Les virus : interactions virus / cellules hôtes, cycles de multiplication

Les diverses interactions phages / bactéries novembre 2009

Existence de 2 possibilités selon la nature du phage : 1- Soit une interaction productive conduisant à la formation de multiples particules virales libérées par lyse de la bactérie infectée. 2- Soit une interaction intégrative conduisant à la l’intégration du génome du phage dans l’ADN de la bactérie. Cycle lytique dû à des phages dits virulents se multipliant dans une bactérie sensible Phénomène de lysogénie dû à des phages dits tempérés se trouvant dans une bactérie lysogène

1- Le cycle lytique d’un phage virulent chez une bactérie sensible (ex : phage T2 ou T4) novembre 2009

Rappel de la structure du bactériophage Virologie

1-1- 1ère étape : fixation (adsorption du phage sur la bactérie) 1-1-1- Lieu d’adsorption du phage sur la bactérie et constituant du phage responsable de l’adosption Les phages ne se fixent que sur les parois bactériennes (éventuellement sur les pili ou les flagelles) Les phages se fixent sur la bactérie grâce à leur plaque caudale et à leurs fibres.

1-1-1- 1ère étape : fixation (adsorption du phage sur la bactérie 1-1-1-2- Condition pour que la bactérie permette la fixation du phage Pas de phages fixés Beaucoup de phages fixés

1-1- 1ère étape : fixation (adsorption du phage sur la bactérie 1-1-2- Condition pour que la bactérie permette la fixation du phage Présence nécessaire dans la paroi bactérienne de récepteurs spécifiques au phage La bactérie qui a des récepteurs spécifiques est alors dite sensible au phage Nature des récepteurs bactériens spécifiques des phages : - glycoprotéines pariétales - lipopolyosides pariétaux.

1-1- 1ère étape : fixation (adsorption du phage sur la bactérie 1-1-3- Mécanisme de l’interaction assurant l’adsorption Interactions électrostatiques entre - des groupements aminés des protéines phagiques - des groupements acides des récepteurs bactériens.

1-2- 2ème étape : pénétration du phage dans la bactérie 1-2-1- Nature du (ou des) constituant(s) du phage pénétrant Description de l’expérience de Hershey et Chase Utilisation de phages dont : - l’ADN est rendu radioactif par la présence de phosphore 32 - les protéines sont radioactives par la présence de soufre 35. Contact 10 minutes de ces phages avec des bactéries sensibles, puis centrifugation : les bactéries sont dans le culot. Recherche de la radioactivité dans le culot et le surnageant : - le surnageant est marqué au soufre 35 - le culot est marqué au phosphore 32.

1-2- 2ème étape : pénétration du phage dans la batérie 1-2-1- Nature du (ou des) constituant(s) du phage pénétrant Analyse et interprétation de l’expérience de Hershey et Chase Radioactivité due au phosphore 32 présente dans le culot bactérien : l’ADN se retrouve dans les bactéries Radioactivité due au soufre 35 absente du culot : les protéines ne pénètrent pas dans les bactéries. Bilan : seul l’acide nucléique du phage pénètre dans la bactérie, la capside vidée reste à l’extérieur à la surface de la bactérie (ghost = fantôme)

1-2- 2ème étape : pénétration du phage dans la bactérie 1-2-2- Mode de pénétration de l’ADN Observation en microscopie électronique

Phage qui n’a pas encore injecté son ADN Phage qui a injecté son ADN novembre 2006 Cellule procaryote

1-2- 2ème étape : pénétration du phage dans la bactérie 1-2-2- Mode de pénétration de l’ADN Analyse de l’observation faite en microscopie électronique L’axe creux de la gaine franchit la paroi et la membrane plasmique de la bactérie La gaine se contracte, ce qui provoque l’injection de l’acide nucléique du phage dans le cytoplasme bactérien (« microseringue »)

Bilan : mécanisme d’adsorption et de pénétration novembre 2006 Cellule procaryote

1- Perçage de la paroi par une peptidoglycanase présente dans la plaque caudale du phage (création d’un trou dans la paroi) 2- Contraction de la gaine de la queue (mécanisme consommant de l’énergie) 3- Pénétration de l’axe tubulaire creux de la queue dans la brèche pariétale jusqu’au contact de la membrane 4- Injection de l’acide nucléique du phage jusque dans le cytoplasme bactérien.

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-1- Caractéristiques de cette phase - Phase durant laquelle aucune particule virale n’est visible en microscopie électronique - Phase durant laquelle se déroule tout un ensemble d’évènements découlant de l’expression du génome viral.

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-2- Suivi des évènements au niveau moléculaire a/ étude expérimentale Résultats expérimentaux

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-2- Les évènements moléculaires Analyse des résultats expérimentaux : - Certaines protéines virales apparaissent rapidement alors que l’ADN viral n’est pas encore répliqué, c’est la phase précoce - Lorsque les protéines virales de la phase précoce sont synthétisées, l’ADN viral est répliqué et d’autres protéines sont synthétisées, c’est la phase tardive.

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-2- Suivi des évènements au niveau moléculaire b/ étude de la phase précoce Définition : ensemble des évènements survenant dans la cellule infectée avant que ne soit répliqué l’ADN du virus, évènements correspondant essentiellement à la transcription et à la traduction de certains gènes de l’ADN viral dits gènes précoces. Evènements de cette phase : Gènes précoces m ARN protéines précoces transcription traduction - ADN polymérase utile à la réplication de l’ADN ARN polymérase utile à la transcription des gènes tardifs Dnase responsable de la destruction de l’ADN bactérien

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) A la fin de la phase précoce : lyse du DNA bactérien Toute expression des gènes bactériens est bloquée et toute la machinerie métabolique de la bactérie pourra être utilisée pour le virus

Modalités de la transcription pendant cette phase : mise en jeu 1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-2- Suivi des évènements au niveau moléculaire b/ étude de la phase précoce (suite) Modalités de la transcription pendant cette phase : mise en jeu - le plus souvent d’une polymérase de la cellule bactérienne - des ribonucléotides de la cellule bactérienne Modalités de la traduction pendant cette phase : mise en jeu - de la machinerie métabolique de la cellule bactérienne (ribosomes, acides aminés, ARN de transfert, enzymes….)

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) 1-3-2- Suivi des évènements au niveau moléculaire c/ étude de la phase tardive Définition : ensemble des évènements correspondant à : - la réplication de l’ADN viral - et à la transcription et traduction de certains gènes de l’ADN viral dits gènes précoces. Evènements de cette phase : 1 ADN viral n ADN viraux ARN polymérase (synthétisée pendant la phase précoce) Gènes tardifs m ARN protéines tardives transcription traduction - Protéines structurales du virus (protéines de la tête et de la queue) Protéines non structurales nécessaires à l’assemblage et à la maturation du virus

1-3- 3ème étape : phase d’éclipse (les phénomènes dans le cytoplasme bactérien) Bilan de la phase d’éclipse : Toute la machinerie métabolique de la cellule bactérienne hôte intervient pour la synthèse des constituants de nouveaux virus. Seul un virus ne peut donc pas se multiplier. C’est la raison pour laquelle un virus est un parasite intracellulaire obligatoire.

1-4- 4ème étape : phase de maturation (= phase d’assemblage = morphogénèse des virions) 1-4-1- Caractéristique de cette phase - Phase durant laquelle commencent à apparaître des phages observables dans la bactérie 1-4-2- Chronologie des évènements durant cette phase - Assemblage des protéines de la tête pour donner des têtes et assemblage des protéines de la queue pour donner des queues. - Pénétration d’1 molécule d’ADN dans chaque tête (nucléocapside) - Assemblage d’une tête et d’une queue et de fibres constituant un virion - Accumulation de virus dans le cytoplasme bactérien.

1-5- 5ème étape : phase de libération (= phase d’assemblage = morphogénèse des virions) 1-5-1- Caractéristiques de cette phase - Phase durant laquelle commencent à apparaître des phages libres - Apparition de phages libres environ 25 minutes après l’adsorption - Libération de 200 à 300 phages identiques 1-5-2- Mécanisme de la libération - Rupture de la paroi bactérienne lysée par une peptidoglycanase présente dans la plaque caudale des phages. - Bactérie lysée - Phages libérés dans le milieu.

Bilan : cycle de reproduction d’un phage Adsorption Pénétration Phase d’éclipse : phase précoce Phase de libération Phase d’éclipse : phase tardive Phase de maturation

2- La lysogénie novembre 2009

2-1- Etude expérimentale Culture d’Escherichia coli K 12 avant d’être exposée à des UV Culture d’Escherichia coli K12 après exposition à des UV

2-1- Etude expérimentale Observation au microscope électronique du produit de raclage au niveau de la plage de lyse Présence de phages I qui sont lytiques après l’irradiation Où et sous quelle forme sont ces phages qui ne lysent pas la bactérie s’il n’y a pas eu irradiation et la lyse après ?

2-1- Etude expérimentale Résultat 2 Mise en contact de la culture d’E. coli K12 avec des Ac anti I afin de neutraliser les particules virales libres dans la culture. Irradiation de la culture d’E. coli K12 traitées par les UV suivie d’un étalement. Observation de plages sans culture provenant de la lyse des bactéries (plages de lyse).

2-1- Etude expérimentale Observation au microscope électronique du produit de raclage au niveau de la plage de lyse Les phages I ne sont donc pas libres dans la suspension, ils sont à l’intérieur de la bactérie

2-1- Etude expérimentale Le virus I est à l’état de prophage, seul son acide nucléique se trouve dans la bactérie intégré à l’ADN bactérien Ce virus est dit virus tempéré L’ADN du phage intégré : - se réplique en même temps que celui de la bactérie - a certains gènes transcrits et traduits.

2-2- Définition de la lysogénie Lysogénie = situation où la bactérie héberge un prophage (acide nucléique du phage intégré dans l’ADN bactérien qui se réplique en même temps que lui et dont certains gènes sont traduits), ce prophage ne prend pas le contrôle de la cellule hôte et ne la détruit pas.

2-3- étapes de la lysogénie 2-3-1- 1er temps : fixation, adsorption, pénétration Etapes identiques à celles d’une infection lytique Conséquence : l’ acide nucléique se retrouve à l’intérieur de la bactérie.

2-3- Etapes de la lysogénie 2-3-2- 2ème temps : intégration de l’ADN - Circularisation de l’ADN viral - Intégration de l’ADN viral en un site spécifique de l’ADN bactérien : * coupure de l’ADN bactérien en un point précis par une enzyme de restriction en laissant des bouts collants spécifiques * intégration de l’ADN viral grâce aux bouts collants. Virus dont l’ADN est intégré = prophage Bactérie hébergeant le prophage = bactérie lysogène Bactérie est lysogénisée.

2-3- Etapes de la lysogénie 2-3-3- 3ème temps : conversion lysogénique de la bactérie - Transcription et traduction de quelques gènes viraux, donc synthèse de protéines virales libérées dans le cytoplasme bactérien Conséquences : - les protéines virales synthétisées confèrent à la bactérie de nouvelles propriétés - modifications antigéniques de la bactérie - acquisition d’une immunité vis-à-vis d’autres phages

2-3- étapes de la lysogénie Exemples de propriétés nouvelles conférées à la bactérie par les protéines virales - Synthèse de toxine diphtérique par Corynebacterium diphteriae que si la bactérie est lysogénisée par le prophage b - Synthèse de toxine érythrogène par Streptococcus A lysogénisé, Streptococcus responsable alors de scarlatine …………

2-3- étapes de la lysogénie Exemples de modifications antigéniques - Modification des Ag O de la paroi des Salmonella par un prophage codant des enzymes modifiant le LPS de la membrane externe. …………

2-4- Conditions du maintien du caractère lysogène ELEMENT RESPONSABLE Nécessité d’une protéine virale (résultant de la traduction d’un gène viral) = REPRESSEUR viral protéinique MECANISME D’ACTION DU REPRESSEUR - Fixation du répresseur en un point précis du génome viral appelé OPERATEUR - Fixation bloquant la transcription et la traduction de la plupart des autres gènes viraux, sauf quelques uns Conséquence : absence de multiplication virale

2-4- Conditions du non maintien du caractère lysogène = conditions d’induction d’un cycle lytique ELEMENT RESPONSABLE Nécessité d’une perte d’affinité du REPRESSEUR pour l’OPERATEUR. Perte d’affinité = conséquence d’une mutation de l’opérateur Absence d’action du répresseur, le génome viral redevient autonome par rapport au génome bactérien, un cycle lytique classique se produit. CAUSES DE MUTATIONS DE L’OPERATEUR - Rayons UV, X - Action d’une substance toxique ou d’un antibiotique - privation nutritionnelle

novembre 2006 Cellule procaryote

Cas particulier de la traduction Définition : Transfert de matériel génétique d’une bactérie à une autre ou d’une cellule à une autre par l’intermédiaire d’un virus. Mécanisme : Au cours de l’induction d’un cycle lytique, des fragments d’ADN bactérien se trouvent intégrés à l’ADN viral Transmission de l’ADN viral et du fragment d’ADN bactérien à une autre bactérie lysogène La nouvelle bactérie lysogénisée acquiert des propriétés nouvelles qui étaient celles de la première bactérie