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Bactéries et virus

Plante infectée par un Comovirus (taille moyenne de 30 nm). Document U.Wisconsin.

Les virus (II)

Les virus[2] n'ont été découverts qu'au XXe siècle, et plus exactement dans les années 1930, grâce à l'invention du microscope électronique. En effet, la plupart des virus sont invisibles dans un microscope optique; ils sont mille fois plus petits que les bactéries avec une taille moyenne de l’ordre de 100 nm soit 0.0001 mm, c'est 1000 fois plus petit qu'un cheveux (30-100 microns). Le plus petit virus ne mesure que 18 nm.

Ce type de microbe dispose d'une paroi de nature protéinique mais n'abrite qu'un seul acide nucléique. On y reviendra. Plus de 5000 espèces de virus ont été décrites dont plus de 2300 sont reprises dans la base ICTV.

Les virus sont 10000 à 100000 fois moins nombreux dans notre corps que les microbes mais leurs effets peuvent être bien plus conséquents. On estime que le corps humain contient plus de 300 millions de virus, essentiellement des bactériophages (voir plus bas). On les trouve principalement dans les muqueuses : les fosses nasales, dans la bouche et dans les intestins, où ils se complaisent et assurent en force notre défense contre toutes sortes de parasites. Bien sûr, certaines espèces sont pathogènes.

En extrapolant le nombre de virus inconnus découverts chez les petits mammifères (rats, chauves-souris, singes, etc.) et la volaille, on estime qu'il existe entre 300000 et 500000 espèces de virus, c'est-à-dire dans l'esprit d'un virologue-enquêteur autant de microbes dont le mode d'infection et la dangerosité sont inconnus. Quand on connaît l'effet d'Ebola ou du HIV du SIDA, cela donne des sueurs froides... Mais gardons notre sang-froid et étudions littéralement à la loupe ces créatures au métabolisme très étonnant et aux effets parfois aussi spectaculaires que foudroyants.

Définition

Comme son nom latin l’indique, les virus sont de véritables poisons. Ce terme fut utilisé pour la première fois en 1890 pour qualifier des agents infectieux qui étaient plus petits que les bactéries.

Virus ou virion ? D'un point de vue purement taxonomique, en 1962 pendant qu'ils classifiaient les différents types de parasites selon leurs propriétés et leurs formes, les biologistes Donald L.Caspar et Aaron Klug ont défini les "virus" comme étant "des parasites intracellulaires obligés qui se multiplient en reprogrammant la cellule infectée pour assurer la production des composants viraux". Ajoutons que ces parasites sont incapables de se reproduire seuls. On ne peut donc pas les qualifier d’organismes vivants.

Dans ce contexte "virus" est un terme générique vernaculaire comme "humain" qualifie le genre humain. Mais étant donné que le genre "virus" comprend de nombreuses familles et espèces, chaque individu ou "particule virale" est appelé un "virion". Toutefois pour facilité la compréhension, nous continuerons d'utiliser l'appellation classique de virus.

Origine

Au cours du séquençage du génome de différents virus, il est apparu que certains d'entre eux disposent de gènes empruntés aux animaux. Ainsi, dans une étude publiée en 2016, des chercheurs de l'Université Vanderbilt ont annoncé la découverte d'un phage (un virus qui tue les bactéries) qui s'attaque au Wolbachia, un parasite bactérien, dont un tiers des gènes correspondent à l'ADN d'une toxine qu'on retrouve dans le venin de l'araigné veuve noire. Ceci implique qu'à l'origine ce virus a recruté ce gène chez cet animal pour faciliter sa vie : infecter les bactéries qui vivent dans les araignées et les insectes !

D'un autre côté, si les virus et autres phages sont des parasites et souvent des tueurs, la découverte de virus dans nos gènes de rebut, dans le placenta des mammifères ainsi que des macrovirus laissent à penser que tous les virus ne sont pas dangereux; certains participeraient activement au développement de la vie. Cette découverte[3] bouleversant nos théories sur l'évolution, nous y reviendrons en détail dans un autre article.

Structure cellulaire

Les virus n'ont pas de noyau contenant le matériel génétique, donc ils sont incapables de se reproduire par mitose (division cellulaire). Ils ne disposent pas non plus d'enzymes qui jouent le rôle de catalyseur pour produire l'énergie nécessaire à leur métabolisme. Ils ne possèdent pas de chromosomes porteur de l'information génétique (les gènes contenant les nucléotides). En revanche ils renferment un acide nucléique. Dans ce cas comment se développent-ils ?

C’est le biochimiste américain Wendell Meredith Stanley qui découvrit en 1935 que cet acide nucléique était formé d’un ARN chez les rétrovirus et d’un ADN chez les virus de nature ADN. Ce génome contient généralement une dizaine de gènes. Le record est détenu par un Pandoravirus décrit en 2013 contenant entre 1900 et 2500 gènes, soit 10 % du génome humain !

Ce génome viral est généralement protégé par une capside faite de protéines qui permet de différencier les virus. La capside est parfois enveloppée dans une membrane plasmique empruntée à la cellule infectée (cas du virus Influenza de la grippe, du papillomavirus de l'hépatite, du HIV du SIDA, etc.) hérissée de spicules (glycocalyx) produisant des glycoprotéines. Il s'agit de récepteurs permettant au virus de se fixer sur des cellules cibles spécifiques.

A l'inverse des bactéries (droite), un virus (gauche) ne possède pas de chromosome mais juste quelques gènes et ne peut pas se reproduire seul et ne produit pas d'énergie. Il est en général dix fois plus petit qu'une bactérie. A comparer avec l'anatomie d'une cellule eucaryote (droite). Voir le texte pour les explications. Documents Microbe et anonyme (droits réservés).

Propriétés générales des virus

Tous les virus parasitent les cellules, qu'elles soient végétales ou animales car ils ne peuvent se développer et se reproduire en dehors de celles-ci. En effet, tout le matériel génétique qu’ils renferment est inactif et ils ont besoin des fonctions enzymatiques et métaboliques d’une cellule pour exécuter leur programme génétique.

Les virus présentant une structure interne hélicoïdale tel le phage T4 peuvent atteindre un diamètre de 0.1 mm (la taille d'une bactérie) et sont bactériophages, c’est-à-dire qu’ils sont à ce point pervers qu’ils se développent au sein même des bactéries et les détruisent. Leur action à tous les aspects d'une extermination globale : tous les 2 jours, 50 % des bactéries présentes sur terre meurent sous l'assaut des bactériophages !

La méthode d'infection d'un virus est simple et redoutablement efficace : le virus détourne à son profit les fonctions du métabolisme cellulaire. Grâce à des antigènes de surface (H et N, voir plus bas), le virus de la grippe par exemple va se coller sur la paroi d’une cellule saine, percer sa membrane et injecter son ARN dans la cellule hôte. L'ARN va se combiner avec l'ADN cellulaire pour être transcrit sous la forme de nouveaux virus qui iront infecter de nouvelles cellules. On y reviendra.

Mais d’autres scénarii existent. Certains virus pénètrent dans la membrane cellulaire mais ne tuent pas leur hôte. D’autres sont “silencieux” et infectent la cellule sans créer apparemment de dommage cellulaire.

Statistiquement, 50 % des agents pathogènes présents chez l'homme proviennent des animaux. Tous les modes de transmission sont possibles, bien que la plupart des maladies virales se transmettent par voie orale ou fécale et par les piqûres d’insectes qui furent eux-mêmes contaminés en suçant par exemple le sang d'un mammifère infecté et porteur sain.

Les rétrovirus, découverts en 1910 mais considérés comme des chimères pendant 60 ans[4] sont plus malins encore et se passent des ARN messagers (ARNm). Ils assurent eux-mêmes l'assemblage des protéines. Non seulement ils leurrent les cellules hôtes au moment de la reproduction mais ils les détruisent en provoquant de nombreuses maladies infectieuses à l’origine des cancers.

Certains enfin, sont utilisés par les biologistes. Plus inoffensifs, ils sont toutefois stérilisés pour éviter toute félonie : ce sont les virus blancs dont le rôle, à l’instar des virus synthétiques comme les liposomes utilisés dans l’industrie cosmétique, se rallie à la thérapie génique.

Classification des virus

Si la taxonomie permet aux biologistes de classer les virus comme tous les organismes dans l'arbre phylogénique en taxons rangés par ordre, famille, sous-famille, genre, et espèce, les virologues ont préféré les classer de manière plus pratiques selon des caractéristiques génétiques, morphologiques et infectieuses.

Le tableau présenté ci-dessous à droite résume ces caractéristiques.

1. Classification de Baltimore

Source: http://what-when-how.com/wp-content/uploads/2011/05/tmp2499_thumb1.jpg

Le premier classement établit par le biologiste David Baltimore diférencie les virus selon la nature de leur acide nucléique et leur expression.

Les virus à double brin d'acide nucléique (double stranded ou ds) sont appelés bicaténaires, les virus à simple brin d'acide nucléique (single stranded) sont appelés monocaténaires.

Les virus sont classés en 7 groupes ou familles :

- Groupe I   : virus à double brin d'ADN, dsADN tels que l'herpes, la variole, ...

- Groupe II : virus à simple brin d'ADN, ssADN tel que le parvovirus B19, ...

- Groupe III : virus à double brin d'ARN, dsARN tels que le rotavirus, l'orthoreovirus, ...

- Groupe IV : virus à simple brin d'ARN à polarité positive, ssARN (+) tels que l'Hépatite C, le SARS, ...

- Groupe V  : virus à simple brin d'ARN à polarité négative, ssARN (-) tels que la rougeole, les oreillons, ...

- Groupe VI : rétrovirus à ARN simple brin (virus à ARN à transcription inverse), ssARN (RT), tels que le HIV, le HTLV, ...

- Groupe VII : pararétrovirus à ADN double brin (virus à ADN à transcription inverse), dsADN (RT) tel que le VHB de l'Hépatite B.

2. Classification morphologique

Les virus sont également classés sur base morphologique :

- La symétrie de l'enveloppe extérieure (la capside protéique)

- la présence ou l'absence de membrane lipidique

- Les dimensions du virion et de la capside.

3. Description des antigènes H et N des virus du genre Influenzavirus

Les virus pathogènes, des coronavirus (et les 180 autres) à l'origine de la bronchite par exemple au genre Ebola en passant par le HIV se distinguent également par leurs antigènes, ces substances étrangères à l'organisme hôte qui vont déclencher une réaction du système immunitaire afin de les éliminer.

Dans le cas des virus de la grippe par exemple, Influenza, de la famille des orthomyxoviridae, genre Influenzavirus, comme on le voit ci-dessous, le brin du génome d'ARN est divisé en 8 segments sur lesquels sont codés 11 protéines (comprennent une polymérase assurant la synthèse de l'ARN et des protéines de structure ou d’enveloppe).

Structure du virus Influenza de la grippe. Document AAAS adapté par l'auteur.

L'unicité de ces virus est déterminée par deux protéines d'antigènes présentes à leur surface : l'hémagglutinine (H ou HA) et la neuraminidase (N ou NA) qui déterminent leur pouvoir infectieux.

A ce jour, il existe 19 sous-types H et 9 sous-types N qui peuvent se combiner, donnant un total de 171 combinaisons virales potentielles. Seule une poignée d'entre eux a infecté l'être humain.

Concrètement, le virus de la grippe présente à sa surface de petites spicules H et N. La dénomination antigénique A(H1N1) par exemple de la grippe saisonnière fait référence à la souche d'Influenza de type A la moins contagieuse (mais qui peut tout de même tuer des millions de personnes). En revanche, la souche H5N1 comme le virus Ebola, est très contagieuse et tue un homme en quelques semaines si aucun traitement n'est prodigué !

Enfin, le sous-type H7N7 par exemple est hautement pathogène (HP) mais comme H1N7, jusqu'à présent il reste confiné chez les animaux (oiseaux, procs, chevaux, etc) ce qui ne veut pas dire qu'il ne peut pas infecter l'homme.

Le pouvoir pathogène d'un virus est relatif car même s'il représente un agent pathogène mortel pour une espèce il ne l'est pas obligatoirement pour une autre. Non seulement la souche de ce virus doit être transmissible d'une espèces à l'autre mais elle doit aussi vaincre le système immunitaire de son hôte. Généralement les antigènes viraux de surface sont reconnus par les agents du système immunitaire de l'organisme infecté qui vont déclencher une réaction de défense et l'éliminer. Si le virus veut conquérir son nouvel hôte il doit donc soit compter sur une baisse des défenses immunitaires de son hôte soit subir une mutation. Nous allons y revenir.

4. Caractéristiques complémentaires

En 1980, l'OMS proposa d'ajouter six caractéristiques complémentaires à la description des virus :

- le type d'antigène (par ex. A, B, C) qui distingue la nature des protéines internes du virus

- l'hôte d'origine (l'animal s'il est différent de l'homme)

- l'origine géographique (par ex.Taiwan, etc)

- le nombre de souches ou "strains" (par ex. 15, 7, etc)

- l'année d'isolation (par ex. 57, 2009, etc)

- pour les virus Influenza A, la description des antigènes H et N (par ex. (H1N1), etc).

Cela donne par exemple les descriptions suivantes :

1. A/duck/Alberta/35/76 (H1N1) désigne un virus isolé chez le canard

2. A/Perth/16/2009 (H3N2) désigne un virus Influenza d'origine humaine.

Réplication, propagation et mutation des virus

Les virus peuvent disparaître mais ils peuvent également muter très facilement et réapparaître de manière saisonnière durant des décennies sinon davantage. Par quel stratagème agissent-ils ainsi ?

Les virus à ARN qui comptent aussi parmi les plus dangereux (Influenza, HIV, Ebola, etc) sont généralement constitués d'un seul brin d'ARN qui ne leur permet pas de disposer des systèmes de détection et de correction d'erreurs comme les virus à ADN qui contiennent des polymérases. Ces dernières sont des enzymes qui se servent de la complémentarité des bases pour synthétiser un nouveau brin et vérifier en même temps leur exactitude. En leur absence, les virus vont se reproduire pour transmettre leur message empoisonné mais soit la copie sera viable soit le virus mourra.

Si la nouvelle génération est viable, du fait des erreurs de transcription elle peut subir des mutations aléatoires. Ce phénomène rend le virus plus résistant car en changeant d’identité, les remèdes ne reconnaissent plus le virus original, d'où la difficulté de l'eradiquer ou du moins de le rendre inoffencif. Il devient ainsi un "serial killer aux 1000 visages" que des légions de laborantins-enquêteurs doivent pister tout au long de leur vie pour éviter qu'ils ne disparaissent dans la nature et y poursuive leurs méfaits.

Si les virus n'ont pas "conscience" de se battre contre les remèdes et vice versa, leur facilité déconcertante à résister aux médicaments en l'espace de quelques générations, semble leur donner des facultés d'adaptation. Face à ces mutations, les vaccins en sont réduits à ne considérer que les éléments immuables ou qui changent peu dans le patrimoine génétique des virus.

Les différentes phases de la réplication d'un Influenzavirus ou virus grippal. Voir le texte pour les explications. Document NIAID adapté par l'auteur.

Alors qu'il n'est pas vivant, comment un virus contamine-t-il son hôte ? Dans le cas des Influenzavirus ou virus grippaux, comme on le voit sur les schémas ci-dessus, les protéines antigènes de surface H et N jouent un rôle essentiel dans la propagation et la multiplication du virus. L’hémagglutinine (H) permet au virus de se fixer sur la cellule cible en s’attachant au récepteur correspondant, l'acide sialique. Le virus perce ensuite la membrane et s'enfonce dans la cellule où il forme une vésicule à l'intérieur du cytoplasme; c'est l'endocytose. L'endosome du virus va ensuite se diluer dans la cellule hôte afin de libérer son génome qui va ainsi pouvoir tirer profit de l'usine génétique de son hôte pour fabriquer de nouveaux virus par réplication. L'ARN va se combiner avec l'ADN cellulaire pour être transcrit par l'ARN-messager sous la forme de nouveaux virus. Cette phase de copie ne dure que quelques heures. C'est durant cette phase que le virus peut subir une substitution de son génome. En effet, parfois la réplication est associée à une substitution génétique : des segments du génome viral initial sont recombinés différemment mais les segments codants restent inchangés. Dans ce cas, les propriétés des cellules filles sont les mêmes que celle du virus initial. Il garde sa dénomination originale, par exemple H1N1.

Dans certains cas on peut assister à une substitution antigénique : des segments du génome viral initial sont combinés différemment lors de la réplication des cellules filles. Dans ce cas, les propriétés virales étant différentes, le virus reçoit une nouvelle désignation, par exemple H1N2.

Le taux de mutation est très élevé chez les virus. En effet, l'ARN polymérase n'ayant pas de système de contrôle et de réparation des erreurs de réplication comme l'ADN polymérase humain, un virus a 1 chance sur 1000 à 10000 de subir une mutation; c'est 1 million de fois plus fréquent que chez les mammifères, ce qui explique la facilité avec laquelle les virus peuvent déjouer et tromper le système immunitaire.

Lorsque la réplication est terminée, pour sortir de la cellule infectée, chaque cellule virale fille va se coller à la membrane cellulaire et former un bourgeonnement. Elle va ensuite utiliser sa neuraminidase (N) pour casser la liaison entre le virus et la membrane, provoquant une cambrure puis sa séparation de son hôte, ce qu'on appelle la lyse ou le "budding" d'un nouveau virus, qui est à présent libéré et peut infecter d’autres cellules.

La lyse détruisant la membrane plasmique protégeant la cellule du monde extérieur, en se libérant le virus tue parfois son hôte et peut donc entraîner une destruction massive de cellules saines quelquefois accompagnée d'effets secondaires ainsi que nous l'avons évoqué.

Dernier chapitre

L'infection virale

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[2] A.T.Borrel, “Les virus”, Nathan-Université, 1996 - Antoine Gessain et Jean-Claude Manuguerra,"Les virus émergents", PUF, 2006

[3] Cf. notamment les travaux de Luis P. Villarreal.

[4] Peyton Rous de l’Institut Rockefeller avait découvert en 1910 le premier rétrovirus capable de provoquer des tumeurs osseuses, sanguines ou musculaire. Mais la communauté scientifique accueilla si mal sa découverte qu’il abandonna ses travaux par dépit.


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