouveaux virions s'effectue au niveau de la membrane cellulaire en incorporant de nombreuses protéines de la cellule hôte.

7. Enfin, les virions matures sont libérés par bourgeonnement.

b. Exemple du virus HIV-1

1. Le cycle du rétrovirus HIV-1 commence par la liaison des glycoprotéines de l'enveloppe virale aux récepteurs de la cellule hôte, suivie de la fusion des membranes virale et cellulaire puis de la libération du "noyau viral" dans le cytoplasme de la cellule hôte (figure ci-dessous).

Le "noyau viral" contient :

• La protéine de la capsule virale p24 (qui entoure deux simples brins d'ARN) liée à la protéine p7 de la nucléocapside et à la protéine d'assemblage tardif p6.
• Il contient également des enzymes nécessaires à la réplication du virus (exemples : la transcriptase inverse, la protéase, la ribonucléase et l'intégrase et de nombreuses protéines cellulaires).

2. L'ARN viral subit une transcription inverse en ADN par la transcriptase inverse virale et la capside est désassemblée.

3. L'ADN viral nouvellement formé est assemblé sous forme d'un complexe de pré-intégration ("pre-integration complex", CPI) avec l'intégrase et certaines protéines de la capside et cellulaires.

Figure adaptée de : Lusic & Siliciano (2017)

4. Le CPI entre dans le noyau au travers des complexes de pores nucléaires. L'entrée s'effectue dans des cellules qui ne sont pas en division : les chromosomes y sont séparés du cytoplasme par l'enveloppe nucléaire.

5. Le CPI assure l'intégration de l'ADN viral dans le génome de la cellule hôte :

• Bien que l'intégration du génome viral puisse avoir lieu à différents endroits de celui de la cellule hôte, elle cible de préférence les régions à forte densité en gènes et à forte activité de transcription.
• Plusieurs facteurs influencent la sélection du site cible de l'intégration : la voie d'entrée dans le noyau, la phase du cycle cellulaire, la structure de la chromatine et la spécificité des séquences sous-jacentes, l'interaction de l'intégrase virale avec la chromatine (exemple, le facteur de croissance dérivé de l'épithélium de la lentille ("lens-epithelium-derived growth factor")).

6. Si l'infection est productive, les transcrits viraux sont épissés et exportés du noyau. Il s'en suit l'assemblage de nouvelles particules virales qui sont produites via la membrane plasmique et deviennent infectieuses après maturation.

7. Alternativement, l'ADN viral intégré dans le génome de la cellule hôte peut être temporairement "silencieux" via plusieurs mécanismes qui aboutissent à la formation de réservoirs viraux "en attente" (phénomène de latence pro-virale).

7. La capside

a. Généralités

À quelques exceptions près, les capsides des virus non enveloppés sont construites à partir d'une protéine de capside dite majeure (qui détermine l'assemblage et l'architecture du virion) et de une ou plusieurs protéines de capsides dites mineures.

Les nucléocapsides des virus enveloppés sont souvent construites à partir d'un complexe nucléoprotéique [protéine - génome viral], des protéines de la matrice (qui relient la nucléoprotéine à la membrane lipidique) et des protéines d'enveloppe (pour la reconnaissance de l'hôte et la fusion membranaire.)

Les capsides peuvent être icosaédrales (figure de gauche, ci-dessous), hélicoïdales (figure de droite) ou complexes :

Source : Splettstoesser T. (SCIstyle)

• L'inhibition de la protéolyse de la capside virale (pour former les peptides hydrophobes qui pénètrent dans les membranes) génère des capsides hyperstables incapables de suivre le chemin habituel du désassemblage.
• Les distributions de la densité des longueurs en acides aminés des protéines des capsides et des protéines n'appartenant pas aux capsides montrent que les premières sont organisées en domaines structuraux plus grands (certains domaines complexes pouvant être constitués de plus de 600 résidus).

Source : "Assigment expert"

b. Le repliement "jelly roll"

Un grand nombre de virus (environ 38,5%) possèdent des protéines de la capside qui adoptent un repliement appelé "jelly roll" :

• La structure 3D des protéines appelée "jelly roll" est constituée de 8 brins β qui forment 2 feuillets de 4 brins antiparallèles : c'est une variante de la topologie dite en "clé grecque" avec les deux extrémités d’un repliement en tonneau traversées par deux connexions inter-brins.
• La forme trapézoïdale de ce repliement révèle 6 surfaces propices à des interactions [monomère - monomère].
• Cette prévalence de repliement des protéines de la capside pourrait être liée à sa facilité relative de pavage.
• Cette architecture de la capside résulterait des relations évolutives datant du dernier ancêtre commun universel (LUCA).

Au moins 16 familles de virus (à ARN et à ADN) contiennent des protéines de capside (principalement icosaédriques) qui adoptent un repliement "jelly roll" unique :

• La majorité des virus à repliement "jelly roll" unique sont des virus à ARN simple brin à polarité (+).
• Les seuls virus à ADN double brin à repliement "jelly roll" unique sont les petits virus Papillomaviridae et les Polyomaviridae.

Certaines familles de virus construisent leurs capsides avec des protéines qui adoptent un repliement "jelly roll" double (2 repliements simples reliés), voire triple.

c. Le nombre de triangulation T

La description des structures des capsides virales en forme de sphère repose sur le "principe de quasi-équivalence" de D. Caspar & A. Klug (A. Klug a obtenu le Prix Nobel de chimie en 1982) :

• Ce principe démontre que les coques icosaédriques fermées peuvent être construites à partir de pentamères et d'hexamères en minimisant le nombre T d'emplacements non équivalents occupés par les sous-unités.
• Le nombre de triangulation T a les valeurs entières particulières 1, 3, 4, 7, 12, 13, ... avec T = h² + k² + hk (h et k sont des entiers non négatifs).

De manière générale Le nombre de triangulation T est une métrique utile pour la mesure quantitative de la taille d'une capside : dans la plupart des cas, une capside de nombre de triangulation T est constituée de 60T sous-unités, ou 12 pentamères et 10 (T-1) hexamères.

Ces structures caractérisent la grande majorité des virus sphériques, par exemple la capside du bromovirus CCMV ("cowpea chlorotic mottle virus") qui a une structure T = 3.

Source : Perlmutter & Hagan (2015)

d. Description de quelques protéines de capsides

Les polyomavirus sont des petits virus non enveloppés ayant une capside de symétrie icosaédrique et un diamètre d'environ 45 nm. Les virions contiennent un génomes à ADN double brin circulaire d'une longueur d'environ 5000 paires de bases : l'ADN est associé à des histones et code pour 5 à 6 protéines.

Leur enveloppe protéique est constituée principalement de 360 molécules de protéine VP1, assemblées en 72 pentamères reliés par des ponts disulfure :

• 12 pentamères VP1 sont pentavalents et entourés de 5 autres.
• 60 pentamères sont hexavalents et interagissent avec 6 pentamères voisins.

Les protéines mineures de la capside, VP2 et VP3 (qui ont une forte similarité de séquence), sont attachées à la cavité intérne centrale du pentamère VP1 :

• Cette interaction est médiée par l'extrémité C-terminale des protéines VP2 et VP3 qui forme une hélice α et est hydrophobe.
• La séquence C-terminale est partagée à la fois par VP2 et VP3 car VP2 comprend la séquence entière de VP3 et possède une région N-terminale unique longue d'environ 120 acides aminés. De plus, la glycine N-terminale de VP2 est myristoylée.

8. Assemblage de la capside et empaquetage du génome

L'assemblage de la capside désigne la formation de la coquille de la capside et l'empaquetage du génome désigne l'insertion et la disposition du génome viral dans la capside ou dans l'enveloppe.

Ces processus sont également très divers et dépendent du type de virus :

• Les grands virus à ADN utilisent des moteurs moléculaires dépendant de l'ATP pour contraindre le matériel génétique dans la capside préformée. La machinerie d'empaquetage est souvent composée :
  • D'une structure protéique qui joue le rôle de "porte d'entrée" de l'ADN.
  • D'un "moteur de translocation" composé d'une grande sous-unité dont l'activité ATPase (hydrolyse de l'ATP) permet la translocation de l'ADN et, le plus souvent, d'une petite sous-unité qui se fixe au site d'empaquetage viral.

• Les petits virus à ADN et à ARN utilisent des protéines chargées positivement pour lier et condenser l'acide nucléique chargé négativement, indépendamment de l'ATP.

• Les virus qui contiennent un ADN volumineux ("Nucleocytoplasmic Large DNA viruses", Megavirales ou virus géant) possèdent une membrane interne : leur mécanisme d'assemblage est complexe et régulé, les processus de ségrégation et d'empaquetage du génome sont plus étroitement couplés que ceux d'autres systèmes viraux.

a. Illustration : modèle de morphogenèse d'entérovirus

Source : Jiang et al. (2014)

• Une fois que la polyprotéine précurseur de capside nouvellement fabriquée P1 a été libérée, elle interagit avec la chaperone HSP90 et peut alors être protéolysée par la protéase virale 3CDpro.
• Après protéolyse, un protomère (1 copie de VP0, VP1 et VP3) est formé spontanément. En présence de glutathion, 5 protomères s'assemblent pour former un pentamère. Par l'intermédiaire d'interactions entre VP3 et la protéine non structurale 2C(ATPase) ou entre VP1 et 2C(ATPase), ce pentamère est recruté dans le complexe de réplication pour s'associer au nouvel ARN viral lié à VPg.
• Par la suite, 12 pentamères se condensent autour de l'ARN pour produire un provirion non infectieux.
• La dernière étape est le clivage (autocatalytique et dépendant de l'ARN) pour la maturation de VP0 : elle débouche sur une particule stable contenant 60 copies de VP1 et VP3, 59 copies de VP2 et VP4 et 1 copie de VP0.

b. Illustration : modèle pour l'assemblage de la capside et l'empaquetage des adénovirus

Étape 1 : les capsides icosaédriques vides sont assemblées à partir :

• de trimères d'hexons et de pentons
• des protéines mineures de la capside (pIIIa, pVI, pVIII, IX, protéase et la protéine "portail", voir ci-dessous)
• de protéines non structurales (L1 52/55K et la protéine d'échafaudage)

Étape 2 - reconnaissance du génome : les protéines d'empaquetage IVa2, L4 33K, L1 52/55K et L4 22K se lient au domaine d'empaquetage situé près d'une extrémité du génome (ADN double brin). Le génome est associé à la protéine terminale pTP à chaque extrémité. L et R indiquent les extrémités gauche et droite du génome viral, respectivement.

Figure adaptée de : Ahi & Mittal (2016)

Étape 3 - conditionnement : le génome est inséré dans les capsides vides à travers une protéine portail située au sommet par l'action de IVa2, L4 22K et L4 33K. Les protéines centrales V, VII et mu sont incorporées dans les capsides vides pendant ou après l'incorporation du génome.

Étape 4 - maturation finale : les protéines d'échafaudage et les protéines L4 22K et 33K sont libérées pendant ou après l'incorporation du génome. La protéase codée par le virus clive ses substrats pIIIa, L1 52/55K, pVI, pVII, pVIII, mu et pTP, entraînant des changements de structure de la capside et la maturation de la particule virale.

c. Illustration : capside pré-formée et complexe "portail" des bactériophages

Chez les bactériophages à ADN et les virus de l'herpès, la condensation du génome viral dans les capsides préformées est une réaction non spontanée catalysée par un complexe protéique d'empaquetage du génome constitué :

• D'une "tête" vide ("pro-head") contenant la protéine appelée "portail" (gp20, dodécamère).
• D'une protéine motrice (hydrolyse de l'ATP) appelée grande terminase (gp17, pentamère, TerL).
  • Le domaine N-terminal de la grande terminase a une activité ATPase : il fournit l'énergie pour la translocation de l'ADN dans la pro-capside vide, translocation dont la vitesse peut atteindre 2000 paires de bases.s^-1.
  • Le domaine C-terminal a une activité nucléase qui introduit des coupures dans le génome viral pour déclencher et mettre fin à l'empaquetage du génome.
• D'une protéine régulatrice appelée petite terminase (gp16, 11 ou 12-mers, TerS).

Le portail est en forme de cône : il relie la tête au moteur et à l'ADN. Son extrémité plus large est à l'intérieur de la capside et son extrémité plus étroite fait saillie vers l'extérieur. Il forme un canal central d'un diamètre d'environ 35 Å, au travers duquel l'ADN entre dans la capside.

Source : Lin et al. (2017)

Mécanisme supposé

• Le moteur reconnaît le génome du virus par liaison à TerS, puis TerL hydrolyse l'ADN au niveau d'un site spécifique et se lie au complexe du portail.
• TerL utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour déplacer l'ADN au travers de l'anneau portail dans la capside.
• À la fin de la translocation de au moins une longueur de génome, l'activité de de translocation TerL bascule vers l'activité clivage. Ce clivage survient : soit après l'encapsidation de exactement une longueur de génome, soit après que la capside soit complètement remplie d'ADN (plus d'une longueur de génome est alors empaquetée).
• Enfin, les sous-unités terminase sont libérées de la capside pour la maturation d'un autre virus, tandis que le portail se lie aux protéines de la queue du phage afin de compléter la forme infectieuse du virion mature.

9. Sortie du génome viral du noyau de la cellule hôte

Tous les virus qui se répliquent dans le noyau doivent exporter leur matériel génétique. Ainsi, pour assembler leurs virions "progéniture", ces virus nécessitent un mécanisme d'export du noyau pour transporter le complexe de ribonucléoprotéines virales vers le cytoplasme (avant son transfert vers la membrane plasmique où le processus d'assemblage aura lieu).

Trois voies principales permettent à ce type de virus de sortir du noyau.

a. Export du génome par les pores nucléaires et une protéine navette

L'export de macromolécules à travers l'enveloppe nucléaire nécessite une séquence consensus riche en leucine : Hyd1-X(2,3)-Hyd2-X(2,3)-Hyd3-X-Hyd4, où Hyd représente des résidus hydrophobes (leucine, isoleucine, valine ou méthionine) et X représente n'importe quel acide aminé. Cette séquence consensus s'appelle signal d'export du noyau ("Nuclear Export Signal" - NES). Elle est reconnue par le récepteur de transport cellulaire appelé "Chromosome Region maintenance 1" (CRM1).

La protéine Rev du virus HIV-1 contient une séquence signal d'export du noyau de l'ARN viral non épissée. La protéine NS2 du virus de la grippe était supposée intervenir dans l'export du noyau de ribonucléoprotéines virales : elle a été baptisée "Nuclear Export Protein" (NEP).

b. Export par remodelage des membranes nucléaires ("nuclear egress")

Les virus de l'herpès possèdent de grands génomes (de 125 à 235 kilo paires de bases, codant jusqu'à plus de 200 protéines). Les nucléocapides virales sont donc trop grandes (jusqu'à 125 nm) pour traverser les pores nucléaires.

L'export du noyau de ce type de virus est en conséquence inhabituelle pour des virus enveloppés car leurs capsides naissantes sortent du noyau en bourgeonnant 2 fois avec la membrane nucléaire tout en n'acquérant qu'une seule enveloppe.

• Une fois que les capsides sont formées dans le noyau, elles s'enfoncent dans la membrane nucléaire interne (l'enveloppement primaire, "primary envelopment") et forment des particules enveloppées dans l'espace périnucléaire.
• Ces particules fusionnent avec la membrane nucléaire externe et sont libérées dans le cytoplasme tandis que l'enveloppe reste dans la membrane nucléaire externe. L'enveloppe acquise lors du bourgeonnement aura donc permis à la capside de se transloquer du noyau au cytosol.
• Dans le cytosol, les capsides se fixent aux membranes cytoplasmiques (l'enveloppement secondaire) et s'y enfoncent : les virions enveloppés sont sécrétés par les cellules.

Source : Johnson & Baines (2011) - TGN : réseau trans-Golgi

Le complexe viral de sortie nucléaire ("viral Nuclear Egress Complex", NEC1 ou UL31 et NEC2 ou ul34) est un acteur essentiel de la sortie du noyau par ce mécanisme. Le NEC recouvre les membranes en formant un manteau en "nid d'abeille" ("honeycomb coat") : c'est donc un système de bourgeonnement de la membrane nucléaire (par opposition au système de bourgeonnement de la membrane cytoplasmique).

c. Perturbation de l'enveloppe nucléaire

Les nucléocapsides virales peuvent s'échapper du noyau en perturbant et en dégradant l'enveloppe nucléaire. Ce processus peut avoir lieu avant toute lyse cellulaire et, pour certains virus, l'assemblage du virion est terminé dans le cytoplasme.

La perturbation de l'enveloppe nucléaire est un processus actif induit par des protéines virales tardives spécifiques.

Les parvovirus sont des petits virus à ADN non enveloppés. Malgré leur petite taille, ils ne traversent pas les pores nucléaires mais sont liés aux protéines du complexe de pores nucléaires. Cette liaison modifie la structure des parvovirus et ce réarrangement structural est essentiel pour déclencher une cascade de signaux qui dégrade l'enveloppe nucléaire. Cette dégradation se produit au cours de la prophase de la mitose.

L'exposition de domaines riches en hélices amphipathiques est nécessaire à la dégradation de l'enveloppe nucléaire (perturbation de la membrane nucléaire interne et externe). L'efflux de Ca²⁺ à partir de la lumière, entre les membranes nucléaires interne et externe, indique que ce cation est essentiel au désassemblage nucléaire en activant la protéine kinase C. Une fois activée, elle déclenche à son tour l'activation de cdk-2 (ensuite sur-activée par la caspase-3).

L'interaction [virus - enveloppe nucléaire] montre qu'un ensemble d'enzymes permet le désassemblage de l'enveloppe nucléaire dans des cellules quiescentes.

10. Bourgeonnement et sortie de la cellule hôte avec les machineries ESCRT

Beaucoup de virus enveloppés sortent des cellules infectées en bourgeonnant au travers des membranes et acquièrent ainsi leurs bicouches lipidiques (l'enveloppe). Certains de ces virus (notamment le rétrovirus dont le virus HIV-1) emploient une stratégie qui consiste à usurper la voie cellulaire ESCRT ("Endosomal Sorting Complexes Required for Transport").

Les machineries ESCRT sont composées de 3 sous-complexes (ESCRT-I, -II et -III).

• ESCRT-I et ESCRT-II participent principalement au tri des protéines et au recrutement de ESCRT-III et des protéines contenant le domaine Bro1.
• ESCRT-III coordonne les évènements de séparation des membranes : les sous-unités de ce complexe s'assemblent en filaments hélicoïdaux qui déforment et coupent le "cou" de la membrane de la vésicule.
• L'étape finale est assurée par l'ATPase VPS4 ("AAA-ATPase vacuolar protein-associated sorting 4") qui dissocie la machinerie ESCRT et libère le virion.

Source : Schoneberg et al. (2017)

• Le facteur Gag s'associe aux composants des machineries ESCRT et aux protéines à domaine Bro1.
• Des protéines virales appelées domaines d'assemblage tardif ("Late assembly domains", L-domains) contiennent des motifs chargés de recruter les machines ESCRT de l'hôte directement ou via des protéines associées à ESCRT telles qu'ALIX (via le motif L-Y-P-X_n-L), NEDD4 (ubiquitine-protéine ligase E3) ou TSG101 (motif P-(T/S)-A-P).

Certains virus bourgeonnent pas des mécanismes indépendants de ESCRT.

11. La maturation des virions

La maturation des virions est un processus qui a lieu après la séparation de la particule infectieuse virale de la cellule hôte par bourgeonnement ou scellement de la capside sphérique. Elle peut également se produire à l'intérieur de la cellule hôte.

Voir la définition selon l'ontologie.

La maturation consiste en des modifications du repliement des protéines virales et/ou un clivage irréversibles des protéines virales qui activent les virions afin qu'ils deviennent à leur tour compétents pour la réinfection. La maturation correspond donc aux très profonds changements de structure et aux changements biochimiques programmés entre la formation de la particule initiale et le développement du virion infectieux.

Source : ViralZone

Figure ci-dessus : virion d'un lentivirus enveloppé, sphérique, de 80 à 100 nm de diamètre. La capside mature est constituée de 1572 protéines.

La maturation est un processus qui se produit chez la grande majorité des virus animaux et dans tous les bactériophages. La dernière étape de la maturation d'un virus animal implique fréquemment :

• La protéolyse (hydrolyse autocatalytique) des protéines de la capside pour exposer un peptide de fusion (virus enveloppés).
• Un peptide lytique pour transloquer la particule ou le génome viral au travers de la membrane cellulaire (virus non enveloppés).

a. La transcriptase inverse ("reverse transcriptase") des rétrovirus

La majorité des rétrovirus compétents pour la réplication dépendent de 3 gènes : le gène "antigène spécifique de groupe" ("group specific-antigen", gag), le gène polymérase (pol) et le gène enveloppe (env).

La structure du génome d'un rétrovirus est schématiquement : 5'LTR-gag-pol-env-LTR3' (figure ci-dessous).

Source : Azevedo-Pereira et al. (2015) - Intechopen

• La répétition longue terminale non codante ("non-coding Long Terminal Repeat" - LTR) se situent aux deux extrémités (5' et 3') du génome viral et elles sont liées à l'ADN de la cellule hôte après l'intégration du génome viral.
• Les gènes gag et env codent respectivement les glycoprotéines du noyau et de l'enveloppe virale.
• Le gène pol code pour la transcriptase inverse ("Reverse Transcriptase", RT), une intégrase (IN) et une protéase.
• Dans le cas du virus HIV-1, souche HXB2CG, l'ARN de 9749 kb contient des gènes supplémentaires : vif, vpu ("Viral protein U", uniquement dans le HIV-1), vpr ("Viral protein R"), vpx (uniquement dans le HIV-2), tat, rev et nef qui interviennent dans plusieurs étapes du cycle de réplication du virus.

Les rétrovirus utilisent donc une transcriptase inverse pour répliquer leurs génomes. Ce type d'enzyme a été découverte indépendamment en 1970 par Howard Temin et David Baltimore.

Une transcriptase inverse (E.C. 2.7.7.49, "RNA-directed DNA polymerase") est une enzyme qui synthétise un brin d'ADN complémentaire (ADNc double brin) à partir d'un brin matrice ARN simple brin et ce processus est appelé transcription inverse.

Une transcriptase inverse possède 3 activités enzymatiques : une activité ADN polymérase dépendante de l'ARN, une activité ribonucléase H (qui dégrade les régions U5 et R situées à l’extrémité 5' de l’ARN matrice) et une activité ADN polymérase dépendante de l'ADN.

• Ces activités aboutissent à la réaction globale : 2'-désoxyribonucléoside 5'-triphosphate + DNA_n <=> diphosphate + DNA_n+1

• Remarques : un brin d'ADN peut également servir de matrice. Il est impossible à la transcriptase inverse d'initier une chaîne de novo.

La transcriptase inverse du virus HIV-1 est un hétérodimère asymétrique composé de 2 sous-unités apparentées, appelées p66 (560 acides aminés) et p51 (440 acides aminés). Ces deux sous-unités sont issues de l'hydrolyse, par la protéase de ce même virus, d'une polyprotéine Gag-Pol synthétisée à partir de l'ARN viral non épissé.

Source : Sarafianos et al. (2009)

• La grande sous-unité p66 est composée de 2 domaines distincts qui contiennent les sites actifs des activités enzymatiques polymérase et RNase H, respectivement, de la transcriptase inverse. Le domaine à activité polymérase est constitué de 4 sous-domaines appelés : doigts ("fingers", résidus 1-85 et 118-155), paume ("palm", résidus 86-117 et 156-236), pouce ("thumb", résidus 237 - 318) et connexion (résidus 319 - 426).

• La petite sous-unité p51 joue un rôle dans la structure globale de l'enzyme. Cette sous-unité se replie en 4 quatre sous-domaines identiques au domaine polymérase de p66 mais les positions des sous-domaines les uns par rapport aux autres sont différentes.

• Le site de fixation de l'acide nucléique est formé principalement par les différentes sous-structures de p66. L'acide nucléique entre en contact avec les sites actifs de la polymérase et de la RNase H. Les hélices αH et αI du pouce de p66 positionnent correctement l'acide nucléique lors d'interactions impliquant le brin amorce et le brin matrice.

b. Maturation des poly-protéines Gag-Pol et Gag

La transcriptase inverse rétrovirale est synthétisée sous forme d'un précurseur qui s'appelle poly-protéine Gag-Pol qui subit un clivage protéolytique pour donner les protéines matures.

La poly-protéine Gag-Pol (P03366, aussi appelée Pr160Gag-Pol) est en effet clivée en 11 chaînes polypeptidiques : Matrix protein p17 (MA); Capsid protein p24 (CA); Spacer peptide 1; Nucleocapsid protein p7 (NC); Transframe peptide; p6-pol; aspartyl protease (E.C. 3.4.23.16; HIV-1 retropepsin); p66 reverse transcriptase/ribonuclease H (E.C. 2.7.7.49, E.C. 2.7.7.7, E.C. 3.1.26.13); p51 reverse transcriptase; p15; Integrase (E.C. 2.7.7).

Source :The Life Cycle of HIV

La polyprotéine Gag-Pol associée à la polyprotéine Gag (P04591) sont responsables des événements essentiels de l'assemblage des virions, en particulier :

• la liaison à la membrane plasmique
• l'établissement des interactions protéines-protéines nécessaires à la formation de particules sphériques
• le recrutement des protéines virales Env
• l'encapsulation de l'ARN génomique par des interactions directes avec la séquence d'empaquetage de l'ARN (Psi)

La poly-protéine Gag-Pol peut réguler sa propre traduction en fixant la région 5'-UTR (non traduite) de l'ARN génomique.

La protéase à aspartate (aspartyl protease, E.C. 3.4.23.16) catalyse les clivages protéolytiques des poly-protéines Gag et Gag-Pol pendant ou peu après la libération du virion de la membrane plasmique (l'activité est maximale pendant le processus de bourgeonnement juste avant la libération des particules). Les clivages ont lieu par étapes (sous forme de cascade ordonnée) pour donner des protéines matures.

La protéase du virus HIV-1 (O90777) mature est un homodimère de 22 kDa, chaque sous-unité étant composée de 99 acides aminés. Un seul site actif se situe entre les sous-unités identiques : il contient la triade catalytique Asp25-Thr26-Gly27, caractéristique de ce type de protéase.

Cette protéase est une cible thérapeutique majeure d'un grand nombre d'inhibiteurs (médicaments) car son inhibition abolit le cycle viral.

12. Lysogénie et lyse

Cycle lysogène : cycle de réplication d'un phage au cours duquel le génome du virus est incorporé dans l'hôte bactérien sous forme de prophage. Ce cycle ne tue pas la bactérie hôte.

Cycle lytique : cycle de réplication du virus qui libère de nouveaux phages après la lyse de la cellule hôte. Un phage virulent se reproduit par un cycle lytique.

La lyse de la cellule résulte de la dislocation des membranes de la cellule infectée, entraînant sa mort et la libération des composés cytoplasmiques dans l'espace extracellulaire. La lyse est induite par de nombreux virus, car les cellules déclenchent rarement leur propre lyse : les cellules eucaryotes ont tendance à déclencher le processus d'apoptose lorsqu'elles sont attaquées par des virus.

Il existe 3 principaux groupes de bactériophages :

• Virulents : l'infection produit de nouveaux virus infectieux qui lysent la bactérie.
• Filamenteux : l'infection produit de nouveaux virus infectieux qui ne lysent pas la bactérie.
• Tempérés : il s'établit un équilibre entre phase de lysogènie et phase lytique.

Le bactériophage λ s'adsorbe à la paroi de la bactérie hôte et y injecte son ADN qui se circularise. Il y a ensuite deux possibilités :

• L'ADN du phage est intégré au génome bactérien et on a la phase de lysogénie ; le bactériophage ne se multiplie pas bien qu'il y ait réplication de l'ADN viral lors de la division bactérienne qui se retrouve donc dans chaque bactérie fille.
• Soit directement, soit du fait de changements de condition du milieu, les bactéries entrent dans la phase de lyse : la bactérie est détruite et de nouvelles particules virales infectieuses sont produites.

13. Arbitrage entre lysogènie (voie latente) et voie lytique

Ce "choix" est contrôlé par le taux respectif de protéines appartenant à des systèmes de "commutation génétique". Ce rapport dépend du type de cellule hôte, de sa forme ou de la disponibilité en nutriments.

• Par exemple, le bactériophage λ comprend au moins un répresseur du promoteur lytique, un répresseur du promoteur de latence et deux protéines régulatrices.
• Autre exemple : le système de commutation du phage Mu implique deux protéines, un répresseur du promoteur précoce RepC et un répresseur de l'expression de RepC appelé Ner.

Exmple du le bactériophage phi3T

Lors de la première rencontre d'un phage avec une population bactérienne, les gènes précoces aimR et aimP sont transcrits immédiatement après l'infection (figure B , ci-dessous).

• La protéine AimR (issue du gène aimR) active (sous forme de dimère R, en rouge) la transcription du gène aimX. Le produit de la transcription qui en résulte (probablement un ARN non codant régulateur) est un inhibiteur de la lysogénie : le phage est orienté vers le cycle lytique.
• Simultanément, le gène aimP est transcrit et le pré-pro-peptide AimP qui en est issu est sécrété et protéolysé dans le milieu extracellulaire pour former le peptide mature régulateur (appelé "arbitrium" et dont la séquence en acides aminés est SAIRGA) .

Ultérieurement au cours de l'infection, ce peptide régulateur accumulé dans le milieu extracellulaire est internalisé dans la bactérie par le transporteur OPP (figure B , ci-dessous). Dès lors, lorsqu'un phage infecte la bactérie, la protéine AimR fixe ce peptide et ne peut plus activer la transcription du gène aimX : il en résulte une orientation vers la lysogénie.

Source : Erez et al. (2017)

14. Les protéines du virus Ebola

Le virion du virus Ebola entre dans la cellule hôte par macropinocytose. La formation de ce type de vésicules d'endocytose (appelée macropinosome) résulte d'une stimulation de la cellule entraînant la formation de plis à leur surface qui internalise le matériel extracellulaire. De nombreux virus utilisent cette voie d'entrée non spécifique après s'être fixé à la surface de la cellule hôte.

Le génome du virus Ebola contient l'information pour la synthèse de 7 protéines qui s'assemblent avec l'ARN génomique pour former un virus hautement pathogène :

• Le virus Ebola est entouré d'une membrane, "volée" à la cellule infectée, parsemée de la glycoprotéine synthétisée par Ebola.
• Une couche de protéines matricielles soutient la membrane du côté interne.
• Au centre du virus se trouve la nucléocapside cylindrique qui stocke et délivre le génome de l'ARN.

Source : PDB "Molecule of the month"
Coupe transversale du virus Ebola : protéines en bleu, vert et magenta - génome de l'ARN en jaune - membrane en violet clair.

La glycoprotéine synthétisée par Ebola (PDB 3CSY) se lie aux récepteurs situés à la surface des cellules cibles. Elle partage de nombreuses caractéristiques avec d'autres protéines de fusion de virus (exemples, l'hémagglutinine de l'influenza ou la glycoprotéine d'enveloppe du HIV). Elle recouvre la surface du virus. Elle est elle-même "recouverte" de chaînes glucidiques qui la "cachent" au système immunitaire.

C'est une protéine dont la conformation est très dynamique. En effet, elle change de forme quand elle se fixe à la surface de la cellule cible, ce qui approche le virus et la cellule de sorte que leurs membranes fusionnent.

La protéine de la matrice (hexamère) synthétisée par Ebola (VP40, PDB 4LDD) façonne le virus et dirige le processus de bourgeonnement. De nombreuses copies de la protéine s'associent sur la membrane et sont supposées établir des connexions à la fois avec la membrane et avec la nucléocapside.

La nucléocapside (composée de plusieurs types de protéines) protège le génome viral :

• La nucléoprotéine synthétisée par Ebola s'enroule autour de l'ARN ce qui crée un complexe hélicoïdal. Cependant, les interactions entre les sous-unités des nucléoprotéines ne sont pas aussi fortes que celles au sein d'autres virus (exemple, le virus de la mosaïque du tabac) : la nucléocapside du virus Ebola présente a souvent une structure ondulée. La partie de la nucléoprotéine qui fixe l'ARN a été étudiée par cryomicroscopie électronique (PDB 5Z9W) et par cristallographie par diffraction des rayons X (PDB 4QB0).
• Une fois à l'intérieur de la cellule cible, la protéine "L" (ARN polymérase dépendante de l'ARN) génère de nombreuses copies du génome de l'ARN.
• Plusieurs autres protéines de la nucléocapside qui aident à la formation de la structure ont également été étudiées (VP24 : PDB 3VNE; VP30 : PDB 2I8B; VP35 : PDB 3FKE).

15. Médicaments antiviraux et développement de nouveaux antiviraux

a. Exemples de quelques médicaments antiviraux

• L'idoxuridine (analogue de la désoxyuridine) est l'un des premiers antiviraux approuvés (en 1963).
• Depuis, environ 90 médicaments antiviraux (répartis en 13 groupes fonctionnels) ont été approuvés officiellement afin de traiter 9 maladies infectieuses humaines.
• Voir : "Antiviral agents - Reference pathway" (base de données KEGG).

La vipérine (viperin, "Virus Inhibitory Protein, Endoplasmic Reticulum-associated, INterferon-INducible") ou protéine inhibitrice de virus, associée au réticulum endoplasmique, inductible par l'interféron ou RSAD2 ("Radical S-Adenosyl methionine Domain-containing 2") appartient à la superfamille d'enzymes "radical SAM (S-adénosylmethionine) à centres [4Fe-4S]⁺" (PFAM PF04055).

La vipérine est une enzyme multifonctionnelle inductible par différentes types d'interférons. Elle est impliquée dans l'inhibition de la réplication de nombreux virus à ARN et à ADN (exemples : virus de la dengue, West Nile, de l'hépatite C, de la grippe, de la rage, HIV, …).

La vipérine catalyse la conversion de la cytidine triphosphate (CTP) en 3'-désoxy-3', 4'-didéhydro-CTP (ddhCTP) : le ddhCTP agit en tant que terminateur de chaîne pour les ARN polymérases ARN-dépendantes de plusieurs membres du genre Flavivirus et le ddhCTP inhibe directement la réplication du virus Zika.

Ces activités antivirales étendues résulteraient d'interactions avec un grand nombre de protéines des cellules hôtes et des virus. La vipérine est également impliquée dans la régulation de la poly-ubiquitination de la Lys63 de la kinase 1 associée au récepteur de l'interleukine-1 ("Interleukin-1 Receptor-Associated Kinase-1", IRAK1) par l'ubiquitine-ligase E3 TRAF6.

b. Exemples d'inhibiteurs de la protéase du HIV-1

Classification : "HIV-1 retropepsin", E.C. 3.4.23.16, PDB "Molecule of the month", PFAM PF00077.

L'une des principales cibles (et l'une des premières) des antiviraux anti-HIV-1 sont les inhibiteurs de la protéase aspartique. Exemples : dérivés de pseudopeptides symétriques (Langlois, Quintard & Abalain, 1994) ou du dibenzyl-iminodiacétate (Abalain & Langlois, 1998).

La protéase aspartique est biosynthétisée sous forme du précurseur polyprotéines Gag-Pol : elle est située entre p6^pol (du côté N-terminal de la protéase) et la transcriptase inverse (du côté C-terminal).

La protéase mature est un homodimère de 22 kDa (99 acides aminés par monomère) : les sous-unités forment un tunnel dans lequel est situé le site actif constitué des 2 séquences conservées Asp₂₅ - Thr₂₃ - Gly₂₇ caractéristique des aspartyl protéases.

Source : Ghosh et al. (2016)

Le médicament à base de tipranavir inhibe l'activité enzymatique et la dimérisation de la protéase du HIV-1.

c. Traitement thérapeutique de la dengue

La dengue est une maladie virale transmise chez l'homme par les moustiques. Aucun traitement n'est actuellement disponible. Or cette infection est un énorme fardeau de santé publique : environ 3,9 milliards de personnes à risque d'infection et plus de 50 millions de cas de dengue chaque année dans le monde.

Plusieurs critères ont, jusqu'à lors, empêché le développement d'un traitement efficace : (i) une administration orale; (ii) une diminution rapide de la quantité de virus dans le sang pour enrayer la progression vers la forme sévère de la dengue; (iii) une même efficacité contre les 4 principaux types de DENV (sérotypes DENV-1 à DENV-4); (iv) un profil de sécurité acceptable.

Le virus de la dengue (DENV) est un virus enveloppé à ARN simple brin (polarité +, groupe IV de la classification Baltimore) appartenant au genre Flavivirus. Son génome a une longueur de 10 à 11 kb : il code pour une polyprotéine.

Source : ViralZone - Flaviviridae

• La protéine virale non structurale NS4B ("Nonstructural protein 4B") traverse la membrane du réticulum endoplasmique (RE) de la cellule hôte : elle induit la formation de vésicules membranaires dérivées du RE dans lesquelles le virus se réplique.
• NS4B est cruciale pour la réplication de DENV4 car elle interagit avec la protéine virale NS3 qui possède 3 types d'activités enzymatiques : protéase à sérine (en association avec NS2B), NTPase et ARN hélicase (déroulement de l'ARN dans la direction 3' -> 5').

Efficacité thérapeutique prometteuse de JNJ-A07

Une molécule appelée JNJ-A07 est très efficace contre tous les variants génétiques testés des 4 sérotypes. Voir Kaptein et al. (2021).

• Les effets de la molécule JNJ-A07 ont été testés notamment sur des cellules de moustique et des cellules dendritiques humaines, un type de cellule immunitaire considéré comme une cible clé de l'infection par DENV chez l'homme.
• Cette molécule peut être administrée par voie orale.
• Elle réduit le niveau de DENV dans le sang de souris infectées, aussi bien à titre préventif que thérapeutique après l'infection.
• La molécule JNJ-A07 n'étant pas efficace contre d'autres virus (y compris des Flavivirus apparentés), elle semble hautement spécifique de DENV.

La description de l'interaction de la molécule JNJ-A07 avec la protéine virale NS4B est un premier pas pour décrypter la façon dont cette molécule empêche la formation du complexe viral de réplication [NS3-NS4B], inhibant ainsi la réplication de DENV.

Source : Biering & Harris (2021)

Figure a. La réplication du virus de la dengue nécessite la formation d'un complexe qui comprend les protéines virales [NS4B, NS3, NS5, NS2A, NS2B, NS4A et NS1] dans la membrane du réticulum endoplasmique ("ER lumen") de la cellule hôte.

Figure b. La molécule JNJ-A07 semble bloquer la liaison [NS3-NS4B], empêchant la formation du complexe de réplication virale, inhibant ainsi la réplication du virus.

d. Autres modes de défense anti-virale : exemple des "ilôts de défense"

Des analyses informatiques ont montré que dans les génomes bactériens, les gènes de défense se regroupent dans des régions spécifiques appelées îlots de défense ("defence islands").

• L'analyse de plus de 45000 génomes bactériens a permis de regrouper les protéines en plus de14000 familles partageant un domaine structural spécifique (Doron et al., 2018).
• Les auteurs se sont concentrés sur les familles pour lesquelles au moins 65% des gènes codants les protéines sont situés près des îlots de défense : ces gènes ont été utilisés comme point d'ancrage pour étudier les gènes voisins puisque les gènes de défense font souvent partie d'une série de gènes consécutifs qui fonctionnent ensemble dans le processus de défense.

Exemple du 2',3' GMP-AMP cyclique

La voie ["cyclic guanosine monophosphate (GMP) - adenosine monophosphate (AMP) synthase"/STING] ou voie [cGAS - STING] est un élément central du système immunitaire inné chez l'animal.

L'enzyme cGAS (GMP - AMP cyclique synthase, EC 2.7.7.86) est un détecteur d'ADN cytosolique. Lorsqu'elle détecte un ADN viral dans le cytosol, elle synthétise une molécule signal, le di-nucléotide 2',3' GMP-AMP cyclique (2',3'-cGAMP), qui se lie à la protéine STING ("STimulator of INterferon Genes", protéine membranaire du réticulum endoplasmique) qui active la réponse immunitaire.

L'activité antivirale de cGAS a été rapportée pour divers types de virus, notamment les virus à ADN (virus de l'herpès simplex, adénovirus et virus de l'hépatite B) et les rétrovirus (HIV-1).

La signalisation cGAMP fait partie d'un système de défense anti-phage commun aux bactéries (Cohen et al., 2019) :

• Ce système est composé d'un opéron de 4 gènes qui code pour la cGAS bactérienne, la phospholipase associée et deux enzymes avec des domaines El/E2 et JAB.
• L'infection par un phage déclenche la production de cGAMP qui, à son tour, active la phospholipase qui dégrade la membrane et entraîne la mort de la cellule infectée avant la fin du cycle de reproduction du phage.
• Ce système de défense antiviral crucial des animaux pourrait donc avoir ses racines chez les bactéries.

16. Mise au point de vaccins contre le coronavirus SARS-CoV-2

Le coronavirus 2 (famille des Coronaviridae) du syndrome respiratoire aigu sévère ("Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus 2", SARS-CoV-2) provoque la maladie respiratoire COVID-19 dont la propagation conduit à une pandémie.

Il existe un très grand nombre d'approches pour la mise au point de vaccins : plus de 42 vaccins candidats sont entrés dans des essais cliniques chez l'homme et 10 sont actuellement en phase III (voir "Draft landscape of COVID-19 candidate vaccines").

Le Prix Nobel 2023 de Physiologie et Médecine a été attribué à Katalin Kariko et Drew Weissman pour leurs découvertes concernant les modifications des bases nucléosidiques qui ont permis le développement de vaccins à ARNm efficaces contre la COVID-19.

a. Vaccin utilisant la glycoprotéine d'enveloppe S

L'entrée du coronavirus dans la cellule hôte utilise le domaine de liaison au récepteur ("Receptor-Binding Domain", RBD) de la glycoprotéine d'enveloppe S (ou protéine de pointe S - "Spike") du SARS-CoV-2 pour interagir avec le récepteur de la cellule hôte : l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2, E.C. 3.4.17.23).

En effet, le site de clivage cette glycoprotéine contient plusieurs résidus arginine : elle constitue donc un excellent substrat de nombreuses protéases des cellules hôtes. Or l'ACE2 est une carboxypeptidase de la famille M2.

Source : Yang et al. (2020)

Cette glycoprotéine (1273 acides aminés) est donc une cible pour la neutralisation médiée par les anticorps. Un vaccin recombinant qui correspond aux résidus d'acides aminés 319 à 545 du domaine RBD de la glycoprotéine d'enveloppe S induit une réponse anticorps fonctionnelle puissante chez les souris immunisées, les lapins et les primates non humains (Macaca mulatta) dès 7 ou 14 jours après l'injection d'une seule dose de vaccin.

La glycoprotéine S est une protéine de fusion de la classe I trimèrique :

• Elle est dans une conformation de préfusion métastable qui subit un réarrangement structural pour fusionner la membrane du virus avec celle de la cellule hôte, processus déclenché quand la sous-unité S1 se lie au récepteur ACE2 de la cellule hôte.
• Pour engager le récepteur ACE2, le domaine RBD de S1 subit des mouvements conformationnels de type charnière qui cachent ou exposent de manière transitoire les acides aminés impliqués dans la liaison à ce récepteur.
• La liaison à ce récepteur déstabilise le trimère de préfusion, ce qui entraîne la perte de la sous-unité S1 et la transition de la sous-unité S2 vers une conformation post-fusion stable.

Plus de 20 vaccins contre le SARS-CoV-2 sont autorisés et plus de 90 sont en cours de développement : voir "COVID-19 vaccine tracker".

b. Les nanoparticules lipidiques

Les membranes des cellules sont composées de différents types de glycérophospholipides amphipathiques (une partie hydrophobe et une partie hydrophile).

• Ces molécules peuvent être séchées sous forme de poudres ou d'huiles puis réhydratées : elles s'auto-assemblent en vésicules sphériques qu'on appelle liposomes.
• Des systèmes d'extrusion et de microfluidique permettent d'obtenir des liposomes de quelques dizaines de nm : les nanoparticules lipidiques ("Lipid Nanoparticle" - LNP)

Source : Ondrugdelivery.com

Ces processus sont utilisés pour empaqueter des agents thérapeutiques ou diagnostiques dans le liposome.

• Les nanoparticules lipidiques permettent ainsi d'encapsuler un acide nucléique (ADN ou ARN) ou un principe actif (médicaments) et les protégent de la dégradation par les enzymes de la cellule dans laquelle sont injectées ces nanoparticules lipidiques.
• La composition des nanoparticules lipidiques est déterminante pour optimiser des propriétés capitales telles que :
  • Leur solubilité dans les fluides biologiques.
  • Leur biodistribution : le ciblage correct des cellules auxquelles elles sont adressées.
  • Leur inocuité : absence d'effets secondaires.
  • Leur aptitude à libérer une charge utile du produit à un taux optimal du point de vue thérapeutique.

c. Réponses immunitaires provoquées par les vaccins à ARNm contre le SARS-CoV-2

Ces vaccins sont administrés par voie intramusculaire. Dans le vaccin, l'ARN messager (ARNm) est à l'intérieur d'une nanoparticule lipidique (voir le paragraphe ci-dessous) qui a pour fonctions :

• De protèger l'ARNm des enzymes de l'organisme vacciné.
• D'aider l'ARNm à pénétrer dans les cellules musculaires du site de vaccination.

Les nanoparticules lipidiques contenant l'ARNm ou alors l'antigène (dans le cas de la protéine de pointe S traduite et synthétisée par l'organisme vacciné) sont absorbées par les cellules présentatrices d'antigène ("Antigen-Presenting Cells" - APC). Ces APC se dirigent ensuite vers les ganglions lymphatiques où elles amorcent l'action des lymphocytes T CD4 et CD8.

Les cellules APC :

• Constituent un groupe hétérogène de cellules immunitaires qui comprennent les cellules dendritiques, les macrophages, les cellules de Langerhans et les cellules B.
• Médient la réponse immunitaire cellulaire en traitant et en présentant des antigènes (liés par des protéines du complexe majeur d'histocompatibilité à leur surface) pour la reconnaissance par certains lymphocytes tels que les lymphocytes T.

Voir la figure 1 de l'article Bettini & Locci (2021).

17. Nanomatériaux biomimétiques : thérapies antivirales et développement de vaccins

Contrairement aux thérapies qui ciblent une espèce virale spécifique et peuvent perdre leur efficacité quand le virus mute, les nanomatériaux antiviraux ciblent les propriétés chimiques et physiques communes à de nombreux types de virus.

Plusieurs stratégies antivirales sont en cours de développement avec des résultats prometteurs. Elle reposent sur des nanostructures notamment : (i) à base d'ADN pour piéger les virus; (ii) à base de polymères qui agissent comme des leurres en imitant la membrane de la cellule cible d'un virus ; (iii) à base de polymères qui brisent les membranes virales pour empêcher l'infection.

Source : Jackman et al. (2021)

a. Les leurres membranaires

De nombreux virus utilisent des glycoprotéines situées à leur surface pour se fixer à leur cellule hôte. Certains nanomatériaux imitant ces points d'ancrage cellulaire peuvent potentiellement agir comme des antiviraux.

Exemple des "nano-éponges"

• Le contenu de cellules humaines telles que des globules rouges ou des macrophages est retiré pour ne conserver que leur membrane.
• Cette membrane est ensuite brisée en milliers de vésicules d'environ 100 nm de diamètre.
• Des nanoparticules sont ensuite ajoutées : elles sont fabriquées à partir d'un polymère biocompatible et biodégradable, tel que le poly(acide lactique-co-acide glycolique).
• Chaque nanoparticule est recouverte d'une membrane cellulaire : la structure [noyau-enveloppe] obtenue agit comme un leurre en imitant une cellule humaine.
• Ces "nano-éponges" utilisent ensuite des sites de fixation sur leurs membranes pour entourer une particule virale et l'empêcher de pénétrer dans la cellule hôte.

L'équipe de Zhang et collaborateurs (2020) a démontré que des nano-éponges constituées de membranes dérivées de cellules épithéliales pulmonaires humaines de type II ou de macrophages humains piégent le SARS-CoV-2 et préviennent l'infection in vitro. Les membranes de ces nano-éponges contiennent l'ACE2, récepteur du SARS-CoV-2.

b. Les coquilles ADN pièges

Les règles qui régissant la structure des capsides virales ont été décrites par Casper et Klug : le nombre de triangulation T (ou nombre de sous-unités triangulaires quasi-équivalentes distinctes) peut être calculé par l'arrangement de pentamères et d'hexamères au sein d'un icosaèdre.

Ces principes permettent de construire des capsides icosaédriques synthétiques à partir d'aptamères d'ADN triangulaires auto-assemblants :

• On obtient des coquilles de différentes formes (8 à 180 sous-unités, masses molaires de 43 à 925 MDa) et de différentes tailles (90 à 300 nm de large).
• En modifiant les séquences d'ADN dans les blocs de construction triangulaires, des ouvertures de la taille d'un virus sont créées sur un côté de ces coquilles.
• De plus, l'intérieur des coquilles peut être tapissé de ligands spécifiques (par exemple, des anticorps) pour retenir les virus piégés.

Source : Figure du dessus : Peplow M. (2021) - Figure du dessous : Sigl et al. (2021)

• L'acquisition de données de cryomicroscopie électronique (figure du dessous, à gauche) permet de reconstruire la structure 3D d'une coquille octaédrique.
• In vitro, ces coquilles ont piegé des particules du virus de l'hépatite B et du virus adéno-associé de sérotype 2 : ces coquilles ont neutralisés ces virus, empêchant ainsi l'infection de cellules humaines.
• Données de cryomicroscopie électronique : EBI - EMD-12044.

c. Exemples d'autres stratégies impliquant des nanomatériaux biomimétiques

La structure de certains nanomatériaux antiviraux est optimisée pour être complémentaire de la morphologie d'un virus et ainsi mieux le piéger.

• Par exemple, des nanoparticules recouvertes de silice avec des pointes de 5 à 10 nm de long qui s'imbriquent parfaitement entre les glycoprotéines de surface d'un virus.
• De plus, les pointes peuvent être décorées par des sucres d'acide sialique pour augmenter la liaison au virus ou avec des composés antiviraux tels que le zanamivir.

Le génome des virus est dans la capside protéique. Dans le cas des virus enveloppés (par exemple, le SARS-CoV-2), la capside est recouverte d'une membrane, ou enveloppe, essentielle à la fusion des membranes [virus - cellule cible].

• Certains nanomatériaux perturbent l'enveloppe virale (héritée de la membrane de la cellule cible) pour empêcher l'infection à l'aide de tensioactifs qui forment des micelles sphériques.
• Ces structures nano-viricides sont décorées par des centaines de molécules de ligands (tels que des peptides) qui se fixent aux glycoprotéines virales : les micelles fusionnent alors avec l'enveloppe virale, ce qui l'endommage et l'empêche d'infecter la cellule cible.

18. Apport des méthodes d'apprentissage profond

L'ensemble des mécanismes du cycle viral mettant en jeu des protéines du virus et des protéines de la cellule infectée, il est évident qu'établir un catalogue le plus exhaustif possible des interactions protéine-protéine (IPP) est un outil indispensable pour décrire les relations [cellule hôte - virus] (et bien d'autre processus, de manière plus générale) et concevoir des médicaments antiviraux.

Les jeux d'apprentissage de plus en plus fournis et les méthodes d'apprentissage profond permettent de prédire un grand nombre de facteurs biologiques, notamment les IPP.

Par exemple, la méthode (et l'interface web) P-HIPSTer ("Pathogen-Host Interactome Prediction using Structure similarity", prédiction d'interactome pathogène-hôte utilisant la similitude de structure) prédit les IPP [cellule hôte - virus] en tenant compte des interactions domaine - domaine et peptide - domaine. P-HIPSTer utilise 3 types de preuves pour prédire si 2 protéines interagissent.

Source : Lasso et al. (2019)

Le résultat est formulé sour la forme d'un rapport de vraisemblance intégré ("integrated Likelihood Ratio", LR dans la figure ci-dessus) pour une IPP donnée :

• (1) Un LR que 2 domaines interagissent, basé sur l'évaluation d'un modèle obtenu à partir d'un complexe connu composé de protéines ayant des repliements similaires.
• (2) un LR qu'un peptide non structuré se lie à un domaine structuré sur la base de motifs de liaison connus dans la séquence peptidique.
• (3) un LR basé sur la preuve que plusieurs protéines, ayant un repliement similaire à celui de la protéine testée (interagissante), interagissent avec la protéine cible.
• Les trois LR sont combinés pour calculer un score final de probabilité qu'une paire de protéines candidates forme un complexe.

Actuellement plus de 282.000 IPP entre plus de 12.000 protéines virales et plus de 20.000 protéines humaines sont décrites.

Exemples d'autres programmes de prédiction ou d'analyse via l'apprentissage profond

• ViraMiner: apprentissage profond sur des séquences d'ADN brut pour identifier les génomes viraux dans des échantillons humains
• VIDHOP : outil de prédiction de cellules hôtes du virus de la grippe A, du lyssavirus rabique et du rotavirus A.
• VirFinder: un nouvel outil basé sur des k-mers pour l'identification de séquences virales à partir de métagénomes assemblés.
• FastViromeExplorer : méthode d'identification de virus ou phages et détermination de leur abondance dans des métagénomes viraux.
• Une méthode d'apprentissage approfondi des infections virales décrit la mécanique des cellules lytiques.

Voir un cours sur l'apprentissage profond (intelligence artificielle) appliqué à la biologie.