L'urgence de trouver une solution à la crise actuelle du COVID-19 a conduit au séquençage de centaines de génomes du coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2), pour aider à comprendre comment le virus envahit les cellules humaines, comment il se réplique et provoque des maladies et des facteurs qui l'aident à échapper aux défenses immunitaires.
Maintenant, une nouvelle étude par des chercheurs de l'Université d'Ottawa et publiée sur le serveur de préimpression bioRxiv * en juin 2020 signale les différences entre les génomes des virus exposés aux protéines antivirales et ceux qui ne le sont pas. Cette pression exercée par l'hôte sur le virus pour s'adapter peut aider à concevoir de nouvelles façons de construire un vaccin efficace.
Nouveau coronavirus SARS-CoV-2 Micrographie électronique à balayage colorisée d'une cellule VERO E6 (bleu-vert) présentant des projections cellulaires allongées et des signes d'apoptose, après infection par des particules de virus SARS-COV-2 (jaunes), qui ont été isolées d'un patient échantillon. Image capturée au NIAID Integrated Research Facility (IRF) à Fort Detrick, Maryland. Crédits: NIAID
Sommaire
Défenses antivirales et coronavirus
Les coronavirus (CoV) infectent les mammifères et leurs génomes sont façonnés par leur environnement, qui varie avec le tissu hôte. En effet, différentes espèces ont différents types de cellules, avec des différences significatives dans le niveau d'activité antiviral et de modification de l'ARN.
Un élément important de la réponse antivirale est la production de protéines antivirales (AVP), parmi lesquelles la protéine antivirale à doigt de zinc (ZAP), codée par le gène ZC3HAV1 chez les mammifères, et l'apolipoprotéine B éditant l'ARNm de l'apolipoprotéine B, semblable à un polypeptide catalytique enzymatique 3 (APOBEC3).
Le ZAP fait partie de la réponse immunitaire médiée par l'interféron, qui est dirigée contre les CpG dans le génome viral, conduisant à l'inhibition de la réplication virale et à la production du signal pour décomposer le génome viral. La présence d'une activité ZAP dans le cytoplasme devrait permettre à un génome viral d'éviter les CgP si le tissu hôte est abondant en ZAP, comme on le voit avec le VIH-1, et de nombreux CoV. Le virus VIH-1 est lymphotrope (les ganglions lymphatiques étant enrichis en ZAP) mais également CgP déficient. Avec l'augmentation de la teneur en CgP, le VIH-1 devient moins en forme.
La ZAP provoque une dégradation croissante et cumulative de l'ARN viral, car le nombre de CgP augmente tout au long des séquences d'ARN. En ce qui concerne le SRAS-CoV-1, cela signifierait que ZAP ne ciblera que l'ORF1 et l'ARNm de Spike, qui sont de longueur suffisante. Même avec sa teneur relativement faible en CpG, parmi les betaCoV, ces séquences d'ARNm ont peu de CpG.
L'APOBEC3 est également important dans la réponse antivirale. Ils provoquent des hypermutations dans l'ADNc viral, de sorte que la transcription est défectueuse, entraînant l'inhibition de la transcription inverse. Il peut se lier à l'ARN et ainsi s'intégrer aux virions. Il édite également C à U dans l'ARN.
Le VIH-1 empêche ces actions grâce à sa protéine Vif qui dégrade cette enzyme. Néanmoins, cela peut présenter le potentiel pour le développement de médicaments paralogues qui peuvent directement éditer les virus ssRNA qui manquent de l'analogue Vif – comme le SRAS-CoV-2.
Les histogrammes montrent les habitats tissulaires réguliers (mesurés en commun de détection DCO, sur l'axe Y principal) du SARS307 CoV-2 (a, b) et du SARS-CoV et MERS (c, d). Les lignes représentent l'expression relative de l'ARNm (en proportion de l'expression de l'ARNm PME, sur l'axe Y secondaire) de a) les isoformes APOBEC3 (lignes pleines) et b) les isoformes ZAP (lignes en pointillés) dans les tissus sensibles à l'infection par le SRAS-CoV-2, et la PME de c) les isoformes APOBEC3 (lignes pleines) et d) les isoformes ZAP (lignes pointillées) dans les tissus sensibles aux infections par le SRAS-CoV et le MERS. Surlignées en vert et en rouge, les valeurs PME sont respectivement supérieures et inférieures aux valeurs moyennes PME. Les valeurs PME ont été calculées sur la base des FPKM d'ARNm moyens extraits du portail GTEx (LONSDALE et al. 2013).
Objectifs de l'étude
La présente étude vise à tester l'hypothèse selon laquelle ces deux facteurs agissent ensemble comme la principale source de pression sélective qui pousse le CoV à s'adapter lorsqu'il infecte différents tissus de l'hôte. Les chercheurs ont analysé les protéines antivirales efficaces contre le CoV et le mécanisme de suppression de la réponse immunitaire.
Ils ont prédit que l'environnement spécifique du tissu hôte pourrait être identifié en fonction de la présence d'un évitement constant de CgP ou d'un enrichissement en U. Ces changements marqueraient la présence d'abondantes protéines antivirales (AVP) telles que ZAP ou APOBEC3 dans le tissu hôte typiquement infecté. D'un autre côté, leur absence prédit l'infection typique du tissu hôte sans AVP.
Les chercheurs ont inclus un grand nombre de séquences de génomes accessibles au public pour sept CoV, ainsi que des profils spécifiques de ces AVP dans différents tissus parmi cinq espèces hôtes – humains, chiens, porcins, souris et bovins.
Modifications du génome viral direct du tissu hôte AVP
L'étude montre que ces virus (sauf un, le MHV murin) infectent généralement les tissus avec une AVP élevée. De manière concordante, ils ont tous de fortes carences en CpG tout au long de leurs séquences, le SARS-CoV-2 ayant la plus faible teneur en CpG, qui est répartie sur 12 régions du génome de manière non uniforme.
La plus faible teneur en CpG se trouve dans la région qui code pour la protéine S. Ce schéma indique l'émergence du virus dans un tissu hôte avec des niveaux élevés de ZAP et que cela l'a aidé à éviter les défenses antivirales déclenchées par le ZAP lors de son entrée dans la cellule. Ainsi, les tissus hôtes riches en AVP produisent un glissement vers une carence en CpG et une teneur en U plus élevée dans les génomes viraux.
La preuve du passage de C à U au niveau de l'ARN, qui est provoquée par APOBEC3, se trouve dans de nombreux CoV. Cependant, la proportion de U est comparable à celle du MHV murin bien que ce dernier n'infecte pas les tissus riches en AVP, donc, APOBEC3 joue-t-il un rôle dans la formation du génome des CoV qui infectent les hôtes humains?
Pour répondre à cela, les chercheurs ont examiné les modèles de polymorphismes mononucléotidiques (SNP) dans les régions locales de diverses séquences génomiques pour le SRAS-CoV-2 au cours des quatre mois (31 décembre 2019 au 6 mai 2020).
Les chercheurs ont constaté que l'élévation cumulative de U et la baisse du contenu en C n'étaient pas remarquables dans le SRAS-CoV-2, le SRAS-CoV et le MERS, en raison du temps insuffisant pour accumuler un grand nombre de mutations dans ces souches récemment apparues.
D'un autre côté, la substitution C à U est beaucoup plus répandue que les autres SNP, et cela se voit principalement dans les régions 5 ’UTR et ORF1ab, indiquant que ceux-ci sont soumis à une pression sélective par l'AVP. Lorsque 99 génomes complets collectés à des jours différents au cours de cette période ont été analysés, le nombre de substitutions de C à U s'est avéré être plus élevé que prévu et augmenter avec le temps, dans ces deux régions seulement.
En d'autres termes, APOBEC3 joue également un rôle dans la direction de l'évolution de ce virus.
D'autres types de changements, comme la mutation A en G, se produisent dans la région S, peut-être en raison de l'activité de l'enzyme ADAR1 de mammifère. Cependant, la teneur en CpG diminue lentement au fil du temps, comme le montre le manque de différence entre les échantillons prélevés sur quatre mois.
Quelles implications cela entraîne-t-il pour le SRAS-CoV-2?
Une implication importante de cette analyse est que le SARS-CoV-2 est devenu déficient en CpG dans un réservoir intermédiaire avant de se propager à l'homme car ce changement ne se produit pas rapidement. Le séquençage de la chauve-souris CoV RaTG13 en 2013 aurait averti de la forte probabilité que le virus se déplace vers un hôte avec une expression ZAP élevée, car il avait réussi à changer pour éviter cette défense antivirale.
Une autre conclusion est que la pression évolutive cible les CpG dans des régions spécifiques, en se concentrant sur la région qui est vitale pour la reconnaissance et l'entrée des cellules hôtes, à savoir la protéine de pointe.
Les chercheurs suggèrent que la possibilité d'augmenter la teneur en CpG, qui est connue pour réduire fortement la réplication virale et la virulence, est à explorer tout en développant des souches affaiblies du SRAS-CoV-2 pour le développement de vaccins. Le côté opposé est que cela peut être renversé par les désaminases innées de l'hôte, qui transforment les CpG en UpG, augmentant encore le niveau de carence en CpG. Ainsi, davantage de recherches sur la façon dont l'AVP agit pour diriger l'évolution du virus sont nécessaires.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
