Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Les principes de la physique des transitions de phase classifient les virus icosaédriques et peuvent rendre compte de leur pouvoir infectieux

par Dominique CARON - publié le , mis à jour le

Le matériel génétique contenu dans un virus est enfermé dans une coquille protectrice de protéines, appelée capside. Il y a 50 ans, des virologues ont proposé un modèle géométrique simple expliquant la disposition des protéines dans cette coquille. Les techniques modernes de microscopie de haute résolution ont permis à Vladimir Lorman et Serguei Rochal, chercheurs au Laboratoire Charles Coulomb à Montpellier, de remettre en question ce modèle. A partir de la théorie de Landau de transitions de phase, ils ont pu calculer la distribution des protéines dans des capsides de tailles variées. Ce calcul théorique pourrait également donner des informations sur le pouvoir infectieux du virus.

Comparaison des positions des centres de masse de protéines dans les capsides.
En haut : virus L-A de la levure ; en bas : virus de la Dengue.
Figures de gauche : modèles de prédiction ; figures de droite : structures virales expérimentales. © L2C

Le matériel génétique (ADN ou ARN) des virus simples est enfermé dans une enveloppe appelée capside et constituée de plusieurs copies de protéines identiques. Pour plus de la moitié des virus y compris les plus petits et les plus virulents, cette capside a une forme icosaédrique. Un icosaèdre est une forme géométrique constituée de 12 sommets et de 20 faces planes qui se rencontrent le long de 30 arêtes droites.

Il y a une cinquantaine d’années, les physico-chimistes D. Caspar et A. Klug [1] ont proposé un modèle géométrique simple expliquant comment les protéines sont arrangées dans ces enveloppes. Ce modèle contribua à l’attribution du prix Nobel de chimie à A. Klug en 1982.

Depuis, les techniques modernes de microscopie de haute précision, capables de résoudre la structure fine des capsides les plus petites, ont révélé qu’un grand nombre de virus ne se conforment pas à ce modèle, qui est considéré depuis toujours par les biologistes comme une référence intouchable.

Vladimir Lorman et Serguei Rochal [2], deux chercheurs du L2C (Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier - Unité mixte de recherche CNRS/Université Montpellier 2) ont élaboré une théorie de la formation de ces capsides moins réductrice, en s’inspirant de la théorie de Landau de la formation des cristaux. Cette théorie repose essentiellement sur :
- les propriétés mathématiques des symétries de l’icosaèdre,
- des principes très généraux de la physique des transitions de phase - en l’occurence la cristallisation,
- la chiralité des protéines déjà soulignée par Caspar et Klug [3].
L’existence de cette asymétrie gauche-droite des protéines est la seule information concernant la constitution de la capside qu’ils utilisent.

A partir de là, ils sont capables de classifier tous les petits virus icosaédriques et de rendre compte exactement de la répartition des protéines à leur surface en fonction du nombre de sites de protéines différents qui la constituent, y compris pour les virus dont le modèle de Caspar et Klug, trop empirique, était incapable de rendre compte (virus L-A de la levure, virus du polyome murin, de la dengue, du Nil occidental, par exemple).

Bien plus, leur méthode permet une reconstruction complète, et sans aucun para-mètre d’ajustement, de la distribution de densité des protéines de la surface de ces petits virus. La distribution trouvée est en remarquable accord avec les données observationnelles. Cette distribution permet aussi de comprendre en termes simples comment le virus de la Dengue par exemple infecte sa cellule hôte : bien que sa capside soit formée d’une seule sorte de protéine, cette protéine peut occuper trois ensembles inéquivalents de sites sur l’icosaèdre, et le pouvoir infectieux du virus n’est dû qu’à deux sur trois de ces ensembles.

Ceci est en contradiction apparente avec le principe général selon lequel l’adhésion cellule-virus est due essentiellement à la nature purement biochimique de la protéine virale responsable : ici, la position de la protéine intervient de façon déterminante. Or, la distribution de densité trouvée par V. Lorman et S. Rochal montre que les protéines des trois ensembles de sites n’ont pas la même conformation suivant l’ensemble auquel elles appartiennent. Ce sont précisément les ensembles où cette distribution a ses minimums les plus prononcés qui sont impliqués dans l’adhésion aux récepteurs cellulaires. Cet exemple rend donc compte en termes simples d’une avancée récente de la virologie qui a montré l’importance pour le pouvoir infectieux de la distribution des protéines sur la capside, en plus de leurs propriétés d’adhésion bio-spécifiques.

La possibilité de calculer cette distribution de surface est donc susceptible de prédire l’effet de la structure globale sur le pouvoir infectieux du virus.

Ces travaux ont fait l’objet de deux publications, dans la revue Physical Review Letters [4] et Physical Review B [5]. Cette dernière a sélectionné une figure accompagnant l’article [5] pour la faire figurer dans le Kaleidoscope sur sa page d’accueil.

La revue Nature Nanotechnology a consacré au travail [4] de V. Lorman et S. Rochal un Research Highlight "Viruses : Cover story" [6].


[1D.L.D. Caspar et A. Klug, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 27 (1962) 1.
Ce modèle géométrique cherche à expliquer les positions "quasi-équivalentes" des protéines sur la surface d’une capside. Il relie alors l’icosaèdre à son patron plan et consiste essentiellement à construire les faces triangulaires de l’icosaèdre à partir de l’un des triangles équilatéraux que l’on peut former avec trois vertex d’un réseau triangulaire plan. Ceci implique immédiatement que le nombre de protéines de la capside est 60N avec N=h²+k²-hk, h et k étant deux entiers non négatifs. N est le nombre de sites inéquivalents occupés par les protéines. C’est le nombre de faces du réseau triangulaire présentes dans le triangle équilatéral mentionné ci-dessus. De nombreux petits virus ont des valeurs de N non décrites par cette formule. V. Lorman et S. Rochal remplacent l’approche géométrique par une théorie physique qui s’intéresse à une distribution de densité des protéines et associe les positions des protéines aux maximums de cette distribution.

[2Serguei Rochal est membre de la Faculté de Physique de l’Université Fédérale du Sud, 5 rue Zorge, 344090, Rostov-sur-le-Don, Russie, et a effectué plusieurs séjours à Montpellier avec un poste PAST d’enseignant-chercheur invité.

[3Au moment de la formation (cristallisation) de la capside, la symétrie de la distribution des protéines passe de celle de la sphère à celle, plus basse, de l’icosaèdre en excluant les symétries par rapport à un plan (chiralité). Le point de départ de la théorie de V. Lorman et S. Rochal est donc l’énumération des fonctions sur la sphère qui sont invariantes par cette symétrie réduite.
Les structures expérimentales sont représentées à l’aide du logiciel "Chimera", Université de Californie, San Francisco, E.F. Petersen et coll., Comput. Chem. Eng. 25 (2004) 1605.

[4V.L. Lorman et S.B. Rochal : Density-wave theory of the capsid structure of small icosaedral viruses, Physical Review Letters, 98 (2007) 185502.

[5V.L. Lorman et S.B. Rochal : Landau theory of crystallization and the capsid structures of small icosahedral viruses, Physical Review B, 77 (2008) 224109 http://link.aps.org/abstract/PRB/v77/e224109

[6Jessica Thomas : Viruses : Cover story, Nature Nanotechnology - May 2007, Volume 2 No 5 pp257-32, doi:10.1038/nnano.2007.172


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