GÉNOME - Génome viral

GÉNOME - Génome viral

Les virus sont des assemblages plus ou moins complexes entre des protéines et un acide nucléique qui peut être soit de l’ADN, soit de l’ARN, mais jamais les deux. Les virus se multiplient en utilisant la machinerie métabolique d’une cellule-hôte (ribosomes, ARN de transfert, enzymes de la transcription et de la traduction) dont ils sont eux-mêmes dépourvus. C’est pourquoi ce sont des parasites absolus: il ne peuvent se multiplier dans un milieu de culture inerte; il leur faut s’implanter dans une cellule vivante (bactérie, cellules des tissus des plantes, des animaux et de l’homme). Ils constituent un univers biologique unique, et leur classification ne doit pas tenir compte de l’hôte qu’ils infectent.

L’organisation générale d’un virus simple comporte essentiellement un génome constitué par un acide nucléique (ADN ou ARN), porteur d’une information génétique spécifique. Ce génome est protégé par un système de sous-unités protéiques dont l’organisation obéit, dans le cas des virus simples, à des règles précises (Caspar et Klug, 1962): symétrie hélicoïdale dans le cas du virus de la mosaïque du tabac, symétrie cubique chez le poliovirus, combinaison des deux pour les urophages ou phages à queue. Quelle que soit la structure de protection (appelée capside dans les cas les plus simples), l’infection d’une cellule résulte toujours de l’introduction (selon des modalités diverses), dans cette dernière, du génome du virus. L’expression de ce génome dans les cellules infectées conduit à la multiplication des virus et à la manifestation du pouvoir pathogène. Dans quelques cas (phages tempérés, rétrovirus), le génome viral s’intègre dans l’ADN de la cellule-hôte, dont il transforme les propriétés (conversion dans le cas des bactéries infectées par certains bactériophages, transformation tumorale dans le cas des virus oncogènes). La quantité d’information contenue dans un génome viral est très variable: de 2,4 憐 10⁷ daltons d’ADN à 1,2 憐 10⁶ daltons pour les adénovirus et les petits phages. Par conséquent, le nombre des protéines codées est très différent, quelles que soient la morphologie des virus et la complexité de leur organisation. Si l’on considère enfin la nature de leur génome, on peut distinguer: les virus à ARN et les virus à ADN. Après avoir étudié ces deux types de génome viral, on traitera de quelques aspects des interactions virus-cellule, ainsi que de certaines particularités de la réplication de leur génome.

1. Les génomes viraux à ARN

Il existe une grande diversité dans l’organisation des génomes des virus à ARN, et cette diversité n’est pas obligatoirement liée à la nature des hôtes dans lesquels se multiplient les virus.

Les virus à ARN positif

On appelle virus à ARN positif des virus dont l’ARN peut être directement traduit en protéine comme l’est celui d’un ARN messager (mARN).

Virus des procaryotes

L’exemple classique des virus à ARN doué de propriétés messagères est celui des phages Q 廓, R17 et MS2. Ces messagers portent plusieurs gènes dont la séquence est précédée pour chacun par des séquences nucléotidiques reconnues par les ribosomes et pouvant être traduites indépendamment; c’est la structure secondaire de l’ARN qui est responsable de la régulation de l’expression des gènes (fig. 1).

Virus des eucaryotes

Deux exemples montrent la diversité de l’organisation des virus simples et aussi le mécanisme de la lecture des messagers viraux, mécanisme différent de celui qui vient d’être analysé à propos des procaryotes. Dans le cas du VMT (virus de la mosaïque du tabac), l’ensemble de l’information génétique est contenu dans une seule molécule d’ARN protégée par une capside à symétrie hélicoïdale, mais l’expression des divers gènes codés par le virus nécessite la formation d’ARN subgénomiques . Ces ARN, activement traduits dans un système in vitro, proviennent très vraisemblablement de la réplication partielle de l’ARN génomique à partir de son extrémité 3 OH. La figure 2 donne une idée de la relative complexité du système. Dans le cas du poliovirus, dont l’extrémité 5 est bloquée par une protéine (qui est codée par le génome viral), la totalité de l’information génétique est traduite sous la forme d’une longue chaîne polypeptidique qui sera ensuite découpée pour donner des protéines dont les unes participeront à la réplication de l’ARN viral et les autres à l’organisation de la coque protectrice (ou capside). Des variantes de ces modèles existent aussi bien chez les virus des plantes que chez les virus des animaux (et même exceptionnellement chez les bactériophages à ARN). Un exemple de ces variations est la division de l’information génétique qui a été découverte chez les virus de plantes, mais dont la généralité est maintenant reconnue. Dans le cas du virus de la mosaïque de la luzerne ou de la mosaïque du brome (pour ne citer que ces deux cas), l’information génétique du virus est contenue dans 3 molécules d’ARN qui sont fonctionnellement complémentaires les unes des autres et peuvent être encapsidées séparément ou conjointement. Parfois (cas du virus de la mosaïque de la luzerne), il existe un quatrième ARN qui est en réalité un ARN subgénomique de l’ARN 3. Ce dernier est bicistronique, mais ne peut exprimer le 2^e gène (à partir de l’extrémité 5 ) que par la formation de l’ARN subgénomique correspondant. La fonction des protéines qui sont codées par ce type de virus n’est pas connue, à l’exception de celle de la protéine synthétisée à partir de l’ARN 4, qui est la coque protéique. Quelquefois, les ARN subgénomiques ne sont pas encapsidés et sont libérés dans le cytoplasme des cellules végétales: c’est le cas pour le petit ARN du VMT qui code pour la coque protéique.

Les génomes viraux qui viennent d’être décrits sont généralement protégés par une capside simple, mais certains d’entre eux le sont par une capside à laquelle s’ajoute une enveloppe lipoprotéique dont une partie au moins des constituants est d’origine cellulaire: c’est le cas du virus sindbis et des coronavirus qui sont des virus d’animaux. Notons que, dans le cas du virus sindbis, l’information génétique complète est contenue dans une seule molécule de près de 3 憐 10⁶ daltons, mais l’expression des gènes s’effectue par une lecture partielle du grand ARN et par la lecture d’un ARN subgénomique d’une masse de 1,6 憐 10⁶ daltons, produit vraisemblable de la réplication partielle à partir de l’extrémité 3 du grand ARN. De la lecture de ces deux ARN résulte la formation de deux chaînes polypeptidiques qui sont coupées ensuite en plusieurs protéines, les coupures étant probablement dues à l’action protéasique du polypeptide géant. Tous les génomes à ARN dont nous venons de parler sont des ARN simple brin dont la réplication est assurée par un type d’enzymes encore mal défini (sauf dans le cas du bactériophage Q 廓), appelé ARN réplicase. On voit que, contrairement à ceux des procaryotes, les messagers des virus ARN+ des eucaryotes ne contiennent en général qu’un seul gène et que, lorsqu’ils sont polycistroniques, leur lecture nécessite la formation d’ARN subgénomiques.

À côté de ces virus à ARN simple brin, il existe des virus dont l’information génétique est répartie entre plusieurs morceaux d’ARN bicaténaires : ce sont les réovirus que l’on trouve essentiellement chez les animaux, mais qui existent également chez les virus des plantes et peut-être aussi chez les virus des bactéries. L’expression des gènes et la réplication des fragments des ARN viraux sont complexes, mais obéissent à des règles qui sont celles de la biologie moléculaire.

Les virus à ARN négatif

Il existe des virus à ARN simple brin dont l’acide nucléique n’a aucune propriété messagère. Les génomes de ces virus appartiennent à deux catégories principales: ceux qui sont formés par une seule molécule d’ARN et ceux qui comportent plusieurs molécules d’ARN indépendantes.

À la première catégorie appartiennent les virus du type rhabdovirus dont les exemples les plus connus sont ceux de la stomatite vésiculaire et de la rage. Les ARN de ces virus doivent tout d’abord être transcrits en ARN complémentaires par une enzyme d’origine virale existant dans la particule infectieuse (virion). Certaines molécules d’ARN complémentaire seront ensuite découpées en fragments ayant des propriétés messagères (fig. 3); il y a autant de fragments qu’il y a de protéines virales différentes à synthétiser; d’autres molécules de cet ARN complémentaire, répliquées en totalité, pourront donner naissance à une molécule d’ARN viral dépourvue de propriétés messagères, donc identique à celle présente dans les virions.

On trouve souvent, dans les populations du virus de la stomatite vésiculaire, des particules ayant un équipement en ARN incomplet et qui sont donc dépourvues de propriétés infectieuses. La signification de ces particules défectives pour une partie de leur génome n’est pas connue avec certitude.

À la deuxième catégorie des virus à ARN négatif appartient le virus de la grippe: dans la même particule virale, on trouve ici 8 ARN parfaitement distincts et dépourvus de propriétés messagères. Dès l’infection des cellules-hôtes, ces ARN sont copiés en ARN complémentaires ou ARNc, à propriétés messagères potentielles. Ainsi prennent naissance des ARN jumelés dont un des deux brins est copié sous l’action d’un réplicase (ARN polymérase) résultant de l’agrégation de plusieurs protéines virales. Des messagers actifs ne sont produits que si, à leur extrémité 5 terminale, s’ajoute une quinzaine de nucléotides représentant les régions 5 terminales des messagers cellulaires. Par ailleurs, comme dans le cas précédent, certaines molécules d’ARN positif non traduites sont copiées en ARN négatifs qui, après excision de leurs nucléotides 5 d’origine cellulaire, redonnent l’ARN encapsidé dans les virions, autrement dit le génome des nouvelles particules virales. Dans le cas des rétrovirus (VIH du sida par exemple), le brin complémentaire de l’ARN viral est non pas un ARNc mais un ADNc qui permettra au virus de s’intégrer au génome de la cellule-hôte.

2. Les génomes viraux à ADN

Beaucoup de virus des animaux et des bactéries sont des virus à ADN. Par contre, chez les végétaux, les virus à ADN sont très rares et leur multiplication présente des caractéristiques assez insolites.

ADN monocaténaire

Chez certains virus à ADN, ce dernier est sous la forme d’une molécule à un brin, généralement circulaire. Ces virus sont trouvés aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes.

Dans le cas des procaryotes , l’ADN monocaténaire, qui contient l’information nécessaire à la multiplication du bactériophage, peut être encapsidé, soit par une coque à structure isométrique (cas du bactériophage 祥X174), soit dans une capside hélicoïdale (cas des phages M13 et fd). Ces bactériophages infectent E. coli ; dans le cas du phage fd, la production de l’ADN génomique viral est continue et la bactérie survit parfaitement. Bien que cet ADN génomique soit mono-caténaire, il existe une phase réplicative bicaténaire. On remarquera que l’on peut établir la séquence des protéines virales à partir de celles de l’ADN encapsidé: cela implique que les messagers sont transcrits à partir du brin complémentaire de l’ADN viral synthétisé au cours de cette réplication. On peut donc dire que le ADN viral est l’équivalent d’un brin positif.

Dans le cas des eucaryotes , on se trouve en face d’une situation un peu plus complexe. Chez les végétaux par exemple, les geminivirus présentent une organisation originale: chaque particule (18-20 nm en largeur et 30-36 nm de longueur) est le résultat de l’accolement de deux particules sphériques incomplètes contenant chacune une molécule d’ADN viral à un brin. Toutefois, chacune des molécules monocaténaires contient une information différente: leurs bases ne sont donc pas complémentaires l’une de l’autre. La réplication de l’ADN viral a lieu dans le noyau de la cellule-hôte, mais les mécanismes de la réplication de l’ADN, ceux de la synthèse des protéines de capside et de leur assemblage sont mal connus. La difficulté avec ces virus provient de la faible quantité de matériel viral produit par les plantes malades. Parmi les maladies dues à des geminivirus, citons la mosaïque du manioc, la mosaïque dorée du haricot ou encore la striure du maïs.

Chez les animaux, les cas les mieux connus de virus ayant un ADN à un brin sont ceux des parvovirus (virus des rongeurs), les densovirus (virus des arthropodes) et les virus associés aux adénovirus (virus des mammifères).

Chaque particule de virus contient une molécule d’ADN monocaténaire, mais certaines particules contiennent une molécule à un brin complémentaire de celle qui est contenue dans certaines autres particules. Cela se traduit, au cours de la purification de l’ADN, par la formation d’ADN à deux brins plus ou moins bien associés: en fait, l’information génétique est réduite à celle contenue sur un brin. Chaque molécule d’ADN se réplique pour son propre compte. Les parvovirus associés aux adénovirus sont défectifs pour une ou plusieurs fonctions et ne peuvent se multiplier, chez l’homme par exemple, qu’en présence d’un adénovirus.

La structure de l’ADN est assez complexe dans la mesure où des séquences complémentaires terminales des deux brins existent, ces séquences répétitives contribuant à donner naissance à des molécules en forme de Y au cours de la réplication.

ADN bicaténaire

Il existe une grande variété de virus à ADN bicaténaires, aussi bien chez les animaux que chez les bactéries. Il n’en existe par contre qu’un seul groupe dans le cas des végétaux.

Chez les procaryotes , les virus à ADN à deux brins sont essentiellement représentés par les bactériophages à queue. On désigne sous ce nom la partie tubulaire de la particule virale qui se fixe sur des sites spécifiques de la membrane bactérienne externe, permettant l’injection de l’ADN (et de lui seul) à l’intérieur de la bactérie parasitée. La masse moléculaire de l’ADN de ces phages varie de 20 à 150 憐 10⁶ daltons, ce qui représente un nombre important de paires de bases.

L’ADN viral contient l’information pour l’ensemble des protéines de la capside et de la queue du virus, mais aussi code pour un grand nombre d’enzymes qui interviennent dans la réplication de cet ADN viral ou dans la modification des bases qui devront constituer les nucléotides de ces ADN viraux (nucléotides d’un type particulier). Malgré la complexité du génome de ces ADN phagiques, l’utilisation de la génétique et des méthodes de la biologie moléculaire a permis de localiser la plupart des gènes sur leurs génomes. Ces génomes sont en fait linéaires mais, pour certains phages, ils existent sous une forme circulaire non covalente grâce à la présence de séquences complémentaires aux extrémités 3 et 5 (séquence cohésive) de l’ADN (cas du phage). Pour certains phages comme ceux de la série T paire (T2, T4, etc.), la réplication donne naissance à des génomes viraux dont la longueur est plusieurs fois supérieure à celle du génome encapsidé et dont le découpage ultérieur fait apparaître des molécules ayant des redondances terminales de séquences nucléotidiques, ce qui permet d’expliquer que les gènes qui constituent les extrémités des génomes de ces virus ne soient pas les mêmes et que ces gènes subissent une permutation circulaire (fig. 4). Les bactériophages à ADN bicaténaire sont généralement «virulents», c’est-à-dire que leur génome se réplique à l’intérieur d’une bactérie qu’ils détruisent; cependant certains d’entre eux sont des phages dits «tempérés», qui donnent naissance à des bactéries lysogènes et sur lesquels nous reviendrons plus loin.

Enfin, certains bactériophages comme le phage PM2 contiennent des lipides et ont un génome constitué par un ADN de relativement faible masse moléculaire à double brin superenroulé, ce qui les distingue des phages dont nous avons parlé précédemment.

Chez les animaux , les virus à ADN sont très nombreux et responsables d’infections plus ou moins graves. Les adénovirus, par exemple, ont un génome de 20 à 24 憐 10⁶ daltons. Il est linéaire, mais peut, à cause des redondances terminales qu’il présente, se retrouver sous forme d’ADN simple brin en forme de poêle à frire; aux extrémités 5 de l’ADN bicaténaire est liée une protéine de 55 Kd qui joue apparemment un rôle dans la réplication. La transcription de l’ADN des adénovirus donne naissance à des prémessagers dont certaines régions sont éliminées et les régions restantes sont recollées entre elles grâce au processus de l’épissage (voir génome des eucaryotes). Les génomes des virus de l’herpès et de la vaccine sont également des ADN bicaténaires de grande taille et les détails de leur réplication ne sont pas connus. Il en est de même des iridovirus (virus des insectes par exemple, ou virus de la grenouille) dont une phase de la réplication de l’ADN se déroule dans le cytoplasme de la cellule-hôte dans lequel le virus s’accumule.

3. Relations entre génome viral et génome cellulaire

Dans tous les cas précédemment exposés, le génome du virus se répliquait pour son propre compte et plus ou moins indépendamment du génome cellulaire. Dans d’autres cas, génome cellulaire et génome viral ne forment qu’une seule entité par intégration du génome viral dans le génome cellulaire, et le génome viral se réplique exactement comme ce dernier, se transmettant de générations cellulaires en générations. La condition, pour que ce système fonctionne, est la non-expression des gènes du virus, à l’exclusion de celui ou de ceux qui assurent la répression de l’expression de ces gènes. Ce genre de relation intégrative entre génome viral et génome cellulaire existe aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes.

Chez les procaryotes , l’exemple le plus classique et le mieux connu est celui des bactériophages dits «tempérés», par opposition à ceux auxquels nous avons fait allusion plus haut et qui sont considérés comme virulents; dans le cas d’une infection de E. coli par le phage par exemple, un nombre faible, mais significatif, de bactéries ne sont pas tuées par une première infection phagique. Ces bactéries se multiplient d’une manière apparemment normale et on obtient des lignées bactériennes contenant l’ADN phagique qui, intégré dans le génome viral, se multiplie au même rythme que lui. La preuve de l’existence, dans ces lignées cellulaires, d’un «prophage», selon l’appellation proposée par A. Lwoff, est fournie par les expériences d’induction: les bactéries contenant le prophage (bactérie lysogène), traitées par les rayons ultraviolets ou des substances chimiques appropriées, libèrent le prophage qui se réplique alors et donne naissance à des phages qui tuent la cellule. Cette observation implique que l’expression de l’ADN bactériophagique soit réprimée dans les bactéries lysogènes. Cette répression est due à l’expression d’un répresseur codé par le génome viral et dont l’activité est inhibée par les agents «inducteurs».

Les phages tempérés possèdent donc, en plus des gènes qui assurent la réplication de leur ADN, toute une série de gènes qui assurent l’intégration de l’ADN viral et répriment l’expression des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN viral: ce génome est donc complexe.

Chez les eucaryotes , l’ADN de deux types de virus peut s’intégrer dans les chromosomes et provoquer la transformation tumorale de la cellule-hôte. Le premier cas est celui d’un virus à ADN, le SV40, qui se multiplie d’une manière classique dans les cellules de singe, mais transforme en cellules tumorales celles de certains rongeurs, sans s’y multiplier. Le génome du SV40 est une molécule d’ADN à deux brins de 2 224 nucléotides codant pour 5 protéines dont deux, les protéines T et t, sont le résultat de l’expression de la moitié environ du génome viral et sont indispensables à la réplication de l’ADN dans les cellules permissives et à la transformation tumorale des cellules non permissives. Dans les cellules transformées, ils assurent la pérennité de l’intégration de l’ADN viral dans le génome cellulaire et donc de la transformation. La réplication de l’ADN viral dans les cellules permissives s’effectue dans leurs noyaux. Le mécanisme par lequel cet ADN viral s’intègre dans l’ADN cellulaire est mal connu.

Le deuxième type de virus dont le génome s’intègre dans l’ADN cellulaire est représenté par les rétrovirus. Ceux-ci sont des virus à ARN. Chaque particule de virus contient deux molécules d’ARN simple brin identiques. L’originalité du système réside dans le fait que l’ARN viral introduit dans une cellule est copié en une molécule d’ADN simple brin grâce à une enzyme: la réverse transcriptase codée par le virus. Dans l’hybride ARN-ADN obtenu, l’ARN est ensuite éliminé par une enzyme adéquate (la RNAse H) et un 2^e brin d’ADN prend naissance à sa place selon un mécanisme relativement complexe. L’ADN bicaténaire obtenu s’intègre dans le génome de la cellule. C’est la transcription d’un brin de cet ADN qui reproduit l’ARN viral. La traduction des gènes de celui-ci permet l’obtention des protéines virales nécessaires à la formation d’une particule virale, c’est-à-dire du virion. Les cellules qui ont intégré l’ADN viral présentent les propriétés des cellules tumorales et sont donc considérées comme transformées; elles peuvent produire des particules virales. Dans bien des cas cependant, les cellules transformées ne produisent pas de virus. Il est intéressant de constater que des séquences correspondant à l’ADN viral intégré sont retrouvées dans des génomes de cellules apparemment normales et qui peuvent être très éloignées du genre de vertébrés dont a été extrait l’ADN viral intégré.

Il est intéressant de constater que certains virus à ADN double brin ont un mode de réplication qui passe par l’intermédiaire d’une matrice ARN copiée par une réverse transcriptase. C’est le cas du virus de l’hépatite B et paradoxalement celui du virus de la mosaïque du chou-fleur.

4. Origine des virus

C’est essentiellement un sujet de spéculation et aucune observation ne permet à l’heure actuelle de choisir entre les différentes hypothèses proposées. Cependant, comme il est tout à fait improbable que les virus aient été formés avant les organismes cellulaires, on peut admettre que les virus à ADN proviennent de l’isolement de fragments d’ADN cellulaire ayant acquis leur autonomie de réplication et de protection sans que le mécanisme en soit connu.

Les virus à ARN posent un problème très difficile car ce sont, directement (ARN +) ou indirectement (ARN 漣), des messagers et l’on n’a aucune preuve que des messagers puissent se répliquer. Diverses hypothèses ont été émises sur leur origine, mais il paraît vraisemblable de dire que le problème posé par l’origine des virus à ARN reste sans solution, d’autant plus que la découverte relativement récente de petites molécules d’ARN circulaire douées de pouvoir pathogène, mais non protégées et ne codant pour aucune protéine: les viroïdes, est venue compliquer le problème.

Encyclopédie Universelle. 2012.