Caractéristiques et découverte des facteurs de restriction du VIH-1

Afin de se répliquer efficacement et de se disséminer, les virus doivent échapper aux systèmes de défense de l’hôte. La première ligne de défense contre les pathogènes est constituée de protéines cellulaires qui possèdent une activité antivirale et sont appelés facteurs de restriction. En réponse à ces facteurs de restriction, les virus s’adaptent aussi. Cette lutte incessante a pour effet de modifier les fonctions des protéines cellulaires, des protéines virales et des génomes cellulaire et viral.

Un facteur de restriction possède les caractéristiques suivantes (Ballana et Esté, 2015; Blanco-Melo et al., 2012; Duggal et Emerman, 2012; Malim et Bieniasz, 2012) :

1. une fonction antivirale puissante qui ne requiert pas l’intervention de co-facteurs la plupart du temps (action autonome)

2. une expression constitutive, mais qui peut être augmentée par l’interféron (IFN) 3. une activité dominante

4. il est souvent contré par une protéine virale ou un mécanisme d’échappement viral

5. il montre les signatures d’une évolution génétique positive due à un conflit avec son antagoniste viral (on parle de sélection positive)

6. ses fonctions ou sa régulation impliquent le système cellulaire ubiquitine/protéasome

Etant donné que les facteurs de restriction peuvent causer des changements drastiques dans la cellule, comme par exemple des mutations dans les acides nucléiques ou la modification de l’activité des protéines, leur activité doit être finement régulée afin que leur action ne soit pas délétère pour la cellule (Duggal et Emerman, 2012).

L’activité antivirale d’un facteur de restriction est démontrée expérimentalement soit en sur- exprimant la protéine, ce qui cause une baisse d’infectiosité, soit en inhibant son expression ce qui cause l’augmentation de la réplication virale. Un facteur de restriction peut avoir un large spectre d’action, inhibant des virus appartenant à différentes familles, c’est le cas de Tetherin/BST2 qui peut contrer l’infection des virus enveloppés (Le Tortorec et al., 2011), ou alors une action ciblée comme dans le cas de TRIM5α qui restreint spécifiquement les rétrovirus (Johnson et Sawyer, 2009). Bien que le nombre de facteurs de restriction augmente constamment (Ghimire et al., 2018), je n’aborderai dans ce manuscrit que ceux dont les mécanismes d’activité antivirale ont été étudiés de manière plus approfondie (voir tableau).

Martinat Charlotte – Thèse de Doctorat – 2018

Tableau I. Récapitulatif des facteurs de restriction anti-VIH-1 décrits dans ce manuscrit avec indication de

l’étape du cycle de réplication sur laquelle ils agissent et leurs antagonistes viraux.

Facteur de restriction Etape du cycle viral inhibée Antagoniste viral

APOBEC3G Transcription inverse Vif

TRIM5a Décapsidation aucun connu

Tetherin/BST2 Bourgeonnement Vpu

MxB Import nucléaire de l’ADN viral aucun connu

SERINC5 Fusion de l’enveloppe à la membrane cellulaire Nef (et Env)

Fv1 (« Friend virus susceptibility 1 ») a été le premier gène identifié comme conférant aux cellules de souris une résistance au virus de la leucémie murine (MLV) (Lilly, 1967). Les deux allèles du gène, Fv1n _{et Fv1}b_{, sont responsables de l’inhibition de l’infection par les souches B et N du MLV}

respectivement (Lilly, 1967). Les souris hétérozygotes Fv1n/b acquièrent la résistance aux deux souches virales démontrant le caractère dominant du gène. La protéine Fv1, codée par ce gène, possède une grande similarité de séquence avec la poly-protéine Gag des rétrovirus endogènes (Best et al., 1996). Sa capacité à contrer le MLV viendrait de l’interaction directe avec la capside du virus. De plus, l’activité antivirale de Fv1 est saturable par des doses croissantes de virus (Bassin et al., 1978 ; Duran-Troise et al., 1977). Enfin, une étude s’intéressant à l’évolution du gène Fv1, indique que la protéine inhibe aussi la réplication de lentivirus comme l’EIAV (« Equine Infectious Anemia Virus ») et de spumavirus comme le FFV (« Feline Foamy Virus ») (Yap et al., 2014).

La caractérisation de Fv1 a pris tout son sens quand l’homologue humain Ref1 a été identifié comme étant aussi capable de restreindre l’infection par le N-MLV suggérant une conservation du mécanisme chez les mammifères (Besnier et al., 2003; Towers et al., 2000, 2002). Par la suite, il a été découvert que de nombreuses lignées cellulaires humaines bloquent l’infection par le VIH-1 et de manière saturable également (Hofmann et al., 1999; Towers et al., 2000). Le phénotype Ref1 a ensuite été décrit comme étant le facteur de restriction TRIM5α.

Cette découverte a été soutenue par la mise en place de l’approche expérimentale suivante : une cellule non permissive est fusionnée à une cellule permissive pour former un hétérocaryon et la capacité de ce dernier à inhiber l’infection est ensuite mesurée (Figure 7). Lorsque le phénotype est restrictif alors la présence d’un facteur dominant est envisagée, alors qu’une sensibilité de l’hétérocaryon à l’infection suggère la perte d’un co-facteur présent initialement dans la cellule non permissive (Malim et Bieniasz, 2012).

Figure 7. Principe de la fusion cellulaire ou hétérocaryon.

Les deux cellules sont fusionnées et forment un hétérocayon qui exprime le matériel de chacune. Quand l’hétérocayon restreint l’infection par le VIH-1, la présence d’un facteur de restriction est envisagée (cas bleu). Si l’hétérocayon est permissif à l’infection, on en déduit qu’un co-facteur provenant de la cellule intialement non-permissive a été perdu (cas vert).

Deux approches expérimentales ont ensuite été mise en place pour identifier des gènes codant pour des facteurs de restriction : la première consiste en des études comparatives de transcriptomique pour identifier les gènes exprimés préférentiellement dans les cellules résistantes par rapport aux cellules permissives. La seconde consiste à exprimer, dans des cellules permissives, une banque d’ADNc provenant de cellules résistantes puis d’isoler les gènes capables de conférer cette résistance aux cellules permissives. APOBEC3G, Tetherin et SERINC ont été identifiés par la première méthode (Neil et al., 2008 ; Sheehy et al., 2002) alors que la deuxième a permis l’identification de TRIM5α (Stremlau et al., 2004).

Au-delà de leur identification, les avancées majeures concernant les facteurs de restriction impliquent l’élucidation de leurs mécanismes d’action, l’identification de leurs antagonistes viraux (Figure 8) et leurs moyens d’y échapper ainsi que la prise en compte d’une co-évolution perpétuelle (Malim et Bieniasz, 2012).

Martinat Charlotte – Thèse de Doctorat – 2018

Figure 8. Action des principaux facteurs de restriction sur les étapes du cycle de réplication du VIH.

Les facteurs de restriction apparaissent en rouge et leur antagoniste viral sont représentés en bleu. Tirée de (Seissler et al., 2017).

2.2 Mode d’action des facteurs de restriction et relations avec leurs antagonistes viraux