INFECTIOUS DISEASE

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Virologie Chapitre 5

La génétique des virus
 

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

Dr Dorian McIlroy
Université de Nantes
France

 

Généralités

Les virus se répliquent rapidement, et normalement il y a un grand nombre de particules virales produites à partir d’une cellule infectée. Les virus ont donc un plus grand potentiel que les organismes cellulaires à générer des mutations dans un laps de temps court .

Les génomes viraux peuvent être modifiés par la mutation ou par la recombinaison.
La nature du matériel génétique (ARN ou ADN, segmenté ou monocaténaire) joue un rôle important dans la génétique des virus, et la fréquence relative de la mutation et de la recombinaison.

Virus Mutants

Origine des Mutations

Mutations spontanées
Ce type de mutation se produit lors de la réplication virale, par exemple à cause des erreurs de copies introduites par la polymérase responsable de la réplication du génome, ou par l’incorporation de tautomères des bases nucléotidiques.

Les virus à ADN ont tendance à plus de stabilité génétique que les virus à ARN ou des rétrovirus. Il existe des mécanismes de correction d’erreurs pour la réparation de l’ADN chez la cellule hôte, mais pas de système comparable pour l’ARN.

Certains virus à ARN ont des génomes remarquablement stables. Il est probable que ces virus subissent le même taux de mutation que d’autres virus à ARN, mais qu’ils sont tellement bien adaptés pour maximiser leur transmission et réplication, que même l’incorporation d’un faible nombre de mutations rendrait les virus mutants moins efficace que le virus sauvage (wild-type, ou WT). Dans ce cas, on peut considérer que la stabilité génétique d’un virus à ARN est un résultat de son adaptation à un hôte possédant un grand génome en ADN, qui reste constante à l’échelle de temps de la réplication virale.

Mutations Induites

Des traitements chimiques et physiques peuvent induire des mutations dans des acides nucléiques

Mutagènes chimiques

Composés agissant directement sur les bases nucléotidiques - par exemple, l’acide nitreux, ou les espèces actives dérivées d’oxygène (EADO).

Composés avec une action indirecte – par exemple, les analogues des bases nucléotidiques, comme le 5-bromouracile, qui peuvent s’insérer dans l’ADN ou l’ARN et qui s’apparient plus facilement avec une base incorrecte.

Mutagènes physiques

Les rayonnements UV ou les rayons-X. Il est important de noter, par contre, que la plupart des effets mutagènes des rayons-X est une conséquence de la génération des EADO à proximité de l’ADN.

 

Types de Mutation

Les mutations peuvent être ponctuelles (une base remplacée par une autre) ou des insertions/délétions de un ou de plusieurs nucléotides.

Exemples de phénotypes "mutants" chez les virus

Phénotype = propriétés observables d’un organisme

Mutants "Conditional Lethal"

Ces mutants se répliquent sous certaines conditions, mais pas sous d’autres. En contraste, la virus sauvage se réplique sous les deux conditions.

1) Mutants thermosensibles (ts) – le virus mutant se réplique chez des cellules cultivées à basse température (exemple 31°C) mais pas chez des cellules cultivées à haute température (exemple 39°C). La souche sauvage se réplique à 39°C et 31°C. Dans ce cas, il semble que la protéine virale touchée par la mutation est incapable de maintenir une conformation fonctionnelle à la température élevée.

2) Spectre d’hôte – le virus mutant est capable de se répliquer uniquement chez une partie des types cellulaires qui supportent la réplication du virus sauvage. Ce type de mutant est utile dans la recherche sur le rôle des facteurs de l’hôte dans la réplication virale.

Mutants de taille de plage de lyse

Les plages de lyse formées par le virus mutant ont une taille anormale – elles sont soit plus grandes, soit plus petites que les plages de lyses formées par le virus sauvage. La pathogénicité de ce type de mutant est parfois modifiée – un virus mutant qui se réplique moins bien produira des petites plages de lyse, et peut s’avérer moins virulent.

Résistance aux antiviraux

La réplication du virus mutant n’est plus inhibée par des médicaments antiviraux. La sélection de ce type de mutant au cours de la thérapie antivirale est une possibilité qui doit être prise en compte en clinique.

Mutants déficients en une enzyme virale

Parmi les différentes enzymes virales, certaines ne sont pas toujours essentielles à la réplication virale. Par exemple, chez le virus Herpes simplex 1, la thymidine kinase n’est pas nécessaire à la réplication du virus en culture cellulaire, mais elle est importante pour l’infection des neurones in vivo. Il est donc possible d’isoler des virus déficients en thymidine kinase en culture cellulaire.

Mutants "chauds"

Ces mutants se répliquent mieux que le virus sauvage à température élevée. Les mutants "chauds" peuvent s’avérer plus pathogènes que le virus sauvage, car la réplication d’un mutant "chaud" ne sera pas inhibée par la fièvre chez l’hôte.

Mutants atténués

Tous les mutants qui provoquent des symptômes moins sévères que le virus sauvage, ou qui résultent en une infection asymptomatique sont des mutants atténués. Plusieurs vaccins sont des virus atténués, et l’étude des mutations responsables de l’atténuation des symptômes aide à comprendre les mécanismes de pathogénèse chez le virus sauvage.
 

Les virus ne se reproduisent pas par voie sexuée, et les acides nucléiques de deux particules virales ne peuvent pas être échangés directement (à la manière de la conjugaison bactérienne). Néanmoins, les échanges génétiques entre virus peuvent avoir lieu, dans le cas où plusieurs particules virales infectent la même cellule. Au sein de cette cellule infectée, les génomes des différents virus peuvent se rencontrer, et éventuellement se mélanger, en employant deux mécanismes distincts :

La recombinaison classique

La recombinaison implique la cassure d’un brin d’acide nucléique, l’échange d’acide nucléique entre deux génomes viraux, et la religation de la cassure du brin d’acide nucléique. Ce mécanisme "cassure-soudure" de recombinaison est fréquent chez les virus à ADN et chez les rétrovirus. Il est facilité par la présence d’enzymes de l’hôte capables d’effectuer la recombinaison de l’ADN. Par contre, ce type de recombinaison est très rare chez les virus à ARN, car il n’existe pas d’enzymes cytoplasmiques de l’hôte capables de catalyser la recombinaison de l’ARN.

Chez les Picornaviridae, une forme de recombinaison à faible efficacité a lieu. Le mécanisme semble consister en un changement de matrice en cours de la transcription de l’ARN génomique par l’ARN polymérase virale (mécanisme dit "copy choice", Figure 1.)

La recombinaison génétique est fréquente chez les Coronaviridae , qui comme les Picornaviridae ont un génome en ARN brin (+). Encore une fois, le mécanisme de recombinaison dépend de l’ARN polymérase virale, et n’est pas semblable au mécanisme de recombinaison de l’ADN.

Jusqu’à présent il n’y a pas d’indication que la recombinaison génétique se produit chez les virus à ARN brin (-). Chez ces virus, l’ARN génomique reste associé à la nucléocapside pendant la réplication du génome. Il n’est donc pas disponible pour l’appariement de bases, qui est nécessaire à la recombinaison.

La recombinaison permet aux virus d’assimiler de l’information génétique des virus du même genre ou famille, et parfois d’un virus totalement différent. Il est également possible (notamment chez les Retroviridae) pour un virus d’incorporer de l’ADN venant du génome de la cellule hôte.
 

Exploitation technique de la recombinaison chez les virus
a) Cartographie génétique – plus la distance entre deux gènes est grande, plus la recombinaison sera fréquente entre eux.

b) Le génome d’un virus mutant peut être "réparé" par recombinaison avec des fragments d’ADN provenant d’un virus sauvage. Ce processus conduit à la transformation d’un virus avec un phénotype mutant en un virus sauvage, et permet d’associer le phénotype du mutant avec une région du génome viral. Cette technique s’appelle "marker rescue" (littéralement, secours, ou récupération de trait) car en quelque sorte le virus mutant est "secouru" par l’ADN du virus sauvage. La même technique perme
 

Le réassortiment

Si un virus possède un génome segmenté, et si deux variantes de ce virus infectent la même cellule , les particules virales libérées par la cellule infectée peuvent comporter un génome mosaïque, certains segments venant de l'un des virus parents, d’autres segments venant de l’autre virus.

Il s'agit d'un processus efficace - mais il est limitée à des virus dont le génome est segmenté - jusqu'ici les seuls virus humains caractérisés avec des génomes segmentés sont des virus à ARN, en particulier les Orthomyxoviridae, les Reoviridae, les Arenaviridae, et les Bunyaviridae.

Le réassortiment joue un rôle important dans la nature dans l’émergnece de nouveaux virus réassortants. Il est également utile dans des expériences au laboratoire (figure 3), par exemple, dans l'attribution des fonctions aux différents segments du génome. Par exemple, dans un virus réassortant, si un segment provient de virus A et le reste de virus B, si le virus réassortant possède le même sérotype que le virus A, on pourra conclure que le segment provenant du virus A code pour une protéine immunogène à la surface du virus – soit une glycoprotéine de surface, soit une protéine de capside, dans le cas d’un virus nu.

Le réassortiment est un mécanisme non-classique de la recombinaison qui n’impliquer pas de cassure de l’acide nucléique du génome viral.
 

Applications de la génétique virale

L’un des vaccins contre la grippe, le FluMist (autorisé aux Etats-Unis depuis 2003, depuis 2011 en Europe) a été élaboré en exploitant certains des principes évoqués ci-dessus. Le vaccin est trivalent, c’est-à-dire qu’il contient trois souches de virus de la grippe (deux souches grippe A, et une souche de grippe B).

Chacun des trois souches qui composent le vaccin est un virus réassortant entre un virus mutant adapté au froid, et un virus sauvage. Les segments géniques codant pour les protéines de surface du virus de la grippe (HA - hémagglutinine et NA - neuraminidase) proviennent du virus sauvage, et les six autres segments génomiques proviennent du virus adapté au froid. Les souches vaccinales possèdent donc les propriétés antigéniques des virus sauvages, mais en sont beaucoup moins pathogènes, car leur réplication est optimale à 25 °C, plutôt qu’à 37°C. Ainsi ils peuvent se développer dans les voies respiratoires supérieures, où il fait plus frais, mais se répliquent mal dans le tractus respiratoire inférieur, qui est plus chaud. L’adaptation au froid est dû à de multiples modifications dans les différents segments du génome (en dehors des segments codant pour la HA et la NA), et la réversion vers un phénotype virulent est donc peu probable.

Le FluMist est un vaccin "vivant" attenué administré par voie intranasale sous forme de pulvérisation qui est capable d’induire une immunité mucosale et systémique.

Deux vaccins réassortant "vivant" atténués sont actuellement disponibles pour les rotavirus (RotaTeq de Merck, et Rotarix de GSK).
 

Complémentation

La complémentation d’un phénotype mutant indique une interaction au niveau fonctionnel, et non pas une échange au niveau des acides nucléiques. Par exemple, si nous prenons deux mutants avec une lésion ts (sensible à la température) dans des gènes différents, aucun des deux ne pourra se répliquer à une température non-permissive (par exemple 39°C). Si nous infectons la même cellule avec les deux virus mutants, chaque mutant peut assurer la fonction manquante de l'autre et le cycle de réplication virale pourra s’accomplir. Néanmoins, en l’absence de recombinaison génétique, les virions libérés par la cellule doublement infectée contiendront encore des génomes mutants ts et seront encore sensible à la température.

Il est possible d'utiliser la complémentation afin de regrouper et cartographier des mutants ts, car mutants deux mutants ts dans le même gène ne seront généralement pas en mesure de se compléter mutuellement. C'est un outil de base en génétique pour déterminer si les mutations se trouvent au sein d'un même gène, ou chez des gènes différents, et de déterminer le nombre minimum de gènes distinctes qui contribuent à une fonction précise.
 

Réactivation à forte MOI

Si un virus à ADN double brin est inactivé par irradiation ultraviolette, le virus peut se "réactiver" si l'on infecte des cellules avec le virus inactivé à une très forte multiplicité d'infection (MOI). Dans ce cas, un grand nombre de particules virales par cellule rentrent dans chaque cellule infectée, ce qui permet aux différents génomes inactivés de coopérer d'une certaine manière.

Dans un premier temps, il est probable que la complémentation permette au virus de se développer, puisque les gènes inactivés dans une particule virale peuvent être encore fonctionnels dans l'un des autres. La forte MOI permet de rassembler à l'intérieur d'une même cellule, un génome complet à partir de plusieurs génomes défectueux. Comme le nombre de copies des génomes viraux augmente à cause de la réplication virale, la recombinaison peut se produire, entraînant de nouvelles permutations des différents génotypes mutés, et ce processus permet, parfois, de régénérer le virus sauvage.

Les Virus Défectueux

Les virus défectueux ne possèdent pas la totalité des gènes nécessaires à un cycle infectieux complet (en effet, beaucoup de virus défectueux ont incorporés des délétions dans leur génome) - et ils ont donc besoin d'un deuxième virus pour assurer les fonctions manquantes. Ce second virus est appelé un virus auxiliaire.
Le génome d'un virus défectueux doit comprendre au minimum 1) les séquences qui permettent une polymérase (virale ou cellulaire) de répliquer le génome défectueux, et 2) une séquence d’empaquetage qui permet l'incorporation du génome à l'intérieur de la particule virale. Certains virus défectueux sont capables d'assurer plus de fonctions de façon autonome.

Quelques exemples de virus défectueux:
Certains rétrovirus ont incorporé des séquences provenant de la cellule hôte dans leur génome au dépens des gènes viraux nécessaires pour leur réplication. Ces virus ont besoin d'un virus étroitement apparentés, qui conserve ces fonctions, comme virus auxiliaire.

Certains virus qui sont incapables de se répliquer de façon autonome peuvent utiliser des virus non-apparentés comme virus auxiliaires. Par exemple, le virus de l'hépatite delta (un virus à ARN) ne code pas pour sa propre protéine d'enveloppe, mais utilise celle du virus de l'hépatite B (un virus à ADN). Dans de tels cas, le virus "non-autonome" est le plus souvent considéré comme un virus satellite, plutôt qu'un virus défectueux.
 

Particules "Défectueuse à Interférence" (DI)

La réplication du virus auxiliaire peut être moins efficace en présence du virus défectueux qu'en son absence. En effet, à l'intérieur de la cellule infectée, le génome du virus défectueux est en concurrence avec celui du virus auxiliaire. Ce phénomène est appelé "interférence", et les particules défectueuses responsables de ce phénomène sont connus comme des particules "défectueux" à interférence (DI). Tous les virus défectueux ne provoquent pas de l'interférence interfèrent, mais il s'agit néanmoins d'un phénomène fréquent chez les virus défectueux.

Notez qu'il est possible que les particules DI puissent moduler la pathologie des infections naturelles. Par exemple, chez les virus des plantes, la co-infection par un virus satellite est le plus souvent associée avec phytopathologie atténuée, par rapport avec une infection par le virus auxiliaire tout seul. En revanche, la co-infection par le virus de l'hépatite delta à tendance à exacerber la pathologie des infections par le virus de l'hépatite B.

Fig. 6. Formation d'un virus pseudotypé par mélange phénotypique

Mélange phénotypique

Si deux virus différents infectent la même cellule, les virus descendants peuvent contenir des composants d'enveloppe ou de capside provenant de deux virus parents. C'est ce qu'on appelle le mélange phénotypique (figure 5). Elle n'entraîne pas de modification dans le matériel génétique, et la descendance de ces virions sera déterminée par le génome à l'intérieure de la particule virale, et non par la nature de l'enveloppe ou de la capside à l'extérieur de la particule.

Un mélange phénotypique peut se produire entre des virus apparentés, par exemple deux membres différents de la famille des Picornaviridae, ou entre des virus génétiquement distinctes, par exemple, entre un rhabdovirus et un paramyxovirus. Dans ce dernier cas, les deux virus impliqués sont généralement enveloppés, car il semble que les contraintes moléculaires impliquées dans l'empaquetage de la nucléocapside d'un virus dans l'enveloppe d'un autre soient moins stringentes que lorsque le génome d'un virus est empaqueté dans la capside icosaédrique d'un autre virus.

Il est également possible de produire des particules chez lesquelles l'enveloppe est entièrement dérivée d'un autre virus. Par exemple, la nucléocapside d'un rétrovirus peut être associée avec l'enveloppe d'un rhabdovirus. Ce genre de mélange phénotypique est souvent appelé un pseudotype, et de telles particules sont désignées de pseudovirions (figure 6). Le pseudotype décrit ci-dessus possèdent les caractéristiques d'antigénicité, d'adsorption et de pénétration du rhabdovirus, et ensuite, lors des étapes intracellulaires du cycle de réplication, il se comportera comme un rétrovirus. Les particules libérées à la fin du cycle de réplication seront des rétrovirus "normaux", sans l'apport de l'enveloppe du rhabdovirus. Il en résulte que les pseudotypes sont dotés d'un tropisme hôte modifié de façon temporaire, qui dure uniquement pendant le premier cycle de réplication. Si le génome rétroviral ne code pas pour une glycoprotéine d'enveloppe, le virus pseudotypé ne pourra assurer qu'un seul cycle de réplication.
 

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