Mécanique virale, pléomorphisme, ça se complique ! Les virus et le SARS-CoV-2, un défi théorique

 1) Pléomorphisme viral

 Les nouvelles technologies utilisées en génomique et en protéomique ont favorisé l’émergence d’une compréhension plus précise de la complexité des mécanismes impliqués dans l’interaction entre hôte et virus. Un nouveau paradigme se dessine. Rappelons que le schéma classique du cycle viral contient quatre étapes conférant au processus une certaine homogénéité permettant de décrire la plupart des infections virales. Ces étapes sont définies sans ambiguïté ; (i) entrée des virions après fusion membranaire ; (ii) réplication et fabrication des pièces moléculaires ; (iii) assemblage des pièces et du génome ; (iv) circulation et sortie des particules virales (egress). En revanche, les découvertes récentes ont montré que toutes ces étapes sont loin d’être aussi homogènes qu’on ne le pense et qu’il existe de nombreux facteurs pouvant interférer avec des mécanismes et changer le devenir de l’invasion virale. Une revue proposée par Seema Lakdawala et ses collègues, microbiologistes à l’Université de Pittsburgh, offre une vue précise et détaillée de quelques avancées décisives dans le domaine de la virologie (Jones, 2021) ; une spécialité déjà ancienne et pourtant promise à de grandes transformations théoriques. Cette revue a été publiée en ligne en octobre 2020 et ne mentionne pas les découvertes sur les mécanismes épigénomiques et génomiques causés par le SARS-CoV-2, publiée ces derniers mois.

 Cette revue, consacrée à l’hétérogénéité de l’infection virale, met l’accent sur une notion récente employée en microbiologie ; le pléomorphisme. Cette notion ne coïncide pas avec le polymorphisme qui désigne la production d’un organisme ou d’une molécule sous plusieurs formes. Le pléomorphisme désigne l’aptitude d’un micro-organisme à déployer plusieurs morphologies en réaction à des conditions environnementales, voire à diversifier ses fonctionnalités, sans pour autant que cette diversité ait une origine génétique. A l’inverse, en génétique classique, le polymorphisme est causé par des variations sur les gènes, avec des altérations sur la séquence nucléotidique (sans oublier les mécanismes d’épissage permettant de fabriquer plusieurs protéines avec un seul gène). La plupart des gènes sont alléomorphes (existent sous forme de plusieurs allèles). Quelques-uns sont composés de dizaines d’allèles et c’est le cas pour les gènes du complexe CHM dont dépend l’extrême diversité des molécules impliquées dans la reconnaissance immunitaire. La diversité polymorphique ayant pour origine les allèles est héritée alors que le pléomorphisme repose sur des interactions systémiques entre un organisme et son milieu. Cet héritage est transmis de générations en générations. Il remonte parfois à des divergences phylogénétiques très anciennes. Le complexe CMH de type I est communs à tous les animaux issus du clade des vertébrés à mâchoire.

 Le pléomorphisme est propre au monde des bactéries mais aussi des virus : « Le virus de la grippe, le VIH, le virus de la rubéole, les pneumovirus et les paramyxovirus tels que le virus de la rougeole sont tous pléomorphes. Ne disposant pas d’une structure strictement uniforme, ces virus sont très variables en longueur et/ou en diamètre et polyvalents en termes de capacité d'empaquetage génomique. La caractérisation des structures pléomorphes a été historiquement difficile, mais ces particules sont maintenant résolues par cryotomographie électronique. Cette méthode a récemment été utilisée pour résoudre l'arrangement hélicoïdal des glycoprotéines du virus de la rubéole » (Jones). Ce caractère pléomorphe explique l’efficacité des stratégies invasives déployées par les virus. Cette diversité de formes est réalisée lors de l’assemblage des virions qui génère des particules plus efficaces dans la propagation de l’infection ou à l’inverse, des particules virales déficientes, tronquées, inadaptées. Par ailleurs, des observations sur le pléomorphisme du SARS-CoV ont été rapportées il y a quelque 15 ans (Neuman, 2006). Et donc les coronavirus font eux aussi partie du « club » des nanoparticules affectées par le pléomorphisme. Ce détail n’a pas échappé à Lakdawala et ses collègues qui suggèrent de surveiller de près le nouveau virus apparu à Wuhan en 2019 et d’étudier l’hétérogénéité dans son mode reproductif et invasif, tout en notant que des premiers résultats dévoilent la diversité des modes d’entrée du SARS-CoV-2, expliquant alors pourquoi les drogues modulant l’entrée virale agissent diversement, puis suggérant que le pléomorphisme pourrait expliquer les grandes différences cliniques observés sur les patients contaminés, les uns asymptomatiques et d’autres en soins intensifs.

 Le pléomorphisme ne peut être traité indépendamment du polymorphisme viral qui lui, repose sur des petites variations sélectionnées et analysées dans les différents variants classés en une dizaine de clades. L’étude du SARS-CoV-2 a montré que la sélection épidémique s’effectue sur quelques positions clé capables d’altérer la structure de quelques protéines importantes et notamment la protéine S. D’autres mutations se produisent si bien que la notion de variant ne décrit pas la réalité virologique. Un variant X est constitué en réalité d’une population de variants ayant conservé les mutations originelles considérées comme caractéristiques du clade X. Le variant anglais, désigné maintenant comme alpha, a été identifié sur la base de 23 mutations de nucléotides. Les descendants de ce variant possèdent actuellement 10 à 20 mutations s’ajoutant aux 23 originelles.

 2) Les interférences virus hôte et la diversité des mécanismes

 Le pléomorphisme viral indique que les cellules infectées sont partie-prenante dans le processus d’invasion virale et que de plus, cette diversité dans l’interférence hôte virus se produit au niveau des quatre étapes du cycle viral, entrée, réplication, assemblage, sortie.

 a) Entrée et affinité. Longtemps, la formule « un récepteur un tropisme » a gouverné la virologie, s’insinuant tel un dogme central, à l’instar du code génétique découvert dans les années 1960. Le récepteur viral est une protéine membranaire possédant des protubérances utilisées par les protéines de capside ou d’enveloppe ayant elle aussi des protubérances permettant la liaison au récepteur. Or, les deux protéines participant à cette liaison n’ont pas une forme définitive produite par les acides aminés et les structures finales causées par le repliement de la chaîne d’AA. Ces deux protéines contiennent des pièces ajoutées, désignées comme modifications post-traductionnelles. Il en existe de plusieurs types. Les glycosylations sont les plus étudiées, notamment les ajouts d’acide sialique. Ces observations deviennent de plus en plus précises. Je ne rentre pas dans le détail. Une règle générale se dessine. L’entrée des virions dans la cellule dépend fortement de ces modifications, à la fois celles des virions et celles des protéines membranaires des cellules hôtes. Selon qu’il y ait glycosylation, sur le virion ou la cellule infectée, l’entrée des virions est facilitée ou bien empêchée. Le double jeu entre la morphologie virale et la morphologie des récepteurs hôte détermine le cours de l’infection. A l’image d’une configuration matérielle faisant qu’une flamme sera vite éteinte ou alors déclenchera un incendie. Des matériaux ignifuges sont fabriqués par les industriels. Ces matériaux ne peuvent pas s’enflammer au contact d’une source de feu. Dans le cas d’une infection virale, les cellules hôtes se défendent face à une invasion des virions en utilisant les récepteurs membranaire et c’est la première ligne de défense qui si elle est franchie, met en mouvement les autres lignes de défenses immunitaires organisée en quelques dispositifs dont le principe est de jouer sur la mémoire ainsi qu’une certaine plasticité dans les réactions. Si pléomorphisme viral il y a, alors il faut aussi envisager un pléomorphisme immunitaire. Mais cela concerne les autres étapes du cycle. Un lien causal est confirmé, entre la capacité des virions (pléomorphes) à entrer dans la cellule hôte et le tropisme du virus. L’entrée du virus fera qu’une espèce sera infectée au niveau d’un ou plusieurs tissus. Les glycosylations sont souvent des facteurs décisifs gouvernant l’entrée d’un virus dans la cellule hôte. Ces faits ont été observés pour les coronavirus ; SARS-CoV 1 et 2 ; MERS-CoV ; et ont été également constatés pour les virus grippaux de type A. L’univers des communications moléculaires est plus diversifié qu’on ne l’avait pensé. Les codes d’entrées d’un virus semblent se démultiplier alors que les cellules hôtes possèdent des mécanismes autorisant ou refusant l’entrée des virions. La configuration des protéines glycosylées détermine le changement de tropisme viral. Un saut (spillover) peut se produire lors qu’une espèce en contamine une autre si le récepteur d’entrée le permet. A l’inverse, des barrières ont été observée si bien si bien que le virus ne sautera pas d’une espèce à une autre. C’est le cas du MERS-CoV capable de passer de la chauve-souris au chameau et à l’homme en utilisant le récepteur DPP4 non modifié ; en revanche, la souris, le furet et le cochon d’Inde sont réfractaires, avec un récepteur DDP4 glycosylé (Jones)

 b) La phase réplicative. Une seconde étape détermine le devenir d’une infection virale, c’est la réalisation de plusieurs copies du génome dans une cellule hôte ; copies réalisées par divers mécanismes selon le type de virus, ADN, ARN, rétro, et la présence d’une ou deux réplicases virales (certains virus n’en possèdent pas). Parmi les virus, les uns doivent passer par le noyau pour se reproduire, alors que d’autres peuvent s’en passer, ce qui est le cas de la plupart des virus à ARN. En revanche, tous les virus doivent passer par les ribosomes hôte pour produire les pièces protéiques nécessaires à l’assemblage des virions en nombreux exemplaires. Si la compréhension de l’entrée des virions est d’une redoutable complexité, la reproduction des virus est d’un tout autre niveau. Dans une précédente étude j’avais noté les observations récentes sur les interférences entre des dizaines de protéines hôtes et les protéines virales du SARS-CoV-2 et c’est aussi le cas pour tous les virus. Il est difficile de décrire l’extrême complexité des mécanismes. En revanche, une image claire ressort des observations ; le virus et l’hôte semblent former deux « fronts », deux sortes d’ondes entrant en confrontation, produisant des interférences. Tout se passe comme si deux fronts cherchaient à avancer dans leur position tout en neutralisant l’adversaire. La confrontation entre virus et hôte est une drôle de guerre qui se joue avec les protéines fonctionnelles virales dont le principe est de transformer la cellule infectée et les réponses moléculaires complexes de la cellule infectée, dont le système de veille immunitaire doit réceptionner, interpréter les codes viraux, puis déployer les codes immunitaires pour résister à cette transformation et permettre au tissu de recouvrer sa fonction originelle.

 Le processus de transformation virale suppose une étape première indispensable, la lecture par les ribosomes de l’ARN viral pour fabriquer les protéines. C’est ensuite que les protéines virales entrent en jeu et que la cellule se transforme en usine à virion. La complexité des mécanismes dépasse notre entendement. Une étude récente a observé un réseau interactif virus et hôte généré par 26 protéines virales du SARS-CoV-2 et plus de 300 interactions. Des études in vitro menées sur nombre de virus, Dengue, Zika, polio, grippe, West Nile, ont noté deux choses. D’abord une diversité dans la quantité d’ARN viral pour une population de cellules cultivées infectée par un virus ; et par ailleurs une corrélation, positive ou négative, entre l’abondance de l’ARN viral et la stimulation des gènes par l’interféron. Ces observations confirment le schéma des deux fronts moléculaires présents dans une cellule infecté ainsi que l’inégalité de réponse cellulaire signalant alors un pléomorphisme fonctionnel dans la riposte première déployée par les cellules infectées (Jones). De plus, la réplication virale fait apparaître une diversité dans les génomes, certaines copies étant défectueuses. On peut penser que c’est une erreur ou alors le résultat d’une stratégie antivirale efficace ou enfin le signe d’une plasticité des virus dans la stratégie infectieuse, notamment ceux disposant d’un ARN, qui peuvent alors sauter d’une espèce à une autre lorsqu’un animal rencontre accidentellement des masses organiques infectées et que le variant viral n’est pas stoppé par les défenses de l’hôte à la faveur du hasard.

 c) Assemblage et sortie. Les deux étapes finales du cycle peuvent être associées dans la mesure où elles constituent un ensemble de procédés complémentaire, imbriqués, systémiques. Le schéma est tout aussi contrasté pour cette étape que pour les précédentes. Le pléomorphisme est aussi la règle. Les nouveaux virions assemblés sont pluriformes et n’ont pas tous la même capacité infectieuse. De plus, le schéma quelque peu simpliste des virus sortant d’une cellule pour en infecter une autre ne convient plus dans la majorité des cas. Les virus utilisent des procédés subtils, ils transforment les nanotubes du cytosquelette pour passer d’une cellule à une autre, façonnant une sorte de syncytium, ou alors des synapses virales. A l’image des connexions neuronales mobilisant elles aussi les nanotubes. Un large spectre de virus détourne les nanotubes, incluant les rétrovirus, flavivirus, métapneumovirus, herpès virus, grippe A (Jones) sans oublier les coronavirus et le tout nouveau SARS-CoV-2. On observe également la formation de microvésicules contenant plusieurs virions et pouvant sortir d’une cellule pour transférer leur contenu dans une autre cellule. Ce procédé est couramment utilisé dans les organismes produisant des exosomes pour transférer du matériel épigénétique de proche en proche. Le schéma invasif tissulaire se distingue de l’image devenue simpliste du cycle entrée et sortie établi en observant les cellules in vitro. Dans les tissus, les virions se propagent en façonnant des synapses virales, ces sortes de canaux permettant de délivrer un contenu viral sans passer par la phase de liaison à un récepteur puis de fusion. Ces mécanismes ont notamment été observés dans les infections des épithéliums respiratoires. Ils obéissent au principe du pléomorphisme, traduisant la plasticité des organismes vivants.

 3) Propagation virale, champ émergent, fronts viral et immunitaire

 a) La virologie a donné depuis ses origines une vision trop réductionniste des virus, construite en analysant et recomposant les mécanismes et phases du cycle viral. Elle s’est progressivement détachée de ce schéma au profit d’une vision plus systémique incluant des mécanismes complexes et maintenant, la prise en compte d’une plasticité virale. La vision monolithique des virions a fait place au caractère pléomorphique causé par l’interaction complexe entre les virions et les cellules infectées. Cette complexité incline à concevoir un virus comme un agent transformant. Cette conception fut proposée il y a plus de dix ans. Le virus fut interprété comme un agent transformant une cellule en usine à virion, autrement dit, un phénotype chimérique désigné comme « virocellule » (Claverie, Forterre). Cette conception du virus est éclairante. Elle doit maintenant être élargie en prenant en considération le pléomorphisme et complexité des interférences entre les protéines virales et celles de l’hôte. Dans un organisme supérieur, un virus fonctionne comme vecteur d’une transformation phénotypique tissulaire se propageant de proche en proche, à l’image d’un champ. Il est prématuré de faire le pont avec le développement néoplasique lié à un désordre génomique et donc, à une cause endogène et disons profonde, alors qu’une transformation tissulaire d’origine virale est un processus causé par un désordre épigénomique dont l’origine est exogène. Et qui le plus souvent s’achève par un processus de retour à la « normalité phénotypique tissulaire » après intervention des mécanismes de réaction à la déformation moléculaire suivie d’un rétablissement de l’état antérieur. Immunité et inflammation.

 La propagation d’un virus est différente selon qu’elle se produit dans un milieu liquide en contaminant des cellules, levures, bactéries ; ou alors qu’elle se déroule dans un tissu. C’est ce que l’on a noté en observant le détournement du cytosquelette et la production de « synapses virales ». Un champ morphogénétique viral se propage. Ce champ est en réalité chimérique, il est formé par les tissus infectés, avec une imbrication des protéines virales et hôtes fonctionnant de concert. L’immunité se déploie alors comme un contre-champ visant à restaurer l’intégrité des tissus. En termes philosophiques, l’infection virale crée du chaos, du désordre, elle est un phénomène accidentel produit par des particules nucléoprotéiques ayant réussi à subsister dans leurs réservoirs spécifiques, animaux, plantes, micro-organisme. La réponse antivirale tend à rétablir l’équilibre. Mais pour réaliser cette fin, la réponse immunitaire et inflammatoire peut s’avérer très intense. C’est la lutte du Kronos contre le Kronos avec les processus du Kosmos visant à restaurer l’état antérieur. La récupération d’un dommage viral est parfois délicate car le virus génère des interférences épigénomiques durablement, avec une propagation du champ viral à l’échelle d’un ou plusieurs tissus. En revanche, un dommage physique ordinaire comme une entaille ou une plaie finit par cicatriser assez rapidement. Une fois le mal fait, le processus morphogénétique peut se déployer sans être entravé (sauf si un agent bactérien vient perturber l’organisme)

 b) L’infection virale est un défi théorique. Deux fonctions s’affrontent dans un organisme infecté ; la fonction morphogénétique virale et la fonction immunitaire de l’hôte. L’organisme doit combattre un procédé de transformation dans lequel il est partie-prenante puisque les dispositifs moléculaires de l’hôte sont mobilisés dans le mécanisme morphogénétique viral. La propagation virale déforme l’organisme, l’immunité tente de maintenir la conformité de l’organisme. Cet affrontement moléculaire est d’une complexité inouïe chez les animaux supérieurs, depuis les mouches et leurs récepteurs Toll jusqu’aux vertébrés et le double jeu de l’immunité innée et acquise, avec les complexe HLA, sorte de roulette sémantique visant à trouver la bonne réplique face à l’invention des épitopes produites par les virus et leurs mutations. Ce jeu de clés moléculaires est également pratiqué à un niveau plus élémentaire par les bactériophages dont le succès dépend d’une balance entre protéines virales et antivirales. Les bactéries utilisent le système CRISPR pour contrecarrer la réplication des bactériophages qui eux, cherchent à produire des protéines anti-CRIPSR. Quand ils y parviennent et que le jeu tourne en leur faveur, les bactéries sont pour ainsi dire défaites et même détruites car les bactériophages sont lytiques.

 c) Nous ne pouvons qu’être intrigués par les phénomènes observés par la loupe des instruments mésoscopiques. Les molécules virales et immunitaires semblent jouer une drôle de guerre, une guerre de l’information, de la transformation. Le SARS-CoV-2 induit la génération de multiples épitopes signant le devenir d’une infection. Les défenses immunitaires sont affolées. Que de choses nous échappent. Nous n’en avons pas fini avec cette affaire et il n’est pas certain que la vaccination puisse nous préserver d’un événement virologique qui dépasse les compréhensions scientifiques. Je cherche les clés de ce jeu. J’ignore si un jour nous pourrons les trouver 

 Jones, J.E., Le Sage, V. & Lakdawala, S.S. ; Viral and host heterogeneity and their effects on the viral life cycle ; Nat Rev Microbiol 19, 272–282 (2021).

 https://doi.org/10.1038/s41579-020-00449-9

 Benjamin W. Neuman et al. ; Supramolecular Architecture of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Revealed by Electron Cryomicroscopy ; Journal of Virology. Volume 80, Issue 16, 15 August 2006, Pages 7918-7928

https://doi.org/10.1128/JVI.00645-06