Latence et réactivation de HSV1, LAT et ICP0 : les deux faces d’une seule médaille

ARTICLE

Auteur(s) : S Crépin¹, C Picard¹, M Labetoulle^1,2

¹Laboratoire de virologie moléculaire et structurale, Centre national de la recherche scientifique, UMR 2472, IFR 115, 91198 Gif-sur-Yvette
²Service d’ophtalmologie, Centre hospitalier universitaire de Bicêtre, Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, 94275 Le Kremlin-Bicêtre

Données récentes sur l’expression du génome viral pendant la latence

Puisque le gène codant la protéine ICP0 de HSV1 est entièrement contenu dans la région codant les LAT (le gène ICP0 étant en partie anti-sens de celui des LAT) [23], il était logique d’imaginer que les deux brins du génome de HSV1 soient transcrits, d’une part en LAT, d’autre part en transcrits ICP0, ce qui a été effectivement montré en 2002 par Chen et al. [24] dans des neurones du TG ( (figure 1) ). La transcription du gène ICP0 de HSV1 pendant la phase d’infection latente est une observation d’autant plus précieuse que cette protéine virale est une des premières produites pendant le cycle productif et que sa production est classiquement considérée comme un indicateur du temps le plus précoce de la réactivation virale [25-27].

Cependant, on peut noter d’emblée que la totalité des données concernant l’expression des transcrits ICP0 pendant la latence avait été acquise dans des neurones sensitifs, essentiellement ceux du TG. Or, nos études antérieures avaient montré que le niveau d’expression des LAT dans les neurones infectés de façon latente et le nombre de neurones exprimant des LAT variait nettement en fonction des tissus étudiés, avec notamment une expression plus importante dans les neurones sensitifs du TG que dans les neurones sympathiques du ganglion cervical supérieur (SCG) ou de la moelle épinière, ou encore les neurones moteurs du noyau du nerf facial ou les neurones de l’hypothalamus [28]. Pour obtenir ces résultats, nous avions développé un modèle murin d’infection herpétique reproduisant, au moins en partie, l’histoire naturelle de l’infection herpétique, à savoir une primo-infection orale, puis une entrée du virus en latence dans des tissus à la fois connectés à la sphère oropharyngée et à la sphère oculaire, qui sont, dans l’ordre décroissant, les deux principaux sites de récurrences herpétiques [28, 29]. Après l’inoculation d’une suspension de HSV1 dans la lèvre supérieure de souris sauvages, le virus se propage rapidement dans le système nerveux en utilisant les voies sensitives, autonomes et motrices. Après une phase de réplication dans les noyaux des neurones de ces différentes voies nerveuses, il entre finalement en état de latence dans le TG et dans de nombreuses autres structures connectées à la fois aux muqueuses buccales et à l’œil, comme le SCG, la moelle épinière et les noyaux hypothalamiques.

En utilisant le modèle oro-oculaire d’infection à HSV1 et trois méthodes complémentaires pour l’étude de la transcription du génome viral pendant la latence, à savoir une souche virale génétiquement modifiée, l’hybridation in situ et la RT-PCR quantitative, nous avons comparé le niveau de transcription des gènes ICP0 et LAT dans plusieurs structures infectées de façon latente. Nous avons ainsi observé que le niveau de transcription diffère en fonction du type de structure nerveuse étudiée. En particulier, le TG est le site de latence herpétique où l’expression des LAT est de loin la plus stable et la plus importante, et où les transcrits ICP0 s’accumulent essentiellement sous forme non épissée, à la différence des autres sites de latence où les LAT ont tendance à diminuer par rapport à la phase aiguë et, surtout, où les transcrits ICP0 sont en plus faible quantité et principalement sous forme épissée [30].

Nos résultats suggèrent donc que les LAT pourraient intervenir dans la régulation de l’alternance entre latence et réactivation du HSV1 en inhibant l’épissage des transcrits ICP0 et/ou en facilitant l’accumulation des transcrits non épissés dans le noyau de neurones infectés de façon latente. D’autres équipes avaient déjà rapporté des résultats allant dans le même sens. Mador et al [31] ont montré que la surexpression de LAT dans des cellules neuronales réduit d’un facteur 16 l’expression des autres transcrits viraux. À l’inverse, aucun effet des LAT 2 kb n’a été observé dans les cellules non neuronales sur l’expression des ARNm, leur stabilité, leur accumulation ou encore leur épissage [32]. Une telle différence entre cellules neuronales et non neuronales a d’ailleurs aussi été retrouvée dans la régulation post-transcriptionnelle du gène ICP0 pendant le cycle lytique [33]. L’invalidation des LAT entraîne l’expression accrue des transcrits ICP4 et tk dans le ganglion de souris infectée de façon latente [22] et, de façon plus globale, augmente l’expression des gènes viraux lors de la phase aiguë de l’infection expérimentale [34]. À nouveau, les propriétés transactivatrices d’ICP0 sur l’expression des gènes viraux [35] pourraient expliquer la plus grande expression des transcrits ICP4 et tk consécutive à la surexpression d’ICP0 liée à l’invalidation des LAT. Plus récemment, Chen et al. [24] ont montré une moindre quantité de transcrits ICP0 non épissés dans les TG infectés de façon latents par des virus déficients pour l’expression des LAT, tandis qu’aucune différence n’a été trouvée pour les transcrits épissés [24]. Ces résultats sont compatibles avec les nôtres, qui montrent de plus fortes proportions de transcrits ICP0 non épissés dans les sites de latence plus riches en LAT [30].

LAT et ICPO sont mutuellement impliqués dans l’alternance en latence et réactivation virale. Dans une récente revue de la littérature, Efstathiou et Preston [10] ont discuté ce qui est admis comme étant les quatre points clés à propos de la latence et de la réactivation de HSV1 : 1) la latence est une conséquence de l’impossibilité de débuter l’expression des gènes immédiatement précoces ; 2) pendant la latence, le génome viral existe sous une forme extrachromosomique, non réplicative, de type épisome ; 3) la transcription pendant la latence est limitée à celles des LAT ; 4) la réactivation est la conséquence d’une réponse à des signaux cellulaires qui permettent l’activation de l’expression des gènes viraux et l’entrée dans un cycle productif.

La régulation et le mode d’expression du génome du HSV1 pendant l’infection productive ont été largement étudiés en culture cellulaire. Un des éléments clés est VP16, protéine de matrice présente dans la cellule immédiatement après la pénétration du virion dans la cellule hôte. Elle se combine aux facteurs Oct1 (octamer-binding protein 1) et HCF (host cell factor) pour se lier aux motifs TAATGARAT situés dans les promoteurs des cinq gènes IE, codant pour les protéines ICP4, ICP0, ICP22, ICP27 et ICP47 [36]. En revanche, des virus déficients pour l’expression de la protéine tégumentaire VP16 (ou à faible multiplicité d’infection) et/ou pour l’expression des protéines ICP0 et ICP4 peuvent entraîner une infection quiescente des cellules en culture, mimant d’une certaine façon l’état de latence virale [10, 37-41]. Ces données indiquent donc que l’absence d’activation des gènes IE est une condition nécessaire pour que l’état de latence herpétique puisse s’installer [10] et, à l’inverse, la latence herpétique pourrait se mettre en place sans passer par une phase de réplication virale.

Une grande partie de ces données acquises en culture cellulaire a, en parallèle, été vérifiée in vivo, dans des modèles animaux. À la suite de la primo-infection, certains neurones sont rapidement le site d’une réplication virale active, comme dans les cellules en culture, alors que d’autres n’expriment que les LAT [42-45]. En revanche, une autre étude a montré qu’une partie importante des neurones infectés de façon productive après la primo-infection exprime aussi les LAT [28], ce qui confirme que la production des LAT n’est pas le marqueur incontestable de l’état de latence et qu’il n’y a pas de dichotomie évidente entre le cycle réplicatif et l’infection latente, au moins dans les premiers temps de l’invasion virale dans le système nerveux.

Concernant l’état physique du génome viral pendant la période de latence, plusieurs points semblent impliqués dans la capacité de réactivation virale, le nombre de copies et l’organisation génomique proprement dite. En utilisant une technique dite d’analyse contextuelle, Sawtell [46] a clairement montré que la probabilité de réactivation du virus dans un TG est fonction du nombre de copies génomiques moyen dans les neurones, ce dernier pouvant varier de 1 000 à 1 000 par neurone infecté de façon latente. Par ailleurs, ce nombre de copies de génomes présents lors de l’infection latente serait corrélé à l’intensité de la réplication virale dans le site de latence après la primo-infection [45, 47-49] plutôt qu’à un phénomène de réplication du génome après que la latence s’est installée (rappelons que l’ADN viral est sous forme circulaire pendant la latence et qu’il contient plusieurs origines de réplication, laissant la possibilité au moins théorique d’une réplication de l’ADN viral pendant la période de latence).

La quantité de neurones hébergeant la latence et le nombre de copies de génomes qu’ils contiennent sont proportionnels à la surface d’inoculation, au nombre de particules virales inoculées, à leur capacité à se répliquer dans le site d’inoculation et dans le ganglion sensitif [46, 49, 50]. De même, le traitement des animaux durant la phase de primo-infection par des inhibiteurs de la réplication virale réduit l’importance de la latence [43, 46].

En revanche, même s’il est maintenant bien établi que les virus défectifs pour l’expression des LAT sont moins enclins à entrer en latence [51, 52] et donc, à terme, à se réactiver que leur équivalent sauvage [53, 54], aucune étude n’a clairement montré que la probabilité de réactivation est directement fonction du nombre de copies de LAT dans les neurones, estimé en moyenne entre 40 000 et 100 000 [55].

Le second point concernant l’état du génome, à savoir son organisation physique, est aussi débattu : véritables épisomes ou concatémères comme lors de la phase réplicative [10] ? On sait que le génome des virus défectifs pour l’expression des gènes IE prend une organisation épisomale dans des systèmes modélisant la latence en cellules non neuronales [38, 39] et que cette organisation du génome peut être inhibée par l’apport de la protéine ICP0 [56]. Par ailleurs, il semble maintenant bien établi que les modifications chimiques des histones (acétylation, méthylation phosphorylation) sont directement liées à la capacité de transcrire les gènes viraux [10] et la protéine ICP0 pourrait être impliquée dans ce processus de régulation (cf. article de Lomonte et al. dans ce même numéro).

Les LAT correspondent au troisième point de la régulation de l’alternance entre latence et réactivation virale. Certaines études ont d’ailleurs suggéré que le processus de production des LAT 2 kb pourrait différer entre la phase réplicative et la période de latence [10, 57]. Il est aussi intéressant de noter qu’une proportion importante (50 à 90 %) de neurones infectés de façon latente (présence de génome viral) n’expriment pas les LAT en quantités détectables [58-60] mais aucune étude n’a encore permis de savoir si les neurones exprimant les LAT sont plus ou moins sensibles que les autres à la réactivation virale.

Les fonctions des LAT ne sont pas encore clairement comprises, mais l’analyse de l’effet de mutations et de transfections suggère fortement qu’ils ont un rôle clé dans l’établissement de la latence et/ou de la réactivation virale [12]. Ainsi, l’expression constitutive des LAT 2 kb dans des animaux transgéniques rend ces animaux sensibles à la réactivation de souches virales défectives pour les LAT, souches dites LAT-, normalement peu enclines à la réactivation [20]. Chez la souris non transgénique, Sawtell [44, 51] a montré que les souches virales LAT- induisent une infection latente dans moins de neurones que le virus sauvage, ce qui pourrait expliquer la moindre fréquence de réactivations avec ces souches virales modifiées. Cette propriété à faciliter l’entrée en latence du virus dans les neurones est probablement en partie liée à la capacité des LAT de promouvoir la survie des neurones infectés. Les souches LAT- entraînent une plus forte destruction des neurones infectés par apoptose et donc une moindre charge virale latente par rapport au virus sauvage [61], alors que, à l’inverse, les transcrits ICP0 semblent avoir des propriétés proapoptotiques [62]. La protection de la survie neuronale par les LAT pourrait aussi passer par une réduction de l’expression des gènes viraux, en particulier IE, dans les neurones in vivo [10, 34, 44, 47, 63, 64]. D’ailleurs, la transfection de LAT 2 kb in vitro peut inhiber l’effet transactivateur de ICP0 [13] et réduire la production des transcrits IE viraux [31]. Néanmoins, même s’il est clairement établi que les LAT favorisent l’entrée en latence du virus en augmentant la survie neuronale, par effet anti-apoptotique ou inhibiteur du cycle viral, aucune des expériences proposées jusqu’alors n’a permis de prouver ou d’infirmer un rôle direct des LAT dans le processus de réactivation proprement dit.

À l’échelle moléculaire, la réactivation virale met en jeu des mécanismes différents de ceux amorçant le cycle réplicatif après la pénétration intracellulaire des virions. Il faut en particulier rétablir l’état transcriptionnellement actif du génome puisqu’il est alors sous une forme épisomique, associée à des histones. Bien que discutables parce que très artificiels, les systèmes de quiescence virale in vitro sur des cellules non neuronales ont bien montré que les promoteurs des gènes viraux sont alors dans un état réprimé [9, 38]. Une des clés possibles du passage de l’état de latence vers celui de la réactivation est probablement la protéine ICP0. En effet, l’infection à basse multiplicité de cellules en culture avec des virus défectifs pour l’expression de ICP0, dits ICP0-, n’entraîne pas de cycle réplicatif [65, 66] et l’expression de ICP0 en trans est capable de lever l’inhibition de la réplication virale [38, 39, 67, 68]. D’ailleurs, les virus ICP0- perdent une grande partie de leur capacité de réactivation chez l’animal [69, 70], mais il est possible que cela ne soit que le reflet d’une perte des capacités réplicatives liées à ce type de mutation virale [10].

La protéine ICP0 agit comme un activateur non spécifique de gènes viraux, voire même cellulaires, et par le biais d’un domaine en doigt-de-zinc pourvu de propriétés ubiquitine-ligase E3, elle est aussi capable d’induire la dégradation de diverses protéines par la voie du protéasome [cf. l’article de Lomonte, dans ce même numéro] [71-76]( (figure 2) ). On retrouve parmi les cibles les composants des domaines nucléaires ND10 auxquels sont associées les copies de génome viral. En l’absence d’ICP0, les génomes viraux associés aux domaines ND10 ont une très forte probabilité de se trouver dans un état réprimé (latent) et l’apport d’ICP0 est alors associé à une destruction de ces domaines nucléaires par le protéasome [cf. l’article de Lomonte, dans ce même numéro]. La protéine ICP0 est aussi capable d’interagir avec des protéines virales comme USP7 (protéase spécifique de l’ubiquitine) et ICP4, activateur fort de la réplication virale [77] ; d’autres interactions restent probablement à découvrir. De façon plus globale, on note que ICP0 induit une modification de l’état transformationnel du génome de HSV1 similaire à celle induite par un inhibiteur d’histone déacétylase [78] connu pour favoriser la réactivation virale dans les neurones sensitifs en culture [79]. On sait par ailleurs qu’elle peut inhiber la chaîne transductionnelle induite par les interférons [80], cette voie immunitaire innée étant à la fois responsable d’une inhibition de la transcription des gènes IE viraux et d’une augmentation de la taille des domaines ND10. Puisque certaines protéines qui les composent (Sp100, PML ou promyelocytic protein) sont inductibles par l’interféron et agissent comme des inhibiteurs transcriptionnels [81-83], ces domaines sont maintenant considérés comme un système de défense nucléaire contre un certain nombre de virus à ADN, dont HSV1 [10, 84, 85]. Même s’il est tentant de penser que toutes ces propriétés de ICP0, à la fois inhibitrices de la voie interféron et promotrices de la réactivation virale, sont interdépendantes, il reste toutefois à prouver que les génomes de HSV1 pendant la phase de latence sont bien associés physiquement aux domaines ND10 [10].

Quoi qu’il en soit, il faut remarquer que beaucoup des propriétés supposées d’ICP0 ont été obtenues dans des modèles de latence in vitro utilisant des fibroblastes. Si, dans des telles conditions, l’ajout d’ICP0 est nécessaire pour observer une réactivation virale, cette dernière n’est pas observée lors de stimulations suffisantes pour la déclencher dans des modèles in vivo, ce qui suggère que l’état de latence n’est pas unique mais plutôt multiple, et probablement variable en fonction du contexte cellulaire [9]. Cela pourrait expliquer la relative rareté des neurones affectés par une réactivation virale chez la souris après choc thermique ou exposition aux ultraviolets [86, 87]. Il est alors possible d’imaginer que le génome viral n’est que partiellement réprimé dans quelques neurones, qui seraient alors les plus sensibles à une réactivation virale. On note d’ailleurs que certaines conditions de stress de cellules en culture peuvent entraîner une production à bas bruit des protéines ICP4 et ICP0 [88], ce qui pourrait représenter l’étape déclenchante de la réactivation virale proprement dite [10].

Conclusion

Références

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