Chapitre 1 - Structure des virus, cycle viral, physiopathologie des infections virales

1.2 - Multiplication des virus

1.2.1 Conditions nécessaires à la multiplication d’un virus

Leur simplicité extrême empêche les virus de se multiplier, du moins par eux-mêmes.

Se multiplier pour un être vivant est reproduire un édifice fait d’un enchevêtrement de macromolécules qui est à la fois très complexe et très précis, très organisé. Pour réussir un tel édifice, il faut quatre sortes d’éléments.

1. Un plan de travail : c’est l’information génétique. Le virus a cette information dans son génome : c’est la séquence des bases de son génome, ADN ou ARN.
2. La matière première : en biologie, de petites molécules, acides aminés, acides gras, molécules organiques simples, sels minéraux. Le virus qui doit se multiplier n’a pas de réserves de petites molécules. Pas de vacuoles, pas de système digestif, même primitif, qui lui permettrait de puiser ces composants dans le milieu extérieur.
3. Autre élément manquant au virus : des sources d’énergie. Toute édification consomme de l’énergie. En biologie, c’est très souvent l’énergie libérée par hydrolyse de composés tels que l’ATP. Le virus n’a pas de réserve d’ATP ni les moyens d’en constituer ; il n’a aucune source d’énergie propre.
4. Enfin, un élément manque encore au virus : l’assemblage des petites molécules en macromolécules exige des accélérateurs biologiques, des enzymes. Sans enzymes, les assemblages ne se feraient pas ou si lentement que les édifices biologiques, éminemment périssables, tomberaient en ruine durant leur construction. Les virus n’ont pas les chaînes enzymatiques des grandes voies des synthèses biologiques.

Donc, un virus est incapable de synthétiser un autre virus, alors qu’une bactérie est capable de faire une autre bactérie. Pour se multiplier un virus n’a que son génome. Il lui faut mettre son génome dans un endroit où combler ses manques et trouver des sources de matière première, des sources d’énergie, des enzymes. Dans la nature, un tel rassemblement n’existe actuellement qu’à l’intérieur d’une cellule (il a pu en aller différemment au tout début de l’apparition de la vie sur terre).

Donc, la multiplication d’un virus consiste en l’introduction du génome viral dans une cellule et c’est elle qui va fabriquer de nouveaux virus, selon un procédé de biosynthèse que l’on appelle réplication.

1.2.2 La multiplication d’un virus comporte six étapes

1.2.2.1 Attachement

Elle commence par l’entrée en contact du virus et de la cellule. C’est l’ATTACHEMENT de la surface virale sur la surface cellulaire. Il se fait donc par des protéines de la capside pour les virus nus, par des glycoprotéines du péplos pour les virus à péplos. Ces protéines ou glycoprotéines s’attachent à des récepteurs situés sur la membrane cytoplasmique de la cellule hôte.

Ce besoin de récepteurs cellulaires de la membrane cytoplasmique pour les virus explique qu’un virus donné ne peut infecter qu’un nombre restreint d’espèces animales (tropisme d’hôte) avec des tropismes tissulaires et cellulaires précis.

Ainsi, les poliovirus n’infectent que l’homme et, expérimentalement, les singes supérieurs, mais pas les oiseaux, ni les poulets : c’est parce que les poliovirus ne trouvent de récepteurs pour leur attachement que sur les cellules de primates et non sur les cellules de poulet. Mais si, artificiellement, on extrait le génome d’un poliovirus de sa capside et si artificiellement on le « transfecte » à l’intérieur d’une cellule de poulet, cette cellule de poulet va produire des poliovirus.

Le virus de la fièvre jaune qui se multiplie chez l’homme, chez le singe et chez l’anophèle trouve des récepteurs à la surface des cellules de ces trois espèces d’êtres vivants. On ne connaît pas les récepteurs de tous les virus.

Les virus de l’immunodéficience humaine (HIV) infectent principalement les lymphocytes T CD4+ car leur enveloppe peut s’attacher sur la molécule CD4, récepteur spécifique de ces virus. La structure d’attachement de l’HIV est la glycoprotéine de surface de l’enveloppe, la gp120 (glycoprotéine de 120 000 daltons, 120 kDa de poids moléculaire, d’où son nom).

1.2.2.2 Pénétration

Le virus pénètre à l’intérieur de la cellule, le plus souvent par endocytose pour les virus nus et, pour les virus enveloppés, par fusion de l’enveloppe virale et de la membrane cytoplasmique en une membrane unique, fusion suivie de lyse, par formation d’un pore (trou) qui s’élargit et laisse passer la capside dans le cytoplasme. Cette fusion-lyse résulte de l’action d’une glycoprotéine de l’enveloppe virale : pour l’HIV, c’est la gp41. Certains virus enveloppés pénètrent par endocytose, puis fusion de leur enveloppe avec la membrane de la vésicule d’endocytose.

1.2.2.3 Décapsidation

Les structures virales sont ensuite dégradées, à l’exception du génome qui, débarrassé de la capside, se trouve libéré. Il est nécessaire que la capside soit détruite pour que le génome, décortiqué, puisse fonctionner, livrer son information génétique à la machinerie cellulaire.

Ainsi, paradoxalement, la multiplication virale commence par une destruction du virus, destruction ménagée qui respecte le génome. Après ces étapes d’initiation de l’infection, prend place la phase de réplication et d’expression du génome viral.

1.2.2.4 Réplication

Le génome viral libéré prend la direction des synthèses, dans la cellule.

Il se substitue en totalité ou en partie au génome cellulaire qui jusqu’alors organisait les synthèses cellulaires. Le génome cellulaire faisait en sorte que la cellule produise des sécrétions, exocrines ou endocrines, et éventuellement des éléments pour faire une deuxième cellule. Désormais, la cellule va produire des virus.

Plus précisément, elle va faire des copies, (répliques) du génome viral, des répliques de protéines virales, protéines de capside et glycoprotéines de péplos pour les virus à péplos.

Il y a donc un changement radical dans la direction des synthèses. Le mécanisme de cette réplication virale varie selon que le génome est à ARN ou à ADN. Mais dans tous les cas, c’est par des ARN messagers viraux que les génomes viraux transmettent leur information, donnent leurs ordres à la machinerie cellulaire.

Dès que des ARN messagers viraux apparaissent dans la cellule, celle-ci est « piégée » : elle lit sur les ribosomes ces messagers viraux comme si c’était des messagers cellulaires et elle les traduit en protéines virales. Les virus ont été comparés à des agents subversifs.

1. Suivant les virus, l’élaboration des messagers viraux ou transcription est une opération plus ou moins complexe. Pour les poliovirus, tout est simple : le génome est un ARN qui sert tel quel de messager ; de ce fait il est dit « positif » et donc il est immédiatement traduit par les ribosomes cellulaires en protéines de capside (et enzymes viro-induites). Pour les poliovirus, il n’y a pas de transcription. Pour les virus à ADN, il faut nécessairement une transcription. Pour les rétrovirus - virus des sarcomes et leucémies animales, HTLV et HIV - il y a également une transcription, transcription du génome à ARN en une copie de ADN qui sera intégrée dans l’ADN cellulaire, cela par une transcriptase virale dite inverse (elle catalyse l’opération inverse de la transcription cellulaire normale de ADN en ARN). Le terme anglais est reverse transcriptase (RT).
2. Les enzymes viro-induites. La synthèse des composants viraux par la cellule exige généralement un réajustement de la machinerie cellulaire. Ainsi, la cellule normale est incapable de répliquer l’ARN des poliovirus. Cette opération consiste à polymériser de l’ARN sur une matrice d’ARN, sur le génome du poliovirus infectant. Cela nécessite une enzyme appelée réplicase, qui est une ARN polymérase ARN-dépendante (c’est-à-dire travaillant sur une matrice d’ARN). Or, dans la cellule normale, une telle opération et une telle enzyme n’ont pas de raison d’être et n’existent pas :
   les ARN cellulaires, qu’il s’agisse des ARN messagers, ribosomiques ou de transfert, sont synthétisés par des ARN polymérases ADN-dépendantes, travaillant sur une matrice d’ADN, le génome cellulaire. Donc, pour se multiplier dans une cellule, un poliovirus et d’une façon générale tous les virus à ARN, doivent faire fabriquer à la cellule infectée une ARN réplicase, enzyme nouvelle, viro-induite, absente de la cellule normale, inutile au fonctionnement normal de la cellule, mais nécessaire à la multiplication virale.
   La transcriptase inverse (TI) ou rétrotranscriptase (RT) des rétrovirus est également une enzyme viro-induite.
   Certains gènes viraux codent des protéines transactivatrices. Tel est le cas de l’HIV produisant la protéine TAT (p14).
   Elle « transactive » d’un facteur x 50 la transcription des messagers viraux à partir de l’ADN proviral intégré dans la cellule. Cette transcription des messagers viraux est également activée dans le cas de l’HIV par des facteurs cellulaires comme le NF Kappa B.
   Enfin, la synthèse des différentes protéines virales passe, pour certains virus, par la synthèse d’un précurseur unique, donc d’un polypeptide géant, secondairement clivé par des protéases pour produire les différentes protéines virales. Certaines de ces protéases (cas du HIV et du virus de l’hépatite C) sont des enzymes virales, qui vont donc s’autocliver (cf cours 3).

1.2.2.5 Assemblage

Les nouveaux génomes fabriqués par la cellule s’entourent de nouvelles protéines virales fabriquées par la cellule. Cet emballage est l’encapsidation (l’inverse de la décapsidation) des génomes qui aboutit à la formation de nouveaux virus.

1.2.2.6 Libération

Ces nouveaux virus sont relargués hors de la cellule par éclatement pour les virus nus, par bourgeonnement pour les virus à péplos. C’est lors du bourgeonnement que les virus à enveloppe reçoivent leur enveloppe qui est une bicouche lipidique cellulaire hérissée de spicules glycoprotéiques. Une cellule produit de l’ordre de 100 à 1000 virus.

La multiplication d’un virus est très différente de la multiplication d’une bactérie. Une bactérie est une cellule, particulière, mais c’est une cellule, alors qu’un virus n’est pas une cellule.

Ainsi, un virus ne croît pas, ne se divise pas, sort complet, terminé de la cellule, et ne se modifie plus.

1.2.3 Conséquences de la multiplication virale pour la cellule infectée

Trois conséquences sont possibles :

1.2.3.1 Mort de la cellule

La cellule en meurt, les synthèses cellulaires ayant été gravement perturbées par les virus. C’est l’INFECTION LYTIQUE. C’est ce que donnent la plupart des virus humains dans les cellules. C’est in vivo l’équivalent de l’effet cytopathique (ECP = altération morphologique de la cellule infectée, visible en microscope optique) observé in vitro en culture de cellules (cf illustrations de l’annexe E). Lors de l’infection lytique, l’accumulation dans la cellule infectée de matériel viral désorganise les structures et les fonctions cellulaires. La cellule infectée meurt, soit par nécrose, soit par apoptose. Tout le problème est de savoir si ces cellules peuvent être remplacées par d’autres cellules au sein de l’organisme.

Ainsi, au cours des infections par poliovirus, la destruction des neurones de la corne antérieure de la moelle donne des paralysies définitives, car un neurone détruit n’est pas remplacé. En revanche, si ce sont les cellules gliales qui sont détruites, les paralysies peuvent régresser.

1.2.3.2 Tolérance de l’infection

Deuxième éventualité : la cellule tolère l’infection. Le génome viral et le génome cellulaire se partagent le potentiel de synthèse de la cellule et les deux métabolismes, cellulaire et viral, coexistent, selon un « compromis » acceptable. L’INFECTION TEMPÉRÉE traduit ce modus vivendi.

1.2.3.3 Transformation cellulaire maligne

Troisième éventualité, la cellule se multiplie de façon anarchique : c’est la TRANSFORMATION CELLULAIRE MALIGNE, la cellule infectée acquérant des caractères généralement attribués aux cellules cancéreuses.

Rappelons qu’une cellule normale est une cellule diploïde, à 2 N chromosomes ; qu’elle a in vitro un potentiel de multiplication limité, ne pouvant dans les meilleurs cas se diviser plus de 50 fois ; elle connaît l’inhibition de contact : des cellules normales en culture sur le verre cessent de se multiplier dès qu’elles entrent en contact les unes avec les autres par leur membrane cytoplasmique, de sorte qu’elles forment une couche strictement monocellulaire. Au contraire, les cellules transformées ou cancéreuses sont aneuploïdes (≠2 N chromosomes) ; elles ont un pouvoir de multiplication in vitro illimitée (c’est l’exemple des cellules KB qui ne cessent de se multiplier depuis qu’on les a mises en culture à partir d’un cancer buccal, il y a cinquante ans) ; elles ont perdu l’inhibition de contact, de sorte qu’elles forment en culture sur le verre des couches pluricellulaires. Elles portent des antigènes particuliers, tumoraux, notamment sur leur membrane cytoplasmique, de sorte que les lymphocytes T les reconnaissent étrangères à l’organisme et, normalement, les rejettent. Enfin, leur cytosquelette est désagrégé.

Les cellules transformées s’obtiennent à partir de tissus cancéreux ou à partir de cellules normales transformées in vitro, soit spontanément au cours de la culture, soit par l’action de cancérogènes chimiques, de radiations ionisantes ou de virus cancérigènes. Il existe en effet, des virus cancérigènes.

Le premier virus cancérigène, reconnu au début du siècle par ROUS, est responsable de sarcomes à développement rapide chez le poulet. C’est un rétrovirus. À ce titre, son génome à ARN monocaténaire est transcrit par une transcriptase inverse (reverse) virale en ADN bicaténaire qui va s’intégrer dans l’ADN du génome cellulaire. De là, il exprime son information virale : il comporte des gènes pour les protéines constituant le virus (gènes gag pour antigène de groupe, pol pour polymérase = transcriptase inverse et env pour enveloppe) et de plus un oncogène responsable du pouvoir sarcomatogène rapide de ce virus. Cet oncogène « sarc » est en fait un gène cellulaire normal du poulet, « récupéré » par le génome du virus.

Cela a conduit à se demander quel est le rôle de l’oncogène sarc et des autres oncogènes en général, d’une part chez les poulets normaux, et d’autre part chez les poulets inoculés par le virus de ROUS ou par d’autres virus sarcomatogènes.

Chez le poulet normal, l’oncogène cellulaire sarcomatogène, appelé c-sarc (c pour cellule) code en fait un facteur de croissance cellulaire ; son expression est indispensable au poulet pour assurer l’embryogenèse au début de la vie, et plus tard les processus de réparation nécessaires aux poulets adultes, cicatrisation par exemple.

Quand le gène sarc est au sein du génome viral lui-même intégré dans l’ADN cellulaire, son expression se trouve très augmentée, cela de façon inappropriée, avec pour conséquence le sarcome. Dans le génome viral, l’oncogène se trouve en effet sous contrôle des promoteurs viraux qui sont considérablement plus actifs que les promoteurs du génome cellulaire. Il existe d’autres oncogènes cellulaires (c onc), et des oncogènes viraux (v onc) correspondants, chez les souris, les chats et autres mammifères : ces v onc, inclus dans les virus sarcomatogènes rapides, sont, chez ces animaux aussi, responsables de tumeurs rapidement mortelles.

D’autres rétrovirus du poulet, de la souris, du chat, sont, eux, à l’origine de leucémies qui surviennent après une longue durée de l’infection et cela de façon inconstante. Il s’agit cette fois de rétrovirus leucémogènes « lents », dépourvus de v onc, responsables d’une infection chronique de l’hôte animal. Cette infection est asymptomatique jusqu’à ce que, éventuellement, l’ADN viral vienne s’insérer dans le génome cellulaire au contact d’un c onc qui passe alors sous contrôle de promoteurs viraux et se trouve ainsi exprimé de façon inappropriée. On parle de cancérogenèse insertionnelle. C’est un risque de la thérapie génique par vecteur rétroviraux.

Chez l’homme, d’une façon générale, on reconnaît toute une série d’oncogènes cellulaires (par exemple le gène c myc) mais, par chance, pas d’équivalent des rétrovirus sarcomatogènes rapides ou leucémogènes lents.

Chez l’homme, les mécanismes de la cancérogenèse peuvent être résumés comme suit :

1. Il peut s’agir d’une activation d’oncogène cellulaire, soit par mutation, soit par amplification, ou soit par passage sous contrôle d’un promoteur rapide, lors d’une translocationchromosomique (rappelons que la cancérogénèse insertionnelle virale n’a pas été décrite chez l’homme).
2. Mais, à l’opposé, il existe des cancers liés à l’inactivation d’un anti-oncogène, par exemple le gène de la protéine p53 ou de la protéine Rb, soit par mutation, soit par insertion d’un virus en son milieu (autre forme de cancérogenèse insertionnelle).

Chez l’homme, cinq catégories de virus sont liées à un cancer :

1. l’HTLV-1 humain (human T lymphotrope virus type 1) qui est un rétrovirus responsable de leucémies et sarcomes à lymphocyte T de l’adulte dans des zones géographiques particulières (Caraïbe, Japon, Afrique).
2. le virus de l’hépatite B ou HBV, responsable du cancer primitif du foie, endémique dans la zone intertropicale. Le virus de l’hépatite C ou HCV participe également à l’étiologie du cancer primitif du foie.
3. les HPV-16 18 et 31, virus des papillomes humains associés au cancer du col utérin.
4. le virus Epstein-Barr ou EBV, associé notamment au lymphome africain de Burkitt, au carcinome nasopharyngé des Chinois de la région de Canton, aux lymphomes des sujets immunodéprimés.
5. Le 8^e herpèsvirus humain ou HHV-8 associé à la maladie de Kaposi et au lymphome diffus des séreuses. Nous y reviendrons dans les cours consacrés à ces différents virus.