GENERALITES SUR LES V ENERALITES SUR LES VIRUS

GENERALITES SUR LES VIRUS
VIRUS
Les maladies d’origine virale ont engendré de grandes épidémies aux cours de l’histoire humaine (rage,
variole, grippes…). Pourtant, les agents infectieux responsables des ces épidémies sont longtemps restés
inconnus des scientifiques.
En 1892, Ivanowski montre que des extraits de feuilles de tabac présentant une maladie appelée
« mosaïque du tabac » induisent la même maladie chez des plants de tabac sains. Ces extraits ayant été
filtrés pour éliminer les bactéries, l’agent infectieux responsable de la maladie fût appelé « virus
filtrant ».
La nature et les propriétés des virus ne furent établies qu’au milieu du XXe siècle lorsque Enders montre
que les virus peuvent être cultivés sur des cellules. La production et la purification de grandes quantités
de particules virales permet dès lors l’étude des caractères communs à ce groupe d’agents infectieux.
En 1953, Lwoff propose une définition d’une particule virale complète ou virion :
1. un virion ne possède qu’un seul type d’acide nucléique, soit de l’ADN, soit de l’ARN ;
2. il virion se reproduit à partir de son seul acide nucléique ;
3. il est incapable de croître et de subir des divisions binaires ;
4. il ne possède aucune information génétique concernant les enzymes du métabolisme intermédiaire
producteur d’énergie ;
5. sa multiplication nécessite l’utilisation des structures de la cellule hôte, notamment de ses
ribosomes.
Le virion est donc l’unité structurale des virus, composée d’une molécule d’acide nucléique, d’une
capside, et, dans certains cas, d’une enveloppe. En microscopie électronique, les virions apparaissent
sous forme de figure géométrique simple.
Les virus sont différents des cellules vivantes :
-
ils ont une organisation simple et acellulaire ;
-
il n’y a jamais présence d’ADN et d’ARN ensemble dans le même virion ;
-
ils sont incapables de se multiplier indépendamment en dehors d’une cellule hôte : ce sont des
parasites intracellulaires stricts.
1. Structure des virus
1.1.
L’enveloppe
Il s’agit d’une structure facultative, puisque l’on distingue les virus enveloppés et les virus non
enveloppés (« nus »). Cependant, de nombreux virus animaux présentent cet élément structural.
L’enveloppe, ou peplos, provient principalement d’une des membranes de la cellule hôte (membrane
plasmique ou membranes de l’enveloppe nucléaire). Elle est donc principalement constituée de
phospholipides. Mais des protéines (ou des glycoprotéines) codées par le génome viral sont
généralement insérées dans l’enveloppe, formant des à l’extérieur du virion des spicules. Ces molécules
ont des propriétés antigéniques et sont également impliquées dans la reconnaissance des cellules
sensibles.
Figure 1 : Schéma d’un virus Influenza.
1.2.
La capside
La capside est une structure protéique qui entoure et protège l’acide nucléique viral. Elle est composée
de sous-unités (identiques ou non) appelées protomères. Le nombre de protomères est constant chez un
virus, et leur assemblage conduit à l’édification de structures cylindriques, polyédriques ou complexes.
1.2.1. Capsides hélicoïdales
Les unités protéiques sont assemblées en hélice autour de l’acide nucléique, formant ainsi une
nucléocapside. La capside du virus de la mosaïque du tabac (TMV) est un assemblage de sous-unités
protéiques identiques (158 acides aminés par sous-unité). L’arrangement en spirale des protomères se fait
par auto-assemblage.
Figure 2
Figure 3 : photographie et schémas d’un Rhabdovirus.
1.2.2. Capsides polyédriques
Dans les capsides polyédriques, les protomères forment des anneaux appelés capsomères. L’assemblage
des capsomères conduit à la formation d’une structure régulière, dont la symétrie est dite cubique. De
nombreux virus présentent une capside icosaèdrique, constituée de 20 faces triangulaires et de 12
sommets. Un assez grand nombre de virus à symétrie cubique possèdent des protéines internes associées à
leur génome et constituant un nucléoïde.
Figure 4
1.2.3. Capsides complexes
Tous les virus ne présentent pas une symétrie définie. Les Poxvirus sont de grands virus animaux d’aspect
ovoïdes tandis que les bactériophages T pairs sont des virus bactériens pourvus d’une structure très
élaborée.
Figure 5
1.3.
L’acide nucléique
Le matériel génétique d’un virus peut être :
-
de l’ADN ou de l’ARN ;
-
simple brin et/ou double brin ;
-
linéaire ou circulaire ;
-
segmenté ou non segmenté ;
-
de taille variable selon les virus (1 000 à 250 000 nucléotides).
1.3.1. Virus à ADN
Figure 6
1.3.2. Virus à ARN
Il existe trois grands types de virus à ARN : les virus à ARN positif, les rétrovirus et les virus à ARN
négatif.
Un ARN positif présente une séquence nucléotidique identique à celle de l’ARN messager viral. Si
cet ARN possède, comme les ARN messagers eucaryotes, une coiffe en 5’ et une queue polyA en 3’,
celui-ci peut être directement traduit en protéines au niveau des ribosomes cellulaires.
Les rétrovirus sont pourvus d’un ARN+, mais celui-ci n’est pas directement traduit : il copié en ADN
qui de plus, s’intègre au génome cellulaire.
Un ARN négatif présente une séquence nucléotidique complémentaire de celle de l’ARN messager
viral. Dans ce cas, le passage par un ARNm grâce à une transcriptase est indispensable pour que le virus
s’exprime.
Figure 7
1.4.
Enzymes virales
Des enzymes, souvent impliquées dans la réplication du génome viral, sont parfois associées à la
capside.
Chez les virus Influenza (virus à ARN négatif), une transcriptase (ARN polymérase ARN dépendante)
synthétise un ARN positif complémentaire de l’ARN génomique.
Chez les rétrovirus, la transcriptase inverse copie l’ARN génomique en ADN complémentaire double
brin. Elle a donc une fonction d’ADN polymérase à la fois ARN et ADN dépendante.
2. Classification des principaux virus humains
Les virus sont séparés en fonction du type d’hôte (animal, végétal, champignon ou bactérie). Les critères
retenus par Lwoff, Horne et Tournier sont les suivants :
I.
nature de l’acide nucléique (ADN ou ARN) ;
II.
nombre de brins (un ou deux) ;
III.
orientation du brin pour les virus à génome simple brin (+ ou -) ;
IV.
présence ou non d’une enveloppe ;
V.
forme de la capside ;
VI.
taille du virion ;
VII.
site d’assemblage ;
VIII.
nombre de capsomères.
Comme pour les bactéries, la nomenclature se réfère à la classification de Linné, et plus particulièrement
sur les notions de famille (suffixe « viridae »), de genre (suffixe « virus ») et d’espèce (nom de genre
suivi d’un deuxième terme). Les abréviations à trois lettres sont également massivement utilisées.
Exemple : Herpesviridae / Herpesvirus / Herpesvirus simplex / HSV.
Figure 8
3. Interactions Virus – Cellule hôte
Les virus ne peuvent se multiplier qu’au sein de cellules vivantes. La production de nouveaux virions par
la cellule hôte est sous le contrôle du génome viral. Cependant l’entrée d’un virus dans une cellule n’est
pas systématiquement suivie d’une phase de multiplication : celui-ci peut persister dans le cytoplasme ou
dans le noyau de façon « silencieuse ».
3.1.
Sensibilité et permissivité de la cellule hôte
Une cellule sensible possède le récepteur nécessaire à l’entrée d’un virus donné tandis qu’une cellule
résistante ne le possède pas et ne pourra donc pas être infectée par ce virus.
Une cellule permissive a toutes les propriétés requises pour que le cycle de multiplication du virus soit
complet : l’infection est alors qualifiée de productive. Une cellule sensible mais non permissive ne
permet pas l’expression de tous les gènes viraux que le cycle de multiplication du virus soit complet :
dans ce cas l’infection est dite abortive.
3.2.
Etapes de la multiplication
3.2.1. Phase d’adsorption
Les protéines (ou glycoprotéines) de surface des virions (enveloppe ou capside selon les virus) doivent
être reconnues par des récepteurs membranaires de la cellule hôte. La capacité d’un virus à infecter une
cellule est déterminée par cette liaison virus / cellule hôte. Les récepteurs impliqués dans cette adsorption
fixent habituellement des hormones ou des neuromédiateurs.
Figure 9
3.2.2. Pénétration et décapsidation
Cette phase dépend de la structure du virus. Chez les virus non enveloppés, seul l’acide nucléique pénètre
généralement dans la cellule, éventuellement accompagné d’une transcriptase. Chez les virus enveloppés,
l’entrée du virus peut se faire par un mécanisme proche soit de l’endocytose, soit de la phagocytose
(figure 10).
Figure 10
3.2.3. Réplication du génome viral
Cette phase dépend de la nature de l’acide nucléique viral (Cf. paragraphe 3.3.).
3.2.4. Synthèse et assemblage des protéines virales
Les protéines virales (sous-unités de la capside et enzymes notamment) sont synthétisées au niveau des
ribosomes cellulaires et éventuellement glycosylées par la suite. La capside se forme dans le cytoplasme
ou dans le noyau par auto-assemblage spontané.
3.2.5. Libération des virions
Les particules virales non enveloppées sont généralement libérées par lyse de la cellule hôte.
Les virions enveloppés sont libérés par un mécanisme de bourgeonnement, après incorporation des
glycoprotéines virales dans la membrane impliquée (plasmique ou nucléaire). Le cycle viral est bouclé
par l’infection d’une nouvelle cellule.
Figure 11
3.2.6. Schéma récapitulatif
Figure 12 : étapes de la multiplication chez les Picornaviridae
3.3.
Modalités de la réplication
3.3.1. Virus à ADN : l’Adenovirus
Les virus se fixent à la surface de la cellule hôte grâce à leur hémagglutinine et pénètrent dans le
cytoplasme en traversant la membrane. Il se fixe sur le cytosquelette et se rend vers le noyau. La capside
se désintègre libérant l'ADN qui pénètre dans le noyau.
Une première transcription d'une partie du génome produit des ARN messagers qui sont traduits par les
ribosomes en protéines précoces qui sont utiles à la synthèse de l'ADN viral.
La réplication de l'ADN du virus peut alors commencer grâce à l'action d'une ADN polymérase cellulaire
et des protéines précoces "E" pour "early". La réplication est semi-conservatrice, c'est à dire que chaque
ADN nouveau est constitué d'un brin parental associé à un brin nouvellement synthétisé.
Les ADN viraux ainsi produits servent de matrice pour la transcription d'ARN messagers qui sont traduits
par les ribosomes en protéines de structure qui repassent dans le noyau où a lieu l'assemblage pour former
de nouvelles particules virales. Les virus sont libérés par lyse de la cellule.
3.3.2. Virus à ARN + : le Poliovirus (Picornaviridae)
Figure 13
Le cycle de multiplication se déroule totalement dans le cytoplasme. Les virus se fixent sur des récepteurs
cellulaires puis sont adsorbés à l'intérieur de la cellule et décapsidés. L'ARN viral se comporte alors
comme un ARN messager et se trouve traduit en une protéine précurseur géante. Cette protéine géante est
clivée par les protéases cellulaires d'abord puis par la protéase virale en protéine de la capside et en ARN
polymérase virale (ou réplicase). Cette réplicase synthétise des brins négatifs d'ARN complémentaire de
l'ARN viral qui servent de matrice pour la synthèse de brins positifs. Certains de ces néo-ARN serviront
d'ARN messager, les autres
constitueront le génome des nouveaux virus. Les protéines virales
s'assemblent en procapside où s'insèrent les ARN viraux pour donner les nouvelles particules virales qui
sont libérées par lyse cellulaire.
3.3.3. Virus à ARN – : les Influenzavirus (Orthomyxoviridae)
Figure 14
Le virus pénètre dans la cellule en empruntant un mécanisme cellulaire physiologique, l'endocytose. Le
virus se comporte comme un ligand qui se fixe à son récepteur spécifique. Les segments de la
nucléocapside se dissocient de la matrice et migrent vers le noyau (avec leur complexe de transcription P)
où ils pénètrent par un pore de la membrane nucléaire. L'ARN viral à polarité négative, ARN (-), doit être
transcrit en ARN (+) pour être lu par les ribosomes. La cellule ne possédant pas d'enzyme capable de
réaliser cette action, il faut que le virus apporte sa propre transcriptase. Toute cette phase se passe dans le
noyau. Ensuite, les ARN messagers viraux rejoignent le cytoplasme et sont traduits en protéines de
structure par les ribosomes de la cellule. La réplication du génome se déroule également dans le noyau et
débute par la transcription de chacun des 8 segments. Dans le cytoplasme, la membrane cellulaire est
remaniée par l'insertion des glycoprotéines virales H et N et par l'apposition, sur la face interne, des
protéines M qui vont constituer la matrice. Dans le noyau, la protéine NP gagne le noyau où elle s'associe
aux ARN (-) formés pour constituer les divers segments de la nucléocapside. Ces segments, assemblés
dans le noyau, migrent ensuite vers les régions remaniées de la membrane cytoplasmique.
3.3.4. Rétrovirus (VIH)
Figure 15
Une glycoprotéine d’enveloppe (la gp120) se fixe au récepteur viral qui est la molécule CD4,
caractérisant les lymphocytes T-auxiliaires (lymphocytes Th ou CD4+), également présente sur les
macrophages.
La pénétration se fait par fusion entre l'enveloppe virale et la membrane cellulaire. La décapsidation a lieu
dans le cytoplasme, la capside se désagrège et libère le génome.
La réplication, dans le cytoplasme de la cellule hôte, fait intervenir la rétrotranscriptase virale qui copie
l'ARN en ADN simple brin, puis après hydrolyse du brin d'ARN (+) par la ribonucléase H, copie l'ADN
simple brin pour former un ADN bicaténaire appelé ADN proviral.
Cet ADN proviral est transporté dans le noyau, avec l'intégrase virale. Dans le noyau, l'intégrase coupe
les deux brins de l'ADN cellulaire pour introduire l'ADN viral. L'intégration semble pouvoir se faire dans
de multiples sites de l'ADN cellulaire.
Le provirus dépend de l'ARN polymérase cellulaire pour sa transcription en ARN-messagers et en ARN
génomiques. L'unique transcrit primaire d'ARN qui se forme peut servir d'ARNm, (après avoir subi divers
montages par excision-épissage) pour les protéines virales, et d'ARN génomique. Le transcrit primaire
non épissé permet la synthèse des protéines de capside ainsi que les enzymes nécessaires à la réplication
du virus, qui seront intégrées dans les virions. Le transcrit primaire ayant subi un épissage permet la
synthèse des glycoprotéines de l'enveloppe.
Sous la membrane de la cellule, remaniée par l'insertion des glycoprotéines virales, toutes les protéines de
structure s'accumulent. Les deux molécules d'ARN s'en recouvrent et les nouveaux virions bourgeonnent.
Figure 16 : cycle du HIV
3.4.
Conséquences de la multiplication virale dans la cellule hôte
3.4.1. Cycle lytique
La multiplication du virus conduit à la mort de la cellule hôte : l’infection est cytocide. La lyse cellulaire
est due à des mécanismes variables selon les virus (inhibition des biosynthèses cellulaires, altération des
membranes, formation d’inclusions altérant la structure cellulaire…).
3.4.2. Chronicité
Dans les infections chroniques, les cellules infectées par un virus produisent des particules virales sans
subir de dommages. Le patient ne présente généralement pas de symptômes significatifs, mais des
anticorps dirigés contre le virus peuvent être détectés dans son sang. Le virus de l’hépatite B (HBV) est
fréquemment responsable de ce type d’infection.
3.4.3. Latence
Après la primo-infection (aiguë ou asymptomatique), le virus persiste dans une cellule sans se multiplier.
Cette persistance peut se faire soit sous forme intégrée au génome (provirus), soit sous forme d’ADN
circulaire libre. Au cours de cette période, le patient ne présente pas de symptômes et ne produit pas
d’anticorps dirigés contre le virus. Une phase de réactivation (induction) peut apparaître périodiquement
(cas typique des Herpesvirus simplex).
3.4.4. Transformation
L’intégration de l’ADN viral dans le génome cellulaire peut assurer l’expression de certains gènes viraux
et entraîner une transformation tumorale. Les protéines virales synthétisées par la cellule hôte modifient
le cycle cellulaire de cette dernière en accélérant le rythme des divisions. Les gènes codant ces protéines
sont appelés des oncogènes. Le cellules ainsi transformées se multiplient de manière anarchique et forme
une tumeur. Le Virus d’Epstein-Barr (EBV) est responsable du carcinome du nasopharynx et du
lymphome de Burkitt, tandis que le virus de l’hépatite B (HBV) peut engendré un cancer du foie.
3.4.5. Schéma récapitulatif
Figure 17 : interactions virus – cellule hôte
Les viroïdes et les prions
1. Les viroïdes
2. Les prions