Rôle du facteur de transcription p53 dans l'infection des
macrophages humains par le VIH-1
Thèse
Yann Breton
Doctorat en microbiologie-immunologie
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Rôle du facteur de transcription p53 dans
l’infection des macrophages humains par le
VIH-1
Thèse
Yann Breton
Sous la direction de :
Résumé
À ce jour, malgré les traitements antirétroviraux efficaces permettant de contrôler la charge virale chez les personnes vivant avec le VIH-1, aucun vaccin ni traitement curatif n’est disponible. La recherche fondamentale est donc toujours de mise afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires permettant la persistance du virus. Les macrophages, l’une des cellules cibles du VIH-1, jouent un rôle important dans l’établissement de l’infection et la propagation du virus. Étant présentes dans les muqueuses, ces cellules sont parmi les premières à être exposées au VIH-1 lors de l’infection. En combinaison avec leur longue durée de vie et leur résistance à l’effet cytopathique du virus, les macrophages doivent être pris en considération dans le développement d’une stratégie de guérison. De plus, ces cellules font partie des réservoirs viraux, c’est-à-dire des cellules qui persistent chez la personne infectée malgré les thérapies antirétrovirales, et participent au rebond de la charge virale lors de l’arrêt des traitements.
Les macrophages sont caractérisés par un faible taux d’infection in vitro. Afin d’identifier les facteurs de l’hôte associés à une susceptibilité ou une résistance à l’infection, nous avons fait une étude comparant le transcriptome de cellules infectées par le VIH-1 avec la population exposée ayant résisté à l’infection (population spectatrice), suivie d’un criblage d’ARN interférents envers une sélection de gènes modulés par le virus. Cette étude a permis de mettre en évidence plusieurs facteurs de régulation du VIH-1, dont la protéine MDM2. MDM2 est une ubiquitine ligase impliquée dans la réponse aux dommages à l’ADN et régulant le niveau de plusieurs protéines, sa cible principale étant le facteur de transcription p53.
Les deux études présentées dans cette thèse de doctorat cherchent à mieux comprendre le rôle des protéines MDM2 et p53 dans l’infection des macrophages humains par le VIH-1. Nous démontrons d’abord que l’ubiquitine ligase MDM2 favorise l’infection productive des macrophages via le contrôle de p53. En effet, la stabilisation du facteur de transcription p53 induit l’expression de la protéine p21, qui à son tour empêche la phosphorylation de la protéine SAMHD1. SAMHD1 est un facteur de restriction efficace chez le macrophage, interférant avec l’étape de transcription inverse du virus, et est inactivé suivant sa phosphorylation. Un niveau plus élevé de p53 dans la cellule entraîne donc en une plus
Notre seconde étude découle directement des résultats obtenus lors de la première. Le gène TP53 exprime plusieurs isoformes de p53, chacune connue pour moduler l’activité de p53 pleine longueur. Nous démontrons que ces isoformes peuvent aussi moduler le cycle viral de manière distincte. Par exemple, l’interférence par ARN de l’isoforme p53β cause un effet similaire à l’ARN interférent ciblant toutes les isoformes, mais cette hausse de l’infection est seulement observée au niveau de la production de virions et n’affecte pas le taux d’infection. Cet effet serait aussi indépendant de l’action de SAMHD1. L’inhibition de l’expression des isoformes Δ133p53, quant à elle, diminue la susceptibilité des macrophages au VIH-1 et dépend du sentier p53/SAMHD1. Dans cette étude, nous montrons aussi que la protéine virale Nef protège le virus de l’action de p53. Enfin, nous avons observé une modulation de l’expression des isoformes de p53 suivant l’infection par le VIH-1, certaines isoformes étant modulées spécifiquement chez les macrophages productivement infectés.
Ensemble, ces études mettent en lumière un rôle dans l’immunité innée antivirale pour le facteur de transcription p53, plutôt connu pour ses propriétés antitumorales. La mise en évidence d’un nouveau facteur de régulation du VIH-1 spécifique au macrophage et impliqué dans les étapes menant à l'intégration du VIH-1 dans ces cellules permet une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires menant à la formation et à la persistance de réservoirs viraux. Ces études permettront d’envisager de nouvelles voies thérapeutiques pour prévenir leur formation et mener à l'éradication du virus. Nos résultats permettent aussi de mieux comprendre l’implication de p53 dans l’immunité ainsi que l’importance de son contrôle par MDM2 et pourront aussi être transposées dans d’autres sphères de la virologie. Inversement, les connaissances actuelles en oncologie sur le facteur de transcription p53 pourront être transposées pour développer de nouvelles thérapies et, éventuellement, une guérison de l’infection par le VIH-1.
Abstract
To date, despite effective antiretroviral therapies for viral load control in people living with HIV-1, no vaccine or cure against the virus is available. Basic science research is then still necessary to better understand the molecular mechanisms allowing the viral persistence. Macrophages, one of the cells targeted by HIV-1, play an important role in the establishment and propagation of HIV-1 infection. Being present in the mucous membranes, macrophages are among the first cells exposed to the virus upon infection. In combination with their long lifespan and their resistance to HIV-1-mediated cytopathogenic effects, macrophages must be considered for the development of a functional cure. In addition, these cells are part of the viral reservoirs, which are cells that persist in the infected person despite antiretroviral therapy and are responsible for the return of the viremia when treatments are stopped. Macrophages are characterized by their low infection rate in vitro. To identify host factors associated with the susceptibility or resistance to infection, we did a transcriptomic study comparing the infected cells with the bystander population (i.e., cells exposed to HIV-1 but uninfected), followed by a siRNAs screening of genes modulated by HIV-1 infection. This study revealed several positive and negative HIV-1 regulatory factors. One of these regulators was MDM2. MDM2 is a ubiquitin ligase involved in the DNA damage response and regulating the turnover of various proteins, including p53.
The main goal of the two studies presented in this Ph.D. thesis is to better understand the role of MDM2 and p53 in the infection of macrophages by HIV-1. We demonstrate that the MDM2 ubiquitin ligase favors HIV-1 replication through the control of p53. Indeed, p53 stabilization induces the expression of p21, which in turn inhibits the phosphorylation of SAMHD1. SAMHD1 is an important restriction factor in macrophages, interfering with HIV-1 reverse transcription, and is inactivated by phosphorylation. A higher level of p53 thus results in a stronger restriction against HIV-1 mediated by SAMHD1. This first study highlights an antiviral role of p53 and the importance of its control by MDM2 for HIV-1 infection.
Our second study stems from the results obtained in our first one. The TP53 gene expresses multiple isoforms of p53, each known to modulate the full-length p53 activity. We
siRNA targeting all the isoforms, but the increase is only seen on the viral production and not on the infection rate. This effect also seems to be SAMHD1-independent. Knockdown of Δ133p53 isoforms, on the other hand, decreases the susceptibility of macrophages towards HIV-1 in a p53/SAMHD1-dependant manner. In this study, we also show that the viral protein Nef protects the virus from the antiviral activity of p53. Finally, we observe a change in the p53 isoforms expression pattern upon exposure to HIV-1, certain isoforms being modulated specifically in the productively infected macrophages.
Together, these studies highlight an antiviral role for the transcription factor p53, better known for its antitumor functions. The demonstration of a new regulatory factor of HIV-1 infection specific to the macrophages and involved in the replication steps leading to the viral genome integration allows a better understanding of the molecular mechanisms leading to the formation and persistence of HIV-1 reservoirs. These studies will open the way to new therapeutic routes to prevent their formation and lead to the eradication of the virus. Our results also provide a better understanding of the involvement of p53 in immunity and the importance of its control by MDM2 and may also be transposed into other areas of virology. Conversely, current knowledge in oncology on the p53 transcription factor could be used in the development of new therapies and, possibly, a cure against HIV-1.
Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iv
Table des matières ... vi
Liste des tableaux ... ix
Liste des figures ... x
Liste des abréviations ... xi
Remerciements ... xix
Avant-propos ... xx
Introduction ... 1
1. Le Virus de l’Immunodéficience Humaine de type 1 ... 1
1.1. Découverte du virus et état actuel de l’épidémie ... 1
1.2. Transmission du virus ... 2
1.3. Origine du virus et diversité génétique ... 3
1.4. Structure du virion ... 3
1.4.1. Le génome viral ... 4
1.4.2. Les protéines de structure ... 5
1.4.3. Les enzymes de réplication ... 7
1.4.4. Les protéines d’enveloppe ... 8
1.4.5. Les protéines régulatrices essentielles ... 9
1.4.6. Les protéines régulatrices accessoires ... 11
1.5. Le cycle de réplication viral ... 13
1.5.1. Les étapes précoces ... 13
1.5.1.1. Attachement et entrée dans la cellule hôte ... 13
1.5.1.2. Décapsidation et transcription inverse ... 15
1.5.1.3. Import nucléaire et intégration ... 16
1.5.2. Les étapes tardives ... 17
1.5.2.1. Expression des gènes viraux ... 17
1.5.2.2. Assemblage et bourgeonnement ... 18
1.6. Les facteurs de l’hôte régulant le cycle viral ... 18
1.6.1. Facteurs de restriction ... 19 1.6.1.1. TRIM5α ... 20 1.6.1.2. APOBEC3G ... 21 1.6.1.3. SAMHD1 ... 22 1.6.1.4. Tétherine... 23 1.6.1.5. SERINC5 ... 23
1.8. Les réservoirs viraux ... 26
2. Les macrophages ... 27
2.1. Les macrophages tissulaires ... 28
2.2. Les macrophages dérivés de monocytes ... 29
2.3. La polarisation des macrophages ... 30
3. Implications des macrophages lors de l’infection par le VIH-1 ... 33
3.1. Rôles des macrophages dans l’immunopathogenèse ... 33
3.2. Caractéristiques du cycle viral chez le macrophage ... 34
3.3. Interactions entre le VIH-1 et les fonctions du macrophage ... 36
3.4. Implications du macrophage dans la persistance virale ... 37
4. Les voies de signalisation de p53 ... 39
4.1. Le facteur de transcription p53 ... 39
4.1.1. Caractéristiques biochimiques de p53 ... 39
4.1.1.1. Structure de la protéine ... 39
4.1.1.2. Modifications post-traductionnelles de p53 ... 40
4.1.2. Réponse aux dommages à l’ADN ... 42
4.1.3. Fonctions indépendantes de l’activité transcriptionnelle ... 45
4.1.4. Rôles de p53 en immunologie et infectiologie ... 46
4.1.4.1. Implications de p53 dans l’immunité ... 46
4.1.4.2. Stratégies virales pour manipuler p53 ... 46
4.1.4.3. Interactions entre p53 et le VIH-1 ... 48
4.2. L’ubiquitine ligase E3 MDM2 ... 49
4.2.1. Caractéristiques biochimiques et fonctions de MDM2 ... 49
4.2.2. Interactions entre MDM2 et le VIH-1 ... 50
4.3. L’inhibiteur de kinases dépendantes de cyclines p21 ... 51
4.3.1. Fonctions et régulation de p21 ... 51 4.3.2. Fonctions antirétrovirales de p21 ... 52 4.4. Les isoformes de p53 ... 52 4.4.1. p53β et p53γ ... 54 4.4.2. Δ40p53 ... 55 4.4.3. Δ133p53 et Δ160p53 ... 55
4.4.4. Implications des isoformes de p53 dans la réponse cellulaire aux pathogènes ... 56
Chapitre 1: Objectifs ... 57
Chapitre 2: Expression of MDM2 in Macrophages Promotes the Early Postentry Steps of HIV-1 Infection through Inhibition of p53 ... 58
2.1. Résumé ... 58
2.3. Introduction ... 60
2.4. Materials and methods ... 62
2.5. Results ... 67
2.6. Discussion ... 72
2.7. Author Contributions ... 74
2.8. Acknowledgments ... 74
2.9. Figures ... 76
Chapitre 3: The balance between p53 isoforms modulates the efficiency of HIV-1 infection in macrophages ... 90 3.1. Résumé ... 90 3.2. Abstract ... 91 3.3. Introduction ... 92 3.4. Results ... 94 3.5. Discussion ... 99
3.6. Material and methods ... 101
3.7. Author contributions ... 106
3.8. Acknowledgments ... 106
3.9. Figures ... 107
Chapitre 4: Discussion et perspectives ... 115
4.1. Le contrôle de p53 par MDM2 favorise une infection productive chez le macrophage. ... 116
4.2. Les isoformes de p53 modulent l’infection par le VIH-1 de manière distincte. ... 121
4.3. Forces et limites du projet ... 124
4.4. Perspectives ... 127
Conclusion ... 129
Bibliographie ... 130
Liste des tableaux
Liste des figures
Figure 1 : Nombre de personnes vivant avec le VIH en 2017 par pays. ... 2
Figure 2 : Structure du virion ... 4
Figure 3 : Génome viral du VIH-1... 5
Figure 4 : Le cycle de réplication du VIH-1 ... 14
Figure 5 : Les étapes de la transcription inverse ... 16
Figure 6 : Les facteurs de restriction antirétroviraux ... 20
Figure 7 : Immunopathogénèse du VIH-1 ... 25
Figure 8 : Sanctuaires et réservoirs viraux ... 27
Figure 9 : Origine des populations de macrophages tissulaires ... 29
Figure 10 : Domaines de p53 ... 39
Figure 11 : Modifications post-traductionnelles de p53 ... 41
Figure 12 : Les réponses induites par l’activité transcriptionnelle de p53 ... 44
Liste des abréviations
AMPc AMP cyclique
AP-1 Activator protein 1
APOBEC Apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like
ART Antiretroviral therapy
ATM Ataxia telangiectasia mutated
ATR Ataxia telangiectasia and Rad3-related protein BAF Barrier-to-autointegration factor
BAK Bcl-2 homologous antagonist/killer
BAX Bcl-2-associated X protein
BST-2 Bone Marrow Stromal Cell Antigen 2
CA Capside
Cas9 CRISPR associated protein 9
CBP CREB-binding protein
CCL Chemokine (C-C motif) ligand
CD Cluster de différenciation
CDK Cyclin-dependant kinase
CDKN1A Cyclin Dependent Kinase Inhibitor 1A
CCR5 C-C chemokine receptor type 5
CHK Checkpoint kinase
CPP Cell penetrating peptide
CPSF4 Cellular protein cleavage and polyadenylation specificity factor 4
CRISPR Clustered regularly interspaced short palindromic repeats
CTD C-terminal domain
CX3CL1 C-X3-C motif chemokine ligand 1
CXCR4 C-X-C chemokine receptor type 4
DBD DNA-binding domain
DC Dendritic cells
DC-SIGN DC-specific C-type lectin
dNTP Désoxyribonucléoside triphosphate dpi Days post-infection
DSB Double-strand break
DYRK2 Dual-specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 2
E1 Enzyme d’activation de l’ubiquitine
E2 Enzyme de conjugaison de l’ubiquitine
E3 Ubiquitine ligase
EBNA3C Epstein-Barr Virus Nuclear Antigen 3C
EBV Virus d’Epstein-Barr
Efv Éfavirenz
Env Enveloppe
ESCRT Endosomal sorting complexes required for transport
FASN Fatty acid synthase
FcγR Récepteurs Fcγ
FL-p53 Full-length p53
Gag Group-specific antigen
GALT Gut-associated lymphoid tissue
gp41 Glycoprotéine de 41 kilodaltons
gp120 Glycoprotéine de 120 kilodaltons gp160 Glycoprotéine de 160 kilodaltons
GPI Glycosylphosphatidylinositol
HAUSP Herpesvirus-associated ubiquitin-specific protease
HCMV Cytomégalovirus humain
HDAC1 Histone deacetylase-1
HDACi Inhibiteurs d’histones désacétylases
HDF HIV-1 dependancy factors
HIV Human immunodeficiency virus
HMG I(Y) High mobility group-I(Y)
HSA Heat stable antigen
HSV Virus herpes simplex
ICAM-1 Intercellular adhesion molecule 1
IFN Interféron
IgG Immunoglobuline G
IL Interleukine
IN Intégrase
IRES internal ribosome entry site
IRF9 IFN regulatory factor 9
ISGF3 IFN-stimulated gene factor 3 complex
LAV Lymphadenopathy associated virus
LDL Lipoprotéine de basse densité
LEDGF Lens epithelium derived growth factor
LPS Lipopolysaccharide
LTR Long terminal repeat
LyT Lymphocyte T
M-CSF Macrophage colony-stimulating factor
MA Matrice
MDM Macrophage dérivé de monocyte
MDM2 Mouse double minute 2
MFI Mean fluorescent intensity
Nef Negative factor
NES Nuclear export signal
NF-AT Nuclear factor of activated T cells
NF-κB Nuclear factor κB
NHEJ Non-homologous end-joining
NLS Nuclear localization signal
NNRTI Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor
NRTI Nucleoside/nucleotide reverse transcriptase inhibitor
NS1 Non-structural protein 1
O-GlcNAc O-Linked β-N-acetylglucosamine OD Oligomerization domain
p-TEFB Positive transcripton elongation factor
pb Paires de bases
PBMC Peripheral blood mononuclear cells
PCR Réaction de polymérisation en chaîne
PE Phycoérythrine
PIC Complexe de pré-intégration
PKC Protéine kinase C
PKR Protéine kinase R
Pol Polymérase
PR Protéase
PRD Proline-rich domain
PRR Pattern recognition receptor
PUMA p53 upregulated modulator of apoptosis
qRT-PCR Quantitative reverse transcriptase PCR
Rev Regulator of expression of virion proteins
RGV Raltégravir
RING Really interesting new gene
ROS Reactive oxygen species
RRE Rev-responsive element
RT Transcriptase inverse
RTC Complexe de transcription inverse
SAMHD1 Sterile alpha motif and histidine-aspartic acid domain-containing protein 1
SERINC Serine incorporator
SIDA Syndrome d’immunodéficience acquise siRNA Small interfering RNA
Sp1 Specificity protein 1
SRSF1 Serine/arginine-rich splicing factor 1
Tat Transactivator of transcription
TGF-β Transforming growth factor beta
TLR Toll-like receptor
TRAIL Tumor-necrosis-factor related apoptosis inducing ligand
TRIM5α Tripartite motif-containing protein
TNF Tumor necrosis factor
UNG2 Uracil DNA glycolase 2
VCC Virus-containing compartment
Vif Viral infectivity factor
VIH Virus d’immunodéficience humaine
VIS Virus d’immunodéficience simienne
VLP Virus-like particle
VPH Papillomavirus humain
Vpr Viral protein R
Vpu Viral protein U
Vpx Viral protein X
VRK1 Vaccinia-related kinase 1
VRS Virus respiratoire syncitial VSV Virus de la stomatite vésiculaire
“It’s bad enough that people are dying of
AIDS, but no one should die of ignorance.”
-Elizabeth Taylor
Remerciements
Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de thèse, le Dr Michel J. Tremblay. Merci Michel d’avoir accepté que je poursuive mes études de 3e cycle dans ton laboratoire, surtout après mes nombreux « Je ne ferai jamais de doctorat! » pendant mes deux ans de maîtrise. Ton éthique de travail et ta rigueur scientifique, mais aussi ton humanité et ta générosité, sont des valeurs que j’espère conserver tout au long de ma carrière. Bref, merci d’avoir été un patron exemplaire et d’avoir supervisé ces six années de ma vie.
Merci aussi à tous les collègues que j’ai eu la chance de côtoyer pendant mes études. Mes chefs de projet, les Drs Corinne Barat et Michel Ouellet, merci d’avoir supervisé l’entièreté de mes études supérieures. Vous serez toujours des modèles pour moi et j’espère un jour atteindre votre niveau de connaissances, autant générales que scientifiques. Je tiens aussi à remercier Alizé, Jean-François, Marc-André, Caroline, Julie-Christine et les Special Boys ainsi que mes amis non scientifiques (mention spéciale à mon amie Sarah) pour tous ces beaux moments passés à l’intérieur ou à l’extérieur du laboratoire qui ont rendu ce segment de ma vie beaucoup moins stressant.
À toute ma famille, proche et éloignée, sachez que même si vous êtes loin physiquement, j’ai toujours pu compter sur votre support. Papa, Maman, je ne vous remercierai jamais assez pour tous vos sacrifices. Vous avez fait tout votre possible pour me donner accès à l’éducation que je désirais, sans quoi je ne serais probablement pas en train d’écrire ces remerciements.
Enfin, le dernier mais non le moindre, merci à mon conjoint Frédéric-Alexandre, plus communément appelé Fred. Désolé pour toutes ces soirées à bougonner à cause d’une expérience ratée. Désolé pour toutes ces fins de semaine où je t’ai abandonné pour le labo. Désolé pour toutes ces fois où je t’ai dit d’arrêter de me déranger et de me laisser rédiger. Merci d’être toujours à mes côtés malgré ce long parcours et de m’avoir supporté jusqu’au bout. J’ai hâte d’entamer ma vraie vie d’adulte avec toi! Love you!
Avant-propos
Mes études de 3e cycle ont mené à la publication d’un article et la rédaction d’un deuxième, en processus de soumission lors du dépôt de cette thèse de doctorat. Les bibliographies des deux articles ont été intégrées dans la bibliographie de cette thèse.
L’article « Expression of MDM2 in macrophages promotes the early postentry steps of HIV-1 infection through inhibition of p53 » a été publié dans le journal scientifique Journal of
Virology en avril 2019. J’ai rédigé entièrement le manuscrit et je suis responsable de
l’exécution des expériences et de l’analyse de tous les résultats obtenus dans cet article, à l’exception de ceux présents dans la Figure 1F et 1G. Les expériences de la Figure 1F et 1G ont été exécutées par Vincent Desrosiers. Alexandre Deshiere a participé à la conceptualisation de certaines expériences et à l’optimisation d’outils utilisés. Cynthia Torresilla et Éric A. Cohen ont mis au point un plasmide utilisé dans l’expérience. Finalement, Michel Ouellet et Michel J. Tremblay m’ont supervisé dans la conceptualisation, l’analyse des résultats et la rédaction du manuscrit. Le texte inséré dans cette thèse correspond à la soumission finale pour publication et ne comporte pas les modifications de l’éditeur, à l’exception de celles du titre de l’article.
L’article « The balance between p53 isoforms modulates the efficiency of HIV-1 infection in macrophages » a été soumis au Journal of Virology le 1er décembre 2020 et est présentement sous révision par les évaluateurs. Je suis entièrement responsable des expériences, de l’analyse des résultats et de la rédaction de l’article scientifique. Corinne Barat et Michel J. Tremblay ont supervisé ma démarche scientifique et la rédaction du manuscrit. Le texte présenté au Chapitre 3 est une copie de ce qui sera soumis au journal scientifique.
Introduction
1. Le Virus de l’Immunodéficience Humaine de type 1
1.1. Découverte du virus et état actuel de l’épidémie
Entre 1979 et 1981, 11 cas d’immunosuppression dans une même communauté, résultant tous en une pneumonie causée par Pneumocystis carinii, sonnent l’alarme dans le domaine médical. Ces hommes font partie de la communauté homosexuelle ou sont des utilisateurs de drogues intraveineuses, suggérant que ces groupes sont plus à risque de contracter cette maladie encore inconnue [1, 2]. L’agent causal de cette maladie, soit un rétrovirus non identifié, a été isolé en 1983 par l’équipe du Dr Luc Montagnier (Institut Pasteur, France). Ce virus causant le syndrome d’immunodéficience acquise (SIDA) était un rétrovirus faisant partie de la famille des human T-cell leukemia virus (HTLV) et reçut le nom de LAV (lymphadenopathy associated virus) [3]. L’équipe du Dr Robert Gallo (National Cancer Institute, USA) a aussi isolé un virus semblable en 1984 et le nomma le HTLV-III [4]. Ces deux rétrovirus étaient en fait deux variants d’un même virus et le nom officiel human
immunodeficiency virus (HIV) a été adopté en 1986 [5, 6].
Les dernières statistiques de 2018 indiquent qu’environ 37.9 millions de personnes vivent avec le virus d’immunodéficience humaine (VIH) et près de 770 000 personnes sont décédées de maladies liées au SIDA. Depuis le début de la pandémie, 75 millions de personnes auraient été infectées par le VIH et le virus aurait fait environ 32 millions de victimes (se référer à la Figure 1 pour le nombre de cas par pays en 2017). Mondialement, 62% des personnes infectées ont accès à un traitement antirétroviral, mais les régions du Moyen-Orient/Afrique du Nord et Europe de l’Est/Asie Centrale ont le plus faible taux d’accès aux médicaments, soit, respectivement, 32% et 38% des gens vivants avec le VIH, tandis que 79% des gens de la région de l’Europe occidentale et centrale/Amérique du Nord y ont accès [7].
Figure 1 : Nombre de personnes vivant avec le VIH en 2017 par pays.
Carte mondiale publiée par le projet Our World in Data basée sur les données de l’Institute
for Health Metrics and Evaluation (IHME) [8].
1.2. Transmission du virus
Le VIH peut être transmis selon 3 modes, soit 1) par les relations sexuelles non protégées; 2) par le sang et 3) par le transfert de la mère à l’enfant. La transfusion de sang contaminé est la méthode de contamination la plus efficace (risque de transmission de plus de 90%), suivie de la transmission de la mère à son enfant (~23%) et des relations sexuelles anales réceptives (~1%). Concernant les relations sexuelles vaginales, le risque est encore plus faible (<0.1%). [9]. Plusieurs facteurs peuvent influencer le risque de transmission, le plus important étant la charge virale [10, 11]. La présence d’infections transmissibles sexuellement et par le sang (ITSS), comme le virus herpes simplex de type 2 (HSV-2, agent causal de l’herpès génital), peut aussi faciliter l’acquisition du VIH [12]. La circoncision chez
la transmission du virus. Il est suspecté que cette augmentation du risque d’acquisition et de transmission soit causée par les changements biologiques et immunologiques reliés à la grossesse, mais aussi par des changements comportementaux [14, 15].
1.3. Origine du virus et diversité génétique
Le VIH est un rétrovirus appartenant au genre Lentivirus et est originaire d’un lentivirus présent chez les primates non humains : le virus d’immunodéficience simienne (SIV). La famille des SIV comporte plusieurs souches, chacune associée à une espèce de primate. Chez l’homme, il y a deux types de VIH : le VIH de type 1 (VIH-1), responsable de la pandémie actuelle, ainsi que le VIH de type 2 (VIH-2), présent principalement dans l’Afrique de l’Ouest. Il faut noter que le 2 est moins pathogène et moins contagieux que le VIH-1 [VIH-16]. Le VIH-VIH-1 est ensuite divisé en quatre groupes (M, N, O et P), chacun correspondant à une transmission interespèce. Le groupe M (major) est la forme pandémique tandis que le groupe N (non-M-non-O) est responsable de quelques cas au Cameroun seulement [17-19]. La prévalence du groupe O (outlier) est aussi faible, mais un peu plus étendue en Afrique [20]. Finalement, le dernier groupe découvert est le groupe P (pending the
identification of further human cases) [21]. La forte diversité génétique du VIH-1 fait que le
groupe M peut ensuite être divisé en sous-types (A-D, F-H, J et K), en sous-sous-types (A1-A4, F1 et F2) et même en «formes recombinantes circulantes» et «formes recombinantes uniques» [22].
Les groupes M et N du VIH-1 serait le résultat d’une zoonose impliquant le chimpanzé central (Pan troglodytes troglodytes). La chasse de primates non humains, menant à l’exposition au sang et aux fluides corporels contaminés de l’animal, serait la cause du passage du virus chez l’humain [23]. Des analyses de séquences ont montré que le SIVcpz est à l’origine de la pandémie actuelle [17, 24]. Pour les virus du groupe O et P, ceux-ci sont apparentés au SIVgor présent chez le gorille [21, 25]. Le VIH-2, quant à lui, est originaire du SIVsm, présent naturellement chez le singe mangabey (Cercocebus atys) [26].
1.4. Structure du virion
Le VIH-1 est un virus enveloppé de forme sphérique dont le diamètre est d’environ 100 nm (Figure 2). L’enveloppe provient de la bicouche lipidique de la cellule hôte, obtenue lors du bourgeonnement du virus. Sous l’enveloppe se trouve une couche de protéines de matrice (MA) formée d’environ 2 000 unités attachées à l’enveloppe virale. À l’intérieur de cette
coque de MA se trouve la capside virale de forme conique, formée par près de 1 500 copies de la protéine de capside (CA). Finalement, dans cette capside se trouvent les deux brins d’ARN viral stabilisés par les protéines de nucléocapside (NC). La capside contient aussi toutes les protéines virales nécessaires lors des premières étapes de la réplication virale, soit la transcriptase inverse (RT), l’intégrase (IN), la protéase (PR), Nef, Vif et Vpr. Finalement, au niveau de l’enveloppe virale se trouve la protéine transmembranaire gp41 à laquelle est attachée la glycoprotéine virale gp120, formant des trimères de gp120/gp41. L’enveloppe virale contient aussi plusieurs molécules de l’hôte qui étaient présentes dans la bicouche lipidique, telles que l’intégrine α4β7, l’intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) et le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe 1 [27-29].
Figure 2 : Structure du virion
Coupe transversale d’une particule virale mature [30].
1.4.1. Le génome viral
La particule virale possède deux brins d’ARN identiques de polarité positive. Son génome est petit (9.2 kb), mais structuré de manière à exprimer 9 gènes codant pour 15 protéines virales (Figure 3). L’ADN viral est aussi flanqué de deux long terminal repeat (LTR)
transcription du génome produit trois types de transcrits, soit un ARNm d’environ 9 kb non épissé (codant pour Gag et Gag-Pol), des ARNm issus d’épissage unique d’environ 4 kb (codant pour Vif, Vpr, Vpu et Env) et des ARNm de 2 kb obtenus à la suite d’épissages multiples (codant pour Tat, Rev et Nef) [34].
Figure 3 : Génome viral du VIH-1
Organisation des neuf gènes viraux composant le génome du VIH-1 [35].
1.4.2. Les protéines de structure
Le gène gag (group-specific antigen) exprime la protéine Pr55gag, une polyprotéine de 55 kDa qui sera clivée par la protéase virale lors de la maturation du virus. Près de 5000 molécules de Pr55gag formeront la nouvelle particule virale [36]. Le clivage de la polyprotéine mène aux protéines de structure, soit de matrice, de capside, de nucléocapside et à la protéine p6.
MA (p17)
Le domaine correspondant à MA dans Pr55gag est situé à l’extrémité N-terminale de la polyprotéine. La portion MA contient une région basique permettant au Pr55gag d’être localisé à la membrane cellulaire grâce à des interactions électrostatiques avec les phospholipides de la bicouche lipidique [37-39]. De plus, MA est modifiée post-traductionnellement pour recevoir un acide myristique, nécessaire pour la production de virions. Cette modification permet d’augmenter l’affinité de MA envers la membrane cellulaire, où les domaines MA des Pr55gag formeront des trimères [40-42]. Enfin, MA permet d’incorporer activement les trimères de protéines d’enveloppe gp120/gp41 dans le virion en interagissant avec la queue cytoplasmique de la protéine transmembranaire gp41 [43, 44]. Une fois clivée lors de la maturation, elle forme la matrice du virion.
Outre la structure, MA est aussi impliquée dans les étapes précoces de l’infection. Une fois clivée par la protéase virale lors de la maturation du virus, MA perd son affinité pour la membrane cellulaire et est libérée dans le cytoplasme [45]. MA participe ensuite à l’import de l’ADN viral dans le noyau cellulaire, mais n’est pas essentielle [46]. Elle fait partie du complexe de pré-intégration, possède une séquence de localisation nucléaire et interagit avec un membre des karyophérine-α [47-49].
CA (p24)
Le second domaine de la polyprotéine Pr55gag correspond à la capside du virus. La CA est composée de deux domaines distincts, soit le domaine N-terminal et le domaine C-terminal [50, 51]. La portion C-terminale permet la dimérisation des Pr55gag lors de l’assemblage de nouveaux virions tandis que le domaine N-terminal est plutôt impliqué dans la formation de la capside virale chez le virion mature [51, 52]. Une fois clivées, les protéines de capside s’assembleront en pentamères et tétramères afin de construire la capside virale de forme conique, la portion N-terminale orientée vers l’extérieur de la capside [53].
La partie N-terminale contient aussi une boucle permettant la liaison de la Cyclophilin A (CypA), une peptidylprolyl isomérase, menant à son incorporation dans le virion et la stabilisation de la capside [54-56]. Cette interaction entre la CA et la CypA favorise les premières étapes du cycle viral [57, 58]. Cette boucle permet aussi à CA de se lier aux nucléoporines 153 et 358 (NUP158/358), des composantes des pores nucléaires, lors des étapes précoces de l’infection [59, 60].
NC (p7)
Le troisième domaine de Pr55gag correspond à la nucléocapside du virus. NC possède des doigts de zinc reconnaissant le signal d’encapsidation (ψ) compris dans l’ARN viral génomique et forme un contact direct avec les acides nucléiques [61-63]. Cette liaison assurera l’incorporation du matériel génétique dans les particules virales en production. La NC participe aussi à la multimérisation des Pr55gag (via des ponts ARN entre les domaines NC des polyprotéines présentes à la surface cellulaire) et dans l’incorporation de l’ARN de transfert (ARNtLys
3) dans le virion, nécessaire à la transcription inverse [64, 65]. Comme les autres protéines de structure, la nucléocapside participe aussi aux étapes précoces du cycle
p6
La dernière protéine codée par le Pr55gag est la p6. Situé en C-terminal, le domaine de p6 est impliqué dans le bourgeonnement du virion via le recrutement de TSG101 (Tumor
susceptibility gene 101), une composante du complexe ESCRT-I (endosomal sorting complexes required for transport) [69]. Des mutations dans le domaine p6 empêchent un
détachement efficace des particules virales de la membrane cellulaire [70, 71]. p6 est aussi responsable de l’incorporation dans le virion de la protéine virale accessoire Vpr [72].
1.4.3. Les enzymes de réplication
Lors de l’expression de Pr55gag via la traduction de l’ARNm viral génomique non épissé, le ribosome peut effectuer un changement de cadre dans la partie 3’ de gag [73]. Ceci mène à la protéine de fusion Pr160gag-pol, plus couramment appelée Gag-Pol. Le domaine correspondant au gène pol contient les enzymes de réplication virale, soit la protéase virale (PR), la transcriptase inverse (RT, reverse transcriptase) et l’intégrase (IN).
PR
La protéase virale est une protéase aspartique active sous forme d’homodimère [74]. Lors de la maturation du virion, la protéase s’excise par elle-même de la polyprotéine Gag-Pol et clivera aussi les polyprotéines Pr55Gag et Gag-Pol [75-77]. Suite aux nombreux clivages séquentiels, la protéase permettra au virion d’obtenir sa structure finale et pleinement infectieuse [78].
RT
La transcriptase inverse du VIH-1, comme celles des autres rétrovirus, possède trois activités enzymatiques, soit 1) une polymérase à ADN dépendante de l’ARN; 2) une ribonucléase H (RNase H) et 3) une polymérase à ADN dépendante de l’ADN [79]. Cette enzyme est responsable de la conversion de l’ARN simple brin viral génomique en ADN bicaténaire. La RT est un hétérodimère composé des unités p66 et p51 [80]. La sous-unité p66 contient le site pour les activités polymérases et le site de la RNase H. En ce qui concerne la sous-unité p51, celle-ci est en fait la p66 ayant subi un clivage par la protéase virale dans son domaine RNase H, ce qui inactive aussi le site de la polymérase suite au repliement alternatif de la protéine [81, 82].
Bien qu’essentielle au cycle viral, la RT du VIH-1 est connue pour son taux d’erreur élevé causé par l’absence de vérification de lecture (proofreading) [83]. La RT introduit une mutation lors de chaque cycle réplicatif, ce qui contribue à la forte diversité de souches virales et à l’évasion du système immunitaire chez une personne vivant avec le VIH [84, 85].
IN
L’intégrase forme un homotétramère et s’associe en paire à chaque extrémité de l’ADN viral [86]. Elle effectue ensuite par elle-même les deux réactions nécessaires à l’intégration du génome viral dans celui de la cellule hôte. Elle catalyse le clivage de deux nucléotides de l’extrémité 3’ de chaque brin de l’ADN viral afin de créer des extrémités cohésives constituées du dinucléotide CA [87, 88]. L’intégrase possède aussi une activité transférase de polynucléotides permettant la réaction de transfert de brin avec l’ADN cellulaire menant à l’intégration du génome viral [89, 90].
Lors de la réplication virale, l’intégrase sera une composante du complexe de pré-intégration (PIC, pre-integration complex), formé suivant l’étape de transcription inverse [91]. Comme plusieurs autres protéines virales, l’intégrase participe aussi à l’import du PIC dans le noyau. Cette dernière peut interagir avec des membres de la famille des importines et karyophérine-α par son site de localisation nucléaire (NLS, nuclear localization signal) [92]. L’intégrase s’associe aussi à divers facteurs nucléaires de l’hôte. Par exemple, l’intégrase co-immunoprécipite avec BAF (barrier-to-autointegration factor) chez les cellules infectées [93]. Elle forme aussi un complexe avec le lens epithelium derived growth factor (LEDGF/p75). Ce facteur fait le pont entre l’intégrase/ADN viral et la chromatine, ce qui facilite le transfert de brin lors de l’intégration [94, 95].
1.4.4. Les protéines d’enveloppe
Tout comme gag et pol, le gène env produit une protéine précurseur, la glycopolyprotéine gp160 (aussi appelée Env). La gp160 est exprimée dans le réticulum endoplasmique rugueux, où elle sera glycosylée et s’oligomérisera [96, 97]. La glycosylation de cette protéine permettra l’évasion du système immunitaire et favorisera l’attachement au récepteur CD4 [98, 99]. La gp160 est ensuite transportée dans l’appareil de Golgi pour être clivée par la furine, une protéase cellulaire [100, 101]. Ce clivage génère les glycoprotéines
(SU), qui formeront un hétérodimère, puis s’assembleront en trimères de gp120/gp41 à la surface cellulaire [102, 103].
gp41 (TM)
La glycoprotéine gp41 est la partie transmembranaire du complexe gp120/gp41. Comme son nom l’indique, cette protéine est fortement glycosylée lorsqu’elle est sous la forme de gp160 [104]. Elle contient trois domaines majeurs, soit le domaine extracellulaire, le domaine transmembranaire et une queue cytoplasmique intracellulaire en C-terminal. Le domaine N-terminal, correspondant à la portion extracellulaire, contient le peptide de fusion. Cette région hydrophobique permettra la fusion entre l’enveloppe virale et la membrane cellulaire [105]. Quant au domaine transmembranaire, il est aussi composé de résidus hydrophobes. Ces résidus sont fortement conservés dans le gène env et suggèrent un rôle important lors de l’infection [106]. Enfin, la gp41 possède une longue queue cytoplasmique [107]. Des mutations dans cette région de la protéine peuvent affecter diverses étapes du cycle viral, telles que le processus de fusion ou l’incorporation des protéines d’enveloppe dans les nouveaux virions [108-110]. Le domaine de matrice du Pr55gag interagit avec cette queue cytoplasmique, ce qui favorise l’incorporation des protéines d’enveloppe aux sites d’assemblage [44].
gp120 (SU)
La gp120 est associée à la gp41 grâce à des interactions non covalentes [111]. Elle est fortement glycosylée à la suite de réactions de N-glycosylations et O-glycosylations [112, 113]. La structure tridimensionnelle de la gp120 forme une cavité permettant la liaison au récepteur CD4 à la surface de la cellule, déclenchant le processus d’infection [114, 115]. La gp120 est composée de 5 domaines conservés (C1 à C5) et de 5 boucles variables (V1 à V5) [116, 117]. La boucle V3 détermine le corécepteur nécessaire pour déclencher la fusion, soit le C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4) ou le C-C chemokine receptor type 5 (CCR5), et participe à la fusion [118-121].
1.4.5. Les protéines régulatrices essentielles
TatLa protéine Tat (transactivator of transcription) est l’une des deux protéines régulatrices classées comme essentielles à l’infection. Malgré la diversité génétique du VIH-1, les
fonctions de Tat sont conservées parmi les lentivirus [122]. Sa fonction principale est d’augmenter l’efficacité de la transcription des gènes viraux. Tat se situe dans le noyau grâce à un NLS et reconnaît une structure présente en amont des transcrits viraux, le
transactivation response element (TAR) [123, 124]. Sa liaison au TAR permettra le
recrutement du complexe p-TEFb (positive transcripton elongation factor b), composé de CDK9 (cyclin-dependant kinase 9) et de la cycline T1, ce qui aura comme effet de favoriser l’élongation des transcrits viraux par l’ARN polymérase II [125, 126].
Lors de l’infection, Tat est en partie sécrétée par les cellules infectées et se retrouve dans le sérum des patients ainsi que dans le liquide céphalo-rachidien [127-129]. En plus du NLS, elle possède un signal peptidique de pénétration cellulaire (cell penetrating peptide, CPP), ce qui lui permet de pénétrer dans les cellules dîtes spectatrices (en présence du VIH-1, mais non infectées) [124]. Ceci participe à la pathogenèse du VIH-1 entre autres par la migration et l’activation de cellules immunitaires, la croissance des sarcomes de Kaposi et l’induction de troubles neurocognitifs [130-132]. Tat peut aussi moduler plusieurs processus cellulaires, autant chez les cellules infectées que spectatrices. Par exemple, elle peut induire des cytokines pro-inflammatoires comme le TNF (tumor necrosis factor) et les interleukines IL-6 et IL-8 [133-135]. Tat peut aussi interférer avec le cycle cellulaire en inhibant la transcription du gène TP53, codant pour le suppresseur de tumeur p53, en plus d’interagir directement avec p53 in vitro [136-139].
Enfin, Tat peut induire l’apoptose par l’induction de plusieurs voies de signalisation. Elle peut se lier aux microtubules et les stabiliser, causant l’apoptose de manière semblable au taxol, un agent antitumoral [140, 141]. Elle peut aussi causer l’activation du facteur de transcription FOXO3a (Forkhead box O3), un médiateur important dans la cascade de signalisation menant à l’apoptose [142]. De plus, Tat augmente la présence de Fas Ligand (FasL/CD95) à la surface de la cellule. La liaison du FasL au Fas receptor (FasR) d’une cellule avoisinante induira l’apoptose de cette dernière, accélérant l’immunosuppression [128, 143].
Rev
[144-146]. Enfin, Rev possède un signal d’export nucléaire dans son domaine carboxy-terminal (nuclear export signal, NES) [147].
Lors de la transcription des gènes viraux, les transcrits non épissés de 9 kb ou épissés partiellement (d’une taille de 4 kb) sont séquestrés dans le noyau cellulaire [148]. Cependant, ces derniers possèdent une structure secondaire nommée le Rev-responsive
element (RRE), un élément cis-régulateur [149]. Lorsque Rev se retrouve dans le noyau,
elle se lie au RRE par son domaine riche en arginine, ce qui permet l’export nucléaire de ces transcrits viraux [144, 147, 150, 151]. Rev est ensuite dissociée de l’ARNm viral, puis effectuera d’autres cycles d’exports de transcrits viraux.
1.4.6. Les protéines régulatrices accessoires
VifL’une des protéines accessoires exprimée par le VIH-1 est Vif (viral infectivity factor) [152]. Lors de l’assemblage du virus, Vif est incorporée grâce à des interactions avec l’ARN viral génomique [153, 154]. Vif a été identifiée comme un facteur important pour l’infection, sa présence augmentant jusqu’à 1000 fois l’infectivité des virions [155]. Toutefois, des particules virales déficientes en Vif peuvent quand même mener à une infection productive [156, 157]. L’augmentation du pouvoir infectieux effectuée par Vif est causée par l’inhibition du facteur de restriction APOBEC3G (apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic
polypeptide-like 3G) ainsi que d’autres membres de la famille des APOBEC (les
mécanismes d’action des facteurs de restrictions seront expliqués en détail à la section 1.6.1) [158, 159]. Vif entraîne la dégradation d’APOBEC3G par le protéasome en recrutant un complexe ubiquitine ligase E3 formé de la cullin-5 (Cul5) ainsi que l’elongin B et C (ELOB/ELOC) [160].
Vpr
Une autre protéine accessoire du VIH-1 est Vpr (viral protein R). Lors de l’assemblage des nouveaux virions, environ 700 molécules de Vpr sont incorporées dans la particule virale en interagissant avec la partie C-terminale de p6 [36, 161]. Dans la cellule, Vpr forme des oligomères par l’intermédiaire de son domaine N-terminal, processus nécessaire à son incorporation dans le virion et pour l’exécution de certaines fonctions [162, 163]. Elle participe à l’import nucléaire du PIC dans les cellules ne se divisant pas, telles que les
macrophages, grâce à l’interaction de son domaine N-terminal avec l’importine α [164-166]. Cependant, Vpr n’est pas essentielle à l’infection des macrophages, mais facilite une infection productive [167, 168].
Vpr est connue pour interagir avec la chromatine. Elle y causera des cassures double brin et des modifications structurales, ce qui activera les voies de réparation de l’ADN dépendants de l’ataxia telangiectasia mutated (ATM) et l’ataxia telangiectasia and Rad3-related protein (ATR) [169-172]. Ceci induit le facteur de transcription NF-κB et la protéine p21Waf1/Cip1 (ici appelée p21), causant un arrêt du cycle cellulaire en G2/M, état qui est favorable à la réplication virale [173-178]. En plus de causer des dommages à l’ADN, Vpr inhibe leur réparation par la recombinaison homologue ou la jonction d'extrémités non homologues (NHEJ, Non-homologous end-joining) [179]. Vpr peut aussi interagir avec le complexe ubiquitine ligase E3 CUL4A-DDB1 DCAF (DCAFCRL4) [180]. Cette interaction permet à Vpr de causer la dégradation protéasomale de plusieurs protéines cellulaires telles que l’uracil DNA glycolase 2 (UNG2), aussi impliquée dans la réparation de l’ADN, et d’activer le structure-specific endonuclease (SSE) regulator SLX4 complex (SLX4com), inhibant la production d’interféron (IFN) de type 1 par la cellule [181, 182]. Enfin, Vpr augmente la concentration des protéines d’enveloppe chez les macrophages et cellules dendritiques en empêchant leur dégradation par le réticulum endoplasmique [183].
Vpu
La viral protein U (Vpu) est aussi une protéine accessoire exprimée par le VIH-1 [184]. Vpu est une protéine transmembranaire ayant deux domaines distincts, soit le domaine transmembranaire correspondant à la région N-terminale et le domaine cytoplasmique en position C-terminal, chacun ayant ses propres fonctions dans le cycle viral [185]. Les fonctions les mieux connues de Vpu sont de contrôler l’expression de certaines protéines cellulaires de surface par l’action de ses deux domaines fonctionnels [186]. Par exemple, le domaine cytoplasmique de Vpu interagit avec le récepteur CD4 dans le réticulum endoplasmique et cause sa dégradation [187, 188]. Ensuite, le domaine transmembranaire de Vpu vient contrecarrer l’effet antiviral du facteur de restriction bone marrow stromal cell
antigen 2 (BST-2), aussi connu comme la tetherin [189, 190]. Vpu interagit avec la tétherine
récente a montré que Vpu, exprimée lors des étapes tardives de la réplication, utilise les mécanismes de réparation de l’ADN cellulaire afin de dégrader l’ADN viral non-intégré provenant de nouvelles infections. Ceci prévient l’intégration d’un trop grand nombre de provirus ou encore l’accumulation d’ADN viral non-intégré, ce qui déclencherait une réponse immunitaire [195].
Nef
Enfin, Nef (negative factor) est la dernière protéine accessoire du VIH-1. Même si Nef est considérée comme étant accessoire dans le cycle viral, celle-ci joue un rôle important dans la pathogenèse du VIH-1 [196]. Nef, comme la MA, est modifiée post-traductionnellement pour recevoir un acide myristique en N-terminal, dirigeant la protéine vers la membrane cellulaire [197]. Nef est aussi une protéine accessoire incorporée dans le virion grâce à des interactions avec la capside [198]. Nef est impliquée dans le trafic de plusieurs protéines de surface [186]. Ses cibles les plus étudiées sont le CD4 et les molécules du CMH de classe 1, ce qui empêche respectivement la surinfection de la cellule et sa reconnaissance par le système immunitaire [199-201]. Nef interagit avec les protéines de surface et y stabilise des membres de la famille des adapter protein (AP) et la clathrine, causant l’internalisation des protéines par des vésicules de clathrine et leur dégradation [201-204]. Le même système est utilisé par Nef pour retirer de la surface cellulaire les facteurs de restriction serine
incorporator (SERINC3/SERINC5), ce qui améliore l’infectivité des virions produits
[205-207]. Enfin, la cellule infectée peut sécréter Nef par la production d’exosomes et induire l’apoptose chez les cellules non-infectées par le virus [208].
1.5. Le cycle de réplication viral
1.5.1. Les étapes précoces
1.5.1.1. Attachement et entrée dans la cellule hôte
Le cycle de réplication du VIH-1 débute par son attachement au récepteur cellulaire CD4 (Figure 4). La gp120 présente à la surface du virus interagit avec le segment V1 du domaine N-terminal du CD4 [209, 210]. L’attachement du virus à son récepteur peut être facilité, entre autres, par la présence d’ICAM-1 dans l’enveloppe virale, ou encore par des interactions entre la gp120 et l’intégrine α4β7 présente à la surface cellulaire [211, 212]. La liaison de la gp120 au CD4 entraîne un changement de conformation du complexe, ce qui permet au
virus de se rapprocher de la membrane cellulaire [213]. La gp120 doit ensuite se lier à un corécepteur, soit le CCR5 dans le cas d’un virus à tropisme R5, le CXCR4 pour un virus dit X4 ou encore la possibilité de lier les deux corécepteurs pour un tropisme R5X4 [214-216]. La liaison au corécepteur permet la libération d’un peptide de fusion hydrophobe présent dans la gp41 [217]. L’insertion de ce peptide dans la membrane cellulaire enclenche la fusion de l’enveloppe virale et la libération de la capside dans le cytoplasme.
L’endocytose ou la macropinocytose du virus est une voie d’entrée alternative dans la cellule [218, 219]. Cependant, bien que plusieurs aient montré que cette méthode cause la dégradation du virus suivant l’acidification de l’endosome, il semblerait que certaines particules virales sont en mesure de compléter le processus de fusion dans l’endosome [220-224]. L’entrée du virus dans une cellule peut aussi être facilitée par la formation d’une synapse avec une cellule productivement infectée (synapse virologique) ou avec une cellule transportant le VIH-1 sans être infectée (synapse infectieuse) [225, 226].
Figure 4 : Le cycle de réplication du VIH-1
Schématisation du cycle viral et des étapes visées par les classes d’antirétroviraux et les facteurs de restriction [227].
1.5.1.2. Décapsidation et transcription inverse
Le processus de décapsidation du VIH-1 est encore à ce jour un sujet de débat, mais l’ensemble des études montre que la décapsidation du virus et la stabilité de la capside sont des facteurs importants pour une infection productive. Trois modèles sont actuellement proposés pour expliquer la décapsidation. Le premier modèle stipule que la capside se désagrège immédiatement après sa libération dans le cytoplasme [228, 229]. Un second modèle propose que la capside reste intacte un certain temps dans le cytoplasme avant de subir des changements conformationnels. Elle participerait ensuite au transport du complexe de transcription inverse (RTC, reverse transcription complex) ainsi qu’à sa maturation [230]. Finalement, le troisième modèle suggère que la capside virale reste intacte jusqu’à ce qu’elle atteigne le noyau cellulaire. Ceci permettrait de concentrer les protéines virales près de l’ARN viral afin d’y avoir une transcription inverse efficace et ensuite libérer le PIC près des pores nucléaires [231, 232]. Cependant, une étude récente montre que la décapsidation est complétée une fois à l’intérieur du noyau, tout comme l’étape de transcription inverse [233]. La CypA incorporée dans la capside serait aussi impliquée dans le processus de décapsidation [234].
Le RTC est formé pour effectuer la transcription inverse de l’ARN viral en ADN double brin. En plus de la RT, le RTC contient la MA, la CA, la NC, l’intégrase et Vpr [228, 235]. La transcription inverse s’exécute en plusieurs étapes menant à l’ADN viral, toutes catalysées par la RT (Figure 5). En résumé, l’ARNtLys
3 cellulaire, incorporé dans le virion, se lie au
primer binding site près de l’extrémité 5’, servant d’amorce et permettant la synthèse d’ADN
complémentaire à l’ARN viral grâce à son activité ADN polymérase ARN-dépendante. Ce duplex d’ARN-ADN permet l’action RNase H de la RT pour dégrader la portion ARN. En combinaison avec l’activité ADN polymérase ADN-dépendante, la RT du VIH-1 complète à elle seule la transformation du génome viral en alternant ses trois activités enzymatiques [236]. La transcription inverse est entamée rapidement suivant l’infection de la cellule et peut même se dérouler en partie dans le virion [237-239].
Figure 5 : Les étapes de la transcription inverse
Schématisation des étapes permettant la transcription de l’ARN viral génomique (en noir) en ADN double brin (bleu pour le brin positif et rouge pour le brin négatif) [240].
1.5.1.3. Import nucléaire et intégration
Suivant la transcription inverse, la composition du RTC change afin de former le PIC. L’ADN viral forme un complexe avec un tétramère d’intégrases (l’intasome), la RT, la MA, la CA, Vpr et des facteurs cellulaires comme BAF, LEDGF/p75 et le high mobility group-I(Y) (HMG I(Y)) [91, 93, 164, 241-244]. Le RTC/PIC migre vers le noyau cellulaire en utilisant les filaments d’actine et les microtubules [245]. Lorsque le PIC atteint le noyau cellulaire,
permettant le transport actif du PIC [60, 246]. Bien que la MA, l’intégrase et Vpr possèdent des propriétés caryophiles, leur rôle dans l’import nucléaire ne serait que secondaire [247].
Une fois le PIC présent dans le noyau, LEDGF est un cofacteur viral important permettant l’attachement de l’intégrase aux chromosomes [95, 248]. L’intégration se déroule majoritairement dans les régions transcriptionnellement actives et LEDGF interagit avec les facteurs d’épissages pour guider l’ADN viral vers des gènes fortement épissés [249-251]. L’intégrase y clive l’ADN cellulaire et effectue un transfert de brin, intégrant le VIH-1 sous forme de provirus [88, 89]. Ceci cause un bris simple brin de chaque côté du génome viral qui sera réparé par la voie NHEJ [252]. Les rôles précis de BAF et HMG I(Y) dans l’intégration du VIH-1 restent toujours à élucider, mais il est suspecté que BAF empêcherait l’auto-intégration du l’ADN viral et que le HMG I(Y) rapprocherait les deux extrémités de l’ADN viral lors de l’intégration [253]. La présence de bris double brin de l’ADN de la cellule hôte peut aussi permettre l’intégration du génome viral indépendamment de l’intégrase par la voie NHEJ [254, 255].
1.5.2. Les étapes tardives
1.5.2.1. Expression des gènes viraux
La région U3 du LTR sert de promoteur permettant la transcription des gènes viraux. Bien qu’il y ait une séquence LTR à chaque extrémité du génome viral possédant chacune une activité transcriptionnelle, c’est le LTR présent en 5’ qui est l’initiateur de l’expression des gènes viraux [31]. De nombreux facteurs de transcription peuvent se lier au promoteur afin d’induire ou d’inhiber la transcription du provirus tels que NF-κB, NF-AT, Sp1 (specificity
protein 1) et le TATA-binding protein (TBP) [256]. La transcription des gènes est effectuée
par l’ARN polymérase II. Seule, l’ARN polymérase II produit difficilement des ARNm de pleine longueur. Tat est nécessaire pour l’élongation efficace de l’ARNm viral grâce au recrutement de p-TEFb [257, 258]. De plus, en absence de Rev, les ARNm de 4 et 9 kb ne peuvent être exportés du noyau. Seulement les ARNm de 2 kb, ayant subi des épissages multiples, seront exportés et traduits pour produire les protéines Tat, Nef et Rev [259]. Tat migre vers le noyau grâce à son NLS et sa présence augmente considérablement la transcription des gènes grâce à sa liaison au TAR présent dans la région 5’ des ARNm, ce qui permet une élongation efficace par l’ARN polymérase II [126]. L’augmentation du niveau de Rev dans le noyau permettra aussi l’export des ARNm de 4 kb et 9 kb du noyau vers le
cytoplasme grâce à sa liaison au RRE, permettant l’expression de l’ensemble des gènes viraux [260]. Lors de la traduction de l’ARNm pleine longueur exprimant Gag, le ribosome peut glisser lorsqu’il arrive à une séquence appelée ʺslippery siteʺ située dans le chevauchement des gènes Gag et Pol. Ce phénomène se produit dans 5 à 10% des cas et cause un décalage du cadre de lecture, permettant l’expression de la protéine de fusion Gag-Pol au niveau requis pour l’assemblage de la particule virale [73, 261].
1.5.2.2. Assemblage et bourgeonnement
Les précurseurs Pr55gag et Gag-Pol se retrouvent à la surface de la cellule grâce à leur domaine MA [37, 41]. Les trimères de gp120/gp41, exprimés sous forme de gp160 dans le réticulum endoplasmique et clivés par la furine, sont transportés à la surface cellulaire par l’appareil de Golgi et s’attachent au Pr55gag via gp41 [44, 100, 101]. Le domaine correspondant à NC chez Gag recrute deux brins d’ARN viraux génomiques et l’ARN de transfert (ARNtLys
3) tandis que le domaine p6 incorpore Vpr [64, 65, 161]. Vif se retrouve aussi dans la particule virale en interagissant avec l’ARN viral [153, 154]. Finalement, la protéine Nef est la dernière protéine virale à être incorporée dans le virion. Il n’est pas tout à fait clair si Nef est incorporé grâce à son attachement à la membrane ou par une interaction directe avec Pr55gag [262].
Lorsque toutes ces protéines virales sont situées à la membrane cellulaire, le processus de bourgeonnement est entamé. Le domaine p6 est requis pour participer à la sortie du virus en recrutant la machinerie ESCRT, libérant une particule virale immature et non infectieuse [70, 263, 264]. La protéase virale effectue ensuite un clivage séquentiel de Gag et Gag-Pol suivi d’un réarrangement de la structure du virus, résultant en un virion mature et pleinement infectieux [78, 265].
1.6. Les facteurs de l’hôte régulant le cycle viral
Le VIH-1 doit effectuer son cycle viral dans un environnement contenant une multitude de protéines de l’hôte, variant d’un type cellulaire à un autre. Ces facteurs de l’hôte peuvent influencer l’efficacité du cycle viral via divers mécanismes. Ceux qui interfèrent avec la réplication virale sont nommés des facteurs de restriction tandis que ceux ayant un impact positif sont des facteurs de dépendance du VIH-1 (HIV-1 dependancy factors, HDF).
1.6.1. Facteurs de restriction
Pour être classées comme des facteurs de restriction, il a été suggéré que les protéines cellulaires doivent répondre à quatre critères [266]. Le premier critère est qu’un facteur de restriction doit interférer directement avec une étape du cycle viral. La seconde condition est que le virus doit avoir développé un mécanisme pour contrecarrer cette restriction. Le troisième critère est qu’il doit y avoir des signes d’une sélection positive de mutations améliorant son effet antiviral au fil de l’évolution. Finalement, un facteur de restriction doit être induit par une réponse du système immunitaire inné, c’est-à-dire une réponse à l’IFN. Cette section décriera en détails cinq facteurs de restriction importants et dont le rôle est bien défini, même si certains ne répondent pas à tous les critères proposés (Figure 6).
Figure 6 : Les facteurs de restriction antirétroviraux
Schéma indiquant les étapes du cycle de réplication virale ciblées par les facteurs de restriction (en rouge) et les protéines virales antagonistes (en bleu) [267].
1.6.1.1. TRIM5α
La tripartite motif-containing protein (TRIM5α) exprimée chez le macaque rhésus (rhTRIM5α) inhibe l’étape de décapsidation du VIH-1 et du VIS [268, 269]. rhTRIM5α reconnaît les complexes de CA formant la capside et les déstabilise [270, 271]. Cependant, le mécanisme exact causant la restriction reste à élucider. Un modèle proposé est que
récepteur de reconnaissance de motifs moléculaires (PRR, pattern recognition receptor) [272, 273]. Une deuxième théorie suggère que rhTRIM5α utilise le protéasome pour bloquer le cycle cellulaire dès l’entrée du virus [274]. Le troisième mécanisme suggéré est que rhTRIM5α cause l’autophagie et la dégradation de la capside virale [275, 276]. En considérant que l’utilisation d’inhibiteurs de protéasome et d’autophagie ne rétablit pas entièrement l’infectivité des virions, c’est le premier modèle qui est généralement accepté [277, 278].
En ce qui concerne le TRIM5α humain (hTRIM5α), son potentiel antiviral est controversé. Plusieurs études montrent que hTRIM5α n’a qu’un effet modéré sur le VIH-1, comparativement au rhTRIM5α [279, 280]. En revanche, il a été montré récemment que hTRIM5α peut causer une restriction suivant une stimulation des cellules à l’IFN [281, 282]. Le mécanisme d’action de hTRIM5α n’est pas contrecarré par une protéine virale, mais plutôt par la CypA liée à la capside, protégeant le VIH-1 de la restriction induite par le hTRIM5α [283, 284]. De plus, la capside virale isolée chez des contrôleurs élites, c’est-à-dire des personnes vivant avec le VIH-1 mais capable de maintenir une charge virale indétectable même en absence de thérapie antirétrovirale, sont sensibles à l’activité de TRIM5α, mettant en lumière un rôle de cette protéine dans la résistance naturelle envers le virus chez ces personnes [285].
1.6.1.2. APOBEC3G
La apolipoprotein B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide-like 3G (APOBEC3G) est une cytidine (C) désaminase ayant comme substrat l’ADN simple brin [286]. Cette protéine est induite par l’IFN de type I et est incorporée dans la particule virale lors de l’assemblage grâce à des interactions avec le domaine NC du Pr55gag [287-290]. Lors du prochain cycle d’infection de cette particule virale, APOBEC3G s’attaquera au brin d’ADN complémentaire synthétisé lors de la transcription inverse [291]. Son activité cytidine désaminase substitue les cytidines en uraciles (U), ce qui causera des hypermutations de guanine (G) en adénine (A) pouvant être fatales pour le virus [292]. L’incorporation d’uraciles lors de la synthèse de l’ADN viral peut aussi causer sa dégradation par l’UNG2, mais l’action de UNG2 n’est pas nécessaire pour la restriction causée par APOBEC3G [293, 294].
Plusieurs membres de la famille des APOBEC ont aussi été étudiés pour leur potentiel antiviral. APOBEC3A, B, C, DE, F et H inhibent tous l’infection par le VIH-1, mais de manière moins importante qu’APOBEC3G [159, 295-298]. L’action des APOBEC3 est contrecarrée
par la formation d’un complexe avec la protéine virale Vif. Ceci empêche son encapsidation et cause sa dégradation par le protéasome [160, 299]. Cependant, certains membres des APOBEC, plus précisément APOBEC3B et APOBEC3H, causent une restriction virale même en présence de Vif [159, 298].
1.6.1.3. SAMHD1
SAMHD1 (sterile alpha motif and histidine-aspartic acid domain-containing protein 1) est un facteur de restriction très efficace chez les cellules myéloïdes. L’expression de l’ARNm de SAMHD1 peut être induite par l’IFN de type 1, mais cette induction n’est pas visible au niveau protéique [300, 301]. Son rôle cellulaire est de contrôler le niveau de désoxyribonucléosides triphosphates (dNTP) disponibles via son activité dNTP triphosphohydrolase, contrôlée par le niveau de guanosine triphosphate (GTP) [302, 303]. SAMHD1 possède aussi une activité exonucléase 3’→5’ envers l’ARN et l’ADN simple brin [304]. Chez une cellule non proliférative (en phase G0), SAMHD1 conserve un niveau faible de dNTP et sera inactivé pendant la phase S afin d’augmenter le bassin de dNTP pour la réplication de l’ADN [305]. SAMHD1 est sous sa forme inactivée lorsqu’il est phosphorylé sur la thréonine (Thr) 592 par les kinases cycline-dépendantes (CDK, cyclin-dependant
kinases) 1 et 2 [306, 307].
Lors de l’infection par le VIH-1, SAMHD1 cause une restriction au niveau de la transcription inverse. Le faible niveau de dNTP disponibles pour la transcription inverse empêche l’infection de la cellule [308, 309]. En tenant compte du rôle de SAMHD1 dans le cycle cellulaire, son activité antirétrovirale n’est possible que dans les cellules non réplicatives, telles que les macrophages, cellules dendritiques (DC) et lymphocytes T (lyT) CD4+ quiescents [308-310]. SAMHD1 inhiberait aussi l’infection par son activité exonucléase en dégradant le génome viral, mais ces résultats sont contestés [304, 311-313]. De plus, certaines études confirment que la phosphorylation de SAMHD1 sur la Thr592 inhibe la restriction rétrovirale, mais mettent en doute son rôle dans le contrôle de la dégradation des dNTP [314, 315].
L’action de SAMHD1 est contrecarrée par la protéine virale Vpx [316]. Vpx est exprimée par le VIH-2 et la plupart des souches de VIS [317]. Cette protéine proviendrait de la duplication
