structure et réplication de VIH-1

Le VIH-1 est un rétrovirus humain appartenant à la famille des Retroviridae et à la sous-famille des lentivirus . Les virus de la famille des Retroviridae se définissent par leur structure mais surtout par leur mode de réplication. Ces virus à ARN vont pouvoir rétrotranscrire leur génome en ADN grâce à l’enzyme qu’ils transportent : la transcriptase inverse. Ce génome rétrotranscrit en ADN viral pourra alors s’intégrer dans le génome de la cellule cible sous le nom de provirus. Cependant, les lentivirus sont des virus non transformant, à l’origine de maladies chroniques à évolution lente, affectant le système immunitaire. Le VIH-1 possède une variabilité génétique très importante, à l’origine, notamment, de l’émergence des résistances aux antirétroviraux.

Classification des différentes familles de virus

Structure de la particule virale :

Le VIH-1 est un virus enveloppé de 90 à 120nm de diamètre (Figure dessous ). Son enveloppe est constituée d’une bicouche lipidique d’origine cellulaire (Aloia R et al, PNAS, 1993), dans laquelle sont ancrées les glycoprotéines d’enveloppe virale : la glycoprotéine transmembranaire TMgp41 traversant la bicouche lipidique et formant une liaison faible avec la glycoprotéine d’enveloppe externe, la SUgp120. Ces deux protéines portent les fonctions de reconnaissance et de fusion du virus à la cellule cible. Les virions arborent 14 +/- 7 spicules dans leur membrane, un spicule étant un trimère de SUgp120/TMgp41 (Chertova E. et al, J Virol, 2002). 

Le core viral comprends deux molécules d’ARN identiques, trois protéines et des enzymes virales : la transcriptase inverse (RT, p66/p51), l’intégrase (IN, p32) et la protéase (PR, p10), issues du clivage enzymatique de la polyprotéine Gag-Pol. La protéine de matrice (MA, p17) ancrée à la membrane interne du virus grâce en partie à la présence d’un acide myristique, forme une structure globulaire à l’intérieur de l’enveloppe. 

Le core viral est constitué de la protéine interne dite majeure, car la plus abondante, d’un poids moléculaire de 24kDa : la capside (CA, p24). Cette protéine de capside enferme un complexe ribonucléoprotéique nécessaire à la synthèse de l’ADN proviral : l’homodimère d’ARN de polarités positives, recouvert de molécules de nucléocapside (NC, p7), deux molécules d’ARNtLys nécessaires à la transcription inverse et des molécules de transcriptase inverse. Les molécules d’intégrase, de protéase, ainsi que les protéines virales accessoires Vif, Vpr, Vpu et Nef sont également présentes. Le virus incorpore aussi de nombreuses protéines cellulaires indiquant que le virus VIH-1 interagit fortement avec la machinerie cellulaire (Cantin R. et al., J Virol, 2007).

Représentation schématique d’une particule VIH-1 immature (gauche) et mature (droite)Les différentes protéines qui composent le virus ainsi que l’ARN génomique sont schématisées. Les protéines cellulaires incorporées ne sont pas indiquées. Le nombre de symboles représentants les protéines ne reflète pas la stœchiométrie de ces molécules dans le virion.

Organisation génomique

Le génome viral (Figure dessous ) est formé de deux copies d’ARN linéaire simple brin (9.2kb) de polarité positive. Chacun de ces brins est associé à une molécule de transcriptase inverse et à l’intégrase. A l’intérieur des virions, les ARN sont retrouvés sous des formes dimériques, liés par des liaisons non covalentes. Ils présentent une coiffe en 5’ et une queue polyadénylée en 3’. (Levin JG et al., Prog Nucleic Acid Res Mol Biol, 2005). 

Une simple molécule d’ARN contient des structures internes fondamentales à la réplication virale et à l’échappement à la réponse immune. Ces importantes structures comprennent les sites d’entrés internes aux ribosomes (IRES), les signaux d’empaquetages, les structures mimant les ARNt, les motifs de modification de cadre de lecture des ribosomes (ribosomes frameshift), et des éléments de régulation en cis (Cann AJ et al., Virology, 2005 ; Coffin JM et al., Retroviruses, 1997). Chez le VIH-1, les structures de l’ARN activent la transcription, initialisent la transcription inverse, facilitent la dimérisation du génome, régulent l’export des ARN nucléaires, servent de signal de polyadénylation et permettent des interactions entre les protéines virales et protéines cellulaires (Frankel AD and Young JA, Annu Rev Biochem, 1998 ; Damgaard CK. Et al., J Mol Biol, 2004 ; Goff SP, Nat Rev Microbiol, 2007 ; Wilkinson KA et al, PLoS Biol, 2008). 

Le génome du VIH-1 contient 9 cadres de lectures ouverts (ORFs) aboutissant à l’encodage de 15 protéines (Frankel AD and Young JA, Annu Rev Biochem, 1998). Le précurseur Pr55Gag est une polyprotéine qui une fois clivée par des enzymes donnera les protéines de MAp17, Cap24, NCp7 et la protéine p6. La polyprotéine Gag-Pol permet l’expression des enzymes PRp10, RTp66/p51, et l’INp32. Le gène env code pour un peptide signal de 30 acides aminés, la TMgp41 et la SUgp120. 

D’autres séquences additionnelles codent pour des protéines auxiliaires : deux protéines régulatrices nommées Tat et Rev, et 4 protéines accessoires : Vif, Vpr, Vpu et Nef. 

La protéine Tat (Transactivator of transcription, p16 et p14) est un transactivateur de la transcription et agit au niveau des LTR en se liant directement à la séquence TAR (Tat response element). La protéine Rev (Regulation of expression, p19) est impliquée dans l’export des ARNs du noyau en liant les séquences RRE des ARN (Rev response element). 

La protéine Vif (Virion infectivity factor) prévient l’action de la protéine APOBEC3G, un facteur de restriction cellulaire qui sera décrit en partie III-C. La protéine Vpr (Viral protein R) participe à la rétro-transcription de l’ARN viral en ADN par la RT (Stark LA et al., J Virol, 1998), Elle joue aussi un rôle important dans la régulation de l’import nucléaire du complexe de pré-intégration (PIC) (Heinzinger NK et al., PNAS, 1994). De plus, Vpr induit l’arrêt du cycle cellulaire et est nécessaire pour la réplication du virus dans les cellules quiescentes, comme les macrophages (Lewis PF et Emerman M, J Virol, 1994). La protéine Nef (Negative regulatory factor, p27) permet une diminution de la protéine CD4 récepteur au VIH-1 et module également l’expression de molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I et II (CMH-I et CMH-II) (Garcia JV et Miller AD, Nature, 1991 ; Schwarz O. et al, Nat Med, 1996 ; Stumpher-Cuvelette P et al., PNAS, 2001). Pour finir, la protéine Vpu (Viral protein U) dégrade CD4 dans le réticulum endoplasmique (RE) en l’adressant vers les voies de dégradation protéasomales (Margottin et al., Mol Cell, 1998), et favorise la libération des particules virales en contrecarrant l’action de BST-2 (Neil SJ et al, Nature, 2008 ; Van Damme N et al., Cell Host Microbe, 2008), un autre facteur de restriction, dont la fonction sera détaillée plus tard en partie IV.

Organisation, structure et lien de l’ARN viral avec les protéines de structure. En haut : organisation génomique. Au centre : Linker inter-protéines issues des précurseurs polyprotéiques (barres vertes) et boucles non-structurées des peptides (barres jaunes). En bas : structures des grosses protéines virales (Watts JM. et al., Nature, 2009)