Une méthode novatrice révèle une structure dynamique du VIH

Les virus font peur. Ils envahissent nos cellules comme des armées invisibles, et chaque type apporte sa propre stratégie d’attaque. Alors que les virus dévastent les communautés humaines et animales, les scientifiques se démènent pour riposter. Beaucoup utilisent la microscopie électronique, un outil qui peut «voir» ce que font les molécules individuelles du virus. Pourtant, même la technologie la plus sophistiquée nécessite que l’échantillon soit gelé et immobilisé pour obtenir la résolution la plus élevée.

Maintenant, les physiciens de l’Université de l’Utah ont mis au point un moyen d’imagerie des particules de type virus en temps réel, à température ambiante, avec une résolution impressionnante. Dans une nouvelle étude, la méthode révèle que le réseau, qui constitue la principale composante structurelle du virus de l’immunodéficience humaine (VIH), est dynamique. La découverte d’un réseau diffusant constitué de protéines Gag et GagPol, longtemps considérées comme totalement statiques, ouvre de nouvelles thérapies potentielles.

Lorsque les particules du VIH bourgeonnent d’une cellule infectée, les virus subissent un temps de latence avant de devenir infectieux. La protéase, une enzyme qui est incorporée en tant que demi-molécule dans les protéines GagPol, doit se lier à d’autres molécules similaires dans un processus appelé dimérisation. Cela déclenche la maturation virale qui conduit à des particules infectieuses. Personne ne sait comment ces demi-molécules de protéase se retrouvent et se dimérisent, mais cela peut avoir à voir avec le réarrangement du réseau formé par les protéines Gag et GagPol qui se trouvent juste à l’intérieur de l’enveloppe virale. Le gag est la principale protéine structurelle et s’est avéré suffisant pour assembler des particules de type viral. Les molécules de bâillon forment une structure hexagonale en réseau qui s’entrelace avec elle-même avec de minuscules espaces entrecoupés. La nouvelle méthode a montré que le réseau de protéines Gag n’est pas statique.

« Cette méthode a une longueur d’avance en utilisant la microscopie qui ne fournit traditionnellement que des informations statiques. En plus de nouvelles méthodes de microscopie, nous avons utilisé un modèle mathématique et des expériences biochimiques pour vérifier la dynamique du réseau », a déclaré l’auteur principal Ipsita Saha, assistant de recherche diplômé à la Département de physique et d’astronomie de l’U. « En dehors du virus, une implication majeure de la méthode est que vous pouvez voir comment les molécules se déplacent dans une cellule. Vous pouvez étudier n’importe quelle structure biomédicale avec cela. »

L’article publié dans Journal biophysique le 26 juin 2020.

Cartographie d’une nanomachine

Les scientifiques ne recherchaient pas les structures dynamiques au début – ils voulaient juste étudier le réseau de protéines Gag. Saha a dirigé l’effort de deux ans pour « pirater » les techniques de microscopie afin de pouvoir étudier les particules virales à température ambiante pour observer leur comportement dans la vie réelle. L’échelle du virus est minuscule – environ 120 nanomètres de diamètre – donc Saha a utilisé la microscopie de localisation interférométrique photoactivée (iPALM).

Tout d’abord, Saha a marqué le Gag avec une protéine fluorescente appelée Dendra2 et a produit des particules de type virus des protéines Gag-Dendra2 résultantes. Ces particules de type viral sont les mêmes que les particules du VIH, mais ne sont constituées que de la structure du réseau de la protéine Gag-Dendra2. Saha a montré que les protéines Gag-Dendra2 résultantes assemblaient les particules de type virus de la même manière que les particules de type virus constituaient des protéines Gag régulières. La fixation fluorescente a permis à iPALM d’imager la particule avec une résolution de 10 nanomètres. Les scientifiques ont découvert que chaque particule de type virus immobilisé incorporait 1400 à 2400 protéines Gag-Dendra2 disposées en réseau hexagonal. Lorsqu’ils ont utilisé les données iPALM pour reconstruire une image en accéléré du réseau, il est apparu que le réseau de Gag-Dendra2 n’était pas statique au fil du temps. Pour s’en assurer, ils l’ont indépendamment vérifié de deux manières: mathématiquement et biochimiquement.

Tout d’abord, ils ont divisé le réseau protéique en segments séparés uniformes. À l’aide d’une analyse de corrélation, ils ont testé la corrélation de chaque segment avec lui-même au fil du temps, de 10 à 100 secondes. Si chaque segment continuait à se corréler avec lui-même, les protéines étaient stationnaires. S’ils perdaient leur corrélation, les protéines s’étaient diffusées. Ils ont constaté qu’avec le temps, les protéines étaient assez dynamiques.

La deuxième façon dont ils ont vérifié le réseau dynamique était biochimiquement. Pour cette expérience, ils ont créé des particules de type virus dont le réseau était composé de 80% de protéines de type sauvage Gag, 10% de Gag étiqueté avec SNAP et 10% de gag étiqueté avec Halo. SNAP et Halo sont des protéines qui peuvent lier un lieur qui les lie ensemble pour toujours. L’idée était d’identifier si les molécules dans le réseau protéique sont restées stationnaires, ou si elles ont migré des positions.

« Les protéines Gag s’assemblent de façon aléatoire. Les molécules SNAP et Halo pourraient être n’importe où dans le réseau – certaines peuvent être proches les unes des autres, et d’autres seront loin », a déclaré Saha. « Si le réseau change, il y a une chance que les molécules se rapprochent les unes des autres. »

Saha a introduit une molécule appelée Haxs8 dans les particules de type viral. Haxs8 est un dimériseur – une molécule qui se lie de manière covalente aux protéines SNAP et Halo lorsqu’elles se trouvent dans le rayon de liaison l’une de l’autre. Si les molécules SNAP ou Halo se déplacent l’une à côté de l’autre, elles produiront un complexe dimérisé. Elle a suivi ces concentrations complexes dimérisées au fil du temps. Si la concentration changeait, cela indiquerait que de nouvelles paires de molécules se sont trouvées. Si la concentration diminuait, cela indiquerait que les protéines se sont séparées. De toute façon, cela indiquerait que le mouvement a eu lieu. Ils ont constaté qu’avec le temps, le pourcentage du complexe dimérisé augmentait; Les protéines HALO et SNAP Gag se déplaçaient sur tout le réseau et se réunissaient au fil du temps.

Un nouvel outil pour étudier les virus

Il s’agit de la première étude à montrer que la structure du réseau protéique d’un virus enveloppé est dynamique. Ce nouvel outil sera important pour mieux comprendre les changements qui se produisent dans le réseau alors que les nouvelles particules virales passent de l’immaturité à dangereusement infectieuses.

« Quels sont les mécanismes moléculaires qui conduisent à l’infection? Cela ouvre une nouvelle voie d’étude », a déclaré Saha. « Si vous pouvez comprendre ce processus, vous pouvez peut-être faire quelque chose pour les empêcher de se retrouver, comme un type de médicament qui arrêterait le virus sur ses traces. »