INFECTIOUS DISEASE

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VIROLOGIE - CHAPITRE UN

VIROLOGIE DE BASE: DÉFINITIONS, STRUCTURE ET CLASSIFICATION

Dr Margaret Hunt
University of South Carolina School of Medicine
Columbia SC 
USA

Dr Dorian McIlroy
Université de Nantes
France

EN ANGLAIS

SHQIP

GLOSSARY

Figure 1
Taille relative de virus et de bactéries     Adapted from  Koneman et al. Color Atlas and Textbook of Microbiology 5th Ed. 1997 Virus images © Dr Linda Stannard, University of Cape Town. Used with permission

Les virus sont constitués d'un acide nucléique (ADN ou ARN) associé à des protéines codées par l'acide nucléique. Une particule virale peut aussi disposer d'une membrane en bicouche lipidique (ou enveloppe), qui est acquise à partir de la cellule hôte, généralement par bourgeonnement à travers une membrane de cellule hôte. Si une membrane est présente, elle doit contenir une ou plusieurs glycoprotéines virales qui agissent en tant que ligands pour des récepteurs de la cellule hôte.

De nombreux virus codent pour une ou plusieurs protéines structurales (celles qui composent la particule virale mature (ou virion)) et éventuellement une enzyme qui participe à la réplication du génome viral. Un exemple de virus de ce type est le circovirus porcin, dont le génome code pour seulement deux protéines: une protéine qui forme la particule virale, une enzyme qui permet la réplication de l'ADN génomique du virus. D'autres virus ont des génomes beaucoup plus complexes, et peuvent coder pour plusieurs dizaines, voire des centaines de protéines. La plupart de ces protéines ne se retrouvent pas dans le virion mature, mais participent d'une certaine manière dans la réplication virale. Par exemple, le cytomégalovirus (CMV) est l'un des virus les plus complexes, et son génome code pour environ 170 protéines.

Néanmoins, même les virus les plus complexes sont dépendants des enzyme et des ribosomes de l'hôte pour la production des particules virales. La dépendance des virus vis-à-vis de la cellule hôte a longtemps rendu difficile le développement de médicaments antiviraux car la plupart des molécules capables d'inhiber la réplication virale dans un système de culture cellulaire n'ont pas d'activité spécifiquement antivirale – ils inhibent des processus cellulaires exploités par des virus.

Une raison majeure pour étudier la biochimie et la biologie moléculaire des virus est de trouver des médicaments qui inhibent sélectivement la réplication virale. Si on peut déterminer à quel moment le virus utilise ses propres protéines pour une partie de son cycle de réplication, on pourra alors essayer de développer des médicaments qui inhibent spécifiquement les protéines virales (et en particulier, les enzymes virales). Les inhibiteurs de protéase utilisés pour le traitement de l'infection par le VIH sont des exemples de médicaments conçus et développés après des recherches fondamentales sur le cycle de réplication viral.

Contrairement aux virus, les bactéries sont beaucoup plus grandes (Figure 1), effectuent leurs propres processus métaboliques et codent pour toutes les enzymes dont elles ont besoin. Même lorsque la réaction catalysée est similaire, les enzymes bactériennes se distinguent de leurs homologues eucaryotes et peuvent donc être visées par antibiotiques spécifiques. Les tétracyclines, par exemple, sont des antibiotiques qui ciblent spécifiquement les ribosomes bactériens, et n'inhibent pas les ribosomes des cellules animales.

Comme les virus, certaines bactéries (comme les mycoplasmes, des Rickettsiae et des Chlamydiae) peuvent pénétrer dans le cytoplasme des cellules eucaryotes et devenir des parasites. Néanmoins, ces petites bactéries intracellulaires portent toutes les enzymes nécessaires à la réplication de leur ADN, et à la synthèse des protéines. Ainsi, les thérapies antibactériens, y compris ceux qui cible les bactéries ayant un mode de vie parasitaire, sont plus faciles à développer que pour les virus.
 

ARN, +brin

  ARN, -brin

Images © 1995  Dr Linda Stannard, University of Cape Town and © 1994 Veterinary Sciences Division, Queen's University Belfast

Figure 2. Taille relative de virus à ADN et virus à ARN

Les virus infectent tous les principaux groupes d'organismes: les vertébrés, les invertébrés, les plantes, les champignons, et les bactéries, mais certains virus ont une gamme d'hôte plus large que d'autres. Par contre, aucun virus ne peut traverser la frontière eucaryotes / procaryotes.

Les facteurs qui influent sur la gamme d'hôte comprennent:

•  Est-ce que le virus est capable d'entrer dans la cellule hôte? C'est à dire, possède-t-il la protéine d'attachement qui le permet de se lier à un récepteur à la surface cellulaire? Par exemple, le VIH est largement restreint aux cellules qui expriment l'antigène CD4 à la surface (comme les lymphocytes T CD4+).

• Dans le cas où le virus rentre dans la cellule, est-ce que la machinerie cellulaire adéquate est disponible pour la réplication virale? Par exemple, certains virus à ADN, comme le parvovirus B19, ne peuvent se reproduire que dans les cellules en division, qui ont des niveaux suffisamment élevés de désoxyribonucléotides pour la synthèse de l'ADN viral.

• Dans le cas où le virus peut se répliquer, est-ce que des particules virales infectieuses peuvent quitter la cellule et propager l'infection? Par exemple, pour rendre la particule virale infectieuse, l'hémagglutinine du virus de la grippe saisonnière doit être clivée par une protéase cellulaire. Seules les cellules qui expriment ces protéases sont capables de propager l'infection virale.
   

 

Structure des Particules Virales

Les virus varient en taille de 20 nanomètres de diamètre, comme les Parvoviridae, à plusieurs centaines de nanomètres de longueur dans le cas des Filoviridae (Figures 1 et 2).

Tous les virus contiennent un génome d'acide nucléique (ADN ou ARN) et une ou plusieurs protéines formant une couche protectrice, appelée la capside. L'ensemble formé par l'association entre la ou les protéines virales de capside, et le génome viral est appelé la nucléocapside, qui peut avoir une symétrie hélicoïdale, icosaédrique, ou complexe. Si la particule virale est composée uniquement de protéine et d'acide nucléique, on parle alors d'un virus nu ou non-enveloppé.

En revanche, les virus enveloppés sont dotées d'une enveloppe en bicouche lipidique qu'ils obtiennent par bourgeonnement à travers une membrane de la cellule hôte. Dans certains cas, les virus bourgeonnent à travers la membrane plasmique, mais dans d'autres cas l'enveloppe peut être dérivée des membranes cellulaires internes, telles que les membranes de l'appareil de Golgi ou le noyau. Certains virus bourgeonnent à des sites spécialisés de la membrane plasmique de la cellule hôte. Par exemple, le virus Ebola s'associe avec des radeaux lipidiques qui sont riches en sphingomyéline, de cholestérol et en protéines fixées par un ancre GPI (glycophosphatidylinositol).

Puisque le processus de bourgeonnement n'est pas obligatoirement létale pour la cellule, la libération des particules virales enveloppés n'est pas toujours accompagnée de la mort de la cellule hôte. Certains virus enveloppés peuvent donc instaurer des infections persistantes.

Les virus enveloppés sont infectieux seulement si l'enveloppe est intacte, car les protéines d'attachement virales qui reconnaissent les récepteurs de cellules hôtes se trouvent dans l'enveloppe virale. Par conséquent, les agents qui attaquent l'enveloppe, tels que les alcools et détergents, suppriment l'infectivité des virus enveloppés. Pour cette raison les virus enveloppés sont, de façon générale, plus facile à inactiver que les virus non-enveloppés.
 

WEB RESOURCES

Principles of virus architecture 
Linda Stannard

Platonic Solids
University of Utah

Triangulation Numbers
J-Y Sgro

Structure des nucléocapsides virales

Symétrie icosaédrique

Un icosaèdre est un solide platonique comportant vingt faces triangulaires (figure 3A). Les sommets d'un icosaèdre sont formés par la rencontre des pointes de cinq des faces triangulaires. Ainsi, les six axes de symétrie passant par les deux sommets opposés d'un icosaèdre sont d'ordre cinq. Les dix axes passant par les deux faces opposés sont d'ordre trois (parce qu'ils passent au centre d'un triangle équilatéral), et les quinze axes passant par le milieu de chaque arête sont d'ordre deux. C'est pour cette raison que l'icosaèdre est caractérisé par la symétrie de rotation 5:3:2 (figure 3B, C).

L'extérieur d'une capside virale icosaédrique est composée de sous-unités répétées de protéine virale. Selon le virus, une seule ou plusieurs protéines virales forment ces sous-unités. L'acide nucléique est empaqueté à l'intérieur de la capside ou il est protégé de l'environnement externe par la capside (figure 3D).
 

Les protéines de capside s'associent en unités structurelles, appelées capsomères, que l'on peut voir en microscopie électronique, et qui restent associées quand on commence à dissocier une capside par des techniques biochimiques. Les capsomères peuvent être composés d'une ou de plusieurs protéines virales. Les capsomères aux 12 sommets présentent une symétrie d'ordre cinq, et chacun interagit avec 5 capsomères voisins. Ils sont donc désignés comme des pentons ou pentamères (figure 3E). Plus une particule virale est grande, plus elle contient de capsomères; les capsomères supplémentaires sont disposées selon un réseau hexagonal régulier sur les faces des icosaèdres. Ils ont six voisins et sont appelés hexons ou hexamères (figure 3F). La taille d'un icosaèdre dépend de la taille et du nombre des capsomères. Il y aura toujours 12 pentons (un à chaque sommet), mais le nombre de hexons augmente avec la taille de la particule (figure 3H). Un bon exemple d'un virus icosaédrique est l'adénovirus humain qui comprend les douze pentons obligatoires ainsi que 240 hexons (figure 3G et I).

La formation symétrique des matrices hexagonales sur une surface plane se produit dans de nombreuses situations, par exemple, lors de l'emballage de tubes à essai dans une boîte (figure 3J). Il peut également être décelé dans l'organisation des sous-unités des protéines de capside du virus de l'herpès simplex, un virus enveloppé icosaédrique. Dans la figure 3K, la membrane externe du virus de l'herpès simplex a été éliminée afin de révéler la nucléocapside. Bien que l'icosaèdre géométrique soit composé de faces plates (comme dans la figure 3A), les particules virales icosaédriques sont habituellement sphériques comme on le voit dans la figure 3K.

Un ballon de football (figure 3L), ou à une plus grande échelle, un dôme géodésique (figure 3M) sont des exemples de structures sphériques composées de pentons et de hexons, qui comme des particules virales, possèdent une symétrie icosaédrique.
 

Figure 3
Capsides virales à symétrie icosaédrique

  B: Symétrie axiale d'ordre 5:3:2

D: L'acide nucléique est empaqueté à l'intérieur de la capside
© J-Y Sgro, Used with permission. From Virus World

E: Les capsomères aux 12 sommets de l'icosaèdre ont une symétrie d'ordre 5, et interagissent avec 5 capsomères voisins. Ils sont donc désignés comme des pentons. (ou pentamères).

F-ii: Nucléocapside d'un Herpesvirus. On peut voir des pentons au sommets de l'icosaèdre.   Zhou et al. Baylor College of Medicine  Reference: Z. H. Zhou, B.V.V Prasad, J. Jakana, F.R. Rixon, W. Chiu Baylor College of Medicine, Journal of Molecular Biology

  H: Composants d'une capside icosaèdrique

  I: Adénovirus humain visualisé par microscopie électronique à coloration négative
© 1995  Dr Linda Stannard, University of Cape Town. Used with permission

J: d'objets circulaires identiques dans un réseau hexagonal.

L: La structure icosaédrique d'un ballon de foot. A noter – l'associations de pentons (en noir) et de hexons (en blanc) permet de former une structure sphérique.

M: Dôme géodésique.
 

Figure 4
Capsides virales à symétrie hélicoïdale.

Symétrie hélicoïdale

Dans le cas des capsides à symétrie hélicoïdale, les sous-unités protéiques de la capside interagissent entre eux et avec l'acide nucléique pour former une spirale. L'exemple classique d'un virus à symétrie hélicoïdale est le virus de la mosaïque du tabac (figure 4 AE). La nature hélicoïdale de cette particule virale est clairement visible en microscopie électronique à coloration négative, car elle forme une structure rigide en bâtonnet. Chez les virus enveloppés à symétrie hélicoïdale (par exemple, le virus de la grippe, ou le virus de la rage), la capside est plus souple et plus longue, et apparaît dans les clichés de microscopie électronique plutôt sous l'aspect d'un cordon téléphonique (figure 4H, I).

 

B: Image d'une seule particule virale du TMV en forme de bâtonnet par microscopie électronique Image from the International Committee on Taxonomy of Viruses database.

C   Virus de mosaïque du tabac (TMV) vu par microscopie électronique. © 1994 Rothamsted Experimental Station

D   Virus de mosaïque du tabac (TMV) vu par microscopie électronique. (TEM x207,480)   © Dennis Kunkel Microscopy, Inc.  Used with permission

E   Virus de mosaïque du tabac (TMV) vu par microscopie électronique. (TEM x376,200) 

F   Virus de la rage  Wadsworth Center, NY Dept of Health

  H  Représentation graphique de l'ultrastructure d'une particule virale du virus de la grippe. Une partie de l'enveloppe virale a été enlevée, ce qui révèle la symétrie hélicoïdale des nucléocapsides à l'intérieur de la particule. CDC/ Doug Jordan

Symétrie Complexe

Certaines particules virales, comme celles des Poxviridae, ne possèdent ni une symétrie hélicoïdale, ni une symétrie icosaédrique. Leur structure est néanmoins régulière, et elles sont donc désignées comme des particules de symétrie complexe. Récemment, il a été démontré que les particules immatures des Poxviridae sont de forme sphérique, avec une symétrie icosaédrique. Pour cette famille de virus au moins, la structure complexe de la particule virale mature semble être dérivée d'une structure icosaédrique.

 

B   Des poxvirus visualisés par microscopie électronique.© Stewart McNulty, 1994 Veterinary Sciences Division, Queen's University Belfast  Used with permission

Figure 6

Les cinq formes de base des particules virales

• Icosaédrique, nu; par exemple, le virus de la poliomyélite, le virus de l'hépatite A (tous les deux des Picornaviridae), et les Adenoviridae
• Hélicoïdale, nu; par exemple, le virus du mosaïque du tabac. Ce type de particule virale est fréquemment retrouvé chez les virus des plantes, mais on le trouve chez aucun virus de l'Homme.
• Icosaédrique, enveloppé; par exemple, les Herpesviridae, le virus de la fièvre jaune (qui fait partie des Flaviviridae), et le virus de la rubéole (Rubivirus).
• Hélicoïdale, enveloppé; par exemple, le virus de la rage (Rhabdoviridae), le virus de la grippe (Orthomyxoviridae), le virus de la rougeole, et le virus des oreillons (tous les deux des Paramyxoviridae).
• Complexe; par exemple les Poxviridae
   

Les agents sub-viraux

Certains agents infectieux sont encore plus simple que des virus. En particulier, les satellites et les viroïdes possèdent des génomes en acide nucléique, qui ne codent pas pour une capside, tandis que les prions sont composés uniquement de protéine.

Satellites

Les satellites sont des molécules d'acide nucléique (ADN ou ARN) de 300 à 2000 nucléotides capables de se répliquer chez l'hôte uniquement en la présence d'un virus auxiliaire. Ils sont donc des parasites sur des virus.

Un satellite peut coder pour une protéine de capside, et dans ce cas, les cellules infectées par le satellite et son virus auxiliaire libèrent des particules composées de cette protéine et l'acide nucléique du satellite. Il est possible de distinguer les particules de ces virus satellites des particules du virus auxiliaire par microscopie électronique.

Viroïdes

Les viroïdes sont composés d'une molécule d'ARN simple brin, circulaire, de moins de 400 nucléotides de longueur, avec une structure secondaire développée. De façon étonnante, les ARNs des viroïdes ne sont pas encapsidés, et ne codent pas pour des protéines, mais sont quand même capables de se répliquer et de provoquer une pathologie chez leur hôte.
 

Le virus de l'hépatite delta
Les satellites et viroïdes se trouvent presque exclusivement chez les plantes. Cependant, au moins un agent semblable – le virus de l'hépatite delta (VHD) - est impliqué dans la pathologie humaine.
À certains égards, le VHD semble représenter une sorte d'intermédiaire entre un virus satellite et un viroïde. Son génome d'environ 1700 nucléotides comprend une partie riche en structure secondaire, qui ressemble à de l'ARN des viroïdes, mais une autre partie de l'ARN consiste en un cadre ouvert de lecture codant pour l'antigène de l'hépatite delta, qui sert de protéine de capside au VHD. Par contre, le VHD ne code pas pour sa propre protéine de fixation, qui doit être apporté par un virus auxiliaire. Dans l'occurrence, il s'agit du virus de l'hépatite B (VHB), un virus qui provoque des hépatites chroniques, et qui n'a aucun lien phylogénétique avec le VHD. Les particules infectieuses du VHD sont donc composées d'une nucléocapside associant l'ARN génomique du VHD et l'antigène de l'hépatite delta, entourée d'une enveloppe incorporant la glycoprotéine de fixation du VHB, l'antigène HBs.
 

Prions
Les prions sont composés uniquement de protéines – ce qui de premier abord semblerait incompatible avec leur réplication – car il n'existe aucun mécanisme biologique qui permet la lecture et la recopie d'une séquence d'acide aminés. La solution à ce paradoxe se trouve dans le fait que l'information génétique d'un prion ne consiste pas en sa structure primaire (sa séquence d'acides aminés) mais en sa structure trois dimensionnelle. En effet, des prions sont des formes “mal repliées” d'une protéine exprimée par l'hôte, capables d'imprimer leur conformation sur des copies "normales" de la même protéine. La protéine cellulaire ainsi transformée acquiert la capacité de transmettre l'information conformationnelle à d'autres copies de la protéine, et la répétition de ce processus propage l'infection. Des exemples de maladies à prion chez l'Homme sont le Kuru; la maladie de Creutzfeldt-Jacob et le syndrome Gerstmann-Straussler. Chez des animaux, on peut noter la tremblante du mouton, et la maladie de la vache folle.
 

Les virus sont-ils vivant ou morts?

La réponse à cette question dépend de la définition de la vie. D'un côté, les virus font certainement partie du vivant, et partagent avec des organismes vivant un génome en acide nucléique qui est transmis de génération en génération. D'un autre côté, l'absence de métabolisme chez les virus, et en particulier leur incapacité de fabriquer des protéines (due à l'absence de ribosomes chez les virus) les distingue nettement de toute forme d'organisme cellulaire. Curieusement, le fait que la question n'a pas de réponse évidente indique que la frontière entre le vivant et le non-vivant n'est pas aussi nette que l'on pouvait imaginer.
A cause de ce problème, il n'est pas d'usage d'utiliser le terme “virus vivant”, quand on parle d'un virus infectieux, ni de parler de “tuer un virus”, quand on cherche à l'inactiver par des moyens chimiques (exemple – par de la soude) ou physiques (exemple – par la chaleur). Ainsi, dans un stock de virus, on peut chercher à déterminer le nombre de particules virales infectieuses, et le nombre de particules défectueuses (incapables d'infecter une cellule), et non pas le nombre de particules virales “vivantes” et “mortes”.
 

Les familles de virus à ARN

Figure 7
Modified from Volk et al., Essentials of Medical Microbiology. 4th Ed

Classification des Virus

Le système international de taxonomie virale est basé sur la structure et la composition de la particule virale (Figure 7). Dans certains cas, le mode de réplication est également utilisé comme critère de classification. Ainsi, les virus sont classés en ordres (-virales), familles (-viridae), sous-familles (-virinae), genres (-virus), et espèces. Par exemple, le virus de la rage fait partie du genre Lyssavirus, de la famille des Rhabdoviridae et de l'ordre des Mononegavirales.
Par contre, la plupart des familles de virus ne sont pas regroupées en ordres, et il est également fréquent qu'une famille ne soit pas sous-divisée en sous-familles. De plus, il existe un certain nombre d'espèces et de genres de virus qui ne font pas partie d'une famille.
 

Caractères secondaires utilisés dans la classification des virus

Stratégie de réplication. Parfois, un groupe de virus défini par les critères ci-dessus comporte un sous-groupe de virus qui emploient une stratégie de réplication très différente de celle observée chez les autres virus du groupe. Dans ce cas, le groupe sera divisé en fonction de la stratégie de réplication.
 

Les virus de classes VI sont les rétrovirus. Ils sont souvent regroupés avec les virus de la classe VII, dans une catégorie qualifiée de virus à transcription inverse.

Il est important de noter que les classes de Baltimore n'impliquent pas de lien phylogénétique entre les virus au sein d'une même classe.
C'est à dire que, même si les virus d'une même famille (par exemple, les Picornaviridae) semblent dérivés d'un ancêtre commun, il n'est pas exacte d'affirmer que différentes familles de virus à génome ARN brin (+) (par exemple, les Picornaviridae et les Caliciviridae) ont eu un ancêtre commun.
 

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