Virologie - Structure et réplication des virus (Charonéo 2023-2024) PDF

Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Virologie Structure et réplication des virus Semaine : 4 Heure : 10h à 12h...

Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Virologie Structure et réplication des virus Semaine : 4 Heure : 10h à 12h Professeur : Pr.D. Hober Date : 04/10/2023 Binôme : Lou Noyer et Mahaut Cooren Correcteur : Charlotte Cazals Virgile Bertin et Aymeric Ntondele Remarques du professeur : clé moodle : zumcn3 La virologie est une discipline qui est vue au travers des activités de laboratoire pour le diagnostic qui se fait au CBP (Centre de Biologie-Pathologie). Il y aussi une activité d’enseignement et une unité de recherche labellisée au CHU sur la pathogénèse. L’enseignement se fait à la faculté de médecine pôle formation, et la recherche au centre Paul Boulanger. Si questions, mail du professeur : [email protected] / [email protected] Plan du cours : I) Introduction C) Les constituants des particules virales A) Généralités 1. La capside virale B) Un peu d’histoire 2. Génome viral 3. Enveloppe virale II) Aspect du virus D) Caractéristiques des virus complexes A) Structure des virus B) Les virus “nus”, non-enveloppés IV) Multiplication des virus dans la cellule C) Les virus enveloppés A) Types d’infection de la cellule B) Principes de la multiplication des virus III) À l'intérieur du virus : le génome 1. Herpès viral 2. Enterovirus A) Généralités 3. VIH B) Classification des virus 4. Étapes du cycle reproductif 1. Selon la nature de l’acide nucléique C) Synthèse des macromolécules 2. Selon l'architecture du génome 1/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober I) Introduction A) Généralités Tous les êtres vivants hébergent des virus. Être vivant c’est aussi bien nous mêmes (humains), les animaux, les plantes, les algues, les bactéries, les unicellulaires, les champignons… Tous ces êtres sont infectables. Les virus qui infectent les bactéries sont des bactériophages. Tous les virus ne vont pas forcément infecter l’homme (nous ne sommes pas infectés par les bactériophages, ou virus de plantes). Le virus de la mosaïque du tabac (virus de plante) est le 1er virus à être observé au microscope électronique dans les années 1950. Il a une structure bien particulière, un espèce de bâtonnet rigide. Les animaux ont leurs virus eux aussi. Certains virus nous viennent des animaux, d’autres non (notion de barrière d'espèce). B) Un peu d’histoire La virologie est une science récente, très jeune. Il y a des maladies connues depuis longtemps, comme la variole. La variole est une maladie qui touchait les humains bien avant JC (les chinois connaissaient très bien la variole). Ils savent que c’est une maladie qui se transmet. Cette maladie pouvait provoquer 100% de mortalité, Louis XV est notamment mort de la variole. Face à cette maladie, Edward Jenner (un médecin de campagne) a observé que ses patients à la campagne étaient beaucoup moins malades face à cette maladie que les gens de la ville. Ces gens de la campagne étaient au contact des animaux, qui eux même présentaient des lésions particulières, qui ressemblaient à des pustules. Ce sont des lésions de la peau avec du liquide blanchâtre. Les animaux avaient ça et les gens de la campagne avaient également des lésions de ce genre. Il se dit que c’est peut-être l'exposition à ces lésions des animaux qui protège les humains de cette maladie. Il met en œuvre cette idée en prenant le liquide qu’il y a dans les pustules des animaux (au niveau des vésicules) pour l’administrer après scarification de la peau. Il constate que ça permet aux gens de se protéger contre la variole. Pour développer cela, ce qu'on faisait à l'époque, c’est qu’on faisait venir un animal qui avait des lésions, on prenait le liquide et on l'appliquait. La vache en latin se dit vacca est c’est de là que le terme de vaccination est arrivé. Il a fallu plus d’une centaine d'années pour arriver avec des approches expérimentales. Et c’est Pasteur qui arrive avec la rage. Il observait qu’en inactivant par la chaleur les tissus issus des animaux enragés, il pouvait provoquer la protection de l’individu vis-à-vis de la maladie. A l'époque de Pasteur, on ne connaissait pas les virus. Aujourd’hui on sait qu’il y a des maladies qui peuvent être provoquées par des agents viraux. L’idée est de poser un diagnostic en mettant en œuvre les connaissances et essayer de lutter contre cette maladie avec des vaccins, antiviraux par exemple. 2/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Moins de 200 ans après ces observations, la maladie va être éradiquée. En 1980, l’OMS déclare que la variole a été éradiquée grâce à la vaccination. En vaccinant, on a brisé la chaîne de transmission. Dans la mesure où cette maladie se transmettait d’humain à humain, si on vaccinait les humains ça ne se transmettait plus jusqu’à disparition de l’agent. II) Aspect du virus A) Structure des virus Pour résumer, un virus est une mauvaise nouvelle dans un petit emballage. Il y a des virus qui nous sont tout de même utiles. Un virus n’est pas visible, ce qui explique qu’on ait mis beaucoup de temps pour pouvoir les observer. Quelle est la taille des virus ? En moyenne, un virus mesure 1/10 000ème de mm ou 100 nm. Un virus a une taille inférieure aux capacités des microscopes optiques. Il faut, pour se le représenter, prendre une espèce d’image. Ramener ça à des notions concrètes. Ex : Si on représente la cellule par une piste de cirque (13m de diamètre), le virus fera la taille d’une noisette, d’un petit melon ou d’une petite citrouille (selon la famille du virus). C’est minuscule ! Les schémas ne seront pas forcément à l'échelle car sinon on ne verrait rien. Outils d'observation des virus : - Microscope électronique (années 1950). Des mathématiciens ont réussi à transformer le message que l’on capte par des approches mathématiques (comme la transformée de Fourier), ce qui permet de reconstituer de quoi il s’agit. - On peut étudier la structure fine des éléments. Une fois qu’ils sont congelés dans le virus, ils vont former une structure que l’on va étudier grâce à la diffraction des rayons X. On en déduit comment se placent les éléments par rapport aux autres, pour avoir une idée de la structure du virus. 3/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober - Idée de la topographie de la surface des virus grâce à l’AFM (Atomic Force Microscope) : microscope mécanique et non pas optique. Fonctionnement : une petite sonde (détecteur) va balayer la surface du virus, effectuant des contacts pointe par pointe. On va déduire de ces interactions et des forces qui s'exercent, l’allure de la surface. Ça marche comme un petit levier qui vient repérer en fonction du relief et fait bouger un rayon laser. En analysant les mouvements des rayons lasers, on peut se faire une idée de la surface. Ce microscope est vraiment mécanique, fait par des mécaniciens, il sert à observer plein de choses, pas que des virus. La microscopie à balayage permet d’avoir des images obtenues point par point via un maillage de la surface par balayage et reconstruction d’une image. Les virus peuvent être visualisés à l’aide de l’AFM, notamment leur topographie, ici l’exemple du VIH : B) Les virus “nus”, non enveloppés - L’adénovirus est un virus “nu” qui ressemble à un satellite, avec 12 antennes qui sont à chaque sommet. - Entérovirus : virus polio, coxsackie virus, virus echo. La structure est faite de protéines uniquement (pas de glycoprotéines dans celles-ci). C’est un enchaînement d’acides aminés donnant alors un relief, une rugosité comme un “petit rocher”. La structure même du virus est différente en fonction des virus, y compris dans une même famille (“À tel point que chaque virus est presque aussi différent que tous les visages que j’ai devant moi aujourd’hui”). Cela dépend du génome. Les virus ont leurs particularités, leurs variables. 4/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober C) Les virus enveloppés - Virus de la rage : la particule virale est entourée d’une enveloppe (aspect en balle de revolver). - Virus de la grippe : (virus qui revient tous les ans) c’est un virus enveloppé, allure en bicouche de lipides, avec des spicules à la surface (les violets = hémagglutinine et les oranges = neuraminidase). - Virus Herpes Simplex : donne des boutons de fièvre. Allure = enveloppe + structure. - VIH : Virus de l'Immunodéficience Humaine (virus du SIDA). Ce qui est à l’intérieur est la capside (en grec capsa), c'est la boîte qui renferme le génome. La forme peut être une boîte bien organisée ou une structure plus comme un escalier en colimaçon, ou encore en cône tronqué (c’est le cas du VIH). III) A l’intérieur du virus : le génome viral A) Généralités Ce qui a de plus important pour les virus (comme pour nous même) c'est le génome. Le génome porte tous les caractères, toute l’information génétique qui permet de transmettre l’information de génération en génération. Selon les virus, l'information sera portée par les acides nucléiques qui sont, soit de l’ARN, soit de l’ADN. On divise le monde des virus en deux : les virus à ADN et les virus à ARN. Tous les autres êtres vivants, bactéries, sont constitués sur le même schéma ARN et ADN. Pour les virus c’est l’un ou l’autre. On retrouvera donc des virus à ARN positifs et négatifs, double brins, segmentés ou pas… 5/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober - Virus de la grippe : Il a 8 segments d'ARN, portant chacun une information génétique. Ils sont de différentes couleurs (vert, kaki) car ils sont d'une extrême diversité. Le kaki représente l’ARN négatif, il n’a pas de devenir en tant que tel, il ne peut pas être traduit en protéines (les positifs le peuvent). Il faut que le virus fournisse le matériel enzymatique nécessaire pour que l’ARN négatif soit transcrit en ARN positif. L’un des segments code pour l’hémagglutinine, et un autre code pour la neuraminidase. - Entérovirus (non enveloppés) : (virus polio, coxsackie, virus echo) ils possèdent 1 segment d’ARN positif qui porte l’information génétique, protégé par la capside. L’ARN est à l’origine des protéines que l'on retrouve au niveau de la particule virale : les protéines VP1, VP2, VP3 et VP4, qui forment un monomère, qu’on appelle un capsomère. Ce capsomère est répété 60 fois et va s'auto assembler pour former « une petite boite ». Les autres parties de l’ARN sont à l’origine de protéines de régulation (non structurales), qui sont impliquées dans le processus de multiplication des virus dans la cellule (on ne les retrouve pas dans la particule). Certaines de ces protéines auront un impact fort sur la cellule : permettre au virus d’échapper à la réponse immunitaire, de provoquer ou pas la mort des cellules… - B) Classification des virus Elle tient compte de: - La nature de l’acide nucléique : ADN ou ARN - La SYMÉTRIE de la capside (pas la forme) : hélicoïdale (escalier en colimaçon) ou icosaédrique (cubique) Hélicoïdale : petits bâtonnets souples faits d’ARN enroulé, l’ARN est protégé par les protéines qui viennent s'agréger ensemble pour former la capside - Présence ou non d’enveloppe - Architecture du génome: ARN/ADN simple/double brin, segmenté ou pas, positif/négatif La plupart des virus à ADN sont double brin, mais il est possible d’en rencontrer des simple brin. - Dimension : en moyenne 100 nm mais certains font moins de 20 nm, d’autres plusieurs centaines de nm (exemple : les entérovirus font une 30aine de nm) A partir de cette classification, on va pouvoir définir: - Des familles : suffixe viridae - Des sous-familles : suffixe virinae - Des genres : suffixe virus Ex: famille : picornaviridae, genre : entérovirus. Il y a “pico”= 10-12 et “rna” : c’est une famille de petit virus ARN. Remarque: on écrit en italique les familles, sous-familles et les genres avec la première lettre en majuscule. 6/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober 1. Classification selon la nature de l’acide nucléique Virus à ARN : rotavirus (virus des diarrhées), entérovirus (virus de la polio), VHC (virus de l’hépatite C), CHIK (chikungunya, transmis par des moustiques), le VIH, virus ebola, virus de la rage, de la grippe, VRS (virus respiratoire syncytial) et ROR (rougeole, oreillons, rubéole) Virus à ADN : papillomavirus (virus du cancer du col de l’utérus et des verrues), adénovirus (aspect en satellite, icosaèdre), virus de l'hépatite B (partiellement double brin), virus Herpes (Herpesviridae avec notamment les virus Herpes Simplex 1 et 2), virus de la varicelle, de la variole. 2. Classification selon l’architecture du génome ARN monocaténaire : (= un seul brin), le plus souvent pour les virus ARN - positif : peut être traduit par les ribosomes en protéines sauf Retroviridae et Reoviridae. - négatif (antisens) : ne peut pas être traduit. Il faut qu’il arrive avec une ARN polymérase fournie par le virus qui va assurer la transcription de l’ARN négatif en ARN positif, qui pourra ensuite être traduit (ex : virus de la grippe). - ambi-sens: une partie positive et une autre négative. Les virus d'intérêt médical à capside tubulaire de symétrie hélicoïdale sont tous enveloppés. Les virus enveloppés sont généralement plus fragiles que les virus nus car l’enveloppe du virus est faite de bicouches de lipides. Les lipides peuvent s’altérer, se dissoudre avec de l’alcool (solution hydroalcoolique), peuvent subir des agressions diverses. Alors que les virus nus, faits comme une “petite balle de protéine”, sont plus compliqués à attaquer. Au-delà de la résistance, un virus enveloppé que l’on met à l'extérieur va être détruit, tandis que le virus nu peut “rester sur un objet”. Les virus nus gardent donc plus longtemps leur pouvoir infectieux, et peuvent se transmettre par le péril féco-oral et contaminer l’eau, les aliments… Remarque : certains virus enveloppés comme les coronavirus ont une certaine résistance (ex : SARS-cov 2) mais sont très sensibles à l’action des produits antiseptiques et désinfectants. 7/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober C) Les constituants des particules virales 1. La capside virale Rôle : protection du génome dans le milieu extérieur + attachement du virus à la cellule hôte (surtout pour les virus nus). Elle est résistante et stable. C’est une structure polymérisée : faite à partir d’une sous-unité répétée un certain nombre de fois (ex : capsomère répété 60 fois dans l’entérovirus). 2 catégories de capside : Capside tubulaire à symétrie hélicoïdale : Ex : virus de la rage : aspect en balle de revolver. Virus de la grippe: génome fait de 8 segments, donc 8 petites capsides tubulaires. Virus de la grippe Virus de la rage Capside icosaédrique à symétrie cubique : c’est la forme qui demande le moins d’énergie. C’est un polyèdre à 12 sommets, 30 arêtes, 20 faces. Chaque face est un triangle équilatéral Les unités de structure s'assemblent en capsomères et se répètent un certain nombre de fois: - hexamères ou hexons au niveau des arêtes et des faces - pentamères ou pentons au niveau des 12 sommets Ex : Herpesviridae (virus enveloppé à 162 capsomères : 150 hexons et 12 pentons) L'adénovirus (virus nu à 252 capsomères: 240 hexons et 12 pentons) On voit qu’il y a toujours 12 pentons. Un entérovirus a 60 capsomères, chacun fait de 4 protéines (VP1,VP2,VP3 et VP4) : 8/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Ex : Virus de l’herpès (virus enveloppé). Particularités : il y a des protéines de tégument (protéines de matrice) entre l’enveloppe et la capside. Le nombre de capsomères dépend de la taille du virus. 2. Génome viral Il peut être à ADN ou ARN. Il peut y avoir des chevauchements de gènes, pour “mettre à profit le peu d’espace qu’on a”, cela permet d’avoir beaucoup d’informations dans un petit espace. Génome à ARN: ○ Simple brin = monocaténaire : la plupart des virus ARN ○ Double brin = bicaténaire : virus de diarrhée (rotavirus), reoviridae et birnaviridae ○ Polarité positive (comme ARNm) ○ Polarité négative : virus de la grippe ○ 1 segment ou plusieurs : myxoviridae (virus de la grippe, a 8 segments) et rotavirus (rotavirus a 11 segments) Génome à ADN ○ Bicaténaire pour la plupart ○ Monocaténaire : parvoviridae (virus B19) et circoviridae Taille: 3,2 kbp (Virus de l’Hépatite B); 5,7 kb (parvoviridae); 235 kbp (cytomégalovirus) 4 gènes pour le VHB (Virus de l’Hépatite B): - Zone S : protéines retrouvées à la surface de l’enveloppe (antigènes HBS) - Zone C : pour la capside - Zone P : pour l’ADN polymérase du virus - Zone X : on ne sait pas à quoi elle sert mais on la suspecte d’être responsable de certains cancers du foie C’est un virus partiellement double brin. 9/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober 80 gènes pour Herpes Simplex Virus : la moitié (37 gènes) servent à fabriquer des particules virales et permettre leur réplication dans la cellule, et l’autre moitié permet la manipulation des gènes ou du système immunitaire pour permettre au virus de persister dans l’organisme. Protéines associées à l’ADN 3. Enveloppe virale Elle dérive d’un bourgeonnement de la cellule hôte. Elle peut venir de la : - Membrane plasmique (grippe, rage, HIV) - Membrane nucléaire (HSV) - Membrane intracytoplasmiques : appareil de Golgi, RE, vacuoles (rubéole) Bicouche lipidique + glycoprotéines d’origine virale = spicules (attachement du virus à la cellule) À la face interne de l’enveloppe, on peut trouver des protéines de matrice, qui vont aider à amorcer le bourgeonnement (ex : grippe, rage, HIV). L’ensemble du processus va être guidé pour l’assemblage, notamment grâce à ces protéines de matrice. Étant donné que les virus enveloppés sont fragiles (ils ne résistent pas dans le milieu extérieur et le tube digestif), ils se transmettent par contact rapproché : aérosols, gouttelettes, contact de muqueuses (ex : rapports sexuels). Les virus non enveloppés, beaucoup plus résistants, se transmettent par le biais de l’environnement : transmission directe et par environnement contaminé. Exemples d’enveloppe virale : - Formation de l’enveloppe du VIH à partir de la membrane cytoplasmique. Particularités du VIH : quand le bourgeon sort, il termine sa maturation à l’extérieur. - Formation de l’enveloppe des Herpes virus à partir de la membrane nucléaire interne, qui va ensuite être échangée avec d’autres membranes. 10/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober D) Caractéristiques des virus complexes VIRUS HIV POXVIRUS COMPLEXES Génome Génome diploïde(*) de 2 molécules L’un des plus gros virus d’ARN et des ribonucléoprotéines 375 kbp d’ADN Capside Capside protéique en forme de cône Nucléocapside tubulaire tronqué faite d’hexons et de pentons Coque interne et corps latéraux Enveloppe Matrice et spicules Structure tubulaire virale, leur enveloppe glycoprotéiques n’est pas issue d’un bourgeonnement : ces virus font fabriquer à la cellule des tubules lipidiques et s’en enroulent. Particularités Résistance dans le milieu extérieur : ils peuvent garder leur pouvoir infectieux très longtemps. Virus à ADN. Normalement, tous les virus à ADN se multiplient dans le noyau, mais ces Poxvirus se multiplient intégralement dans le cytoplasme. (*) Dans un génome diploïde, il y a deux fois la même chose : deux segments identiques avec deux fois la même information génétique (comme un chromosome avec deux chromatides). Il présente donc deux molécules d’ARN identiques. A l’inverse, dans un génome segmenté, il y a une information génétique différente sur chaque segment. III) Multiplication des virus dans la cellule A) Types d’infection de la cellule Infection Productive Abortive Persistante / latente Expression Expression de tous Pas d’expression virale car, Expression partielle du génome. génique les gènes viraux soit le virus est défectif, soit la Ce qui persiste, c’est le génome viral cellule n’est pas permissive essentiellement. Mais dans certains cas, le virus peut persister avec des particules virales entières (protéines), produites en permanence dans l’organisme. Etat de la +/- lyse des cellules Cellule normale Cellule +/- modifiée cellule hôte Virions Production de virions Absence de production de Absence de production de virions virions 11/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Les virus ont besoin de cellules pour exister. Le virion est la particule infectieuse produite. On dit virus en général mais la particule est un virion. Dans la persistante/latente, le fait d’avoir le virus et certaines de ses protéines dans la cellule pousse la cellule à se multiplier : on retrouve donc un peu de génome viral (pas forcément le génome entier) dans toutes les cellules. Mais à force de se multiplier, les cellules peuvent subir des mutations : elles se transforment et évoluent dans le sens d’une cancérisation. Par exemple, c’est ce qui se passe avec les papillomavirus dans le cancer du col : il n’y a pas de virions produits, ce sont juste les protéines virales qui poussent les cellules à se multiplier. Comment “vivent” les virus ? Certains disent que les virus ne sont pas vivants, mais « vivant » dépend de la façon dont on le définit : - On peut dire qu’est vivant quelque chose qui est capable de s’alimenter, de se reproduire. - Mais si on dit qu’est vivant un agent constitué de molécules du vivant (azote, carbone, oxygène etc.), on peut dire qu’un virus est vivant. Par contre, on peut dire qu’est vivant tout ce qui peut être infecté par un virus. Les virus se multiplient et ont besoin de cellules : → Les cellules dans lesquelles les virus se multiplient peuvent être épithéliales (pavimenteuses = les unes à côté des autres) ou fibroblastiques (plus allongées). → Il existe aussi un autre type de cellule important : celles que l’on trouve dans l’œuf d’un embryon (de poule ou d’oiseau en général). Lorsque cette demi-cellule est fécondée par un gamète mâle, cela nous donne une cellule qui va se différencier et se multiplier pour donner tous les éléments de structure nécessaires dans la fabrication d’un poussin (dans le cas de la poule par exemple). Si on injecte des virus au bon endroit, ces virus se multiplient dans cet œuf de poule : on obtient alors beaucoup de virus, que l’on purifie pour fabriquer des nouveaux vaccins. Mais même en purifiant, il reste un peu d'œuf, donc il arrive qu’on ne puisse pas vacciner les vrais allergiques à l'œuf. - B) Principes de la multiplication des virus - 1. Exemple du virus de l'Herpès (génome viral à ADN) - Virus enveloppé avec des structures à la surface (protéines virales), des protéines de matrices et une capside qui contient l’ADN linéaire du virus. On peut « prendre » du virus herpès sur un sujet porteur du virus (comme le cas de la vache avec lésions de variole, humain porteur d’un bouton de fièvre…), mais s’il fallait à chaque fois attendre de trouver quelqu’un qui possède le virus pour travailler, on aurait du mal. 12/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Ainsi, à partir du moment où on a trouvé un virus tel quel, on lui permet de se multiplier in vitro dans des cellules bien choisies : cela a donc permis d’étudier les virus dans des systèmes cellulaires. Grâce à cela on peut maintenant mettre ces virus de côté, ainsi que les conserver au froid (au frigo, dans de l’azote liquide…) : plus c’est froid, mieux c’est pour un virus. Ensuite, on met ce virus en présence de cellules bien choisies : des cellules permissives. A leur surface on y retrouve des structures (protéines, glycoprotéines…), dont certaines ont été mises à profit par les virus pour en faire leurs récepteurs. Certaines structures cellulaires sont découvertes en tant que récepteurs de virus avant que l’on sache à quoi elles servent. A l’origine, le but de ces protéines n’est PAS de devenir un récepteur de virus ! On découvre donc que certaines structures sont mises à profit au cours de la co-évolution, entre les virus et la cellule, afin de s’y attacher. a) Attachement du virus au récepteur Attachement du virus à une structure bien définie, spécifique à chaque virus : reconnaissent des récepteurs qui leur sont propres. b) Entrée du virus dans la cellule Dans le cas du virus herpès, se fait par le biais d’une fusion entre l’enveloppe virale et la membrane cytoplasmique de la cellule : le contenu de la particule virale se retrouve dans la cellule. c) Décapsidation Dans la cellule, il y a la capside et le génome : il faut que cette information génétique (IG) arrive au bon endroit dans la cellule pour permettre la multiplication de la cellule avec l’IG du virus. Les virus à ADN doivent aller placer leur génome au niveau du noyau de la cellule. On sort l’ADN de son environnement protéique (la capside) = processus de décapsidation, pour permettre à l’ADN de passer par les pores nucléaires pour se retrouver dans le noyau. d) Multiplication du génome viral et transcription de l’ADN sous forme d’ARNm Ces ARNm viraux sortent du noyau par les pores nucléaires pour être traduits en protéines virales. Ces protéines virales reviennent ensuite dans le noyau pour fabriquer la capside notamment, mais aussi les futures protéines d’enveloppe et tous les constituants du virus. e) Maturation et libération Puis il faut également une certaine maturation pour assembler toutes ces protéines : assemblage, maturation, libération. Dans le cas des virus herpès, l’enveloppe est acquise aux dépens de la membrane nucléaire interne : ces virus acquièrent leur enveloppe et sortent de la cellule pour infecter d’autres cellules (notion d’échanges de membranes). 13/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Impact sur les cellules contrôles, non infectées initialement : Pas neutre : tout cela peut provoquer des modifications au niveau de la cellule, des mutations. On parle d’effet cytopathique : ici, cellules arrondies donnant un aspect typique en grappes de raisin (typiquement l’effet cytopathique d’un virus Herpes). Fondamental car permet, grâce aux cultures de cellules, de savoir qu’il y a un virus au prélèvement, de l’étudier et d’évaluer la quantité de particules infectieuses. - - 2. Exemple de l'entérovirus (ARN) - Virus ARN positif, non enveloppé, formé de 60 capsomères, mis en présence de cellules permissives (même principe que précédemment). Lui se réplique intégralement dans le cytoplasme, il n’a pas besoin d’aller dans le noyau. Ce virus s’attache aux récepteurs : dès le contact avec son récepteur, il y a l’aménagement d’un pore au niveau d’un des sommets de la particule, afin de laisser passer l’ARN dans le cytoplasme de la cellule. Dans d’autres cas, il peut se créer une vacuole d’endocytose, et c’est dans cette vacuole que se fait la décapsidation. A la fin, l’ARN se retrouve dans le cytoplasme. L’ARN positif peut être traduit en protéines par l’action des ribosomes : se forme une polyprotéine. Par auto-clivage, certaines sont découpées et ont une fonction structurale, d’autres ont une fonction de régulation, non structurale. Lors de l’arrivée du virus, ces protéines de régulation induisent, dans la cellule, la synthèse de petites structures lipidiques, appelées organelles de réplications : il est bien plus facile de fabriquer de l’ARN à la surface de ces structures lipidiques. A la surface de ces organelles de réplication, l’ARN positif est transcrit (copié) grâce à l’ARN polymérase (qui vient du virus) en ARN négatif. Puis, cet ARN négatif sert lui-même de modèle pour fabriquer des molécules d’ARN positif. L’ARN positif est ensuite recyclé en ARNm et traduit en protéines, pour alimenter le cycle en protéines non structurales : certaines d’entre elles sont les futures molécules d’ARN génomiques, que l’on retrouve dans les nouvelles particules virales. Ce cycle continue jusqu’à ce que l’on atteigne un niveau où il y a suffisamment de protéines non structurales. 14/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Désormais, il faut des protéines structurales (marron sur le schéma) : elles sont issues du découpage de la polyprotéine et s’auto-assemblent. Un capsomère est constitué des protéines VP1, VP3 et VP0 (sachant que VP0 donnera VP2 et VP4). Les capsomères s’assemblent par 5 pour former un pentamère, qui eux-mêmes s’assemblent par 12 pour former un icosaèdre. Dans cet assemblage de capsides initial sera introduite une molécule d’ARN par capside, pour former un provirion. On parle de provirion parce qu’il n’est pas encore mature : c’est lorsque la VP0 sera découpée en VP2 et VP4 que le virion mature sera libéré et capable d’infecter d’autres cellules. Selon la quantité de virus que l’on met au départ, cela peut avoir pour conséquence la destruction totale de la cellule (en 24h, 48h ou plus) : effet cytopathique. Remarque : Il y a des virus ARN qui sont rétro-transcrits en ADN grâce aux enzymes virales (rétro transcriptases), cet ADN est intégré dans le génome cellulaire (exemple du VIH). Puis, il y a des virus ARN qui restent ARN mais qui vont se placer au niveau du noyau. Par exemple, le virus de la grippe se retrouve au niveau du noyau, parce qu’il a besoin des coiffes en 5’ des ARNm cellulaires. Ces coiffes permettent l’interaction entre l’ARN et le ribosome. Le virus de la grippe se place au noyau pour récupérer ces coiffes en 5’ et donc permettre la traduction de ses ARN. - 3. Exemple complexe du VIH Les particules virales sortent de la cellule pour aller vers une autre. Le VIH bourgeonne au niveau de la membrane cytoplasmique, par une particule non mature : la maturation de cette particule se fait après sa libération. - 4. Étapes du cycle reproductif 1) Phase précoce : attachement, pénétration, décapsidation Dans la membrane cytoplasmique, il existe plusieurs éléments pour permettre au virus de s’attacher. Mais, le fait de s’attacher n’est pas suffisant : il faut qu’il rentre et qu’il se multiplie. Certains virus sont capables de s’attacher aux cellules mais pas de se multiplier, car il n’y a pas tout l’environnement nécessaire : cela explique cette barrière d’espèces que l’on retrouve quand des virus animaux ne peuvent pas se multiplier dans nos cellules humaines. 2) Phase de synthèse des macromolécules virales : fabrication des molécules d’acides nucléiques, protéines virales, virions… 3) Phase plus tardive : assemblage de nucléocapsides (acides nucléiques + protéines qui les protègent) et libération de virions Comment rentrer dans une cellule ? - Par la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane cytoplasmique (virus enveloppé) - Par l’intermédiaire d’une vacuole d’endocytose : dans cette vacuole, il y a un environnement qui permet la déformation des protéines de surface et donc la fusion - Par la dégradation du virus dans la vacuole d’endocytose 15/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Exemple des adénovirus : l’acidité présente dans la vacuole permet de dégrader la particule virale et donc de libérer l’ADN, qui sera ensuite envoyé dans le noyau. Exemple des entérovirus et leur façon d’entrer dans la cellule : Le virion interagit avec son récepteur : on observe une modification de la conformation de la particule virale. Cette conformation permet l’aménagement d’un pore au niveau de l’un des sommets, afin de faire sortir l’ARN dans le cytoplasme. On remarque sur le schéma que, lorsque l’interaction de la particule virale se fait avec le récepteur, cela ouvre son sommet (au niveau de VP1) pour permettre la sortie de l’ARN (en vert sur le schéma). C) Synthèse des macromolécules Le virus fait fabriquer par la cellule tous ses éléments : copies de son génome viral, synthèse de protéines virales (structurales, enzymatiques…), son enveloppe (comme pour les Poxvirus)... L’élément clé est de faire synthétiser les protéines virales par la machinerie cellulaire. Puis, les évènements classiques de biologie se produisent : transcription, traduction des protéines et réplication du génome viral Le professeur décrit plusieurs exemples de cycles viraux en s’appuyant sur les illustrations ci-dessous : le but n’étant pas de les apprendre par cœur mais surtout d’en comprendre le fonctionnement. Exemple 1 : cycle viral de l’herpès S’attache au récepteur, puis fusion entre l’enveloppe virale et la membrane cytoplasmique afin que l’intérieur de la particule rentre dans la cellule. Les protéines entrant dans la cellule ont un certain effet : elles se placent très rapidement au noyau pour aider à lancer les différents processus : décapsidation, passage de l’ADN par les pores nucléaires. On obtient les premiers ARNm de la phase pré-précoce. Des ARNm sortent par les pores nucléaires pour être traduits en protéines pré-précoces. Elles reviennent dans le noyau par les pores pour assurer la phase suivante : la multiplication (avec la transcription d’ARNm précoces, qui traduisent des protéines précoces). 16/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Ces protéines précoces reviennent dans le noyau pour initier la copie de l’ADN viral et induire, dans la phase tardive, des protéines tardives impliquées dans la fabrication de la capside, ou transformées en glycoprotéines par l’appareil de Golgi… Exemple 2 : cycle viral de l’entérovirus Le virus rentre dans la cellule, est traduit en protéines non structurales et structurales. Les protéines non structurales permettent la réplication d’ARN positifs en de nombreuses copies en passant par l’intermédiaire qu’est l’ARN négatif (tout cela à la surface de l’organelle de réplication). Puis assemblage des protéines VP pour former la capside Exemple 3 : cycle viral du VIH Après fusion, entrée du contenu de l’enveloppe virale. L’information génétique est portée par deux segments différents dont un seul va avoir un devenir. Dans cette particule virale, il y a des protéines à activité enzymatique embarquées, qui vont agir dès le départ pour assurer la rétrotranscription de l’un des deux ARN en ADN simple, puis double brin. Tout cela est assuré par la transcriptase inverse (= reverse transcriptase), qui est une protéine virale à activité enzymatique, capable de rétro transcrire l’ARN en ADN. Cet ADN double brin se circularise, et une autre protéine embarquée, l’intégrase, permet d’intégrer cet ADN dans le génome cellulaire. Cet ADN proviral est donc installé dans le génome des cellules. La cellule qui a acquis une nouvelle information génétique la transmet aux cellules filles en se divisant : cela permet à l’ADN proviral de se multiplier dans l’organisme. Après la traduction en protéines et les assemblages, un bourgeon sort de la cellule mais n’est pas mature. Dans ce bourgeon, on a des protéases, qui découpent les polyprotéines et qui vont finir la maturation à l’extérieur. Cela explique qu’au lieu d’avoir un auto-assemblage des protéines, on va empaqueter ces 2 molécules d’ARN dans des protéines de capsides, qui vont former cet aspect en cône tronqué. 17/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Remarque : Dans la cellule infectée par le virus, on constate beaucoup de mouvements qui se font vers le centre ou vers la périphérie/l’extérieur (ex : protéines reviennent s’assembler au niveau du noyau pour former les capsides et protéines virales). Des ARN peuvent également cheminer par le RE et le Golgi pour se retrouver au niveau de la membrane plasmique et devenir les futures protéines d’enveloppe. Sinon, pour certains virus, il n’y aura pas d’autres choix que de faire éclater la cellule pour en sortir. Étape tardive : assemblage et libération - Les composants viraux néosynthétisés s’accumulent dans des compartiments cellulaires - Les molécules de génome viral s’assemblent avec des sous-unités protéiques de la capside et sont libérées. On distingue 3 cas : les provirions, les virions nus et les virions enveloppés. Exemple de l’entérovirus : Fabrication de protéines de structure qui s’assemblent par 5, puis par 12, et incorporent une molécule d’ARN néoformée pour former un provirion. Celui-ci aura besoin d’une maturation par auto-clivage de VP0, donnant alors un virion infectieux qui sort de la cellule pour en infecter d’autres. 18/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Exemple des adénovirus : assemblage et maturation d’un virion nu dans le noyau. La multiplication de ces virus à ADN se fait dans le noyau (comme la majorité des virus à ADN, sauf les poxvirus). Les protéines, fabriquées par la traduction des ARNm provenant de l’ADN de ces virus, reviennent par les pores nucléaires. La capside incorpore une nouvelle molécule d’ADN. Ces virus n’ont pas d’autre choix que de faire éclater la cellule à leur sortie car n’emportent pas de membrane (nus). Remarque : l’appellation adénovirus vient du fait qu’ils donnent des adénopathies (ganglions) Virions enveloppés : Pour les virions enveloppés, l’enveloppe est acquise par la membrane plasmique externe en quittant la cellule (pour certains c’est la membrane nucléaire). De plus, les glycoprotéines virales s’insèrent dans le double feuillet lipidique. Virus à symétrie hélicoïdale : orthomyxovirus et paramyxovirus (virus de la grippe) La protéine virale de matrice se fixe à la partie interne du péplomère et sert de zone de reconnaissance pour la nucléocapside hélicoïdale = début du bourgeonnement. Le bourgeon grossit puis est libéré dans le milieu extracellulaire. Par ailleurs, la membrane plasmique est peu altérée. 19/20 Charonéo 2023-2024 Virologie - Structure et réplication des virus Dr. P. Hober Ex : VIH Assemblage et libération des virions enveloppés : Virus à symétrie icosaédrique : herpesviridae Assemblage dans le noyau de tous les constituants du virus, notamment la capside. Puis, bourgeonnement au niveau du feuillet interne de la membrane nucléaire : la capside entraîne un peu de membrane nucléaire interne pour fabriquer l’enveloppe virale, afin de procéder aux échanges lors de son cheminement. Fusion de cette enveloppe avec le feuillet externe de la membrane nucléaire, puis bourgeonnement dans les vésicules du RE et du Golgi, avant d’entamer son cheminement vers la membrane plasmique. 20/20