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Microbiologie du Covid-19

Cycle de vie du virus (II)

Comme l'illustrent les deux schémas du cycle de vie du Covid-19 présentés ci-dessous, lorsque le virus a pénétré dans la cellule, l'endosome qui contient la charge virale se dissout. L'ARN viral ainsi libéré peut alors être décodé par le ribosome afin que les gènes puissent exprimer leurs protéines spécifiques. L'une des 16 protéines virales est une enzyme appelée l'ARN polymérase qui va synthétiser un ARN messager qui agit exactement comme l'ARNm cellulaire. Il va exploiter la machinerie cellulaire pour répliquer de nouveaux virions contenant des copies de l'ARN viral.

A consulter : Biorender (logiciel de DAO)

Descriptions du cycle de vie du Covid-19 depuis son attachement à la cellule hôte et l'endocytose jusqu'à l'exocytose. Notez en particulier le réticulum endoplasmique (ER) où le processus de traduction de l'ARN viral va fabriquer les protéines structurales et les éléments de la capside des futurs virions. Documents R.Di Napoli et al. (2020) et Lucerna-Chem.

L'ARN messager du virus va synthétiser deux longues polyprotéines. Ces protéines comprennent un complexe de réplication/transcription (RCT) qui produit de nouveaux ARN, des protéines structurales et deux protéases.

Pendant la réplication, des copies complètes de l'ARN viral (pleine longueur de polarité négative) sont produites et utilisées comme modèle pour fabriquer de nouveaux brins d'ARN (pleine longueur de polarité positive).

Pendant la transcription, un sous-ensemble de 7 à 9 ARN génomiques, y compris ceux codant pour toutes les protéines structurales, sont produites par transcription discontinue et coupées grâce à une protéase.

Enfin, les nucléocapsides virales sont combinées dans le cytoplasme à partir de l'ARN génomique et des protéines structurales puis bourgeonnent dans la lumière du réticulum endoplasmique. Après la synthèse de ces protéines, des macromolécules et des substances annexes, ces produits sont transférés vers l'appareil de Golgi situé près de la membrane cellulaire (le système endomembranaire). Lorsque les nouveaux virions matures sont assemblés, ils émergent de la surface de la cellule par exocytose et cherchent d'autres cellules à infecter.

Pour le lecteur intéressé, voici le mode de réplication des virus Influenza de la grippe.

Notons que si la cellule est fortement infectée par des virus, elle peut s'autodétruire, ce qu'on appelle l'apoptose (cf. la mort cellulaire).

Documents R.Sender et al. (2020) adapté par l'auteur.

Quelle est la durée du cycle de vie du Covid-19 et combien de virus peut-on détecter chez une personne contaminée ?

Si on se base sur des cas cliniques, des prélèvements effectués à l'écouvillon sur des patients hospitalisés depuis 1 à 3 jours en Chine entre le 1 janvier et le 17 février 2020 montrent qu'au cours d'un cycle viral supérieur à 30 jours, le nombre moyen de virus ne dépasse pas 26000 copies d'ARN viraux/mL à l'exception du nez où le cycle viral est de 24.3 jours et le nombre de virus est 53 fois supérieur, atteignant 1.4 million de copies d'ARN viraux/mL (cf. W.Tan et al., 2020). Mais cette étude fut en partie remise en question par des membres de l'équipe de Tan en raison de l'incomplétude des données.

Au niveau de la gorge, au cours des 5 premiers jours des symptômes, l'excrétion virale au niveau du pharynx est très élevée avec des quantités variant entre 676000 et 700 millions de copies d'ARN viraux/mL au 4e jour (cf. R.Woelfel et al., 2020; C.Drosten et al., 2020).

Comme illustré à gauche, selon une étude publiée sur "medRxiv" le 17 novembre 2020 par l'équipe de Ron Sender de l'Institut Weizmann des Sciences de Rehovot, en Israël, les chercheurs estiment que "chaque personne contaminée porte entre 1 et 100 milliards de virions pendant le pic d'infection, ce qui représente une masse totale d'environ 1 μg à 0.1 mg. Cela implique curieusement que tous les virions du SARS-CoV-2 actuellement [actifs] dans le monde représentent une masse de seulement 0.1 à 1 kg".

Ils ont également calculé le pourcentage de cellules contaminées chez un patient Covid ayant contracté le virus depuis quelques jours. Sur base du nombre total de virions produit par une cellule infectée ou burst size estimé entre 10 et 100 virions, il y a 10 virions infectieux par cellule contaminée. En estimant qu'il y a entre 100000 et 10 million de virions chez cette personne, 10 virions par cellule contaminée représentent entre 10000 et 1 million de cellules infectées sur 100 milliards de cellules potentiellement cibles. Au total, ils obtiennent un rapport de 1 cellule contaminée pour 100000 à 10 millions de cellules saines.

La connaissance du nombre absolu de virions chez un individu contaminé peut mettre en perspective les paramètres de la réponse du système immunitaire, les doses infectieuses minimales et les limites de détection lors des tests.

C'est à ce stade que l'infection touche généralement plusieurs tissus et organes et que la personne présente les premiers symptômes et peut éventuellement devenir malade si ses défenses immunitaires sont trop faibles pour répondre efficacement à l'attaque virale. On reviendra sur les pathologies des patients Covid.

Nous verrons à propos des remèdes contre le Covid-19 que les chercheurs disposent de nombreuses stratégies thérapeutiques pour combattre le virus dont un assortiment de plusieurs centaines de traitements et presque autant de vaccins potentiels capables de neutraliser la charge virale du Covid-19 et donc l'expression des gènes.

Effets des protéines virales sur l'organisme

Les principaux constituants cellulaires affectés par les protéines virales. Document LadyofHats.

Des études ont montré que les différentes protéines du Covid-19 influenceraient le fonctionnement des cellules ainsi que les réponses du système immunitaire. Bien que le sujet soit très vaste et en partie inexploré, en voici un bref apperçu.

La protéine M influencerait la morphologie du réticulum endoplasmique tandis que la protéine nsp13 agirait sur l'organisation de l'appareil de Golgi.

La protéine nsp6 et la protéine accessoire 9C interagiraient avec les récepteurs Sigma 1 et 2 impliqués dans le métabolisme des lipides et l'adaptation du réticulum endoplasmique au stress cellulaire.

La principale protéase Mpro affecterait la circulation à l'intérieur du réticulum endoplasmique.

Plusieurs protéines virales cibleraient également des protéines cellulaires impliquées dans l'immunité innée dont les voies de l'interféron (protéines nsp13, nsp15…) qui favorise la production de protéines antivirales, et la voie du NF-kappaB (protéine nsp13) qui active les cellules phagocytaires.

Des protéines virales comme la nsp9 entraveraient également des enzymes comme l'ubiquitine ligase E3 participant à l'activité antivirale de l'immunité.

D'autres protéines virales interféreraient également avec la machinerie de traduction des ARNm en protéines cellulaires, etc.

Activité et durée de vie de la charge virale

Comme nous l'avons expliqué, le Covid-19 ne peut répliquer son ARN que dans le cytoplasme d'une cellule hôte infectée dont il utilise la machinerie génétique à son profit. Autrement dit, même en faisant ses courses et en imaginant que le virus se poserait sur notre peau, il serait inoffensif. On y reviendra à propos des voies de transmission du virus car le sujet a suscité beaucoup de craintes et de malentendus.

Comme tous les coronavirus, étant enveloppé, pour que sa charge virale reste active (on ne parle pas de survie dans le cas d'un virus), le Covid-19 doit rester dans un milieu humide et idéalement à une température inférieure à 25°C, l'air chaud et sec ayant tendance à fragiliser son enveloppe. En effet, si le milieu est trop sec, le virus sera détruit au bout de quelques heures. La période estivale n'est donc pas sa meilleure saison, d'autant moins que le nombre de contacts qu'il peut établir diminue puisque la population à tendance à se disperser. En revanche, le virus apprécie le temps froid et sec hivernal.

Enfin, comme la majorité des virus, la charge virale et la capacité infectieuse du Covid-19 est détruite lorsqu'il est exposé au moins une demi-heure à 56°C ou 1 seconde à 100°C, d'où l'intérêt de bien cuire les aliments et de nettoyer le linge susceptible d'être contaminé (y compris les masques de protection en tissu) à au moins 60°C pendant au moins une demi-heure. On reviendra sur les façons d'éliminer les bactéries et les virus.

Taux de mutation

Le fait que le Covid-19 soit un virus à ARN monocaténaire (simple brin) le rend plus sujet aux mutations car les ARN polymérases qui assurent la réplication du génome n'ont pas les fonctions de correction d'erreurs des ADN polymérases. De ce fait, bien que son génome compte déjà parmi les plus grands génomes ssARN (cf. A.Becerra et al., 2015), sa taille et ses fonctions génétiques sont limitées.

Les coronavirus sont les seuls virus à ARN disposant d'un système de correction d'erreurs (cf. W-L. Ng et al., 2020 et en format PDF). Il s'effectue grâce à l'exonucléase, une fonction enzymatique de la sous-unité nsp14 qui détruit la plupart des analogues de nucléotides, y compris des antiviraux comme la ribavirine, rendant ces virus résistants à ce médicament. Néanmoins, ce mécanisme n'est pas aussi efficace que celui des cellules eucaryotes. Par conséquent, le génome des coronavirus peut subir de légères mutations. Ceci explique que les virus à ARN ont une grande capacité d'adaptation qui leur permet même d'échapper aux défenses du système immunitaire. On y reviendra à propos de l'immunité face au Covid-19.

Modèles du coronavirus Covid-19 révélant les spicules sur l'enveloppe et la capside protégeant le brin d'ARN. Documents Andriy Onufriyenko/GettyImages.

Le Covid-19 évolue beaucoup plus lentement que les autres coronavirus. Selon les données de Nextstrain, en juillet 2020 le Covid-19 présentait un taux de mutation d'environ 23.2 mutations par an qui diminua à 22.9 mutations par an en février 2021 contre ~50 mutations par an pour les virus de la grippe saisonnière. Ce taux deux fois plus lent s'explique en partie par la taille deux fois plus longue du génome du Covid-19 par rapport à ceux de l'Influenza A de la grippe saisonnière (~30 kb contre 13.5 kb).

Pour les virologues et les biochimistes, ces différentes mutations et leurs répétitions peuvent révéler des indices importants sur la biologie du virus. Même si certains éléments des nucléotides de la protéine S ont muté, la plupart du temps elle peut continuer à remplir sa fonction, même avec la substition de plusieurs acides aminés. Autrement dit, malgré cette entropie sur certaines positions de son ARN, ces mutations aussi nombreuses soient-elles, aboutissent très rarement à un changement du phénotype et de la fonction virale. C'est ce qu'on appelle la dérive ou le glissement antigénique qu'on observe également chez les virus de la grippe saisonnière par opposition à la cassure antigénique où deux variants du même virus produisent un nouveau sous-type de virus portant les antigènes des deux variants originaux. C'est par exemple le cas des virus de la grippe. Ceci explique pourquoi le vaccin fonctionne sur une grippe sur deux selon le variant en circulation.

Le fait que les virus de la grippe saisonnière mutent si rapidement est précisément la raison pour laquelle on ne peut pas élaborer de vaccins efficaces plus d'une saison.

Le taux de mutation beaucoup plus lent du Covid-19 donne de l'espoir aux chercheurs de développer des vaccins efficaces et durables contre le virus. Mais il faut rester réaliste. Le virus continuera de muter et les vaccins devront donc probablement être adaptés en conséquence et il y aura de nouvelles campagnes de vaccination. Autant être prévenu tout de suite.

Biostatistiques

En général, les taux de mutation d'un virus ssARN varient entre 10-4 et 10-6 substitutions par nucléotide par infection cellulaire contre 10-6 à 10-8 pour les virus à ADN (cf. Sanjuán et Domingo-Calap, 2016). A grande échelle, un virus à ARN mute 1 million de fois par cycle viral soit environ toutes les 6 heures. Si dans l'absolu cela paraît élevé et très fréquent, il faut examiner ce que cela représente concrètement et avec quel effet.

L'arbre phylogénétique du Covid-19 révélant ses divergences selon les pays entre décembre 2019 et juin 2020. Document Nextstrain adapté par l'auteur.

Pour comprendre l'origine du Covid-19 et surtout pour mettre au point un remède ou un vaccin, les chercheurs doivent absolument savoir si son génome est stable et quand il va muter. Pour cela, il faut le décoder.

Rappelons que l'ARN est une molécule similaire à l'ADN, et c'est pour l'essentiel une copie temporaire d'un court segment d'ADN. Plus précisément, selon les théories actuelles, l'ADN est transcrit en ARN. Le Covid-19 étant un virus à ARN, nos technologies de séquençage d'ADN ne peuvent pas décoder directement sa séquence génétique. Cependant, les scientifiques peuvent transcrire l'ARN du virus en ADN complémentaire (ou ADNc), qui peut ensuite être séquencé.

Les modèles d'évolution des séquences nucléaires ou d'évolution phylogénétiques existent depuis plus d'un demi-siècle (cf. M.Forster et al., 2020; S.Pompei et al., 2012; S.Tavaré, 1986; W.M. Fitch, 1971; Cavalli‐Sforza et Edwards, 1967; Zuckerkandl et Pauling, 1965). On peut donc analyser statistiquement les divergences qui apparaissent sur les nucléotides au fil du temps. À partir de ces modèles d'évolution on peut prédire l'histoire du virus et l'utiliser pour essayer de calculer à quel taux les mutations se produisent, sur quelle partie du génome, quels gènes mutent fréquemment, autant d'informations utiles pour concevoir des médicaments et en particulier un vaccin.

Aujourd'hui, pour mener ces recherches digne d'un enquêteur, les chercheurs font appel à la puissance de calcul des ordinateurs. Les bioinformaticiens parmi d'autres spécialistes recourent à l'intelligence artificielle (IA), en particulier à la méthode d'apprentissage automatique (learning machine) qui permet à partir des mégadonnées (Big Data), des réseaux neuronaux et d'autres technologies informatiques de classifier très rapidement et avec une précision de 100% les séquences génomiques virales, et éventuellement de découvrir en quelques minutes les relations les plus pertinentes entre plus de 5000 génomes viraux enregistrés à ce jour.

Grâce à cette méthode, on peut obtenir les diagrammes présentés ci-dessous montrant la phylogénie du Covid-19 obtenue dans le cadre du projet open source Nextstrain qui analyse les génomes de virus du monde entier. On constate que le Covid-19 a subi plusieurs divergences ou mutations depuis décembre 2019.

Précisons qu'il faut interpréter ces arborescences avec prudence. En effet, tant que la population n'est pas massivement dépistée et les données disponibles, ce dont on dispose sera toujours basé sur un sous-ensemble et donc biaisé de la population mondiale. Par conséquent, il ne faut pas généraliser ces résultats et par exemple conclure que le virus évolue en passant d'un continent ou d'un groupe de population à l'autre comme semble l'indiquer les différentes couleurs. C'est une interprétation possible, mais elle est prématurée.

En fait, l'analyse statistique permet seulement de dire que les écarts importants qu'on voit entre les groupes sont plus probablement dus à un sous-échantillonnage (des liens manqueraient le long de l'arbre) plutôt qu'à des mutations importantes du virus lorsqu'il se déplace d'un pays à l'autre.

L'arbre phylogénétique du Covid-19 révélant ses mutations et les pays affectés entre décembre 2019 et juin 2020. Document Nextstrain adapté par l'auteur et Scientific American.

Une analyse détaillée des séquences de l'ARN du Covid-19 réalisée par le bioinformaticien Niema Moshiri de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) montre que le virus a déjà subi de nombreuses mutations sur ses nucléotides (cf. N.Moshiri, 2020).

Dans son rapport d'analyse du 20 septembre 2020, le diagramme "Alignement Position Entropies" présenté ci-dessous à droite indique le niveau de désordre des positions de l'alignement des séquences d'ARN (la séquence des bases A, G, C, U). Certaines positions affichent une entropie élevée (jusqu'au rapport 1.0) signifiant qu'elles sont très variables mais heureusement elles sont peu nombreuses et la plupart de ces mutations sont "silencieuses" car sans conséquence. En effet, les bases ou nucléotides sont prises par 3 pour être traduites en acides aminés et un changement chez l'une d'elles n'est pas toujours accompagné d'un changement de la fonction de la protéine (cf. la synthèse des protéines).

On a également identifié sur le Covid-19 des substitutions de 380 acides aminés du SARS, incluant des différences dans cinq des six acides aminés qui composent le domaine de liaison de la protéine S aux récepteurs ACE2 (cf. X.Li et al., 2020; F.Li et al., 2005).

A gauche, fréquence des mutations du Covid-19 distribuées dans 4 zones géographiques. Au total, 14 variants (13 dans ce graphique établi le 22 avril 2020) ont été répertoriés en avril 2020. A droite, le niveau de désordre des positions de l'alignement des séquences d'ARN du Covid-19 en septembre 2020. Documents D.Zella et al. (2020) et N.Moshiri (2020) adaptés par l'auteur.

Comme on le voit dans le diagramme ci-dessus à gauche, en avril 2020 on avait déjà identifié 14 variants du Covid-19 (13 sont présentés dans le graphique) présentant des mutations récurrentes de points chauds. Ces changements concernent notamment des mutations sur la protéine S dans le variant D614 qui s'est propagé en Europe puis aux Etats-Unis (voir page suivante) et d'autres sur la protéine hélicase nsp13 (protéine non structurelle) qui catalyse l'ouverture des brins appariés d'acides nucléiques qui n'affecte que l'un des variants présent en Amérique du Nord (cf. D.Zella et al. 2020; PNAS, 2020).

Des mutations sans fin ?

Y a-t-il des limites aux mutations du Covid-19 ? Vu sa nature, il est normal que le virus subisse des mutations. Mais y a-t-il une limite au nombre de mutations pouvant provoquer une maladie ou le virus peut-il simplement continuer à évoluer indéfiniment sans pour autant entraîner de maladie chez les humains ?

Selon le virologue Vincent Racaniello, professeur de microbiologie et d'immunologie à l'Université Columbia de la Cité Universitaire de New York (CUNY), il existe effectivement une limite, mais personne ne sait exactement où elle se trouve. En effet, "on ne peut pas prédire toutes les mutations génétiques possibles que le virus pourrait subir car leur nombre est supérieur au nombre d'atomes dans l'univers visible" (estimé entre 1079-1082 atomes, cf. l'avenir de l'univers).

Principales régions de mutations observées sur les variants du Covid-19. Document S.K. Saxena et al. (2020) adapté par l'auteur.

Selon Racaniello, des études sur d'autres virus à ARN simple brin ont montré que plus de la moitié des bases de ces virus peuvent subir des mutations. "Mathématiquement, cela signifie que pour un virus de 10000 bases, il existe 45000 possibilités de séquences génétiques possibles" !

Appliqué au Covid-19 dont le génome est trois fois plus long, il existerait 414941 combinaisons génétiques différentes possibles ! Et cela ne tient compte que des substitutions de bases car il existe également d'autres mutations telles que les délétions et les insertions de bases qui augmentent encore le nombre de possibilités de milliers d'ordres de grandeur.

Avec ses 1273 acides aminés codées par 3831 bases, la seule protéine S peut subir 41916 mutations. Heureusement, bon nombre de ces mutations sont redondantes et codent pour les mêmes acides aminés.

Comme nous l'avons expliqué, des milliers de mutations sont silencieuses ou ont un effet mortel sur le virus. Ces mutations ne sont pas identifiées comme un nouveau variant du virus. Les variants identifiés et nommés ont généralement des propriétés "remarquables" comme une plus grande capacité à se transmettre entre humains ou à échapper aux anticorps. On y reviendra.

Les scientifiques surveillent les mutations du virus grâce au dépistage de la population. Lorsqu'une mutation significative est détectée, ces données sont incorporées dans un modèle informatique de la protéine S afin de prédire le comportement du variant. Mais pour réellement comprendre comment la mutation modifie le comportement du virus, il faut réaliser des expériences in vitro (en culture) ou ex vivo (sur des tissus extraits d'un organisme) sur le variant ou les protéines ayant muté.

Pourquoi toutes ces mutations se produisent-elles ? Dans le premier cas, le variant s'est propagé parce qu'un plus grand nombre de personnes voyagent et sont en contact les unes avec les autres. Mais cela ne signifie pas nécessairement que le virus tire avantage de cette mutation.

Dans le second cas, des mutations identiques ou très similaires émergent dans différentes souches virales en différents endroits du monde. Cela signifie que la mutation confère un avantage au virus. La souche initiale du virus étant déjà très efficace pour contaminer les humains, en principe toute nouvelle mutation ne lui conférera qu'un faible avantage et ne va pas profondément modifier l'action du virus. Pour faire une comparaison, cela revient à augmenter le son de votre radio de 10%.

Toutefois, le fait de vacciner la population à un rythme trop lent peut inciter le virus à développer des mutations d'échappement pour bloquer la capacité de neutralisation des anticorps. On y reviendra.

Peut-on prédire les mutations futures ?

Le Covid-19 ne circule dans la population humaine que depuis fin 2019 de sorte que les scientifiques n'ont pas encore assez de recul pour faire des prédictions sur les variants qui émergeront à l'avenir. Actuellement (2021) son évolution est plutôt stochastique, autrement dit aléatoire, et on ne peut que réagir et non anticiper les impacts de ses mutations sur la transmissibilité, la létalité ou l'évasion du virus face aux médicaments.

Mais même s'il était possible de prédire quelles autres mutations pourraient émerger, ce serait probablement trop tard sachant la fréquence à laquelle le virus peut muter. En effet, le virus s'adapte plus rapidement que les vaccins ou les remèdes car les protéines virales sont très flexibles dans leurs capacités à interagir avec des récepteurs ou des anticorps; elles sont capables de tolérer une mutation de plusieurs façons différentes pour atteindre leur objectif. Et cela, les scientifiques ne peuvent pas le prédire.

En revanche, ils peuvent prédire certaines mutations très évidentes, telles que certains changements d'acides aminés sur la protéine S qui ont un impact décisif sur le domaine RBD, ce qui a un impact sur la capacité du virus à s'attacher et à pénétrer dans les cellules humaines. Mais ce n'est qu'une partie de la protéine S et de nombreux autres changements peuvent avoir un impact sur sa forme physique.

Configurations 3D du Covid-19, du repliement de la protéine S et de quelques unes de ses mutations et du domaine RBD. Documents OMS, B.Korber et al. (2020) et Y.Wang et al. (2020) adaptés par l'auteur.

On sait également que plus le virus se propage plus les mutations émergeront. D'abord parce que chaque réplication virale est potentiellement sujette à mutation, et elles se comptent par milliards dans un seul organisme lors d'une attaque virale. Ensuite parce que certains variants sont sélectionnés en raison de leur plus grande transmissibilité et/ou résistance aux anticorps, considérées comme les deux principaux facteurs de pression de la sélection naturelle. On en déduit qu'un vaccin offrant une forte pression de sélection et donc très efficace contre le virus, peut réduire la probabilité que le virus se réplique et mute. À l'inverse, une pression de sélection très faible signifie que le virus subit peu de contraintes, il ne va donc pas beaucoup muter et tout changement fournira un avantage négligeable.

Mais ce mécanisme peut mal fonctionner lorsque la pression de sélection sur le virus est insuffisante. Ainsi, l'utilisation généralisée de vaccins peu efficaces ou l'allongement du délai entre la première et la deuxième dose du vaccin lorsqu'une personne n'a pas une forte réponse en anticorps, peut représenter un terrain fertile pour de nouveaux variants. C'est une situation dont ont bien conscience les microbiologistes et les sociétés pharmaceutiques qui travaillent littéralement dans une course contre la montre contre les mutations du virus.

Empêcher les mutations grâce à la vaccination

Pour éviter ces variants potentiels, tous les spécialistes confirment qu'il faut administrer les vaccins à la population sans s'écarter du protocole, c'est-à-dire dans les délais prévus et validés lors des tests cliniques, pour atteindre le plus rapidement possible une immunité de 100% et ainsi empêcher l'émergence de variants portant des mutations d'échappement.

En vaccinant rapidement la population, les courbes de l'épidémie montrent clairement qu'en moins de deux mois le nombre de cas de contamination diminue sensiblement et on élimine ou réduit fortement le risque de mutation.

En résumé, que ce soit de nos jours avec le Covid-19 où lors des épidémies antérieures, la propagation des virus peut toujours être endiguée et stoppée par les procédures standards recommandées par l'OMS et le corps médical.

Décrivons à présent les nouveaux variants qui sont apparus en différents endroits du monde. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Les différents variants

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