Les virus à ARN, tels que le coronavirus qui cause le COVID-19, sont dans une course à la vie au moment où ils infectent une cellule.
Ces virus n’ont que quelques minutes pour établir leur machinerie de réplication à l’intérieur de la cellule hôte avant que les instructions génétiques contenues dans leurs génomes d’ARN vulnérables – qui sont plus fragiles que l’ADN – ne soient autrement détruites par le ménage cellulaire. En cas de succès, le virus peut passer de quelques copies de son génome ARN à un demi-million de copies incorporées dans de nouvelles particules infectieuses en moins de 12 heures. Sinon, le virus meurt.
Dans une étude publiée en ligne le 24 janvier par le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), les scientifiques du Morgridge Institute for Research jettent un nouvel éclairage sur ces premiers stades cruciaux de l’infection virale et sur leur contrôle. Les chercheurs ont développé de nouvelles façons de libérer des complexes de réplication d’ARN viral à partir de cellules et de les visualiser de manière sophistiquée par cryo-microscopie électronique (cryo-EM).
Cryo-EM combine une imagerie très avancée avec une analyse informatique approfondie pour permettre aux scientifiques de visualiser des molécules congelées par flash dans leur état natif à une résolution moléculaire à atomique, donnant un aperçu révolutionnaire de la structure biologique, qui peut être une base puissante pour développer des thérapies pour contrecarrer la maladie.
L’équipe de recherche est dirigée par Paul Ahlquist, directeur du John and Jeanne Rowe Center for Virology de l’Institut et professeur de virologie moléculaire et d’oncologie à l’Université du Wisconsin-Madison. L’équipe comprend les scientifiques Hong Zhan, Nuruddin Unchwaniwala et Johan den Boon, le chercheur de Morgridge et le professeur adjoint de biochimie UW-Madison Tim Grant, et les co-auteurs Andrea Rebolledo-Viveros, Janice Pennington, Mark Horswill, Roma Broadberry et Jonathan Myers.
Cette vidéo illustre l’assemblage moléculaire du noyau « proto-couronne » du complexe de réplication du génome du virus à ARN. Cet assemblage annelé contient 12 copies adjacentes d’une seule grande protéine de réplication d’ARN viral. Crédit : Institut de recherche Morgridge
La plupart des gènes de microbes et d’hôtes fonctionnent dans de grands complexes protéiques qui fonctionnent comme des machines moléculaires. Les structures de ces assemblages critiques sont cependant largement inconnues, ce qui limite considérablement la compréhension et le contrôle des processus concernés. Dans 2017, à l’aide d’un virus modèle avancé, le laboratoire Ahlquist a fourni le première imagerie complète d’un complexe de réplication d’ARN viral et son organisation saisissante.
Ils ont découvert que le « chromosome » de l’ARN génomique viral parental était étroitement enroulé à l’intérieur d’une vésicule membranaire protectrice, dont ils ont découvert que le canal rétréci vers le cytoplasme était le site de la véritable machinerie de réplication de l’ARN viral – le moteur dynamique et multifonctionnel de la copie du génome – dans un ancien complexe inconnu, 12 fois symétrique, annelé qu’ils ont appelé la « couronne ».
Maintenant, dans son nouvel article en PNAS, l’équipe fait un pas de plus en révélant la structure complexe de cette couronne moléculaire et ses domaines enzymatiques composants à une résolution atomique à quasi-atomique. Ces résultats de résolution considérablement plus élevée montrent comment les nombreux modules fonctionnels distincts de ce moteur réplicatif sont agencés, fournissant une base essentielle pour élaborer son assemblage, son fonctionnement dynamique et les moyens d’interférer avec les deux.
À titre de comparaison, le premier auteur Hong Zhan déclare : « Les premières visualisations des machines de la couronne par notre laboratoire en 2017 ressemblaient à l’identification de l’existence et du contour général d’un bâtiment. La nouvelle résolution de 2023 revient à montrer des détails fins, tels que le câblage électrique et serrures de porte. »
« En virologie », dit Ahlquist, « les complexes sur lesquels les gens se sont concentrés jusqu’à présent étaient principalement les particules infectieuses qui se déplacent entre les cellules, qui sont relativement faciles à purifier et à étudier car elles se libèrent des cellules. »
« Cependant, la plupart des processus de réplication virale se produisent dans l’environnement complexe des cellules », ajoute-t-il. « Il s’agit d’un nouveau chapitre où nous avons pu atteindre l’intérieur des cellules pour capturer et imager en détail des machines virales encore plus complexes qui exécutent les événements centraux de la réplication virale. »
Johan den Boon, membre de l’équipe, note qu’entre autres résultats, ils ont découvert que « la couronne est constituée de deux anneaux 12-mères empilés d’une énorme protéine de réplication de l’ARN viral, dont les multiples domaines fournissent toutes les fonctions nécessaires pour synthétiser de nouvelles copies de l’ARN génomique viral. Cependant, les protéines dans les anneaux supérieurs et inférieurs sont dans des conformations radicalement différentes, avec leurs domaines constitutifs dans des positions différentes les unes par rapport aux autres.
Une implication est que les mêmes domaines protéiques fonctionnent de manière distincte dans les anneaux supérieur et inférieur. De multiples autres caractéristiques soulignent que la couronne n’est pas une structure statique mais une machine sophistiquée et active qui progresse et effectue une série de mouvements pour mener à bien ses activités successives. Sur la base de cette structure et d’autres expériences ciblées, l’équipe de Morgridge élucide les fonctions de la couronne et la gymnastique conformationnelle.
Une autre découverte intéressante de ces études est que le cycle 12-mère inférieur est un précurseur d’assemblage qui se forme avant les étapes réelles de la réplication de l’ARN. Ce précurseur de « proto-couronne » recrute ensuite la matrice d’ARN génomique viral et d’autres composants pour initier la synthèse de nouveaux ARN, et sert de base pour assembler le complexe de réplication mature à double anneau.
De plus en plus de preuves suggèrent que la couronne synthétise non seulement de nouvelles copies du génome de l’ARN viral, mais aide également à livrer ces nouveaux génomes dans les processus en aval d’expression génique et d’assemblage de nouvelles particules virales infectieuses. La couronne semble donc assurer des fonctions majeures pour organiser de nombreuses phases critiques tout au long de l’infection.
« Il suffit de ralentir l’assemblage et la fonction des complexes de réplication d’ARN pour tuer ces virus », déclare Ahlquist. « Ces nouveaux résultats fournissent une base solide pour trouver de nouvelles façons d’y parvenir. »
Ahlquist et d’autres membres de l’équipe louent le centre de recherche UW-Madison Cryo-EM (CEMRC) et son leadership comme étant essentiels à leurs progrès. Le CEMRC rend cette technologie précieuse accessible à des dizaines de scientifiques du campus UW-Madison et, en tant que centre national, bien au-delà. Dirigé par le professeur de biochimie Elizabeth Wright, le CEMRC fournit des capacités avancées dans pratiquement toutes les formes d’imagerie cryo-EM.
Les résultats émergents du groupe Morgridge et d’autres chercheurs indiquent que les principes révélés par ces études sont évolutifs anciens et que des complexes similaires en forme de couronne sont au cœur de la réplication de la plupart, sinon de la totalité, des virus à ARN de cette grande classe. Cela inclut le coronavirus COVID-19 SARS-CoV-2 et de nombreux autres agents pathogènes.
En conséquence, les principes sous-jacents conservés pourraient servir de base au développement de stratégies antivirales à large spectre plus puissantes qui pourraient inhiber l’infection non pas par un mais par des groupes entiers de virus, explique Ahlquist.
Plus d’information:
Hong Zhan et al, l’architecture de la couronne de réplication de l’ARN du nodavirus révèle le précurseur de la proto-couronne et la commutation conformationnelle de la protéine virale A, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2217412120