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INFECTIOUS DISEASE

BACTERIOLOGIE IMMUNOLOGIE MYCOLOGY PARASITOLOGY VIROLOGIE

VIDEO LECTURE

 

VIROLOGIE - CHAPITRE QUATRE  

Stratégies de Réplication des virus à ARN

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

Dr Dorian McIlroy
Université de Nantes
France

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READING:
Murray et al., Microbiology
 6th Ed.,
Ch. 4 (Picornaviruses), Ch. 56 (Rhabdoviruses), Ch. 60 (Paramyxoviruses), Ch. 58 (Orthomxyoviruses), Ch. 59 (Reoviruses), Ch. 61

  Le virus de la poliomyélite © J-Y Sgro, avec permission, d’après Virus World

Réplication des virus ARN - Généralités


a) Les virus à ARN (Classes III, IV et V de Baltimore)

Les virus qui se répliquent via un intermédiaire en ARN doivent obligatoirement se servir d’une ARN polymérase dépendante de l’ARN – mais une telle activité enzymatique n’existe pas chez la cellule hôte. Tous les virus à ARN codent donc pour une ARN polymérase dépendante de l’ARN.
Aucune protéine virale ne peut être traduite tant qu’un ARNm viral n'est pas disponible. De ce fait, la stratégie de réplication des virus à ARN est dépendante de la nature de l’ARN contenu dans la particule virale, car l’ARN génomique des virus à ARN brin (+) peut servir d’ARNm directement, ce qui n’est pas le cas de l’ARN génomique des virus à ARN brin (-) et des virus à ARN double brin.

i. Les virus à ARN brin (+) – Classe IV de Baltimore

Chez les virus de la classe IV de Baltimore, l’ARN génomique est de sens positif, comme un ARNm. L’ARN génomique de ces virus peut donc être traduit par des ribosomes cellulaires immédiatement suite à l’infection de la cellule hôte, sans l’aide des protéines virales.

Exemples :

  • Picornaviridae (virus de la poliomyélite, rhinovirus)

  • Togaviridae (virus de la rubéole)

  • Flaviviridae (virus de la fièvre jaune, virus de l’hépatite C)


ii. Les virus à ARN brin (-) – Classe V de Baltimore

Chez ces virus, l’ARN génomique est de sens négatif (c’est-à-dire, complémentaire de l'ARNm). Il doit donc être copié en un ARN de sens positif afin de permettre la production des protéines virales. En plus de coder pour une ARN polymérase dépendante de l’ARN dans leur génome, les virus à ARN brin (-) doivent également l’incorporer dans la particule virale, et la délivrer à l’intérieur de la cellule hôte après l’entrée du virus, afin de produire les ARNm viraux.

Exemples :

  • Orthomyxoviridae (virus de la grippe)

  • Mononegavirales

  • Rhabdoviridae (virus de la rage)

  • Paramyxoviridae (virus de la rougeole, virus des oreillons)


iii. Les virus à ARN double brin – Classe III de Baltimore

L’ARN génomique est double brin, et ne peut pas fonctionner comme un ARNm. Comme les virus à ARN brin (-), les virus à ARN double brin doivent incorporer une ARN polymérase dépendante de l’ARN à l’intérieur de la particule virale.

Exemple :

  • Reoviridae (les rotavirus)
     

 

 

 

b) Les virus à ARN qui se répliquent via un intermédiaire en ADN

Les Retroviridae (Classe VI de Baltimore)

L’ARN des Retroviridae, bien que de sens (+) ne fonctionne pas en tant qu’ARNm immédiatement après l’infection, car il n’est pas libéré dans le cytoplasme de la cellule hôte après l’entrée du virus. Au lieu de cela, il reste associé avec certains composants de la capside, et il sert de matrice à une transcriptase inverse, qui le copie en ADN double brin. La transcriptase inverse n’est pas disponible dans le cytoplasme de la cellule hôte. Les Retroviridae doivent donc coder pour cette enzyme, et l’incorporer dans des particules virales.
 

Virus à ARN

Génome Classe de Baltimore Polymérase à ARN dépendante de l’ARN à l’intérieur de la particule virale ? ARN viral infectieux? Premier événement dans la cellule infectée
ARN double brin III Oui Non Transcription
ARN brin (+) IV Non Oui Traduction
ARN brin (-) V Non Non Transcription

 

RETROVIRIDAE

Génome Classe de Baltimore Polymérase à ADN dépendante de l’ARN (= Transcriptase Inverse) à l’intérieur de la particule virale ? ARN viral infectieux ? Premier événement dans la cellule infectée
ARN brin (+) VI Oui Non Reverse transcription


 

 

Le problème de la traduction

Chez les cellules eucaryotes, la machinerie moléculaire dédiée à la synthèse protéique prend en charge des ARNm monocistroniques. C’est-à-dire que chaque ARNm code pour un seul polypeptide – et cela pose un problème pour des virus à ARN, qui doivent produire plusieurs types de protéine différents à partir de leur ARN génomique.

Les virus à ARN emploient plusieurs solutions différentes à ce problème :

  • Le virus transcrit plusieurs ARNm monocistroniques à partir de l’ARN génomique (Mononegavirales)
  • Le génome viral est segmenté – chaque segment code pour une protéine virale (Orthomyxoviridae, Reoviridae)
  • L’ARNm viral code pour une longue polypeptide, ou polyprotéine, qui est ensuite clivée en de multiples différentes protéines. Toutes les protéines virales sont donc encodées dans un seul cadre ouvert de lecture. (Picornaviridae, Flaviviridae)
  • Le transcrits primaires viraux sont subissent un épissage alternatif, afin de produire plus d’un ARNm à partir d’un transcrit. Cette solution est possible uniquement chez les virus qui se répliquent dans le noyau de la cellule hôte – comme les Orthomyxoviridae.
  • L’ARNm viral possède des structures secondaires spécifiques qui permettent la fixation des ribosomes à l’interieur de la molécule, en plus, ou à la place de l’extrémité 5’.


Taille des génomes des virus à ARN

Les virus à ARN ont des génomes de taille relativement petite, probablement parce que l’absence d’un mécanisme de correction d’erreurs par les ARN polymérases dépendante de l’ARN (et par les transcriptases inverses) impose une limite supérieure à la taille d’un génome en ARN. Les génomes en ARN les plus grands – d’environ 30 kB de longueur - se trouvent chez les Coronaviridae.

Par conséquent, les virus à ARN codent pour un nombre limité de protéines. Dans tous les cas, une ARN polymérase (ou une transcriptase inverse, chez les Retroviridae) ; une ou plusieurs protéines de capside ; et (chez les virus enveloppés) une ou plusieurs glycoprotéines de surface seront comprises dans le génome viral.

La nécessité de coder pour ces protéines essentielles impose une limite inférieure à la taille des génomes des virus à ARN. Chez les virus infectant l’Homme, les génomes en ARN les plus petits – d’environ 7 kB – se trouvent chez les Picornaviridae.
 

 

rna1.jpg (213560 bytes) Figure 1. Le virus de la poliomyélite © J-Y Sgro, avec permission, d’après Virus World

Figure 2. Le virus de la poliomyélite (grossissement 350 000x) en microscopie électronique à coloration négative © Dennis Kunkel Microscopy Inc., avec permission.

VIRUS à ARN brin (+) – Classe IV de Baltimore

Famille Picornaviridae

Propriétés

Les particules virales (Figure 1) sont nues, icosaédriques, et de petite taille – d’où le nom de cette famille de virus (latin pico = petit). L’ARN génomique est brin (+) d’une longueur de 7 ,1 à 8,9 kb. L’extremité 5’ est fixée de façon covalente à la protéine virale VPg, et l’extremité 3’ est polyadenylé.
Les virus type de cette famille est le virus de la poliomyélite (Figures 1, 2).

Cycle de réplication

Attachement, entrée et décapsidation

L’attachement du virus à son récepteur cellulaire est effectué par les protéines de capside. Chez le virus de la poliomyélite, des acides aminés des trois protéines de l’extérieur de la capside, VP1, VP2 et VP3, forment le site de fixation du virus à son récepteur (la PVR, ou Polio Virus Receptor). L’interaction avec le récepteur provoque un remaniement structural de la capside. Des domaines hydrophobes des protéines de capside sont projetés dans la membrane plasmique de la cellule hôte, formant un pore à travers lequel l’ARN génomique du virus passe dans le cytoplasme. Dès son entrée dans la cellule, l’ARN viral peut servir comme ARNm.

Synthèse des Protéines Virales

L’ARN génomique des Picornaviridae ne possède pas la « coiffe methylé» à l’extremité 5’ qui permet la fixation des ribosomes sur les ARNm cellulaires. Les Picornaviridae utilisent donc une structure distincte pour l’initiation de la traduction de l’ARN viral. Il s’agit d’une région de l’ARN génomique d’une structure secondaire en forme de trèfle qui constitue un site interne d’entrée du ribosome (Internal Ribosome Entry Site, ou IRES). Les facteurs d’initiation de traduction, suivis par les ribosomes de l’hôte, se fixent sur l’IRES, ce qui permet la traduction de la polyprotéine virale.
Souvent, les Picornaviridae inhibent la reconnaissance de la coiffé methylé des ARNm par des facteurs d’initiation de traduction. Ainsi, les Picornaviridae inhibent la traduction des protéines cellulaires, tout en maintenant la traduction des protéines virales, ce qui favorise l’expression des gènes viraux.

L’ARN viral possède une unique cadre ouvert de lecture, qui est traduit en une longue polyprotéine. La polyprotéine est clivée par des protéases virales (Figure 4) pendant la traduction. Certaines des protéases virales sont actives tout en faisant partie de la polyprotéine.
Les protéines virales libérées de la polyprotéine comprennent :

  • Les protéines de capside VP1 à VP4

  • La protéine VPg

  • Les protéases virales

  • Une ARN polymérase dépendante de l’ARN
     

rna2.jpg (114055 bytes) Figure 3. Structure de l’ARN génomique des Picornaviridae

Réplication de l’ARN Viral

1) La polymérase à ARN virale recopie le génome brin (+) en une copie d’ARN brin (-). Ce processus implique :

  • L'ARN polymérase dépendante de l’ARN

  • La protéine virale VPg

  • Certaines protéines de la cellule hôte
     

newrna3.jpg (105042 bytes) Figure 4. Traduction et processing des protéines virales chez les Picornaviridae. D’après Schaechter et al. Mechanisms of Microbial Disease 2ème Edition

La protéine VPg sert d’amorce pour la synthèse de l’ARN viral, ce qui explique sa présence à l’extremité 5’ de tous les ARNs viraux.

2) L’ARN brin (-) sert de matrice pour la synthèse de nouvelles copies brin (+) du génome viral(Figure 5). Encore une fois, la synthèse de l’ARN viral implique la polymérase à ARN virale et la protéine VPg.

Les nouvelles copies d’ARN brin (+) peuvent

i) Servir de matrice pour la production de copies d’ARN brin (-)
ii) Servir d’ARNm pour la production de protéines virales
iii) S’incorporer dans des capsides virales
 

 

Assemblage et libération

La réplication et l’expression de l’ARN viral se fait dans des « usines » de production virale à proximité de vésicules dérivées du réticulum endoplasmique. L’accumulation de protéines virales et de capsides en cours d’assemblage au niveau de ces sites mène à la formation de corps d’inclusion dans le cytoplasme des cellules infectées.

Dès qu’une quantité suffisante de protéines et d’ARN viraux s’est accumulée, l’ARN viral associé avec la protéine VPg s’associe avec les protéines de capside (VP0, VP1 et VP3) pour former des particules immatures. La protéine VP0 est clivée en des protéines VP2 et VP4 pour former des virions matures, infectieux. Classiquement, on considère que la libération des particules virales se fait par lyse de la cellule hôte, mais il semble que certains Picornaviridae sont capables de modifier le mécanisme d’autophagie de la cellule hôte, afin de permettre la sécrétion des particules virales.
 

 

rna4.jpg (104249 bytes) Figure 5. Réplication du génome viral chez les Picornaviridae

 

A retenir à propos de la stratégie de réplication des Picornaviridae
Cycle de réplication entièrement cytoplasmique
Pas de distinction entre phases précoce et tardive
Traduction initiée par la structure IRES dans l’ARN viral
Production d’une polyprotéine clivée par des protéases virale


 

 

Figure 6. Particules d’un Rhabdovirus à la surface d’une cellule épithéliale (Microscopie électronique de balayage). © Dennis Kunkel Microscopy Inc., avec permission.

VIRUS à ARN brin (-) – Classe V de Baltimore

Ordre Mononégavirales – génomes non-segmentés

Exemples

  • Rhabdoviridae (Figure 6)

  • Paramyxoviridae (Figure 11)


Rhabdoviridae

Propriétés

Les particules virales sont enveloppées, avec une nucléocapside hélicoïdale. Elles ont une forme caractéristique d’obus (Figure 7).

L’ARN génomique est brin (-) d’une longueur de 11 à 15 kb codant pour 5 protéines.

Exemple : Le virus de la rage. Le Rhabdovirus le plus étudié est le virus de la stomatite vésiculaire (VSV), un pathogène des porcs et d’autres animaux d’élevage.
 

rna6.jpg (200338 bytes) Figure 7. Structure générale d’un Rhabdovirus

 

Figure 7b Bourgeonnement du virus de la rage à partir d’un corps d’inclusion (appelé « corps Négri) vers le réticulum endoplasmique dans une neurone. A. Corps Négri ; B. Ribonucléoprotéine virale abondante dans le corps Négri ; Particule virale en bourgeonnement. Image en microscopie éléctronique du CDC, Etats-Unis.

Attachement, entrée et décapsidation

Le virus s'attache à la surface de la cellule hôte grâce à l’interaction entre la glycoprotéine d’enveloppe du virus (G) et son récepteur cellulaire (Figure 7).


La particule virale est ensuite internalisée par endocytose. L’acidification de l’endosome active le domaine de fusion de la protéine G du virus, qui provoque la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane endosomiale. La nucléocapside, associée avec la polymérase à ARN virale, est alors libérée dans le cytoplasme.

Transcription et traduction des gènes viraux

Dans ce contexte, «Transcription» fait référence à la synthèse des ARNm.

Chez les Mononegavirales la décapsidation complète de l’ARN génomique n’est pas nécessaire pour la transcription. L'ARN polymérase du virus peut recopier l’ARN quand il est encore associé avec la nucléocapside, car la structure de la nucléocapside est telle que l’ARN génomique est enfilé à l’extérieur de la structure hélicoïdale formée par la protéine de nucléocapside. Ceci est un avantage pour le virus parce qu’il permet de protéger l’ARN génomique contre les ribonucléases, et contre les récepteurs de la réponse immune innée de l’hôte qui reconnaissent de l’ARN.
 

rna7.jpg (244101 bytes) Figure 8. Transcription et réplication de l’ARN chez les Rhabdoviridae

Les Mononegavirales possèdent un ARNm monocistronique pour chacune des cinq protéines codées par le virus (Figure 8). Les ARNm sont coiffés, méthylés, et polyadénylés par la polymérase à ARN virale. Comme il s'agit d'un virus à ARN brin (-) cytoplasmique, les activités enzymatiques pour la synthèse et la modification de l'ARNm sont incorporées dans le virion.

Les ARNm sont traduits par les ribosomes de l’hôte. Les cinq protéines virales sont produites en même temps, et il n’y a pas de distinction entre phases précoce et tardive.

Réplication de l’ARN génomique

La réplication de l'ARN est le processus par lequel de nouvelles copies d'ARN génomique sont produites (figure 8).

La réplication de l'ARN a lieu dans le cytoplasme et elle est réalisée par l'ARN polymérase virale. Le choix entre la production des ARNm et de l’ARN brin (+) de longueur génomique est influencé par la présence de la nucléoprotéine virale. En effet, lorsqu’une quantité suffisante de protéine de nucléocapside est disponible, l’ARN viral nouvellement synthétisé s’associe immédiatement avec elle. Cette association inhibe la transcription des ARNm courts, et favorise la production d’ARN viral de longueur génomique. Les ARNs de longueur génomiques ne sont pas coiffés, ni polyadenylés, et ne sont pas traduits par les ribosomes de l’hôte (en particulier car ils sont revêtus de protéine de nucléocapside).

rna8.jpg (218897 bytes) Figure 9. Transport des glycoprotéines virales du réticulum endoplasmique vers la membrane plasmique.



Le nouveau brin (+) est copié à son tour en ARN de longueur génomique brin (-), qui est également recouvert de protéine de nucléocapside au cours de sa synthèse.

Les nouvelles copies d’ARN génomique brin (-) peuvent:

i. Servir de matrice pour la synthèse de copies brin (+) d’ARN génomique
ii. Servir de matrice pour la synthèse d'ARNm
iii. S’incorporer dans des virions

RNA9.jpg (131577 bytes) Figure 10. Vue schématique de l’assemblage d’un Rhabdovirus par bourgeonnement.

Assemblage

La particule virale comprend deux modules, l’enveloppe et la nucléocapside.

Enveloppe:
Comme d’autres protéines transmembranaires, la protéine G des Rhabdoviridae est transportée vers la lumière du réticulum endoplasmique, pendant sa synthèse. Le domaine extracellulaire est glycosylé, puis la protéine G est transportée par des vésicules à la membrane cellulaire impliqué dans le bourgonnement des particules virales. Pour le VSV, il s’agit de la membrane plasmique (Figure 9).

Nucléocapside:
La protéine de nucléocapside s’associe avec l’ARN génomique au cours de sa synthèse. Les nucléocapsides quittent la cellule par bourgeonnement aux zones de la membrane contenant les protéines virales G et M (Figure 10). La protéine de matrice (M) interagit avec le domaine cytoplasmique de la glycoprotéine G, et avec la nucléocapside.
 

 

A retenir à propos de la stratégie de réplication des Rhabdoviridae
Cycle de réplication entièrement cytoplasmique
Pas de distinction entre phases précoce et tardive
Polymérase à ARN dépendant de l’ARN encodée dans le génome viral et incorporée dans le virion
Deux types de transcrits distinctes – ARNm et copies d’ARN génomique

 

 

 

para-4a.gif (107465 bytes) Figure 11. Un Paramyxovirus en microscopie électronique à coloration négative © Dr Linda Stannard, Université de Cape Town (avec permission).

Paramyxoviridae

Propriétés

Les particules virales (Figure 11) sont pléomorphes – c’est-à-dire que plusieurs formes de particule virale différentes peuvent être observées dans un même échantillon viral. La nucléocapside de symétrie hélicoïdale est flexible, permettant son repliement à l’intérieur de la particule (Figure 12).

L’enveloppe contient deux glycoprotéines virales : la protéine d’attachement, et la protéine F.

  • La protéine d’attachement se fixe sur le récepteur cellulaire. Elle peut être dotée des activités d’Hémagglutination et de Neuraminidase (protéine HN) ; une activité d’hémagglutination seule (protéine H); ou aucune des deux activités - elle est alors désignée simplement comme protéine G.

  • La protéine F est responsable de la fusion membranaire

  • L’ARN génomique est brin (-) d’une longueur d’environ 15 kb codant pour 8 protéines.
     

RNA10.jpg (66096 bytes)  Figure 12. Structure générale d’un Paramyxovirus.  

Paramyxoviridae

Genre

Glycoprotéines

Exemples

Sous-famille Paramyxovirinae

Paramyxovirus

HN, F

Virus Parainfluenza de type 1 et 3

Rubulavirus HN, F Virus des oreillons
Virus Parainfluenza de type 2 et 4

Morbillivirus

H, F

Virus de la rougeole

Sous-famille Pneumovirinae

Pneumovirus

G, F

Virus respiratoire syncytial

Metapneumovirus G, F Différents Metapneumovirus

 

 

Hémagglutination

L’hémagglutination est facile de visualiser en laboratoire clinique et il est une propriété utilisé en diagnostic.

Hémagglutination implique l'agglutination des globules rouges, et repose sur la capacité d'un virus de se lier aux récepteurs des hématies. Etant donné que les virus ont de multiples protéines de fixation par virion, ils peuvent se lier à plus d'un globule rouge, de façon à relier des globules rouges en un réseau. Un virus inactivé peut encore provoquer l’hémagglutination à condition que ses protéines de fixation soient intactes.

Si une personne développe des anticorps dirigés contre une hémagglutinine virale, la fixation de ces anticorps sur l’hémagglutinine empêchera sa fixation sur les globules rouges. Le sérum de cette personne inhibera donc la réaction d'agglutination provoquée par le virus contre lequel les anticorps sont dirigés - mais il n’inhibera pas l’l’hémagglutination provoquée par d'autres virus. Ainsi, l’inhibition de l’hémagglutination peut être utilisée pour déterminer quels virus hémagglutinants ont infecté une personne par le passé.

Hémadsorption

Au cours de l’infection par certains virus enveloppés, la protéine d’attachement virale est insérée dans la membrane plasmique de la cellule infectée. Si la protéine d’attachement du virus possède une activité d’hémagglutination, la cellule infectée fixera des globules rouges - c'est ce qu'on appelle l’hémadsorption. Dans un laboratoire de virologie clinique, l’hémadsorption peut permettre la détection de stades précoces d’une infection en culture cellulaire, avant l’apparition d’un effet cytopathogène prononcé.

 

RNA11.jpg (64188 bytes) Figure 13. Vue schématique de l’attachement et entrée des Paramyxoviridae.

Attachement, entrée et décapsidation

La protéine d’attachement H(N)/G reconnaît des récepteurs à la surface des cellules, et la protéine F facilite la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane plasmique. Chez les Paramyxoviridae la protéine F est capable d’induire la fusion membranaire à pH neutre, et par conséquent, ces virus possèdent la capacité d’entrer dans la cellule par fusion directe avec la membrane plasmique (figure 13).

Une autre conséquence de l’activité de la protéine F à pH physiologique, est la formation des syncytia entre des cellules infectées par des Paramyxoviridae et des cellules non-infectées voisines.

 

RNA12.jpg (55341 bytes) Figure 14. Transcription et réplication de l’ARN chez les Paramyxoviridae.

Transcription, traduction et réplication de l’ARN viral

Les événements à l'intérieur de la cellule infectée sont très similaires à ceux observés au cours d’une infection par les Rhabdoviridae (figure 14):

  • La réplication virale a lieu dans le cytoplasme

  • Comme il s'agit d'un virus ARN à brin négatif, la polymérase à ARN est incorporée dans le virion

  • L'ARN polymérase virale utilise l’ARN associé avec la nucléocapside comme matrice

  • La décapsidaton complète de l’ARN génomique n’est pas nécessaire

  • Les ARNm viraux sont coiffés, méthylés et polyadénylés par l’ARN polymérase virale, puis traduits par les ribosomes de la cellule hôte.

  • Il n’y a pas de distinction entre les phases précoce et tardive


Un ARN viral brin (+) de longueur génomique sert d’intermédiaire pour la production de nouvelles copies de l’ARN génomique. Les brins (+) et (-) de longueur génomique sont recouverts de protéine de nucléocapside pendant leur synthèse (figure 14).

Les nouvelles copies d’ARN génomique brin (-) peuvent:

i. Servir de matrice pour la synthèse de copies brin (+) d’ARN génomique
ii. Servir de matrice pour la synthèse d'ARNm
iii. S’incorporer dans des virions
 

 

RNA13.jpg (42371 bytes) Figure 15. Activation de la protéine de fusion (F) par clivage protéique.

 

flucolo3.gif (58901 bytes) Figure 16. Le virus de la grippe A (famille Orthomyxoviridae) en microscopie électronique à coloration négative © Dr Linda Stannard, Université de Cape Town (avec permission).

Assemblage

Les glycoprotéines virales (les protéines d’attachement et de fusion) sont insérées dans la membrane du réticulum endoplasmique pendant leur synthèse, et transportées vers la membrane plasmique de la cellule. La protéine M (matrice) permet aux nucléocapsides d’interagir avec les régions de la membrane plasmique où se trouvent les glycoprotéines virales.

Les particules virales sont libérées par bourgeonnement à travers la membrane.

Le rôle de la neuraminidase

Chez les paramyxovirus qui la possède, la neuraminidase facilite la libération des particules virales. Dans ce cas, l'acide sialique semble constituer une partie importante du récepteur du virus. La neuraminidase élimine l'acide sialique (acide neuraminique) de la surface de la cellule infectée et des particules virales. Ainsi, les virions libérés par une cellule infectée ne collent pas les uns aux autres ou à la cellule qu’ils viennent de quitter par bourgeonnement (ou n'importe quelle autre cellule infectée). Ils seront donc en mesure de diffuser à distance jusqu'à ce qu'ils rencontrent une cellule non infectée.

La neuraminidase peut aussi faciliter l'infection car, si le virus se fixe aux résidus d'acide sialique dans le mucus, il ne sera pas capable de se fixer à un récepteur sur une cellule et ne pourra pas démarrer un cycle de réplication. Par contre, si l'acide sialique dans le mucus est détruit par l’activité de la neuraminidase, le virus sera libéré et pourra alors atteindre un récepteur à la surface d’un cellule.

L'activation de la protéine F

La protéine F est synthétisée sous forme d’un précurseur inactif, appelé F0. Le clivage protéolytique du précurseur F0 par des protéases cellulaires résulte en la maturation de la protéine F en une forme (appelée F1-F2) qui est capable de provoquer la fusion membranaire lorsque le virus se lie à une autre cellule (figure 15). En l’absence du clivage de la protéine F0, les particules virales libérées par une cellule infectée ne seront pas infectieuses.
 

 

Quelques différences entre les Rhabdoviridae et les Paramyxoviridae

  Rhabdovirus Paramyxovirus
Forme En obus Ronde, pléiomorphique
Glycoprotéines Une seule – possède les activités d’attachement et de fusion membranaire Deux – une protéine d’attachement et une protéine de fusion
pH de fusion Acide Neutre

 

 

orthomyx-flu.gif (28918 bytes) Figure 17. Le virus de la grippe A (famille Orthomyxoviridae) en microscopie électronique à coloration négative © Dr Linda Stannard, Université de Cape Town (avec permission).

bunya.gif (699138 bytes) Figure 18. Un Bunyavirus en microscopie électronique à coloration négative (d’après la base de données ICTV)

cupixi_b.gif (94227 bytes) Figure 18b. Cellule Vero E6 infectée par un Arenavirus en microscopie électronique (grossissement environ 12 000x). On peut vois des particules libérées par bourgeonnement à la surface de la cellule. Image fournie par Cynthia Goldsmith MS ; Division Pathologie des Maladies Infectieuses, CDC Etats-Unis.

Virus à ARN brin (-) – génomes segmentés

Exemples

  • Orthomyxoviridae (Figures 16 et 17)

  • Bunyaviridae (Figure 18)

  • Arenaviridae (Figure 18b)

  • Orthomyxoviridae


Les Orthomyxoviridae comprennent les virus de la grippe, et les Thogoto virus, qui sont les virus des animaux transmis par les tiques.

Il existe trois groupes de virus de la grippe: A, B et C. Les virus grippaux A et B sont les plus importants dans la maladie humaine, et le virus de la grippe A, étant périodiquement responsable de pandémies sévères, est le plus étudié.

Le génome est ARN brin (-), segmenté. C'est à dire que les différents gènes qui constituent le génome viral sont codés sur des molécules d'ARN génomique distinctes. Chez les virus de la grippe A et B, le génome comporte 8 segments différents. Chacun de ces segments génomiques est incorporé dans la particule virale sous forme d'une nucléocapside hélicoïdale associée avec l'ARN polymérase virale, qui est composée de 3 sous-unités, PA, PB1 et PB2 (Figure 19).

Les particules sont enveloppées, polymorphes (c'est à dire qu'ils varient en forme), et possèdent deux glycoprotéines d'enveloppe (Figure 19).

HA - Hémagglutinine - C'est la protéine d'attachement et de fusion
NA - Neuraminidase - Elle élimine l'acide sialique de la surface du virus et de la cellule hôte, et facilite la libération des particules virales des cellules infectées.
 

RNA14.jpg (63321 bytes) Figure 19. Structure générale d’un Orthomyxovirus
Attachement et Entrée

Le virion s'attache à des récepteurs comportant l'acide sialique sur la surface de la cellule et il est internalisé par endocytose. Au pH acide de l'endosome, l'hémagglutinine subit un changement de conformation qui provoque la fusion entre l'enveloppe virale et la membrane de l'endolysosome. Les nucléocapsides sont libérées dans le cytoplasme.
 

 

RNA15.jpg (37038 bytes) Figure 20. Transcription de l’ARNm chez les Orthomyxoviridae

Transcription et traduction de l'ARN viral

Les nucléocapsides sont transportées dans le noyau, et la synthèse des ARNm viraux et la réplication de l'ARN viral sont nucléaires.

La réplication nucléaire est très inhabituel pour un virus à ARN. En effet il s'agit d'un caractéristique unique des Orthomyxoviridae – tous les autres virus à ARN se répliquent dans le cytoplasme.

Le virus de la grippe exploite un mécanisme particulier pour l'initiation de transcription des ARNm viraux.
La protéine PB2 se fixe sur l'extrémité 5' d'un ARNm coiffé de l'hôte, qui est ensuite clivée par l'activité d'endonucléasique de la protéine PB1 pour produire un ARN méthylé d'une longueur d'environ 13 à 15 nucléotides. Ce fragment d'ARN est ensuite utilisé comme amorce pour la synthèse de l'ARNm viral (figure 20). Par conséquent, tous les ARNm de la grippe ont une courte séquence à l'extrémité 5' dérivée d'un ARN de l'hôte.

L'ARN polymérase virale prolonge l'amorce et copie l'ARN génomique du virus en ARNm, puis rajoute une queue poly-A à l’extrémité 3'. Huit transcrits primaires sont produits; un transcrit par segment génomique. Les segments génomiques 7 et 8 donnent lieu à des transcrits primaires qui peuvent subir un épissage alternatif (puisque le virus de la grippe synthétise des ARN dans le noyau, il a accès à la machinerie d'épissage de la cellule hôte). Par exemple, le segment 7 donne naissance à deux ARNm, l'un codant pour la protéine M1 et l'autre pour la protéine M2. Les ARNm sont exportés dans le cytoplasme, puis traduits en protéines virales. Les protéines transmembranaires sont transportées vers la membrane plasmique tandis que les protéines nécessaires à la réplication de l'ARN sont importées dans le noyau.
 

 

Réplication de l'ARN viral

La réplication de l'ARN se produit dans le noyau à l'aide de la polymérase virale (il n'est pas encore clair si il s'agit d'une ARN polymérase identique à celle impliquée dans la transcription des ARNm, ou d'une forme modifiée). Une copie exacte (sans coiffe 5', et sans queue polyA) complémentaire de chaque segment génomique du virus est produit. Ce transcrit brin (+) est probablement recouvert de protéine de nucléocapside au cours de sa synthèse. Les copies brin (+) des segments génomiques sont utilisées en tant que matrices pour la synthèse de nouvelles copies des segments génomiques du virus. Les copies brin (-) sont également associées avec la protéine de nucléocapside pendant leur synthèse. Elles peuvent être utilisées

1. comme matrice pour la synthèse des ARNm viraux
2. comme matrice pour la réplication du génome viral
3. exportées vers le cytoplasme pour incorporation dans de nouvelles particules virales.

Assemblage, Libération et Maturation

Les virions des Orthomyxoviridae sont assemblés à la membrane plasmique.

Les nucléocapsides sont exportées hors du noyau tandis que les protéines d'enveloppe sont transportées par l'intermédiaire de l'appareil de Golgi vers la membrane plasmique. La protéine M1 interagit à la fois avec la nucléocapside, et les domaines cytoplasmiques des glycoprotéines HA et NA, et permet donc l'association des nucléocapsides avec l'enveloppe virale. Les particules virales quittent la cellule par bourgeonnement.

La protéine NA aide le virus à quitter la cellule hôte par l'élimination de l'acide sialique des récepteurs cellulaires, et de la surface des particules virales. La NA peut également aider le virus à pénétrer le mucus pour atteindre les cellules épithéliales des voies respiratoires, en lui permettant de se dissocier de récepteurs contenant de l'acide sialique dans le mucus. La neuraminidase n'empêche pas le virus d'infecter de nouvelles cellules, car l'endocytose est la fusion membranaire provoquée par l'hémagglutinine est sans doute plus rapide que la destruction du récepteur par la neuraminidase.

La protéine HA est synthétisée sous forme d'un précurseur, HA0, qui est incapable de provoquer la fusion membranaire. Sa maturation par clivage protéolytique en des domaines HA1 (responsable de la fixation du virus sur son récepteur) et HA2 (responsable de la fusion membranaire), est nécessaire pour l'acquisition de la fonction de fusion membranaire. La protéine mature HA1-HA2 doit subir un changement de conformation, généralement causée par l'exposition à l'environnement acide des endosomes quand il infecte la cellule suivante, avant qu'il ne puisse provoquer la fusion.

Le clivage du précurseur HA0 en protéines HA1-HA2 se produit pendant la sortie du virus de la cellule, ou dans le fluide extracellulaire. En l'absence de ce clivage, des particules virales libérées d'une cellule infectée ne sont pas infectieuses.

Pour la plupart des virus de la grippe, l'expression des protéases qui effectuent la maturation de la protéine HA0 est restreinte à l'appareil respiratoire. La propagation du virus est donc limité à ce tissu.

Comparaison Paramyxoviridae / Orthomyxoviridae

Il y a des similitudes et des différences entre les Paramyxoviridae et les Orthomyxoviridae.
Les particules des deux types de virus sont enveloppées, et contiennent un génome en ARN brin (-) associé avec une nucléocapside hélicoïdale. Sur le plan clinique, les deux types de virus provoquent des infections respiratoires (ou des infections systémiques qui sont transmises par voie respiratoire, comme la rougeole).

Cependant, sur le plan moléculaire, les deux familles sont très différentes. Il n'existe aucune relation sérologique entre les protéines d'attachement des Paramyxoviridae et celles des Orthomyxoviridae, et les analyses d'homologie de séquence des polymérases à ARN n'indiquent pas de lien phylogénétique entre les Paramyxoviridae et les Orthomyxoviridae.
 

   

Propriété

PARAMYXOVIRIDAE

ORTHOMYXOVIRIDAE

Génome

Monocaténaire

Segmenté

Réplication ARN

Cytoplasmique

Nucléaire

Besoin d'une amorce ARNm de la cellule hôte

Non

Oui

Hémagglutinine, Neuraminidase

Si les deux activités sont présentes, il s'agit d'une seule protéine (HN)

Les deux sont présentes, mais sur des protéines distinctes (HA et NA)

Formation des syncytia

Oui (Protéine de fusion fonctionne à pH neutre)

Non (fusion des membranes seulement à pH acide)

 

reo.gif (19836 bytes) Figure 21. Visualisation en 3 dimensions de la capside d’un Reovirus. La modélisation informatique a été effectuée à partir de données de microscopie cryo-électronique du laboratoire de Tim Baker, Purdue University. D’après Virus World du Dr J-Y Sgro, avec permission. Virus à ARN double brin

Reoviridae

La famille Reoviridae englobe plusieurs genres, y compris:

  • Reovirus
  • Rotavirus
  • Orbivirus
  • Coltivirus (nommé d'après le virus de "Colorado Tick Fever")
     

 

RNA16.jpg (47665 bytes) Figure 22. Structure générale d’un Reovirus. D’après Joklik et al. dans Zinsser Microbiology (20th Edition)

Les Reoviridae sont des virus non-enveloppés, avec une capside de symétrie icosaédrique formée de multiples couches de protéine. En microscopie électronique, il est possible de distinguer des particules virales matures (Figure 23, à gauche) et des particules plus petites dites "particules core" (Figure 23, à droite). Ces observations ont mené au modèle classique de structure des Reoviridae selon lequel les particules virales sont composées d'une couche interne, et d'une couche externe de protéines de capside.

L'ARN génomique est double brin, composé de 10 à 12 segments distinctes selon le genre auquel appartient le virus (figure 22). Les Reovirus et les Orbivirus possède 10 segments génomiques; les Rotavirus, 11; et les Coltivirus, 12.

Il ya des différences significatives dans le cycle de réplication des Rotavirus par rapport à d'autre virus de famille par Reoviridae. En raison de leur importance clinique chez l'Homme, nous allons mettre l'accent sur les Rotavirus.
 

 

rotaboth.gif (67417 bytes) Figure 23. Particules d’un Rotavirus en microscopie électronique à coloration négative. A gauche, particule virale mature ; à droite, particule virale "core". © Dr Linda Stannard, Université de Cape Town (avec permission).

Rotavirus

(rota = roue (de l'apparence de virions dans en microscopie électronique)) (figure 23)

Les analyses fines de la structure des Rotavirus ont révélé que la particule "core" est elle-même composée de deux couches de protéine, et il est admis actuellement que les particules des Rotavirus sont composés d'une couche interne (T=1, composée de la protéine virale VP2), d'une couche intermédiaire (T=13, composée de la protéine virale VP6), et d'une couche externe (T=13, composée de la protéine virale VP7, et de la protéine des spicules, VP4). La particule "core" est donc composée des protéines VP2 et VP6, formant les couches interne et intermédiaire de la particule mature.

Attachement, Entrée et Décapsidation

On ne sait toujours pas précisément ce qui se passe in vivo lors de l'entrée des Rotavirus dans la cellule. Une protéase semble nécessaire pour cliver la protéine de capside VP4 en deux protéines (VP5* et VP8*) et de générer une «particule sub-virale intermédiaire» (ISVP) qui est capable de pénétrer dans la cellule hôte. In vivo, les ISVPs sont probablement générées par la digestion protéolytique dans le tractus gastro-intestinal. Les produits de la protéolyse de VP4, VP5* et VP8*, forment les protéines d'attachement du virus, qui se lient à des récepteurs de l'hôte. Il s'agit d'un processus en de multiples étapes, avec d'abord la fixation sur l'acide sialique de l'hôte (par VP8*), puis l'internalisation de la particule virale par endocytose, effectuée via une interaction entre la capside virale et les intégrines de l'hôte. La protéine VP5* provoque la pénétration des deux couches internes de la capside virale dans le cytoplasme.
 

Dans le cytoplasme, l'ARN viral est copié par l'ARN polymérase virale tout en restant à l'intérieure de la nucléocapside composée seulement des protéines VP2 et VP6 qui forment les couches internes et intermédiaires de la capside virale.

newrna17.jpg (123566 bytes) Figure 24. Schéma du cycle de réplication des Reoviridae.

Transcription et traduction des ARNm viraux

L'ARN génomique du virus, étant double brin, ne fonctionne pas comme un ARNm, et donc la première étape est de transcrire de l'ARNm à partir du génome.

Les ARNm sont produits par une ARN polymérase virale incorporée dans le virion. L'ARN est coiffé et méthylé par une enzymes virale, qui se trouve également à l'intérieur de la particule virale. L'ARNm viral est ensuite extrudé à partir des pores qui se situés aux sommets de la capside.

Les ARNm sont traduits et les protéines virales VP2 et VP6 s'assemblent pour former une capside immature. Les ARNm sont incorporés dans la capside immature et sont ensuite recopiés à l'intérieur de la capside pour former des ARN double brin génomique (On ne sait pas comment le virus s'assure que chaque particule reçoit une copie de chacun des 11 ARNm différents) (figure 24). Les nouvelles particules "core" se mettent à leur tour à produire des ARNm.

Assemblage et Libération

Les particules "core" incorporant l'ARN génomique, et les enzymes virales, entourés de la couche interne (VP2) et la couche intermédiaire (VP6) de la capside sont formés dans le cytoplasme. Ces particules acquièrent la troisième couche de la capside en deux étapes.

Initialement, elles acquièrent une enveloppe par bourgeonnement dans la lumière du réticulum endoplasmique. Ensuite, cette enveloppe est perdue en même temps que l'acquisition des protéines de la couche externe de la capside (VP7 et VP4).

Ce mécanisme de maturation des particules virales par l'acquisition, puis la perte d'une enveloppe est un caractéristique très étrange de les rotavirus.

Les particules virales sont libérées par lyse cellulaire, ou par sécrétion.
 

 

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