Outre ses fonctions dans le maintien de l’homéostasie cellulaire, l’autophagie occupe une place importante dans la défense cellulaire. En effet, c’est un mécanisme de défense universel, qui permet aux cellules de lutter contre des infections par des agents pathogènes intracellulaires, en permettant notamment leur dégradation directe dans des autophagosomes. De plus, l’autophagie participe à la régulation des réponses immunitaires innées et adaptatives. L’identification précise des mécanismes autophagiques dans la défense cellulaire contre les agents infectieux est donc importante pour l’élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques au cours des maladies infectieuses.
La xénophagie désigne la dégradation spécifique par autophagie d’éléments « étrangers » à la cellule dont les micro-organismes; et joue un rôle majeur dans le contrôle des infections par des agents pathogènes intracellulaires. Plusieurs bactéries ont été décrites pour être dégradées par xénophagie dont le streptocoque de groupe A Streptococcus pyogenes, Mycobacterium
tuberculosis, Salmonella typhimurium, Shigella flexneri et Listeria monocytogenes. A l’inverse, la
dégradation de particules virales entières par autophagie ne semble pas être un mécanisme très fréquent de lutte contre les infections virales. Une étude a observé la présence de virions de HSV-1 mutants pour le facteur de virulence ICP34.5 à l’intérieur des autophagosomes dans des cellules murines (Talloczy, Virgin et al. 2006). HSV-1 induit l’autophagie et ensuite il l’inhibe grâce à la protéine ICP34.5 qui se lie à Beclin 1. Le virus sauvage n’est probablement pas dégradé par xénophagie. Le VIH-1 est également retrouvé dans des amphisomes juste après son entrée dans les cellules dendritiques, mais le virus met rapidement en place une inhibition de l’autophagie pour contrecarrer ce mécanisme de défense (Blanchet, Moris et al. 2010).
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L’autophagie semble être plus adaptée à la dégradation de composants viraux individuels tels que des protéines virales nécessaires au cycle de réplication du virus. Par exemple, il a été montré que le virus Sindbis induit l’autophagie dans les cellules infectées et que cette autophagie est essentielle pour éviter la neurovirulence causée par le virus, grâce à la dégradation de la protéine virale de capside. En effet, la protéine p62 interagit avec les protéines de la capside et cela entraine la localisation des protéines virales dans les autophagosomes et leur dégradation (Orvedahl, MacPherson et al. 2010). L’inhibition de l’autophagie dans les neurones augmente le taux de mortalité des souris en augmentant la neurovirulence.
L’autophagie est impliquée dans la plupart des voies de signalisation conduisant à l’activation de réponses immunitaires innées, telles que la réponse à l’interféron (Richetta and Faure 2013). La production de l’IFN de type I (IFN et IFN) joue un rôle crucial pour lutter contre les infections, en particulier les infections virales. Les autophagosomes peuvent séquestrer et délivrer des PAMPs (motifs moléculaires associés aux pathogènes), tels que des ARN viraux aux TLRs (Toll-like receptors) endosomaux pour promouvoir l’activation d’une réponse IFN I. Il a été montré que les cellules dendritiques plasmacytoides (pDC) murines présentent une activité autophagique basale très élevée, qui n’est pas augmentée suite à l’infection par le virus de la stomatite vésiculaire (VSV) mais qui permet la séquestration d’éléments viraux et la production de l’IFN I. En effet, les autophagosomes séquestrent des ARN viraux issus de la réplication du VSV et les délivrent au TLR7 après fusion avec des endosomes, ce qui induit la production d’IFN (Lee, Lund et al. 2007).
Dans un modèle de drosophile et après l’infection par le VSV, l’induction de l'autophagie suite à la reconnaissance de la glycoprotéine du virus VSV-G, est essentielle pour la défense antivirale chez les mouches adultes (Shelly, Lukinova et al. 2009). Une fois activée, l'autophagie diminue la réplication virale, et l’inhibition de l'autophagie permet l’augmentation de la réplication virale et de la pathogenèse. Il a été montré que le VSV est reconnu par TLR7, ce qui limite la réplication virale et ainsi protège les mouches d'une infection létale (Nakamoto, Moy et al. 2012).
L’autophagie contrôle aussi la réplication du virus de la fièvre de la vallée du rift (VRVF) dans les mouches et les mammifères, de manière dépendante du TLR7. Les mouches déficientes en TLR7 sont plus sensibles à l'infection par le VRVF, en raison d’un défaut d’activation de l’autophagie, ce qui est essentiel pour contrôler la réplication virale et assurer la survie des mouches. L’absence de gènes essentiels pour l’autophagie améliore la réplication virale alors
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que l’activation pharmacologique de l’autophagie inhibe l’infection dans les cellules cibles (Moy, Gold et al. 2014).
Delorme-Axford et al ont montré que la protection antivirale de l’autophagie peut se transmettre par un signal d’une cellule à une autre (Delorme-Axford, Donker et al. 2013). En effet, les trophoblastes humains (des cellules spécialisées qui composent le placenta) sont naturellement résistants à l'infection par différents virus et présentent des niveaux élevés d'autophagie, ce qui pourrait contribuer à leur résistance aux infections virales. Mais surtout, ils sont capables de conférer une résistance virale à des cellules voisines. En effet, il semble que ces cellules sécrétent des exosomes, qui contiennent des microARN capables d'induire l'autophagie dans les cellules environnantes. Cela permet d’induire l’autophagie et d’atténuer la réplication virale dans les cellules non placentaires, suggérant un modèle original de protection du fœtus contre les virus (Delorme-Axford, Donker et al. 2013).
L’autophagie contribue également à la défense antivirale en améliorant la présentation des peptides dérivés des agents infectieux par les CMH, nécessaire au déclenchement d’une réponse immunitaire adaptative efficace. Un certain nombre de protéines virales sont prises en charge par l’autophagie pour être présentées aux lymphocytes T. La fusion de la protéine de matrice du virus de la grippe à la protéine LC3 permet d’augmenter fortement la présentation de cette protéine au CMH II et d’activer les lymphocytes T CD4 (Schmid, Pypaert et al. 2007). Dans les macrophages et les cellules dendritiques infectées par Mycobacterium tuberculosis, l’induction de l’autophagie augmente la présentation de l’antigène bactérien Ag85 au CMH II et induit la localisation des mycobactéries dans les autophagosomes (Jagannath, Lindsey et al. 2009). L’autophagie joue aussi un rôle dans la présentation des antigènes de la famille des
Herpesviridae aux CMH de classe I et II, mais nous allons voir cette partie en détail dans le
chapitre suivant.
ii. Rôle pro viral de l’autophagie au cours de l’infection virale
Bien que les virus aient évolué pour contrecarrer les voies de l'autophagie, certains ont également mis au point des mécanismes pour manipuler la machinerie autophagique au profit de leurs cycles de réplication (Lennemann and Coyne 2015). Plusieurs virus à ARN de polarité positive ont été décrits pour utiliser les autophagosomes comme plateformes de réplication. Les entérovirus comme le poliovirus (PV) et le virus Coxsackie B3 (CVB3), qui sont des virus à ARN, ont été largement étudiés pour le rôle bénéfique que l'autophagie joue dans leur cycle de réplication. L'infection induit la formation de vésicules à double membrane (autophagosome-
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like), qui sont LC3 positives et qui servent d'échafaudage pour la réplication de l'ARN viral. Ainsi, ces virus utilisent l’autophagie pour générer les membranes nécessaires pour les sites de réplication (Schlegel, Giddings et al. 1996; Jackson, Giddings et al. 2005; Wong, Zhang et al. 2008). Dans le cas du PV, l’induction de l’autophagie se fait par la coexpression de deux protéines virales, appelé 2BC et 3A (Figure 25). La protéine 2BC augmente la lipidation de LC3, et la protéine 3A inhibe le mouvement des autophagosomes le long des microtubules afin de bloquer la fusion autophagosome-lysosome (Suhy, Giddings et al. 2000; Taylor and Kirkegaard 2007). Il a été montré que l’induction de l’autophagie augmente la production virale du PV, et que son inhibition la diminue (Jackson, Giddings et al. 2005). De plus, l'acidification des vésicules « autophagosome-like » lors de l'infection favorise la maturation des virions en particules infectieuses (Richards and Jackson 2012). Le clivage de la protéine virale structurale VP0 en VP2 et VP4, qui a lieu après l’assemblage des virions contenant le génome, est nécessaire pour générer les virus infectieux. Cet événement est inhibé si l’acidification de ces vésicules est bloquée (Richards, Soares-Martins et al. 2014). Cependant, la propriété dégradative de l’autophagie n’est pas nécessaire pour promouvoir la réplication du PV (Richards and Jackson 2012).
L’autophagie pourrait représenter également une voie de sortie non lytique du PV à la fin de son cycle de multiplication, un processus appelé AWOL (Autophagic exit WithOut Lysis) qui permet une libération des virus avant la lyse des cellules infectées (Bird, Maynard et al. 2014).
Il a été montré que le virus Coxsackie B3 (CVB3) induit la formation des autophagosomes, mais qu’il y a peu ou pas de dégradation du contenu des autophagosomes au cours de l'infection (Wong, Zhang et al. 2008; Kemball, Alirezaei et al. 2010). Contrairement au PV, qui induit le flux autophagique, le CVB3 l’inhibe. En effet, le PV induit une autophagie complète, où la protéine p62/SQSTM1 est clivée par une protéase virale ou elle reste intacte dans d’autres types cellulaires. Il semblerait que le CVB3 inhibe la formation des autolysosomes pour échapper à la dégradation lysosomale (Wong, Zhang et al. 2008). La cible cellulaire utilisée par le CVB3 pour inhiber la dégradation est la protéine BPIFB3 (bactericidal/permeability-increasing protein (BPI)
fold-containing family B, member 3), qui a été récemment identifiée (Coyne, Bozym et al. 2011).
L’extinction de BPIFB3 augmente à la fois la dégradation autophagique et la réplication du CVB3, mais n’affecte pas la réplication virale du PV (Delorme-Axford, Morosky et al. 2014). Le CVB3 a aussi la capacité de bloquer l’autophagie sélective (Shi, Wong et al. 2013). En effet, une protéase du CVB3 va cliver la protéine p62/SQSTM1 et la rendre inactive, ce qui entraine un blocage de l'autophagie sélective mais n'a pas d'effet direct sur la réplication virale. Une étude récente a montré que le CVB3 est libéré dans des microvésicules extracellulaires (EMVS pour
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Extracellular Microvesicles) contenant la forme lipidée de la protéine LC3, indiquant que ces
EMVS proviennent de la voie autophagique (Robinson, Tsueng et al. 2014).
Figure 25 : Régulation de l’autophagie par les virus.
Plusieurs virus sont connus pour inhiber la signalisation ou la maturation autophagique. Les protéines 3A et 2BC du PV, le VHC ou la protéine HBx du VHB induisent les étapes précoces de l’autophagie. Les virus de la grippe A, CVB3, HPIV3 et EBV induisent la formation des autophagosomes, mais ils bloquent leur maturation et la dégradation autophagique. La protéine M2 se lie à LC3 pour inhiber formation.de l’amphisome. La protéine P d’HPIV3 se lie à SNAP29 afin d’inhiber la fusion endosome-autophagosome. Dans le cas de CVB3, le virus nécessite BPIFB3 cellulaire pour inhiber la maturation des autophagosomes (Jackson 2015)
Contrairement à CVB3, le flux autophagique est bénéfique pour la réplication du virus de la rougeole (MeV). Lors de l’étape précoce de l’infection, ce virus induit une première vague d’autophagie très précoce mais transitoire par l’engagement de son récepteur d’entrée CD46 (Joubert, Meiffren et al. 2009). Cependant, après un bref retour à l’état basal, une deuxième vague d’autophagie est induite suite à l’interaction de la protéine virale non structurale C avec IRGM, un régulateur cellulaire connu de l'autophagie (Gregoire, Richetta et al. 2011). Bien que la machinerie autophagique soit fonctionnelle, les protéines virales ne sont pas ciblées pour être dégradées dans les autolysosomes. Cette autophagie est bénéfique et favorise la production de particules virales infectieuses. En effet, l’autophagie est exploitée afin de limiter la mort des
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cellules infectées, ce qui améliore la production de particules virales (Richetta, Gregoire et al. 2013).
L'autophagie est également bénéfique pour la maturation du virus de la dengue (DENV) (Mateo, Nagamine et al. 2013). Après la réplication du génome viral dans des vésicules associées au RE, les particules virales sont assemblées dans le RE et transportées par la voie de sécrétion avant leur libération dans l'espace extracellulaire. Dans l’appareil de Golgi, le précurseur de la protéine membranaire prM est clivé par la furine, une protéase cellulaire, ce qui rend les particules virales infectieuses (Yu, Zhang et al. 2008). L'inhibition de l'autophagie diminue le clivage de la protéine prM entrainant une diminution de l’infectivité des virus extracellulaires. DENV est également capable de stimuler spécifiquement la lipophagie. La lipophagie correspond à la dégradation par autophagie de gouttelettes lipidiques et représente une voie alternative du métabolisme des lipides. Il a été montré que pendant l’infection par le DENV, des gouttelettes lipidiques sont présentes dans les autolysosomes (Heaton and Randall 2010) et que leur dégradation fournit l’énergie nécessaire pour faciliter la réplication virale.
Certains paramyxovirus induisent l'autophagie pour favoriser la production de virus (Manuse, Briggs et al. 2010). Le virus parainfluenza de type 3 (HPIV3) induit une autophagie incomplète en bloquant la fusion autophagosome-lysosome, ce qui entraine une augmentation de la production virale. La phosphoprotéine virale (P) est nécessaire et suffisante pour bloquer les étapes tardives de l’autophagie (Ding, Zhang et al. 2014). La fusion des autophagosomes avec les lysosomes est dépendante de la liaison de la protéine SNARE adaptatrice SNAP29 avec, d’un côté la protéine STX17, situé sur la membrane autophagosomale et de l’autre la protéine VAMP8, qui se trouve sur la membrane de l’endosome/lysosome (Itakura, Kishi-Itakura et al. 2012). La protéine P se lie à SNAP29 et inhibe son interaction avec STX17, ce qui empêche les deux protéines SNARE de jouer leur rôle dans la fusion. Cette autophagie incomplète et l'accumulation des autophagosomes augmentent la production virale extracellulaire, par un mécanisme actuellement inconnu, mais n’affectent pas la synthèse de protéines virales (Ding, Zhang et al. 2014).
Une accumulation des autophagosomes est également observée lors de l’infection par le virus de la grippe A (IAV) (Beale, Wise et al. 2014). La protéine virale M2 est capable de bloquer la maturation des autophagosomes par interaction avec Beclin 1. Ce blocage tardif favorise la mort cellulaire et il n'a pas d'influence sur la réplication virale (Gannage, Dormann et al. 2009). Au cours de l'infection, la protéine M2, par sa région d’interaction avec la protéine LC3 (LIR pour
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LC3-interacting region), entraine la relocalisation de LC3 au niveau de la membrane
plasmatique. La perturbation de l’interaction M2-LC3 diminue le bourgeonnement filamenteux et la stabilité des virions. La protéine virale NS1 (Non-structural protein 1) stimule indirectement l’autophagie en régulant positivement la synthèse de deux protéines virales, elles-mêmes capables d’induire l’autophagie, l’hémagglutinine et la protéine M2 (Zhirnov and Klenk 2013). Dans le cas du VHC, la machinerie autophagique semble être nécessaire pour l'initiation, mais pas pour le maintien de la réplication virale. L'autophagie améliore la traduction de l'ARN viral (Dreux, Gastaminza et al. 2009). L’induction de l’autophagie a aussi pour bénéfice d’inhiber l’activation d’IFN par RIG-I (Ke and Chen 2011). Des modulateurs de l'UPR semblent jouer un rôle dans l’induction de l’autophagie par le VHC (Dreux and Chisari 2011). Il a été proposé que les membranes autophagiques puissent être utilisées comme un compartiment pour la réplication de l’ARN viral car les protéines virales NS5A, NS5B et l’ARN viral colocalisent avec l’autophagosome. En plus de son rôle essentiel dans la réplication, l’autophagie régule l'assemblage et/ou la sortie des virions infectieux et ainsi la protection des cellules infectées de la mort (Dreux and Chisari 2011; Ke and Chen 2014). Plusieurs protéines autophagiques, comme Beclin 1, LC3, Atg4B, Atg5, Atg7 et Atg12, sont jugées nécessaires pour une infection productive par le VHC (Jordan and Randall 2012). HCV induit également la mitophagie et il est capable d’atténuer l'apoptose, ce qui peut éventuellement faciliter la persistance virale (Kim, Syed et al. 2014).
Il a été récemment montré que l’autophagie peut avoir un rôle proviral chez certains virus à ADN comme le virus de l’hépatite B (VHB). Il semble que l'autophagie induite améliore la réplication de l'ADN viral et facilite l’enveloppement. La protéine virale HBx, essentielle dans la pathogénèse et la carcinogénèse virale, est capable d’induire l’autophagie par une régulation positive de la PI3K de classe III ou de Beclin 1 (Tang, Ducroux et al. 2012). HBx induit également l’autophagie par activation de la protéine kinase DAPK (death-associated protein
kinase) (Zhang, Chen et al. 2014). Elle inhibe la dégradation autophagique par altération de la
maturation lysosomale (Liu, Fang et al. 2014). Les membranes autophagiques générées sont utilisées pour l’enveloppement viral (Li, Liu et al. 2011). Des études récentes ont révélé un rôle de l'autophagie dans la pathogenèse du VHB. En effet, l'autophagie favorise la dégradation du microARN-224 cellulaire, dont la surexpression est associée au carcinome hépatocellulaire (Lan, Wu et al. 2014).
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iii. VIH (Virus de l'immunodéficience humaine) et l’autophagie
L’autophagie est l’un des mécanismes majeurs gouvernant l’infection par le VIH-1, mais elle est régulée différemment en fonction du type cellulaire. De plus, deux rôles de l’autophagie pro- et antiviral ont été proposés.
Dans les macrophages, il détourne l’autophagie pour faciliter la formation de nouveaux virions (Kyei, Dinkins et al. 2009). En effet, l’infection induit une autophagie incomplète uniquement dans les cellules infectées et pas dans les cellules voisines (Espert, Varbanov et al. 2009). La protéine virale Nef bloque la maturation autophagique par son interaction avec Beclin 1, protégeant ainsi le virus de la dégradation. Le VIH nécessite l'induction de l'autophagie, pour faciliter la maturation de la protéine structurale Gag. Il inhibe ensuite la capacité dégradative de l’autophagie, afin d’éviter la dégradation virale et d’augmenter la production des virions. (Borel, Espert et al. 2012). L’accumulation des autophagosomes dans le cytoplasme dépend aussi de l’interaction de Nef avec IRGM (Gregoire, Richetta et al. 2011; Gregoire, Rabourdin-Combe et al. 2012).
Dans les cellules dendritiques (DC) immatures dérivées de monocytes, il semble que les virions puissent être dégradés par xénophagie tout de suite après leur entrée dans la cellule. En effet, il a été observé en microscopie confocale, une colocalisation de Gag du VIH-1 avec des vésicules GFP-LC3. Cependant, le VIH-1 inhibe l’autophagie dans les DC, ce qui bloque l’induction des réponses immunitaires (Blanchet, Moris et al. 2010).
Dans les lymphocytes T CD4+, l’autophagie est inhibée dans les cellules infectées afin d'éviter l’effet antiviral de l’autophagie (Espert, Varbanov et al. 2009) alors qu’elle est induite dans les cellules voisines non infectées (Espert, Denizot et al. 2006). Les interactions directes entre les glycoprotéines d’enveloppe gp120/gp41, qui se trouvent à la surface cellulaire des lymphocytes infectés, et le récepteur CD4 et le corécepteur CXCR4 induisent l’autophagie dans les lymphocytes T non infectés et activent la mort cellulaire par apoptose. Ce mécanisme contribue à la destruction progressive des lymphocytes T CD4 aboutissant à la phase SIDA.
Il a été montré récemment que la protéine transactivatrice du VIH Tat, une protéine essentielle pour la transcription virale et la production de virions est spécifiquement dégradée par autophagie sélective. Cette dégradation sélective est dépendante de l’interaction de Tat avec la protéine adaptatrice p62/SQSTM1. Néanmoins, ce processus est rapidement neutralisé par le virus pour favoriser sa réplication et propagation (Sagnier, Daussy et al. 2014).
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L’autophagie protège les patients contrôleurs ou «nonprogressor » infectés par le VIH-1 qui restent cliniquement stables pendant des années en absence de thérapie antirétrovirale. Elle cible des composants viraux afin de les dégrader. Des cellules mononuclées du sang périphérique provenant de ces patients présentent une quantité plus élevée de vésicules autophagiques, associé à une expression accrue des marqueurs autophagiques par rapport aux patients avec une infection normale. Il faut noter que le traitement de ces cellules avec la rapamycin, inhibiteur mTOR, amène à une réponse autophagique plus efficace, ce qui conduit à une réduction de la production virale (Nardacci, Amendola et al. 2014).