Sommaire

Sommaire
1. Définitions
2. Architecture
3. Taxonomie
4. Multiplication
Taille des virus
1
Une grande
hétérogénéité
morphologique
Méthodes morphologiques d’étude des virus
1- Ombrage métallique (1949)
On dépose sur la grille d'observation un film de carbone puis une goutte de la suspension virale à examiner.
On laisse sécher.
Dans une enceinte on place le spécimen près d'un fil métallique (or , platine). On fait le vide et on chauffe le
fil à l'incandescence : le métal qui s'évapore est projeté en pluie fine sous un certain angle. Les parties
saillantes accumulent le métal et dévient intensément les électrons : les régions correspondantes de l'écran
seront donc sombres. Les régions, que le relief des particules abrite de la vapeur métallique, apparaîtront très
claires.
La technique d'ombrage apporte des renseignements sur les formes et les dimensions des virus (si l'angle
d'ombrage est connu : la longueur de l'ombre permet de calculer l'épaisseur de la particule). Mais elle ne
donne aucune information sur leur structure interne.
2- Coloration négative (1959)
On ajoute à la suspension virale une solution d'un sel de métal lourd opaque aux électrons (le phosphotungstate de sodium ou l'acétate d'uranyle, qui se fixent aux acides nucléiques et à certaines protéines). On
laisse sécher.
La solution qui s'est déposée dans les anfractuosités du virus s'évapore. Le sel métallique forme une croûte
solide et homogène qui épouse très exactement les irrégularités de la surface des particules virales, ce qui
permet de distinguer de nombreux détails très fins.
Les zones non "colorées" sont traversées aisément par les électrons et apparaissent en clair sur fond sombre
(d'où le nom de coloration "négative").
2
Ombrage et coloration négative
Structure des virus
Spicules = projections de surface
= boutons = antirécepteur viral
Structure métastable
Acide nucléique (ADN ou ARN)
+ Enveloppe
(= peplos)
Forme parfois complexe : en
obus (rhabdoviridae) ou
bacille (poxviridae)
NC
+/- tégument
structure
finale des
virus
enveloppés
(= matrice, protéines MA cohésion)
Nucléocapside
(= structure finale des
virus nus)
Plusieurs nucléocapsides
pour certains génomes
fragmentés (ex :
orthomyxovirus)
Ches les reovirus, capside
supplémentaire pour
entourer l’ensemble des
petites capsides
Simple ou double brin (parfois les deux :
hepdnaviridae)
Fragmenté ou non
Linéaire ou circulaire
Parfois associé à des nucléoprotéines basiques
(NC) pour le stabiliser et former le core ou
nucléoïde
Spicules des
virus nus
+
Capside
(protéines CA)
« coque »
Hélicoïdale
Icosaédrique
Mixte ou complexe
Parfois en plusieurs couches
(ex : 3 chez rotavirus)
+/- autres molécules : nucléiques (ex : ARNt) ou
protéiques (ex : réplicases)
3
Structure
Bactéries
Plantes
Animaux
Hélicoïdale
Rare
(Lipothrixviridae)
+++
Icosédrique
Rare
(Cystoviridae)
Rare
(Bunyaviridae,
Rhabdoviridae)
-
Non enveloppée Hélicoïdale
Rare
(Rudiviridae)
Peu
(Microviridae,
Leviviridae,
Corticoviridae)
+++
Enveloppée
Icosédrique
Mixte
(tête/queue)
+++
Peu
(Asfarviridae,
Togaviridae,
Flaviviridae,
Arteriviridae)
-
++
++
-
-
Virus nus vs enveloppés
La nature lipidique de l'enveloppe rend les virus enveloppés très sensibles à l'action de la chaleur,
des détergents, des solvants organiques (comme l'éther).
La perte de l'enveloppe inactive le virus puisqu'il a perdu en même temps les déterminants qui
lui permettent de se fixer aux cellules sensibles.
- les virus nus sont assez résistants :
comme les virus poliomyélitiques (que
l'on peut isoler de l'eau des égouts).
Les virus responsables d'infections
intestinales sont des virus nus
(transmission oro-fécale).
- les virus enveloppés sont fragiles :
comme les virus de l’herpès ou du sida :
leur transmission nécessite des contacts
rapprochés : transmission sexuelle ou
sanguine.
Cette règle générale a des exceptions : les Poxvirus (virus de la variole) et les
Hepadnavirus sont des virus enveloppés mais résistants.
4
Structure hélicoïdale du virus de la
mosaïque du tabac
Exemples de virus nus
Structure icosaédrique d’un adenovirus
Structure mixte
du bactériophage
T4
Exemples de virus enveloppés
Structure d’un rétrovirus (HIV)
Enveloppe
Protéine de surface SU
ENV
Protéine transmembranaire TM (gène env)
Matrice
Protéine MA (gène gag)
Capside
Protéine CA (gène gag)
Nucléocapside :
Protéine NC (gène gag) + ARNg
ARNt (amorce)
Enzymes virales :
Protéase PR (gène gag ou pro ou
pol)
80-100 nm
Transcriptase inverse (RT
associée à une activité RNase H,
gène pol)
Intégrase (IN, gène pol)
5
Structure d’un Herpesvirus (CMV)
Morphologie de la capside
1- capside tubulaire à symétrie hélicoïdale, le TMV
La stratégie utilisée par tous
les virus consiste à employer
1 ou plusieurs protéines de
petite taille capables de
s’auto-assembler pour
former la capside.
L’agencement des sousunités est comparable à la
formation d’un cristal et
l’énergie provient des
interactions entre les sousunités. Les interactions étant
régulières (cf images de
coloration négative),
l’assemblage possède une
symétrie élevée.
6
capside tubulaire rigide : le VMT
Chaque sous-unité a une forme « en
sabot » avec une rigole dans
laquelle vient se loger l’acide
nucléique. Le génome (ARN sb)
possède une séquence particulière
(un signal d’emballage) qui sert
d’amorce à l’auto-assemblage de la
capside.
capside tubulaire flexible
Cas de tous les virus animaux à symétrie hélicoïdale.
7
Morphologie de la capside
2- capside icosaédrique à symétrie cubique
La plupart des virus dits « sphériques » ont en fait un contour hexagonal
lorsqu’ils sont observés à un grossissement suffisant. Grâce à un double
ombrage (deux ombrages divergents de 60°), on peut observer une forme
tronquée et une forme à angle aigu. Cela est caractéristique d’un icosaèdre.
L’icosaédre
Un assemblage de 20 triangles
équilatéraux qui possède 12
sommets, 20 faces et 30 arêtes.
3 axes de symétrie: 15 doubles passant
par les angles, 10 triples passant par
chaque faces et 6 quintuples passant
par chaque pentamère. On parle de
symétrie 5:3:2.
8
Architecture d’un virus icosaédrique.
Localisation des pentons et des hexons
Les unités protéiques (identiques ou
différentes) sont regroupées en unités
morphologiques appelées capsomères,
disposées régulièrement à la surface.
On distingue
-des capsomères à 5 unités (pentons) sur
chaque sommet
-Des capsomères à 6 unités (hexons) sur les
faces et les arêtes.
La capside est formée d’un multiple entier T de 60 SU protéiques
(12 sommets ordre 5, ou 20 faces ordre 3, ou 30 arêtes ordre 2)
T = nombre de triangulation (1, 4 …)
L’architecture d’un ballon de foot:
Des pentons et des hexons!
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Les virus icosaédriques se distinguent par le diamètre de
leur capside et le nombre de capsomères
Structure
Fonction
sous-unité protéique
sous-unité de structure
capsomère
unité morphologique formée par
l'assemblage de sous-unités de
structure, identiques ou différentes
capside
revêtement protéique du génome
formé par l'assemblage des
capsomères
Cas des réovirus (respiratory enteric orphan):
La double capside
Resistance exceptionnelle dans la nature.
Rq: la symétrie icosaédrique n’impose pas
d’interactions étroites entre l’acide nucléique et la
capside. Ce dernier « baigne » au centre sous une
forme relativement indépendante, parfois associé
à des protéines basiques. L’ensemble génome +
protéines associées constitue le core du virus.
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Virus à symétrie complexe
Poxvirus: Gros virus animaux; en
coupe (1) nucléoïde
Coque protéique
Corps latéraux
Surface recouverte de tubes au
hasard (2) ou d’un filament continu
(3).
Variole
virus Orf du mouton
Phages caudés ont une symétrie binaire
Capside icosaédrique
Queue hélicoïdale
Fonctions de la capside
1° - fonction de protection
Après avoir quitté la cellule, le virion se trouve dans un milieu hostile qui
endommagerait rapidement son génome : la capside protège l'acide nucléique des
altérations physiques, chimiques ou enzymatiques.
Les acides nucléiques sont fragiles, particulièrement lorsqu'ils sont
monocaténaires. L'agitation, les ultraviolets et les nucléases peuvent les casser :
toute fragmentation du génome conduit à l'inactivation du virion.
La double capside des Rotavirus (famille des Reoviridae), responsables majeurs
des diarrhées infantiles, leur permet d'être insensibles à l'action de l'eau de Javel
et de conserver leur pouvoir infectieux après 7 mois de séjour dans des selles
conservées à température ordinaire...
2° - fonction de fixation
La capside des virus nus porte les déterminants nécessaires à la fixation aux
récepteurs cellulaires (les ligands viraux).
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Formation de l’enveloppe (1)
À partir de la membrane plasmique
L’enveloppe est acquise à la fin du cycle de multiplication par bourgeonnement de
la nucléocapside à travers une des membranes de la cellules hôte.
Ce peut être la membrane plasmique (rougeole), enveloppe nucléaire (herpès),
reticulum endoplasmique (coronavirus) ou appareil de Golgi (Bunyavirus).
La cellule fournit la double couche lipidique; les protéines cellulaires sont
déplacées par insertion de spicules d’origine virale. Chez des virus de grande
taille, des protéine virales se déposent sur la face interne et forment la Matrice,
une couche intermédiaire entre l’enveloppe et la capside.
Virus de la rougeole
Formation de l’enveloppe (2)
À partir de l’enveloppe nucléaire
Cas du virus de l’herpès. Les nucléocapsides sont assemblées dans le noyau
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Les protéines de l’enveloppe nucléaire
(1) Les spicules glycoprotéiques
Les spicules (péplomères) sont des
glycoprotéines virales, associées en
oligomères constituées de 3 domaines:
- Domaine extracellulaire glycosylé
- Domaine TM (aa hydrophobes)
- Domaine intracellulaire (en contact
avec capside ou matrice)
Fonctions:
- Fixation des virus (reconnaissance par
HA des R cellulaires
- Fusion de enveloppe avec mb cellulaire
(protéine F de la rougeole)
- Activité enzymatique (neuraminididase
de NA qui élimine les Ac Sialiques des
mb. Il y a donc décollement des virus
produits par perte interactions HA/ Ac
sialiques)
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Les protéines de l’enveloppe nucléaire
(2) Les pores
Chez certains virus, une protéine hydrophobe s'insère dans la double couche lipidique,
créant des pores qui modifient la perméabilité de l'enveloppe.
fonction des pores
des échanges ioniques (H+) sont à l'origine de modifications internes nécessaires à la
maturation de la particule et au développement de l'infectivité.
Les protéines de l’enveloppe nucléaire
(3) La matrice
La face interne de l'enveloppe est tapissée par une matrice, couche plus ou
moins importante de protéine virale, la protéine M.
Fonctions de la matrice
la matrice renforce la double couche lipidique et stabilise la nucléocapside.
par ses relations avec les spicules et avec la nucléocapside, la matrice intervient
dans l'assemblage des futures particules virales.
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Résumé
structure
synonyme
nature
fonction
enveloppe
peplos
double couche
lipidique
support des spicules
spicules
peplomères
glycoprotéine
fixation du virus aux
récepteurs cellulaires
fusion de l'enveloppe avec la
membrane
activité enzymatique
pores
matrice
protéine M
protéine
échanges ioniques
protéine
assemblage du virion
renforcement de l'enveloppe
stabilisation de la
nucléocapside
La double couche lipidique est responsable de la fragilité des virus enveloppés. La nature lipidique de
l'enveloppe en fait une protection nettement moins efficace que la capside des virus nus, vis-à-vis des
milieux hostiles (les détergents, l'éther, le pH acide de l'estomac, les sels biliaires de l'intestin).
Le tube digestif étant un milieu hostile, la transmission de ces virus nécessite en général des contacts
étroits : transmission sexuelle, transmission sanguine (piqûres d'insectes, toxicomanes), morsures.
Le génome viral code pour :
Protéines structurales = présentes dans le virion
- Protéines de capside : rôle dans la protection et la compaction du génome
ainsi que l’attachement à la cellule cible des virus nus.
- Protéines d’enveloppe : rôle dans l’attachement des virus enveloppés à la
cellule cible et la délivrance de la nucléocapside après fusion aux
membranes cellulaires
- Autres (matrice, réplicases, hélicases, protéases, intégrases, nucléases…)
En général, les génomes viraux codent pour des enzymes spécifiques des
virus dont certaines sont contenues dans le virion. Les plus importantes
d’entre elles sont les polymérases : notamment, ARN polymérase-ARN
dépendantes (RdRp) et ADN polymérase-ARN dépendantes (RdDp = RT)
car la cellule ne possède pas ou peu (cf. ARN interférence) de ces activités.
Ces enzymes doivent donc être présentes dans le virion des virus à ARN
négatif ou des rétrovirus pour que celui-ci soit infectieux.
Protéines non structurales (NS) = absentes du virion i.e. exprimées
uniquement au sein de la cellule infectée
- Enzymes
- Protéines de régulation de l’expression des génomes viraux
- Protéines d’interaction avec la machinerie de l’hôte (utilisation,
détournement, inactivation…)
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Nature des génomes viraux
Caractéristiques
Remarques
Haploïde
ADN ou ARN
Sauf rétrovirus
Cas particulier de certains virus rétroïdes (e.g. HBV) qui peuvent parfois
contenir un peu des deux (intermédiaire de réplication). Les virus animaux à
ADN regroupent la majorité des virus oncogènes. Les virus animaux à ARN
sont responsables de nombreuses pathologies.
Les virus à ARN (sauf HDV et viroïdes) sont uniquement linéaires - les ADN
Circulaire ou
polymérases mais pas les ARN polymérases ont besoin d’amorces. Les virus à
linéaire
ADN ont donc développé des stratégies de réplication de l’extrémité du
génome dont la circularisation fait partie. Cas particuliers : certains génomes
viraux linéaires (Herpesviridae, bactériophage λ) se circularisent après entrée
dans la cellule hôte ; le génome des poxviridae est une molécule linéaire
d’ADNdb dont les extrémités répétées de 10 Kb sont jointes.
Les
virus à ARN sont le plus souvent (9/10) simple brin (ARNdb = signal pour
Simple ou double
la mise en place de défenses antivirales) alors que les virus à ADN sont le plus
brin
souvent (9/10) double brin (plus facile à exprimer).
Brin
positif
ou Brin positif = correspondant à la séquence codante. Les virus à ARN+ sont
directement traduits (au moins en partie) par la cellule (exception des
négatif
rétrovirus) et sont de ce point de vue plus contraints de correspondre aux
critères cellulaires que les virus à ARN-. Néanmoins les virus à ARN- sont
confrontés à la difficulté de ne pas autoparasiter leur traduction et de ne pas
déclencher d’état antiviral par genèse d’ARNdb (ces génomes restent le plus
souvent partiellement encapsidés). Enfin, les virions à ARN- doivent contenir
une RdRp pour être infectieux.
Fragmenté Fragmenté Les virus à ADN (Polydnaviridae exceptés) ne sont jamais fragmentés au sein
au
sein d’une même particule, alors que les virus à ARN le sont fréquemment. Cela
ou non
d’une même pourrait être dû au fait qu’il semble plus facile pour les DdRp que les RdRp
d’initier la transcription à l’intérieur du génome. La fragmentation est une
particule
source de variabilité des génomes par réassortiment (ex : Orthomyxovirus)
virale
Cas des virus multipartites (essentiellement chez les plantes). Permettrait
Fragmenté
en plusieurs d’accroître la capacité codante sans augmenter la taille de la particule. Chez
les plantes, cette stratégie est possible de par le mode de transmission
particules
(essentiellement par injection mécanique au sein du cytoplasme de plusieurs
virales
particules).
Les génomes viraux (1)
16
Les génomes viraux (2)
Taille des génomes viraux
Le génome des virus à ADN varie de
3 à 280 kb; le génome des virus à
ARN ne s'écarte pas d'une taille
moyenne de 15 kb.
virus à ADN
virus à ARN
Taille (kb)
Rq: certains virus augmentent leur
capacités de stockage d’information
en ayant des gènes chevauchants (a)
et/ou un génome compacté (b)
Famille
Taille (kb)
Famille
Poxviridae
280
Picornaviridae
Herpesviridae
200
Caliciviridae
7
8
Adenoviridae
38
Togaviridae
12
Flaviviridae
11
Coronaviridae
30
Rhabdoviridae
13
Filoviridae
13
Paramyxoviridae
16
Orthomyxoviridae
14
Bunyaviridae
14
Arenaviridae
14
Reoviridae
23
Retroviridae
11
a
b
Papovaviridae
5à8
Parvoviridae
5
Hepadnaviridae
3
17
Taille des génomes viraux
Relation avec taux de mutations
les virus à ADN ont, en général, un grand génome. Ils vont utiliser l'ADN polymérase de la
cellule; or l'ADN polymérase dispose d'une fonction de relecture : si le nucléotide qui vient
d'être incorporé est incorrect, il est immédiatement éliminé par l'enzyme. La cellule est en
outre dotée de nombreux systèmes de réparation de l'ADN dont les virus profitent : les
erreurs qui surviennent au cours de leur réplication peuvent être corrigées.
Dans le cas des virus à ADN :
les taux de mutation sont donc extrêmement faibles : de 1/108 à 1/109, soit 1 nucléotide
erroné pour 10 millions à 1 milliard de nucléotides recopiés.
Taille des génomes viraux
Relation avec taux de mutations
les virus à ARN ont un génome modeste.
1- parce qu’un ARN monocaténaire est fragile. La taille d'un génome ARN ne doit pas
dépasser une certaine limite au-delà de laquelle les risques de cassure sont importants.
Une cassure entraîne l'inactivation du virion. Certains virus à ARN ont contourné la
difficulté en segmentant leur génome. Ils doivent toutefois résoudre un problème nouveau
: le réassortiment exact, car chaque virion doit posséder un exemplaire de chacun des
segments, sous peine d'être inactivé.
2- les virus à ARN ne peuvent pas utiliser l'ARN polymérase cellulaire car les ARN
polymérases cellulaires sont exclusivement ADN dépendantes : elles ne peuvent transcrire
que de l’ADN. Le virus doit donc être capable de fabriquer une transcriptase ARN
dépendante.
les ARN polymérases virales n'ont pas de fonction de relecture.
la cellule ne possède pas de système de réparation de l'ARN.
Dans le cas des virus à ARN :
les taux de mutation sont très élevés : en moyenne de 1/103 à 1/104 soit 1 nucléotide erroné
pour 1000 à 10.000 nucléotides recopiés.
A ces taux, un génome de 100 kb (105 bases) comporterait 10 à 100 mutations, et
vraisemblablement la plupart de ces mutations seraient létales : les virions obtenus ne
seraient pas viables.
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Variabilité des virus à ARN
Le génome des virus à ARN est donc condamné à rester modeste !
Un taux de mutation élevé représente toutefois un avantage pour les virus à ARN :
l'apparition fréquente de mutants qui échappent au système immunitaire de l'hôte.
Deux familles de virus sont précisément pour cette raison un sujet de préoccupation pour
l'homme :
- les virus de la grippe
- les virus du sida.
Le génome des virus HIV a une taille de 10 kb. On peut donc s’attendre à 1 à 10
mutations par génome recopié. Une population virale est par conséquent un mélange de
variants moléculaires qui constitue une « quasi-espèce ». La majorité de ces variants ont
perdu leur pouvoir infectieux et disparaissent. D’autres ont acquis l’avantage de résister
au système immunitaire ou à l’action de thérapies antivirales. Ce qui explique la
difficulté de préparer un vaccin.
Rq: Une mutation peut être avantageuse, désavantageuse ou neutre (en fonction du
contexte). L’infidélité de l’ARN polymérase est responsable d’une vitesse d’évolution
considérable. C’est probablement la raison pour laquelle 70% des virus identifiés à ce jour
sont des virus à ARN.
Originalités des virus à ARN (1)
L’ARN viral peut être (+) ou (-). Il est possible de l’introduire dans une
cellule par transfection.
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Originalités des virus à ARN
Originalités des virus à ARN (2)
Les virus à ARN (-) segmenté
20
Originalités des virus à ARN (3)
Les virus à ARN ambisens.
Certains virus ont un génome ARN monocaténaire segmenté, mais
certains segments sont ambisens: une partie ARN (-) est soudée à une
partie ARN (+).
Cas des Arenavirus (2 segments ambisens)
Cas des Phlebovirus (genre appartenant aux Bunyavirus) avec 3
segments, dont 2 sont formés d’ARN (-) et 1 segment ambisens.
Comme pour les virus à ARN (-), une transcriptase est associée à la
nucléocapside.
Originalités des virus à ARN (4)
Les virus à ARN bicaténaire segmenté.
Les Reovirus possèdent un génome constitué de 10 ou 11 molécules d’ARN
bicaténaire.
Une transcriptase est associée à la nucléocapside pour transcrire le brin (-) de
chaque segment en ARN messager.
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Originalités des virus à ARN (5)
Les virus dont l’ARN (+) est « reverse » transcrit en ADN.
Les rétrovirus (HIV) ont un génome constitué de 2 molécules d’ARN sb (+) (ils
sont diploïdes) identiques. Ces virus possèdent deux enzymes virales: une
rétrotranscriptase et une intégrase.
La reverse (ou rétro) transcriptase
transcrit l’ARN viral en
ADN complémentaire (ADNc)
qui va être dupliqué par la
polymérase. Puis, l’intégrase
insère l’ADN viral dans le
génome de la cellule hôte.
Cet ADN viral est appelé provirus.
Il sera transcrit par les enzymes de
la cellule hôte en ARN messsagers
(synthèse de protéine virales) et en
ARN génomiques (assemblages de nouveaux virions).
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