GENERALITES SUR LES VIRUS

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1 GENERALITES SUR LES 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 XX e 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.

2 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 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 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.

3 Figure 2 Figure 3 : photographie et schémas d un Rhabdovirus 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.

4 Figure 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

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 nucléotides) Virus à ADN Figure 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.

6 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 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.

7 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

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9 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» 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 Etapes de la multiplication 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

10 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 Réplication du génome viral Cette phase dépend de la nature de l acide nucléique viral (Cf. paragraphe 3.3.).

11 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 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 Schéma récapitulatif

12 Figure 12 : étapes de la multiplication chez les Picornaviridae 3.3. Modalités de la réplication 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 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.

13 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 Rétrovirus (VIH) Figure 15

14 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.

15 Figure 16 : cycle du HIV 3.4. Conséquences de la multiplication virale dans la cellule hôte 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 ) 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 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).

16 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.

17 Schéma récapitulatif Figure 17 : interactions virus cellule hôte

18 Les viroïdes et les prions 1. Les viroïdes 2. Les prions

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