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Les virus captent-ils de nouvelles séquences génétiques de la cellule hôte ?

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La réplication du virus n'implique pas la méiose, de sorte que le génome du virus ne gagne pas en diversité en ayant deux parents, donc à part la mutation, les virus obtiennent-ils de nouvelles séquences génétiques à partir de la cellule hôte ?

Les génomes viraux montrent-ils qu'ils contiennent des séquences de paires de bases provenant de la cellule hôte ?


Oui. Voir par exemple cet article, qui décrit comment certains virus peuvent capter des morceaux d'ADN humain. Voici une citation de l'article :

… les chercheurs ont montré qu'un grand groupe de virus, y compris les virus de la grippe et d'autres agents pathogènes graves, volent les signaux génétiques de leurs hôtes pour étendre leurs propres génomes.


Épisomes

Un épisome est une partie du matériel génétique qui peut exister indépendamment du corps principal du matériel génétique (appelé le chromosome) à certains moments, tandis qu'à d'autres moments est capable de s'intégrer dans le chromosome.

Des exemples d'épisomes comprennent des séquences d'insertion et des transposons. Les virus sont un autre exemple d'épisome. Les virus qui intègrent leur matériel génétique dans le chromosome hôte permettent la transmission virale acide nucléique être produit avec le matériel génétique de l'hôte de manière non destructive. En tant qu'unité autonome (c'est-à-dire existant à l'extérieur du chromosome), l'épisome viral détruit l'hôte. cellule car il réquisitionne les appareils de réplication de l'hôte pour faire de nouvelles copies de lui-même.

Un autre exemple d'épisome est appelé le facteur F. Le facteur F détermine si le matériel génétique dans le chromosome d'un organisme est transféré dans un autre organisme. Le facteur F peut exister dans trois états désignés comme FPLUS, Hfr et F prime.

FPLUS fait référence au facteur F qui existe indépendamment du chromosome. Hfr signifie haute fréquence de recombinaison et fait référence à un facteur qui s'est intégré dans le chromosome de l'hôte. Le facteur premier F existe à l'extérieur du chromosome, mais une partie de l'ADN chromosomique y est attachée.

Un épisome se distingue des autres morceaux d'ADN qui sont indépendants du chromosome (c'est-à-dire des plasmides) par leur grande taille.

Les plasmides sont différents des épisomes, car l'ADN plasmidique ne peut pas se lier à l'ADN chromosomique. Le plasmide porte toutes les informations nécessaires à sa réplication indépendante. Bien qu'ils ne soient pas nécessaires à la survie bactérienne, les plasmides peuvent être avantageux pour une bactérie. Par exemple, les plasmides peuvent porter des gènes qui confèrent une résistance à antibiotiques ou des métaux toxiques, des gènes qui permettent à la bactérie de dégrader des composés qu'elle ne pourrait autrement pas utiliser comme nourriture, et même des gènes qui permettent à la bactérie d'infecter un animal ou plante cellule. Ces traits peuvent être transmis à une autre bactérie.

Les transposons et les séquences d'insertion sont des épisomes. Ceux-ci sont également appelés éléments génétiques mobiles. Ils sont capables d'exister en dehors du chromosome. Ils sont également conçus pour s'intégrer dans le chromosome suite à leur mouvement d'une cellule à l'autre. Comme les plasmides, les transposons peuvent transporter avec eux d'autres matériels génétiques et ainsi transmettre une résistance aux cellules dans lesquelles ils pénètrent. Les transposons de classe 1, par exemple, contiennent des gènes de résistance aux médicaments. Les séquences d'insertion ne portent pas de matériel génétique supplémentaire. Ils ne codent que pour les fonctions impliquées dans leur insertion dans l'ADN chromosomique.

Les transposons et les séquences d'insertion sont des outils utiles pour générer des changements dans la séquence d'ADN des cellules hôtes. Ces changements génétiques qui résultent de l'intégration et de la sortie des éléments mobiles de l'ADN, sont génériquement appelés mutations. L'analyse de l'élément mobile peut déterminer quel ADN hôte est présent, et l'analyse de la cellule hôte mutée peut déterminer si l'ADN supplémentaire ou manquant est important pour le fonctionnement de la cellule.


Des tests plus rapides

La séquence complète du coronavirus permettra le développement de tests plus rapides et plus précis pour le SRAS, en utilisant des fragments d'ADN viral spécifiques pour amorcer les réactions PCR. Le séquençage précoce du Bernhard Nocht Institute de Hambourg, en Allemagne, a déjà aidé la firme allemande Artus à produire un test qui sera mis en vente lundi.

La séquence permettra également la synthèse de protéines virales spécifiques. Ceux-ci pourraient être utilisés pour induire des anticorps chez des personnes en bonne santé, qui pourraient ensuite être utilisés pour traiter les patients atteints du SRAS.

À terme, les protéines virales seront à la base d'un vaccin. Il existe également des espoirs à long terme qu'une compréhension détaillée de la fonction des protéines virales pourrait conduire à des médicaments antiviraux spécifiques.

La séquence a été produite au Genome Sciences Centre (GSC) de la British Columbia Cancer Agency à Vancouver. Le laboratoire étudie généralement les modifications génétiques du cancer, mais il est passé au travail 24 heures sur 24 sur le SRAS après la culture du virus prélevé sur un cas à Toronto.


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Les cas de double CGG sont supprimés naturellement, ont déclaré les chercheurs, mais en laboratoire, le contraire est vrai. Quay et Muller ont déclaré que les experts qui disent que COVID-19 est originaire de la nature doivent expliquer pourquoi «le nouveau coronavirus, lorsqu'il a muté ou s'est recombiné, a choisi sa combinaison la moins préférée, le double CGG».

Quay et Muller ont qualifié le génome double CGG de combinaison la moins appréciée du virus, en raison de sa présence rare dans la nature.

Le séquençage du génome CGG aurait pu se produire de manière aléatoire, ont déclaré les chercheurs, mais cela implique que la théorie principale devrait être une évasion de laboratoire. La conclusion de Quay et Muller selon laquelle une fuite de laboratoire est la cause la plus probable de COVID-19 découle du fait que le génome double CGG n'a jamais été trouvé dans un coronavirus naturel et est fréquemment utilisé en laboratoire.


HERV et maladies neurologiques

En 1985, Hervé Perron, alors doctorant au CHU de Grenoble en France, tombe sur un La nature article postulant une cause rétrovirale de la SEP. Il a décidé de rechercher des preuves de rétrovirus dans des échantillons de tissus de patients atteints de SEP dans le cadre de sa thèse. Effectivement, il a trouvé des fragments de protéines virales dans des cultures issues de cellules à l'intérieur du liquide céphalo-rachidien des donneurs. 6 Dans d'autres expériences, lui et d'autres ont trouvé les mêmes particules virales dans des macrophages isolés du sang de patients atteints de SEP, mais pas dans des cellules prélevées sur des échantillons de contrôle. En collaboration avec Jeremy Garson de l'University College London, qui avait développé une technique pour détecter l'ARN de rétrovirus inconnus, et d'autres collègues, Perron a caractérisé la particule virale pour la première fois en 1997 et a montré que le code génétique viral correspondait étroitement à une famille endogène de rétrovirus — le premier indice que l'élément était endogène. 7 Perron l'a appelé le rétrovirus associé à la SEP (MSRV), et il s'est avéré plus tard qu'il appartenait à un groupe plus large nommé HERV-W.


Classification

Les virus sont classés en fonction de leur teneur en acides nucléiques, de leur taille, de la forme de leur capside protéique et de la présence d'une enveloppe lipoprotéique environnante.

La division taxonomique primaire est en deux classes basées sur la teneur en acides nucléiques : les virus à ADN ou les virus à ARN. Les virus à ADN sont subdivisés en ceux qui contiennent de l'ADN double brin ou simple brin. Les virus à ARN sont également divisés en ceux qui contiennent de l'ARN double brin ou simple brin. Une subdivision supplémentaire des virus à ARN est basée sur le fait que le génome à ARN est segmenté. Si les virus contiennent de l'ARN simple brin comme information génétique, ils sont divisés en virus brin positif si l'ARN est de sens messager (directement traduisible en protéines) ou en virus brin négatif si l'ARN doit être transcrit par une polymérase en ARNm .

Tous les virus entrant dans l'une de ces classifications d'acides nucléiques sont subdivisés selon que la nucléocapside (enveloppe protéique et acide nucléique enfermé) prend une forme en bâtonnet ou polygonale (généralement icosaédrique). Les virus icosaédriques sont encore subdivisés en familles sur la base du nombre de capsomères constituant les capsides. Enfin, tous les virus se répartissent en deux classes selon que la nucléocapside est entourée ou non d'une enveloppe lipoprotéique.

Certains virologues adhèrent à une division des virus en ceux qui infectent les bactéries, les plantes ou les animaux. Ces classifications ont une certaine validité, en particulier pour les virus bactériens uniques avec des queues, mais il y a autrement tellement de chevauchements que la taxonomie basée sur les hôtes semble impraticable. La classification basée sur les maladies causées par des virus n'est pas non plus tenable, car des virus étroitement apparentés ne provoquent souvent pas la même maladie. A terme, il est probable que la classification des virus sera basée sur leurs séquences nucléotidiques et leur mode de réplication plutôt que sur des composants structuraux, comme c'est actuellement le cas.

Le groupe taxonomique de base s'appelle une famille, désignée par le suffixe -viridae. Le principal désaccord taxonomique parmi les virologues est de savoir s'il faut séparer les virus d'une famille en un genre spécifique et les subdiviser davantage en noms d'espèces. Au cours de la première décennie du 21e siècle, il s'est produit un changement vers l'utilisation de la nomenclature binomiale, divisant les virus en genres et espèces en italique. Cette décision a été motivée en grande partie par le Comité international de taxonomie des virus (ICTV), un groupe membre de l'Union internationale des sociétés de microbiologie. L'ICTV supervise le processus continu de conception et de maintien d'un système de classification universel des virus. Dans la hiérarchie de classification des virus, l'ICTV reconnaît les ordres, les familles, les sous-familles, les genres et les espèces. Le classement des virus dans ces groupes est basé sur les informations fournies par des groupes d'étude composés d'experts sur des types spécifiques de virus.

Dans le système ICTV, chaque espèce de virus est généralement reconnue comme représentant un groupe d'isolats, ou de virus avec des séquences d'acide nucléique distinctes. Ainsi, une même espèce de virus peut parfois contenir plus d'un isolat. Bien que les isolats d'une espèce possèdent des séquences génétiques uniques, ils descendent tous de la même lignée de réplication et partagent donc des traits génétiques particuliers. De plus, les isolats d'une espèce ont également en commun la capacité de prospérer dans une niche écologique spécifique. À mesure que les scientifiques identifient de nouveaux isolats et espèces, la classification des virus devrait devenir de plus en plus complexe. Le schéma suivant présente des exemples de virus à ADN et à ARN bien caractérisés tels qu'ils sont classés sur la base du système ICTV.


Fond:

Lorsque les chercheurs ont découvert pour la première fois des agents qui se comportaient comme des bactéries mais étaient beaucoup plus petits et causaient des maladies telles que la rage et la fièvre aphteuse, il est devenu généralement admis que les virus étaient biologiquement « quotatifs ». Cependant, cette perception a changé en 1935 lorsque le virus de la mosaïque du tabac a été cristallisé et il a été montré que les particules manquaient des mécanismes nécessaires à la fonction métabolique. Une fois qu'il a été établi que les virus ne sont constitués que d'ADN ou d'ARN entourés d'une enveloppe protéique, il est devenu scientifiquement admis qu'il s'agit de mécanismes biochimiques plus complexes que les organismes vivants.

"Les virus existent sous deux états distincts. Lorsqu'il n'est pas en contact avec une cellule hôte, le virus reste entièrement dormant. Pendant ce temps, aucune activité biologique interne ne se produit au sein du virus et, par essence, le virus n'est rien de plus qu'une particule organique statique. Dans cet état simple et clairement non vivant, les virus sont appelés 'virions'. Les virions peuvent rester dans cet état dormant pendant de longues périodes, attendant patiemment d'entrer en contact avec l'hôte approprié. Lorsque le virion entre en contact avec l'hôte approprié, il devient actif et est alors appelé virus. Il présente désormais des propriétés typiques des organismes vivants, telles que réagir à son environnement et orienter ses efforts vers l'auto-réplication". Du virus bactériophage T4

Liens connexes

    (plus d'infos) Brève discussion sur les origines et l'évolution du virus. Ce site Web traite de l'origine des virus ainsi que de leur évolution.

De nouveaux indices sur les virus "Ambigram" avec d'étranges gènes réversibles

Chez les narnavirus, le « complément inverse » du génome – le brin de nucléotides complémentaires utilisé dans la réplication – est également lisible.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Jordana Cepelewicz

En 1971, des microbiologistes examinant des cellules de levure ont découvert d'étranges fragments d'ARN malhonnêtes qui se sont avérés être des virus. Ces « narnavirus » (un portemanteau de « virus à ARN nus ») avaient plusieurs propriétés étranges. Ils étaient minuscules - essentiellement un seul gène codant pour une enzyme qui a aidé le virus à se reproduire. De plus, contrairement à d'autres virus à ARN simple brin comme Ebola et la grippe, ils n'avaient pas de coque « capside » renfermant leur matériel génétique, les laissant exposés et les limitant à leurs cellules hôtes.

Le plus étrange de tous, les narnavirus pourraient être lus à l'envers.

Normalement, la séquence de bases nucléotidiques qui composent un gène - dans l'ARN, ce sont l'adénine, la cytosine, la guanine et l'uracile, abrégées A, C, G et U - n'a de sens que lorsque des organites producteurs de protéines appelés ribosomes décodent le message à partir d'un lieu et la lecture dans une direction. Parfois, des sections d'un génome auront des séquences chevauchantes qui codent pour différentes protéines. Mais chez les narnavirus, le génome entier est une séquence chevauchante : il peut être lu dans son orientation « complémentaire inverse ». C'est-à-dire que l'ARN est comme un ambigramme, un script stylisé qui dit toujours quelque chose lorsqu'il est retourné à l'envers.

"Il est toujours très surprenant et intéressant de trouver ces exemples qui repoussent les limites de notre conception actuelle de la façon dont l'information est codée", a déclaré Harris Wang, biologiste des systèmes à l'Université Columbia.

Ce que le génome des narnavirus dit en fait dans la direction opposée, et pourquoi le génome va dans les deux sens, a été un casse-tête. Maintenant, les découvertes de chercheurs californiens indiquent une réponse inattendue. La propriété ambigrammatique des narnavirus pourrait être un mécanisme intelligent d'auto-conservation, qui pourrait considérablement élargir l'image de l'évolution virale et suggérer de nouvelles approches de la thérapie génique.

"Je pense que l'histoire de ces virus ambigrammatiques va avoir des jambes", a déclaré Michael Wilkinson, physicien à l'Open University en Angleterre et au Chan Zuckerberg Biohub, un institut de recherche en sciences de la vie dans la Bay Area où la recherche a eu lieu.

Un ensemble étendu de gènes qui se chevauchent n'est pas la norme en raison de la façon dont l'ARN et l'ADN transmettent l'information. Ils énoncent leurs instructions de fabrication de protéines dans une séquence de "codons" - des mots de trois lettres tels que CGA. Chaque codon dit à une cellule de synthétiser un acide aminé (un élément constitutif d'une protéine) ou de terminer la synthèse des protéines.

Il existe trois façons de lire un brin d'ARN, selon la lettre interprétée comme le début d'un codon. Mais généralement, un seul « cadre de lecture ouvert » a du sens. Les deux autres ont des codons d'arrêt aux mauvais endroits, rendant les fragments génétiques interrompus insensés et incapables de former des protéines fonctionnelles.

Comme un disque joué à l'envers, le complément inverse du brin d'ARN n'a généralement aucun sens non plus. Le complément inverse est le brin qui se forme lorsque l'ARN se réplique - un processus dans lequel ses bases nucléotidiques s'apparient avec des nucléotides complémentaires flottant dans la cellule hôte. Chaque A trouve un U, chaque U trouve un A et la paire de C avec les G, de sorte que les partenaires forment un brin complémentaire, un modèle pour faire de futures copies de l'original. Les trois cadres de lecture sur le modèle sont également généralement illisibles, jonchés de codons d'arrêt accidentels.

Mais les virus à ARN sont « parmi les choses qui évoluent le plus rapidement et qui se répliquent les plus diversifiées de notre univers », a déclaré Joseph DeRisi, biochimiste à l'Université de Californie à San Francisco et l'un des chercheurs du Biohub. Les virus développent parfois des séquences nucléotidiques qui se chevauchent qui codent simultanément pour plusieurs protéines ou réalisent une fonction de régulation supplémentaire. Bien que la grande majorité des chevauchements connus apparaissent dans la même direction, sous la forme de deux cadres de lecture ouverts décalés, dans de rares cas, notamment dans le VIH, le cadre de chevauchement se produit plutôt sur le complément inverse de l'ARN.

Les narnavirus entrent dans cette deuxième catégorie, mais ce qui les distingue, c'est la longueur monstrueusement longue de leur séquence ambigrammatique, englobant presque tout le génome. "Cela fait sauter complètement les exemples précédents hors de l'eau", a déclaré le virologue David Karlin de l'Université d'Oxford. La caractéristique est si restrictive - menotter l'évolution potentielle de la séquence directe à celle de l'inverse - que les chercheurs soupçonnent depuis les années 1970 qu'elle doit détenir un avantage inconnu.

Dans une prépublication publiée en ligne l'année dernière, Andrew Firth, virologue à l'Université de Cambridge, et ses collaborateurs ont testé diverses explications banales de la propriété ambigrammatique et les ont toutes exclues. "Notre conclusion est que le cadre de lecture ouvert inversé est important sur le plan fonctionnel", a déclaré Firth. « Nous ne savons toujours pas pourquoi. »

L'équipe Biohub a rapporté d'autres preuves de l'importance de la fonctionnalité dans Rapports scientifiques en novembre. Premièrement, lorsqu'ils ont étudié les relations génétiques entre des dizaines d'espèces de narnavirus (dont toutes ne sont pas ambigrammatiques), ils ont découvert que les séquences qui se chevauchaient avaient été acquises et perdues tout au long de leur évolution. "C'est vraiment une caractéristique qui a évolué au moins deux fois, peut-être trois fois ou plus", a déclaré le co-auteur Greg Huber, biophysicien.

Les chercheurs ont observé que les cadres de lecture opposés dans les narnavirus ambigrammatiques étaient toujours alignés, avec des limites de codon parfaitement adaptées. Ils ont réalisé que cet alignement permet aux codons d'arrêt de disparaître de la séquence inverse au cours de l'évolution sans ruiner l'enzyme de réplication codée par le brin avant. C'est-à-dire qu'à chaque fois qu'un codon de la séquence directe quitte le complément inverse avec un arrêt, le codon direct pourrait en théorie être remplacé par un codon « synonyme » qui se traduit par le même acide aminé, supprimant l'arrêt sur le complément inverse sans répercussions.

Cela ne fonctionne pas lorsque les cadres de lecture avant et arrière sont décalés. Pour un si long chevauchement, "il n'y a vraiment qu'une seule façon de le faire … et les narnavirus utilisent cette solution", a déclaré DeRisi. "Cela suggère à son tour qu'il ne s'agit pas d'un bobo aléatoire de la part de l'évolution."

Les chercheurs soupçonnaient que la séquence ambigrammatique pourrait être un moyen d'optimiser l'efficacité de codage du virus, comme avec d'autres gènes chevauchants connus. La séquence inverse ne semble pas coder pour une protéine connue, mais elle pourrait plutôt réguler le gène responsable de la réplication ou aider à rendre sa production de protéines plus efficace.

Mais il y a quelques mois, un groupe de chercheurs du Biohub a fait une découverte surprenante, qui "indique la possibilité que l'explication du" pourquoi "est un peu différente", a déclaré Wilkinson.

Les chercheurs analysaient le matériel génétique trouvé dans des échantillons de moustiques broyés, connus pour contenir de l'ARN de narnavirus. Comme prévu, de nombreux génomes de narnavirus ambigrammatiques sont apparus dans les données. Plus surprenant, les scientifiques ont découvert que les cellules contenant l'ARN du narnavirus contenaient souvent également un deuxième fragment d'ARN mystérieux plus court. Contre toute attente, ce fragment plus court était aussi complètement ambigrammatique. D'autres travaux, décrits dans une nouvelle prépublication, ont révélé que le court fragment partageait une histoire évolutive avec le gène original du narnavirus. "Ces résultats remettent en question ce qu'est un narnavirus en premier lieu", a déclaré Huber. "Il se pourrait qu'un narnavirus ne soit pas simplement ce seul tronçon d'ARN, mais plutôt une construction un peu plus nébuleuse."

Amy Kistler, chercheuse en maladies infectieuses au Biohub et l'un des co-auteurs, a déclaré que les multiples parties suggèrent que la propriété ambigrammatique « pourrait refléter quelque chose sur le virus – la façon dont il se réplique, la façon dont il détourne la machinerie cellulaire pour se propager. dans la cellule.

Une hypothèse principale est que le deuxième morceau d'ARN affecte les ribosomes, les structures responsables de la traduction de l'ARN en chaînes d'acides aminés. Le brin d'ARN pourrait coder pour une protéine qui empêche les ribosomes de se détacher des deux séquences de narnavirus. Si les ribosomes sont incapables de se libérer de l'ARN, ils s'accumuleront jusqu'à recouvrir le matériel génétique.

Cela camouflerait essentiellement le narnavirus, le faisant ressembler à une partie de la cellule hôte et le déguisant des processus cellulaires qui pourraient autrement le dégrader. Normalement, les ribosomes ne s'accumuleraient que le long des brins avant, car le complément inverse - la matrice de réplication de l'ARN viral - aurait des codons d'arrêt et ne ressemblerait pas à une séquence traduisible à laquelle les ribosomes devraient s'attacher. Pour que le complément inverse du narnavirus développe également une couche de ribosome, il faudrait qu'il soit ambigrammatique.

Les chercheurs postulent donc que la propriété ambigrammatique est en fait un mécanisme de protection que les virus sans capside ont évolué pour échapper aux défenses de la cellule hôte.

Si le virus coopte effectivement la machinerie de sa cellule hôte pour se cacher, "cela pourrait être quelque chose qui finira par exister de manière plus générale", a déclaré Wilkinson. "Cela pourrait être un indicateur d'une nouvelle classe de virus." Karlin, qui n'est pas impliqué dans la recherche, convient que les résultats pourraient être un aperçu d'un "nouveau continent de la biologie".

L'astuce du camouflage, si elle est confirmée, pourrait aider les scientifiques à étendre leur boîte à outils d'édition de gènes. Par exemple, les revêtements de ribosomes pourraient être utilisés pour manipuler artificiellement l'expression des gènes de nouvelles manières. Plus immédiatement, disent les chercheurs, ce type de caractéristique ambigrammatique pourrait être appliqué pour augmenter considérablement la charge utile de certaines thérapies géniques.

L'équipe effectue actuellement des expériences supplémentaires, dirigées par Hanna Retallack, une étudiante diplômée du laboratoire DeRisi, dans l'espoir d'étoffer sa théorie et de tester des hypothèses supplémentaires. "Je me sens prudemment optimiste qu'il y a quelque chose de fondamentalement tout à fait nouveau ici", a déclaré Wilkinson.

Mettre à jour: 13 février 2020
L'article a été mis à jour pour ajouter un lien vers le nouvel article de l'équipe Biohub, une analyse du matériel génétique (y compris viral) trouvé dans des échantillons de moustiques.


21.2 Infections virales et hôtes

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Lister les étapes de la réplication et expliquer ce qui se passe à chaque étape
  • Décrire les cycles lytiques et lysogènes de la réplication virale
  • Expliquer la transmission des virus végétaux et animaux
  • Discuter de certaines des maladies causées par les virus des plantes et des animaux
  • Discuter de l'impact économique des virus végétaux et animaux

Les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires. Un virus doit d'abord reconnaître et s'attacher à une cellule vivante spécifique avant d'y entrer. Après pénétration, le virus envahisseur doit copier son génome et fabriquer ses propres protéines. Enfin, les virions descendants doivent s'échapper de la cellule hôte afin qu'ils puissent infecter d'autres cellules. Les virus ne peuvent infecter que certaines espèces d'hôtes et uniquement certaines cellules de cet hôte. Les cellules hôtes spécifiques qu'un virus doit occuper et utiliser pour se répliquer sont appelées permissives. Dans la plupart des cas, la base moléculaire de cette spécificité est due à une molécule de surface particulière connue sous le nom de récepteur viral à la surface de la cellule hôte. Un récepteur viral spécifique est nécessaire pour que le virus se fixe. De plus, les différences de métabolisme et de réponses immunitaires de la cellule hôte (basées sur l'expression différentielle des gènes) sont un facteur probable pour déterminer quelles cellules un virus peut cibler pour la réplication.

Étapes des infections virales

Un virus doit utiliser ses processus de cellule hôte pour se répliquer. Le cycle de réplication virale peut produire des changements biochimiques et structurels spectaculaires dans la cellule hôte, ce qui peut endommager les cellules. Ces changements, appelés effets cytopathiques, peuvent modifier les fonctions cellulaires ou même détruire la cellule. Certaines cellules infectées, telles que celles infectées par le virus du rhume commun connu sous le nom de rhinovirus, meurent par lyse (éclatement) ou apoptose (mort cellulaire programmée ou « suicide cellulaire »), libérant tous les virions descendants à la fois. Les symptômes des maladies virales résultent à la fois de ces dommages cellulaires causés par le virus et de la réponse immunitaire au virus, qui tente de contrôler et d'éliminer le virus du corps.

De nombreux virus animaux, tels que le VIH (virus de l'immunodéficience humaine) , quittent les cellules infectées du système immunitaire par un processus appelé bourgeonnant , où les virions quittent la cellule individuellement. Pendant le processus de bourgeonnement, la cellule ne subit pas de lyse et n'est pas immédiatement tuée. Cependant, les dommages causés aux cellules que le virus infecte peuvent empêcher les cellules de fonctionner normalement, même si les cellules restent en vie pendant un certain temps. Les infections virales les plus productives suivent des étapes similaires dans le cycle de réplication du virus : fixation, pénétration, décapage, réplication, assemblage et libération (Figure 21.8).

Attachement

Un virus se fixe à un site récepteur spécifique sur la membrane de la cellule hôte via des protéines de fixation dans la capside ou via des glycoprotéines incorporées dans l'enveloppe virale. La spécificité de cette interaction détermine l'hôte - et les cellules au sein de l'hôte - qui peuvent être infectées par un virus particulier. Cela peut être illustré en pensant à plusieurs clés et plusieurs serrures, où chaque clé ne s'adaptera qu'à une seule serrure spécifique.

Lien vers l'apprentissage

Cette vidéo explique comment la grippe attaque le corps.

Entrée

Les virus peuvent pénétrer dans une cellule hôte avec ou sans la capside virale. L'acide nucléique des bactériophages pénètre « nu » dans la cellule hôte, laissant la capside à l'extérieur de la cellule. Les virus végétaux et animaux peuvent entrer par endocytose (comme vous vous en souvenez peut-être, la membrane cellulaire entoure et engloutit tout le virus). Certains virus enveloppés pénètrent dans la cellule lorsque l'enveloppe virale fusionne directement avec la membrane cellulaire. Une fois à l'intérieur de la cellule, la capside virale se dégrade, puis l'acide nucléique viral est libéré et devient disponible pour la réplication et la transcription.

Réplication et assemblage

Le mécanisme de réplication dépend du génome viral. Les virus à ADN utilisent généralement des protéines et des enzymes de la cellule hôte pour répliquer l'ADN viral et transcrire l'ARNm viral, qui est ensuite utilisé pour diriger la synthèse des protéines virales. Les virus à ARN utilisent généralement le noyau d'ARN comme matrice pour la synthèse d'ARN génomique viral et d'ARNm. L'ARNm viral dirige la cellule hôte pour synthétiser des enzymes virales et des protéines de capside, et assembler de nouveaux virions.

Bien sûr, il y a des exceptions à ce modèle. Si une cellule hôte ne fournit pas les enzymes nécessaires à la réplication virale, les gènes viraux fournissent l'information pour diriger la synthèse des protéines manquantes. Les rétrovirus, tels que le VIH (groupe VI du système de classification de Baltimore), ont un génome à ARN qui doit être rétrotranscrit en ADN, qui est ensuite incorporé dans le génome de la cellule hôte. Pour convertir l'ARN en ADN, les rétrovirus doivent contenir des gènes qui codent pour l'enzyme transcriptase inverse spécifique au virus qui transcrit une matrice d'ARN en ADN. La transcription inverse ne se produit jamais dans les cellules hôtes non infectées - l'enzyme transcriptase inverse est uniquement dérivée de l'expression de gènes viraux dans les cellules hôtes infectées. Le fait que le VIH produise certaines de ses propres enzymes introuvables chez l'hôte a permis aux chercheurs de développer des médicaments qui inhibent ces enzymes sans affecter le métabolisme de l'hôte.

Cette approche a conduit au développement d'une variété de médicaments utilisés pour traiter le VIH et a été efficace pour réduire le nombre de virions infectieux (copies d'ARN viral) dans le sang à des niveaux non détectables chez de nombreuses personnes infectées par le VIH.

Sortie

La dernière étape de la réplication virale est la libération des nouveaux virions produits dans l'organisme hôte, où ils sont capables d'infecter les cellules adjacentes et de répéter le cycle de réplication. Comme vous l'avez appris, certains virus sont libérés lorsque la cellule hôte meurt, et d'autres virus peuvent quitter les cellules infectées en bourgeonnant à travers la membrane sans tuer directement la cellule.

Connexion visuelle

Le virus de la grippe est emballé dans une enveloppe virale qui fusionne avec la membrane plasmique. De cette façon, le virus peut sortir de la cellule hôte sans la tuer. Quel avantage le virus gagne-t-il à maintenir la cellule hôte en vie ?

Lien vers l'apprentissage

Regardez une vidéo sur les virus, l'identification des structures, les modes de transmission, la réplication, etc.

Différents hôtes et leurs virus

Comme vous l'avez appris, les virus infectent souvent des hôtes très spécifiques, ainsi que des cellules spécifiques au sein de l'hôte. Cette caractéristique d'un virus le rend spécifique à une ou quelques espèces de vie sur Terre. D'un autre côté, il existe tellement de types différents de virus sur Terre que presque chaque organisme vivant possède son propre ensemble de virus. virus essayant d'infecter ses cellules. Même les procaryotes, les cellules les plus petites et les plus simples, peuvent être attaqués par des types spécifiques de virus. Dans la section suivante, nous examinerons certaines des caractéristiques de l'infection virale des cellules procaryotes. Comme nous l'avons appris, les virus qui infectent les bactéries sont appelés bactériophages (Figure 21.9). Les archées ont leurs propres virus similaires.

Bactériophages

La plupart des bactériophages sont des virus à ADNdb, qui utilisent des enzymes hôtes pour la réplication de l'ADN et la transcription de l'ARN. Les particules de phage doivent se lier à des récepteurs de surface spécifiques et insérer activement le génome dans la cellule hôte. (Les structures complexes de la queue observées dans de nombreux bactériophages sont activement impliquées dans le passage du génome viral à travers la paroi cellulaire procaryote.) Lorsque l'infection d'une cellule par un bactériophage entraîne la production de nouveaux virions, on dit que l'infection est productif . Si les virions sont libérés par éclatement de la cellule, le virus se réplique au moyen d'un cycle lytique (Illustration 21.10). Un exemple de bactériophage lytique est le T4, qui infecte Escherichia coli trouve dans le tractus intestinal humain. Parfois, cependant, un virus peut rester dans la cellule sans être libéré. Par exemple, lorsqu'un bactériophage tempéré infecte une cellule bactérienne, il se réplique au moyen d'un cycle lysogène (Figure 21.10), et le génome viral est incorporé dans le génome de la cellule hôte. Lorsque l'ADN du phage est incorporé dans le génome de la cellule hôte, il est appelé prophage. Un exemple de bactériophage lysogène est le virus λ (lambda), qui infecte également le E. coli bactérie. Les virus qui infectent les cellules végétales ou animales peuvent parfois subir des infections où ils ne produisent pas de virions pendant de longues périodes. Un exemple est l'animal virus de l'herpès, y compris les virus de l'herpès simplex, la cause de l'herpès oral et génital chez l'homme. Dans un processus appelé latence, ces virus peuvent exister dans les tissus nerveux pendant de longues périodes sans produire de nouveaux virions, pour ensuite laisser périodiquement une latence et provoquer des lésions cutanées où le virus se réplique. Même s'il existe des similitudes entre la lysogénie et la latence, le terme cycle lysogène est généralement réservé pour décrire les bactériophages. La latence sera décrite plus en détail dans la section suivante.

Connexion visuelle

Lequel des énoncés suivants est faux?

  1. Dans le cycle lytique, de nouveaux phages sont produits et libérés dans l'environnement.
  2. Dans le cycle lysogène, l'ADN du phage est incorporé dans le génome de l'hôte.
  3. Un facteur de stress environnemental peut amener le phage à initier le cycle lysogène.
  4. La lyse cellulaire ne se produit que dans le cycle lytique.

Virus des plantes

La plupart des virus végétaux, comme le virus de la mosaïque du tabac, ont des génomes à ARN simple brin (+). Cependant, il existe également des virus de plantes dans la plupart des autres catégories de virus. Contrairement aux bactériophages, les virus végétaux n'ont pas de mécanismes actifs pour délivrer le génome viral à travers la paroi cellulaire protectrice. Pour qu'un virus végétal pénètre dans une nouvelle plante hôte, un certain type de dommage mécanique doit se produire. Ces dommages sont souvent causés par les conditions météorologiques, les insectes, les animaux, le feu ou les activités humaines comme l'agriculture ou l'aménagement paysager. Le mouvement de cellule en cellule au sein d'une plante peut être facilité par la modification virale des plasmodesmes (fils cytoplasmiques qui passent d'une cellule végétale à l'autre). De plus, la progéniture des plantes peut hériter de maladies virales des plantes mères. Les virus végétaux peuvent être transmis par divers vecteurs, par contact avec la sève d'une plante infectée, par des organismes vivants tels que les insectes et les nématodes, et par le pollen. Le transfert d'un virus d'une plante à une autre est appelé transmission horizontale, tandis que l'héritage d'un virus d'un parent est appelé transmission verticale.

Les symptômes des maladies virales varient selon le virus et son hôte (tableau 21.4). Un symptôme courant est hyperplasie , la prolifération anormale de cellules qui provoque l'apparition de tumeurs végétales appelées galles. D'autres virus induisent hypoplasie , ou diminution de la croissance cellulaire, dans les feuilles des plantes, provoquant l'apparition de fines zones jaunes. Still other viruses affect the plant by directly killing plant cells, a process known as cell necrosis . Other symptoms of plant viruses include malformed leaves black streaks on the stems of the plants altered growth of stems, leaves, or fruits and ring spots, which are circular or linear areas of discoloration found in a leaf.

Symptôme Appears as
Hyperplasia Galls (tumors)
Hypoplasia Thinned, yellow splotches on leaves
Cell necrosis Dead, blackened stems, leaves, or fruit
Abnormal growth patterns Malformed stems, leaves, or fruit
Décoloration Yellow, red, or black lines, or rings in stems, leaves, or fruit

Plant viruses can seriously disrupt crop growth and development, significantly affecting our food supply. They are responsible for poor crop quality and quantity globally, and can bring about huge economic losses annually. Others viruses may damage plants used in landscaping. Some viruses that infect agricultural food plants include the name of the plant they infect, such as tomato spotted wilt virus, bean common mosaic virus, and cucumber mosaic virus. In plants used for landscaping, two of the most common viruses are peony ring spot and rose mosaic virus. There are far too many plant viruses to discuss each in detail, but symptoms of bean common mosaic virus result in lowered bean production and stunted, unproductive plants. In the ornamental rose, the rose mosaic disease causes wavy yellow lines and colored splotches on the leaves of the plant.

Animal Viruses

Animal viruses, unlike the viruses of plants and bacteria, do not have to penetrate a cell wall to gain access to the host cell. The virus may even induce the host cell to cooperate in the infection process. Non-enveloped or “naked” animal viruses may enter cells in two different ways. As a protein in the viral capsid binds to its receptor on the host cell, the virus may be taken inside the cell via a vesicle during the normal cell process of l'endocytose médiée par le récepteur. An alternative method of cell penetration used by non-enveloped viruses is for capsid proteins to undergo shape changes after binding to the receptor, creating channels in the host cell membrane. The viral genome is then “injected” into the host cell through these channels in a manner analogous to that used by many bacteriophages.

Enveloped viruses also have two ways of entering cells after binding to their receptors: receptor-mediated endocytosis, or fusion . Many enveloped viruses enter the cell by receptor-mediated endocytosis in a fashion similar to that seen in some non-enveloped viruses. On the other hand, fusion only occurs with enveloped virions. These viruses, which include HIV among others, use special fusion proteins in their envelopes to cause the envelope to fuse with the plasma membrane of the cell, thus releasing the genome and capsid of the virus into the cell cytoplasm.

After making their proteins and copying their genomes, animal viruses complete the assembly of new virions and exit the cell. As we have already discussed using the example the influenza virus, enveloped animal viruses may bud from the cell membrane as they assemble themselves, taking a piece of the cell’s plasma membrane in the process. On the other hand, non-enveloped viral progeny, such as rhinoviruses, accumulate in infected cells until there is a signal for lysis or apoptosis, and all virions are released together.

As you will learn in the next module, animal viruses are associated with a variety of human diseases. Some of them follow the classic pattern of acute disease , where symptoms get increasingly worse for a short period followed by the elimination of the virus from the body by the immune system and eventual recovery from the infection. Examples of acute viral diseases are the common cold and influenza. Other viruses cause long-term chronic infections , such as the virus causing hepatitis C, whereas others, like herpes simplex virus, only cause intermittent symptoms. Still other viruses, such as human herpesviruses 6 and 7, which in some cases can cause the minor childhood disease roseola, often successfully cause productive infections without causing any symptoms at all in the host, and thus we say these patients have an asymptomatic infection .

In hepatitis C infections, the virus grows and reproduces in liver cells, causing low levels of liver damage. The damage is so low that infected individuals are often unaware that they are infected, and many infections are detected only by routine blood work on patients with risk factors such as intravenous drug use. On the other hand, since many of the symptoms of viral diseases are caused by immune responses, a lack of symptoms is an indication of a weak immune response to the virus. This allows the virus to escape elimination by the immune system and persist in individuals for years, all the while producing low levels of progeny virions in what is known as a chronic viral disease. Chronic infection of the liver by this virus leads to a much greater chance of developing liver cancer, sometimes as much as 30 years after the initial infection.

As already discussed, herpes simplex virus can remain in a state of latency in nervous tissue for months, even years. As the virus “hides” in the tissue and makes few if any viral proteins, there is nothing for the immune response to act against, and immunity to the virus slowly declines. Under certain conditions, including various types of physical and psychological stress, the latent herpes simplex virus may be reactivated and undergo a lytic replication cycle in the skin, causing the lesions associated with the disease. Once virions are produced in the skin and viral proteins are synthesized, the immune response is again stimulated and resolves the skin lesions in a few days or weeks by destroying viruses in the skin. As a result of this type of replicative cycle, appearances of cold sores and genital herpes outbreaks only occur intermittently, even though the viruses remain in the nervous tissue for life. Latent infections are common with other herpesviruses as well, including the varicella-zoster virus that causes chickenpox. After having a chickenpox infection in childhood, the varicella-zoster virus can remain latent for many years and reactivate in adults to cause the painful condition known as “shingles” (Figure 21.11).

Some animal-infecting viruses, including the hepatitis C virus discussed above, are known as oncogenic viruses : They have the ability to cause cancer. These viruses interfere with the normal regulation of the host cell cycle either by introducing genes that stimulate unregulated cell growth (oncogenes) or by interfering with the expression of genes that inhibit cell growth. Oncogenic viruses can be either DNA or RNA viruses. Cancers known to be associated with viral infections include cervical cancer, caused by human papillomavirus (HPV) (Figure 21.12), liver cancer caused by hepatitis B virus, T-cell leukemia, and several types of lymphoma.


Extrinsic factors fuel the spread of zoonotic viruses, but only after replication in humans has commenced

Once an animal virus has achieved measurable titers in its first human host, it is possible that a second human will become infected through contact with the first. Ultimately, this virus might go on to infect only a small handful of people or millions of people at the other extreme. Once epidemics have begun, the spread of viral pathogens through populations is an elongated and complex process, with many factors at play. At this point, the virus population will experience selection for variants with increased capacity to spread through the human population. As Don Ganem put it, “What evolution is operating on is not disease, disease is incidental. It operates on spread” [113]. How well a virus spreads in a new population (quantified by the reproductive number, R0) depends on two important factors: 1) how well the virus is adapted for transmission in the new host species and 2) the external (epidemiological and ecological) factors that facilitate spread in the new host. For instance, a less pathogenic influenza virus variant that causes lower levels of inflammation and cytopathic effects in the respiratory tract may not be transmitted well. This is because inflammation and cytopathology contribute to increased airway congestion, resulting in coughing fits, sneezing, and increased nasal secretions, which serve as major routes for influenza virus transmission. However, factors external to the virus are also integral to transmission. If a poorly spreading virus, like the influenza variant just mentioned, emerged in a densely populated megacity, then it might be capable of continued spread and further refinement in humans. On the other hand, if an influenza virus variant arises with characteristics that make it excellent at spreading in humans, but this event occurs in a remote part of the world with low population density, then the virus may falter very quickly.

Unique human situations and behaviors are often factors in defining the scale of epidemics. The strong human desire to care for sick family members has promoted the spread of Ebola virus whenever it strikes, and it has been heartbreakingly stated that “one of the tragedies of Ebola is that it spreads through love” [114]. The 1918 influenza virus emerged during World War I and spread well between soldiers living at high density on military bases (Fig 3). These examples show how parameters extrinsic to the virus itself are critical to the spread of zoonotic viruses in humans [115]. If we do begin to identify the relatively rare animal viruses with thin genetic barriers to replication in human cells, then we may be able to use global data on key epidemiological and ecological parameters to understand where conditions exist that will promote rapid spread once animal virus replication in an initial human host has occurred [116,117].

This photo shows soldiers at Camp Funston in Fort Riley, Kansas, in late November of 1918. This camp is where some of the very first cases of the 1918 flu were reported, earlier in the year of 1918, and then again just around the time that this photo was taken [118]. Based on this, some of the soldiers shown are very likely infected with the 1918 influenza virus at the time the photo was taken. The soldiers are watching a Thanksgiving football game, and it is interesting to speculate that this dense human crowd may have set the 1918 flu, a respiratory virus, onto its disastrous course. Photo reproduced with permission from the National World War I Museum and Memorial, Kansas City, Missouri, U.S.A.

In summary, dangerous animal viruses are those that require few mutations in order to begin replicating themselves in human cells. These viruses are dangerous because the required combination of mutations might randomly arise in the natural reservoir. To identify these dangerous viruses, we must identify the human proteins (restriction factors, receptors, other cellular proteins) that are currently protecting us from each class of animal virus with high zoonotic potential and determine whether those are few or many. Dangerous viruses will be separated from us by only one or a few host blocks. Identifying human blocks to animal virus replication will require significant work, including the integration of viral surveillance with virologic experimentation in the lab. These efforts are worth it, not only because disease emergence is an important public health topic, but because zoonosis provides a unique example of evolution in action that teaches us about biology more generally.


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