Structure et Classification des Virus

Virologie Générale : Définition, Structure, Multiplication et Classification des Virus

Les virus sont des agents infectieux submicroscopiques caractérisés par leur parasitisme intracellulaire obligatoire. Cette note exhaustive explore en détail leur définition, leur structure, les mécanismes complexes de leur multiplication, ainsi que les critères de leur classification, incluant des entités apparentées comme les viroïdes et les prions.

1. Définition et Caractéristiques Fondamentales des Virus

En 1953, André Lwoff a établi une définition du virion (particule virale mature et infectieuse) qui est largement acceptée. Le terme virus englobe toutes les formes du cycle évolutif de l'agent (intracellulaires et extracellulaires).

1.1. Critères de Définition du Virion (André Lwoff, 1953)

1. Il ne possède qu’un seul type d’acide nucléique : soit de l’ADN, soit de l’ARN.
2. Il se reproduit uniquement à partir de son matériel génétique.
3. Il est incapable de croître et de se diviser.
4. Son génome n’a aucune information pour la synthèse d’enzymes du métabolisme intermédiaire.
5. C’est un parasite absolu de la cellule hôte.

Ces critères permettent de distinguer les virus des autres micro-organismes (bactéries, protozoaires, champignons) et des cellules eucaryotes.

2. Structure Détaillée des Virus

Les virus sont caractérisés par une structure relativement simple, mais hautement organisée, composée d'éléments constants et parfois d'éléments facultatifs.

2.1. Acide Nucléique Viral (Génome Viral)

Le génome viral contient la totalité de l’information génétique nécessaire à la réplication virale, bien qu'il soit généralement de petite taille.

• Nature : Il peut être soit de l’ARN, soit de l’ADN. Cette caractéristique est le premier critère de classification des virus.
• Brins : Il peut être bicaténaire (double brin) ou monocaténaire (simple brin).
• Forme : Il peut être linéaire ou circulaire.
• Organisation : Il peut être segmenté (plusieurs molécules d'acide nucléique) ou non segmenté.
• Ploïdie : Le génome est généralement haploïde (une seule copie de chaque gène), à l’exception des rétrovirus qui possèdent un génome diploïde (deux copies identiques).

2.1.1. Polarité de l'ARN Monocaténaire

Les ARN monocaténaires ont une importance particulière :

• Polarité positive (ARN+) : Il est directement traduisible en protéines virales par la machinerie de la cellule hôte, agissant comme un ARN messager. Ce génome est directement infectieux. Exemple : Poliovirus.
• Polarité négative (ARN-) : C'est un anti-messager. Il doit être transcrit au préalable en ARNm par une ARN polymérase virale (souvent associée au virion) pour être traduit. Il n’est pas directement infectieux. Exemple : Virus de la grippe.

2.1.2. Cas Particulier des Rétrovirus

Les rétrovirus, avec leur génome diploïde, sont associés à une transcriptase inverse (une ADN polymérase ARN dépendante). Cette enzyme est cruciale car elle transcrit le génome viral ARN en un ADN intermédiaire, qui sera ensuite intégré au génome de la cellule hôte, puis transcrit en ARNm cellulaire.

2.2. Capside

La capside est une coque protéique qui protège le génome viral. Elle est formée par la polymérisation d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques appelées capsomères. L'ensemble de l'acide nucléique et de la capside forme la nucléocapside. Le terme "core" ou "cœur" du virus désigne l'ensemble de l'acide nucléique et des nucléoprotéines. La symétrie de la capside est un critère important de classification des virus.

2.2.1. Capside Icosaédrique (Cubique)

La symétrie cubique donne des nucléocapsides en forme d’icosaèdre. Un icosaèdre est un polyèdre régulier composé de 12 sommets, 20 faces triangulaires équilatérales et 30 arêtes.

• Les sous-unités protéiques s'organisent en hexamères (ou hexons) sur les faces et arêtes (regroupement par 6).
• Aux sommets, elles s'assemblent en pentamères (ou pentons) (regroupement par 5). Le nombre de pentons est toujours de 12 pour les virus icosaédriques.
• Le nombre total de capsomères varie :
  • Adénovirus : 252 capsomères (12 pentons + 240 hexons).
  • Herpesviridae : 162 capsomères (12 pentons + 150 hexons).

2.2.2. Capside Hélicoïdale

La capside hélicoïdale est constituée d’une succession de sous-unités protéiques identiques qui s'accrochent à l'acide nucléique, formant une structure en hélice.

• Elle peut être rigide (ex: virus de la mosaïque du tabac - VMT) ou souple (virus humains).
• Le nombre de sous-unités protéiques par tour d’hélice est caractéristique de chaque virus.
  • Exemple VMT : 2200 sous-unités au total, 49 sous-unités par tour d’hélice.

2.2.3. Capside à Symétrie Complexe

Certains virus présentent une symétrie qui n'est ni cubique ni hélicoïdale, elle est dite complexe. C’est le cas des Poxvirus et de certains bactériophages.

2.3. Enveloppe (Peplos)

Le troisième élément structural, facultatif, est l’enveloppe ou peplos. Elle est glucidolipidoprotéique et entoure la capside.

• Origine : L’enveloppe provient d’une membrane de la cellule hôte, acquise lors du bourgeonnement viral.
  • Membrane nucléaire (Herpesviridae).
  • Membrane du réticulum endoplasmique (Bunyaviridae).
  • Membrane cytoplasmique (Orthomyxoviridae).
• Composition : L'enveloppe peut être recouverte de projections protéiques appelées spicules ou glycoprotéines. Ces structures sont antigéniques et jouent un rôle crucial dans la reconnaissance de la cellule hôte et la pathogénie virale.
• Classification : La présence ou l'absence d'enveloppe est le troisième critère de classification des virus.
  • Virus enveloppés : possèdent une enveloppe.
  • Virus nus : ne possèdent pas d'enveloppe.
• Propriétés Physico-chimiques : L’enveloppe confère des propriétés importantes :
  • Sensibilité à la chaleur : Les virus enveloppés sont sensibles et se conservent mieux à +4°C pour le transport, et à -80°C pour une conservation prolongée.
  • Sensibilité à la dessiccation : Ils sont très sensibles à la dessiccation, à l’exception du virus de la variole dans les croûtes.
  • Inactivation : Ils sont inactivés par les UV, les solvants des lipides (éther, désoxycholate de sodium) et la β-propiolactone. La majorité est détruite par l’eau de Javel.

3. Multiplication Virale

La multiplication virale, ou réplication virale, est un processus complexe dépendant entièrement de la cellule hôte. Elle peut entraîner des effets cytopathogènes ou des maladies.

3.1. Supports de la Multiplication Virale

Historiquement et actuellement, plusieurs systèmes sont utilisés pour la multiplication des virus.

3.1.1. Animaux de Laboratoire

Utilisés pour les virus non cultivables ou pour étudier la pathogénie.

• Méthodes : Infection par voie naturelle ou expérimentale.
• Manifestations : Lésions cliniques ou mort de l'animal dans les infections généralisées.
• Exemples :
  • Furet pour le virus de la grippe (voie respiratoire).
  • Œil de lapin pour le virus Herpès simplex.
  • Cerveau de lapin pour le virus de la rage.
• Indications actuelles : Limitées à la production de virus non cultivables (VHC, Coxsackievirus A), l'étude de la transmission et de la pathogénie, et l'évaluation de l'efficacité des antiviraux et vaccins.

3.1.2. Œufs Embryonnés

Un système en voie d'abandon, principalement utilisé aujourd'hui pour la production du vaccin antigrippal.

3.1.3. Cultures Cellulaires

Développées par Enders J. dans les années 1945-1950, elles sont devenues le support principal.

3.1.3.1. Cultures de Cellules en Monocouches

Il existe trois types principaux :

• Cellules Primaires (Primo-explantation) :
  • Origine : Directement de tissus (rein de singe, embryons humains ou animaux).
  • Méthode : Dissociation tissulaire par trypsine, adhérence et multiplication.
  • Arrêt de division : Inhibition de contact lorsque la monocouche est complète.
  • Durée de vie : Limitée (1 à 12 passages/générations).
  • Utilisation : Lorsque la différenciation cellulaire est cruciale ou si les lignées continues ne sont pas disponibles.
• Cellules Diploïdes :
  • Origine : Humains et animaux (ex: WI 38, MRC5 issues de poumon embryonnaire humain).
  • Caractéristiques : Nombre diploïde de chromosomes, population homogène.
  • Capacité : 50 à 100 passages.
  • Utilisation : Très utilisées en laboratoire.
• Lignées Cellulaires Continues :
  • Origine : Tissus cancéreux (KB, HeLa, Hep-2, MDCK) ou traitement de cellules par agent mutagène (VERO).
  • Caractéristiques : Croissance rapide, perte de l'inhibition de contact, nombre anormal de chromosomes.
  • Exemples :
    • KB : cancer buccal.
    • HeLa : cancer du col utérin (Helen Lansing, 1952).
    • MDCK : rein de chien.
    • Vero : rein de singe Vervet (utilisées pour la production de vaccins).
  • Capacité : Nombre illimité de passages.
  • Utilisation : Diagnostic, recherche, industrie pharmaceutique.

3.1.3.2. Autres Systèmes

• Cultures de lymphocytes sanguins : En présence de phytohémagglutinine (PHA) et d’IL-2. Elles ne sont pas adhérentes.
• Culture tissulaire .

3.2. Interactions Virus-Cellules

Les virus interagissent avec les cellules hôtes de différentes manières, déterminant l'issue de l'infection.

3.2.1. Types d'Interactions

• Interaction Productive : La cellule hôte est permissive, permettant un cycle complet de réplication et la production de nouveaux virions.
  • Cycle lytique : production de virions avec lyse de la cellule (ex: Adénovirus dans les cellules humaines).
  • Cycle végétatif : production de virions sans lyse cellulaire (ex: certains virus enveloppés par bourgeonnement).
• Interaction Abortive : La cellule hôte est non permissive, empêchant le déroulement complet du cycle de multiplication. Il n'y a pas de production de nouveaux virions. Exemple : Adénovirus dans les cellules de singe.
• Interaction Intégrative : Le génome viral persiste dans la cellule hôte, soit sous forme d’épisome libre, soit intégré dans le génome cellulaire (provirus). L'expression de certains gènes viraux peut transformer la cellule hôte, qui transmet le génome viral à sa descendance. Un virus capable de transformer une cellule est dit oncogène.
  • Infection persistante peut être latente (peu ou pas de production virale) ou chronique (production continue de virions sans dommages cellulaires majeurs).

3.2.2. Interactions Virus-Virus

• Virus défectif et virus assistant : Un virus défectif ne peut se répliquer qu'en présence d'un virus assistant qui lui fournit des fonctions manquantes.
• Co-infection et ré-infection : Plusieurs virus ou différentes souches du même virus infectent la même cellule.
• Interférence : Un virus inhibe la multiplication d'un autre.
• Facilitation : Un virus favorise la multiplication d'un autre.

3.3. Étapes de la Multiplication Virale (Cycle de Réplication)

Bien que chaque virus ait des spécificités, un cycle général peut être décrit. L'étude de ces étapes est cruciale pour le développement d'antiviraux.

ÉTAPES	DESCRIPTION
1. Attachement (Adsorption)	Reconnaissance spécifique entre les glycoprotéines virales (pour les virus enveloppés) ou la capside (pour les virus nus) et les récepteurs cellulaires (ligand viral + récepteur(s) cellulaire(s) et parfois co-récepteurs).
2. Pénétration	Le virus (ou son génome) entre dans le cytoplasme. Les mécanismes incluent : Endocytose : la cellule internalise le virion. Fusion des membranes : pour les virus enveloppés, l'enveloppe virale fusionne avec la membrane cellulaire. Modification conformationnelle de la capside et création de pores : injection de l'acide nucléique (ex: Poliovirus).
3. Décapsidation	Libération du génome viral dans le cytoplasme après dégradation des structures externes. Certains virus injectent directement leur génome (ex: Picornavirus).
4. Synthèse des Macromolécules (Transcription, Réplication, Traduction)	Le virus utilise la machinerie cellulaire pour transcrire son génome en ARNm, répliquer son génome et traduire les ARNm en protéines virales. Les virus à ADN répliquent souvent dans le noyau et peuvent utiliser des enzymes cellulaires. Des enzymes virales spécifiques sont souvent nécessaires. Les ARNm peuvent coder un gène unique ou une polyprotéine clivée ensuite par des protéases.
5. Assemblage des Virions	Les protéines structurales nouvellement synthétisées et le génome viral sont assemblés pour former de nouvelles nucléocapsides. Des enzymes virales peuvent aussi être encapsidées.
6. Libération des Virions	Les nouveaux virions quittent la cellule hôte. Bourgeonnement : pour les virus enveloppés, acquisition de l'enveloppe à partir des membranes cellulaires (internes ou externes). Lyse cellulaire : pour les virus nus, la cellule éclate.

L'étude de ce cycle est cruciale pour identifier des cibles pour les traitements antiviraux (ex: inhibiteurs de la transcriptase inverse, de la protéase, ou de l'intégrase pour le VIH).

4. Variation Génétique des Virus

Les virus présentent une grande variabilité génétique, leur permettant de s'adapter et d'échapper au système immunitaire. Une population virale peut être considérée comme une quasi-espèce, un nuage de mutants plutôt qu'une population génétiquement uniforme.

4.1. Mécanismes de Variation Génétique

• Mutation ponctuelle : Remplacement d'un nucléotide par un autre. Phénomène très fréquent, surtout chez les virus à ARN (qui manquent des enzymes de correction d'erreurs de l'ADN). Beaucoup de ces mutations sont silencieuses (sans changement d'acide aminé). Les virus latents sont plus stables.
• Délétion ou insertion : Perte ou ajout d'un segment de nucléotides. Certains virus peuvent ainsi acquérir des gènes cellulaires.
• Recombinaison : Échange de matériel génétique lors de la co-infection d'une cellule par deux virus semblables (ex: VIH dans les régions où plusieurs sous-types circulent).
• Réassortiment : Spécifique aux virus à génome segmenté. L'échange de segments génétiques est facilité. C'est le mécanisme derrière l'apparition de nouveaux sous-types de virus grippaux (Influenza A).

L'analyse phylogénétique permet de retracer l'origine et le degré de parenté des virus en comparant les séquences nucléiques ou protéiques.

5. Applications de la Virologie

La compréhension des virus a des applications majeures dans divers domaines.

5.1. Diagnostic Virologique

• Étude de l'interaction lytique avec effets cytopathogènes (ECP).
• Étude de l'infection productive non cytocide.
• Étude de l'interaction transformante et de la transformation maligne.
• Tests phénotypiques de résistance aux antirétroviraux (ex: VIH).

5.2. Domaines Médical et Industriel

• Virus apprivoisés :
  • Biologie moléculaire et thérapie génique : Production d'enzymes (polymérases, ligases, transcriptase inverse) par des bactériophages ou rétrovirus. Utilisation de virus comme vecteurs de clonage et d'expression de gènes (Baculovirus, Adénovirus, Rétrovirus).
  • Production de vaccins (entiers, recombinants) et autres médicaments recombinants.
  • Évaluation de l’efficacité de nouveaux antiviraux.
• Bioréactifs : Sondes, antigènes, anticorps viraux.

5.3. Production d’Armes Biologiques

Malheureusement, la compréhension des virus peut aussi être détournée à des fins de guerre biologique, bien que ce soit une préoccupation éthique majeure.

6. Classification des Virus

La classification des virus a évolué, passant de critères basés sur l'hôte ou les maladies à des critères structurels et génétiques.

6.1. Critères Historiques (Lwoff, Horne et Tournier, 1962)

Ce système linnéen regroupait les virus selon 4 caractéristiques :

1. Nature de l’acide nucléique du virion (ADN ou ARN).
2. Symétrie de la capside (cubique, hélicoïdale, complexe).
3. Présence ou absence d’enveloppe.
4. Taille du virion et de la capside.

6.2. Critères Actuels (Comité International de Taxonomie des Virus - CITV)

La classification actuelle est dynamique et repose sur des critères majeurs et mineurs. Elle permet de distinguer plus de 4000 virus répartis en plus de 70 familles et 160 genres.

6.2.1. Critères Majeurs

1. Type et organisation du génome viral.
2. Stratégie de réplication du virus.
3. Structure du virion (symétrie de la capside, présence d'enveloppe).

6.2.2. Critères Mineurs

1. Spectre d’hôtes naturels.
2. Tropisme cellulaire et tissulaire.
3. Pathogénicité du virus, mode de transmission, propriétés physico-chimiques et antigéniques.

6.3. Nomenclature Internationale des Virus

En vigueur depuis 1975, elle classe les virus en familles, sous-familles, genres et espèces.

• Famille : Nom commençant par une majuscule et finissant par le suffixe –viridae (ex: Herpesviridae). Écrit en italique.
• Sous-famille : Nom commençant par une majuscule et finissant par le suffixe –virinae (ex: Betaherpesvirinae). Écrit en italique.
• Genre : Nom commençant par une majuscule et finissant par le suffixe –virus (ex: Cytomegalovirus). Non écrit en italique.
• Espèce : Nom commençant par une lettre minuscule, précédé ou suivi par le mot "virus" (ex: virus de la varicelle). Non écrit en italique.

7. Viroïdes, Virus Satellites et Prions

Ces entités sont apparentées aux virus mais présentent des spécificités structurelles ou de réplication.

7.1. Viroïdes

• Petits ARN infectieux simple brin (monocaténaires), de faible poids moléculaire (1,3 x Daltons).
• L’ARN est nu, circulaire, de 240 à 400 nucléotides, et ne code pas pour des protéines.
• Non encapsidés.
• Classés en 2 familles (Pospiviridae et Avsunviridae) selon leur homologie de séquences et la présence d'une région centrale conservée (CCR).
• Retrouvés uniquement chez les plantes à ce jour.

7.2. Virus Satellites (Virusoïdes)

• Structure similaire aux virus, mais incapables de se répliquer indépendamment.
• Nécessitent un virus auxiliaire (ou virus helper) qui leur fournit son enveloppe et/ou des fonctions nécessaires à leur réplication. Ce sont des virus défectifs.
• Exemple : Virus de l’hépatite delta (VHD), qui est un virus satellite du virus de l’hépatite B (VHB).

7.3. Prions (Particule Protéique Infectieuse)

Les prions sont des agents transmissibles non conventionnels (ATNC), de nature exclusivement protéique (PrP pour Protéine Prion).

7.3.1. Formes de Prions

• Forme native (PrPc) :
  • Protéine cellulaire normale, présente dans le cerveau et d'autres organes.
  • Sensible à l’action des protéases.
• Forme anormale (PrPres) :
  • Résistante à la chaleur (136°C), aux ultrasons, aux UV, aux radiations ionisantes et aux protéases (comme la protéase K).
  • Devient agrégable et se dépose en structures amyloïdes caractéristiques dans les tissus.
  • Est la forme infectieuse.

7.3.2. Maladies à Prions (Encéphalopathies Spongiformes Transmissibles - ESST)

Ces maladies neurodégénératives sont non inflammatoires et ne provoquent pas de réponse immunitaire.

• ESST chez l’animal :
  • Tremblante du mouton et de la chèvre.
  • Encéphalopathie Spongiforme Bovine (ESB) ou "maladie de la vache folle".
  • Encéphalopathie transmissible du vison.
• Maladies à prions chez l’humain :
  • Le Kuru.
  • La maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ) (formes sporadique, génétique, iatrogène).
  • Le syndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker.
  • L’insomnie fatale familiale.
  • La nouvelle forme de la MCJ (nv-MCJ), liée à l’ESB et caractérisée par une incubation plus courte.

Conclusion Générale

Le monde des virus est vaste et leur nature de parasites intracellulaires obligatoires rend leur étude complexe. Leur diversité structurelle et génétique, combinée à leur variabilité, pose des défis importants en matière de prévention et de traitement des maladies qu'ils engendrent. Cependant, les avancées biotechnologiques offrent des perspectives prometteuses pour lutter contre ces agents, même dans les cas les plus complexes, en exploitant la compréhension de leur cycle de multiplication et de leurs mécanismes de variation génétique.