Exercices: Virus, viroïdes et prions

Exposer trois raisons pour lesquelles les virus ne sont pas considérés comme des êtres vivants selon les critères classiques (organisation cellulaire, métabolisme et reproduction) et une raison pour laquelle le débat reste ouvert.

Décrire la structure de base d'un virus (génome, capside et, chez certains, enveloppe) et expliquer la différence entre un virus nu et un virus enveloppé, avec un exemple de chacun.

Que sont les viroïdes et que sont les prions ? Indiquer quels organismes infectent les premiers et citer une maladie humaine ou animale causée par des prions.

Expliquer ce qu'est un bactériophage, décrire sa structure (tête contenant le génome, queue et fibres de fixation) et indiquer quelle est sa « proie » et pourquoi chaque phage n'infecte que certaines bactéries.

Différencier les virus à génome d'ADN de ceux à génome d'ARN, et donner un exemple de maladie causée par chaque type (herpès ou variole d'une part, grippe, rougeole ou COVID-19 d'autre part), en indiquant ce que cela implique pour leur variabilité.

Qu'est-ce qu'un vaccin et comment « entraîne »-t-il le système immunitaire sans provoquer la maladie ? Citer deux types de vaccins (atténués, inactivés, sous-unitaires, à ARN messager) et expliquer en quoi ils diffèrent.

Expliquer ce qu'est la spécificité d'hôte d'un virus (pourquoi le virus de la mosaïque du tabac ne nous infecte-t-il pas ?) et quelles barrières un virus doit franchir pour infecter une autre espèce (récepteurs, machinerie cellulaire).

Nommer trois voies de transmission des virus (respiratoire, fécale-orale, sexuelle ou sanguine, par des vecteurs comme les moustiques) avec un exemple de maladie pour chacune, et indiquer une mesure de prévention spécifique à chaque voie.

Décrire le cycle lytique et le cycle lysogénique d'un bactériophage, en indiquant en quoi ils diffèrent et quelle conséquence a pour la bactérie l'entrée du phage en latence.

Observer la structure du virus représentée sur l'image. a) Expliquer le rôle des structures 1, 2 et 4 lors de l'infection d'une cellule. b) Justifier pourquoi la structure 3 rend ce type de virus particulièrement sensible au savon et aux solutions alcooliques. c) Peut-on savoir uniquement à partir de l'image si son génome est de l'ADN ou de l'ARN ? Justifier votre réponse.

L'approche « une seule santé » (One Health) considère la santé humaine, celle des animaux et celle de l'environnement comme un unique système interconnecté. L'expliquer à partir des zoonoses virales : donner deux exemples (rage, grippe aviaire ou COVID-19) et justifier comment la déforestation, l'élevage intensif et le commerce d'animaux sauvages favorisent le passage d'un virus d'une espèce animale à l'être humain.

Classer dans l'ordre et décrire les étapes du cycle de réplication d'un virus (adsorption, pénétration, réplication et synthèse, assemblage, libération), et indiquer à quelles étapes les médicaments antiviraux peuvent agir (blocage de l'entrée, inhibition de la polymérase ou de la protéase).

La grippe change de deux manières. Différencier la dérive antigénique (mutations ponctuelles annuelles) de la cassure ou saut antigénique (recombinaison entre virus, origine des pandémies), et justifier pourquoi la grippe aviaire et la grippe porcine sont surveillées comme sources possibles de nouveaux virus pandémiques.

Les vaccins à ARN messager ont été utilisés massivement pour la première fois avec la COVID-19. Expliquer comment ils fonctionnent (instruction temporaire pour que nos cellules fabriquent l'antigène), quel avantage de rapidité de conception ils offrent et pourquoi il est faux de dire qu'ils peuvent modifier notre ADN (où l'ARNm agit-il et quelle est sa demi-vie ?).

Le papillomavirus humain (HPV) peut provoquer le cancer du col de l'utérus et d'autres tumeurs. Expliquer comment un virus peut favoriser le cancer (perturbation du contrôle du cycle cellulaire par ses protéines), pourquoi il met des années à apparaître et pourquoi la vaccination des adolescents — garçons et filles — est un vaccin contre le cancer.

Le VIH infecte les lymphocytes T CD4. Expliquer pourquoi la destruction de ces cellules désorganise tout le système immunitaire, ce qu'est le sida (la phase finale en l'absence de traitement) et pourquoi les antirétroviraux transforment l'infection en une maladie chronique maîtrisée sans la guérir (réservoirs de virus latent).

Lors d'une épidémie due à un nouveau virus respiratoire, on estime un nombre de reproduction de base $R_0 = 2,5$.

1. a) Les autorités sanitaires envisagent deux scénarios alternatifs : appliquer des mesures de contrôle non pharmacologiques (masques et aération, qui réduisent la probabilité de contagion par contact de $40\,\%$) ou s'en remettre exclusivement à un vaccin d'une efficacité de $80\,\%$ appliqué à $60\,\%$ de la population. Prédire quantitativement laquelle des deux stratégies parviendra à elle seule à freiner l'expansion de l'épidémie (faire en sorte que le nombre de reproduction effectif $R_t$ soit inférieur à $1$), en justifiant vos calculs.
2. b) Un responsable public affirme : « Si nous parvenons à vacciner $50\,\%$ de la population avec un vaccin efficace à $100\,\%$, le virus s'éteindra immédiatement parce que la moitié de la population ne contamine plus. » Réfuter cette affirmation de façon quantitative et biologique en calculant la valeur résultante de $R_t$ et en décrivant ce qui se produira à court terme sur la courbe des contaminations.

Dans un laboratoire, on analyse deux virus émergents qui infectent les lymphocytes humains : le virus Alpha (à génome d'ADN bicaténaire de $150\text{ kb}$) et le virus Beta (à génome d'ARN monocaténaire de $15\text{ kb}$). Des particules virales sont isolées chez des patients après six mois d'infection :

• Chez Alpha, la séquence du gène de la glycoprotéine d'adhésion présente une divergence moyenne de $0,001\,\%$ par rapport à la souche inoculée.

• Chez Beta, la divergence de la protéine homologue est de $4,2\,\%$, et l'on observe un large nuage de variants chez un même hôte.

1. a) Justifier, aux niveaux moléculaire et enzymatique, la cause de cette énorme disparité entre les taux de mutation observés chez les deux virus.
2. b) Pour combattre les deux pathogènes, on teste un vaccin sous-unitaire protéique fondé sur un unique variant de la protéine d'adhésion et un médicament inhibiteur de cette protéine. Prédire, en argumentant, le pronostic d'efficacité à moyen terme de ces stratégies chez Alpha et chez Beta.
3. c) Quelle cible virale ou quelle stratégie pharmacologique proposeriez-vous pour le virus Beta afin de réduire la probabilité qu'il développe des variants résistants ?

Une équipe de recherche cherche à déterminer la nature de l'agent infectieux responsable d'une nouvelle encéphalopathie spongiforme. Pour cela, elle soumet des échantillons de tissu cérébral infectieux à différents traitements avant de les inoculer à des souris saines de laboratoire :

• Traitement 1 : digestion exhaustive par des DNases et des RNases $\rightarrow$ Le $100\,\%$ des souris tombe malade.

• Traitement 2 : irradiation ultraviolette à des doses létales pour les acides nucléiques $\rightarrow$ Le $100\,\%$ des souris tombe malade.

• Traitement 3 : autoclave à $121\text{ }^\circ\text{C}$ pendant $20\text{ minutes}$ $\rightarrow$ Le $100\,\%$ des souris tombe malade.

• Traitement 4 : ébullition prolongée dans de l'hydroxyde de sodium ($1\text{ M}$) ou digestion par des protéases puissantes $\rightarrow$ Aucune souris ne tombe malade.

• Traitement 5 : l'échantillon infectieux intact est inoculé à des souris Knock-Out dont le gène $PRNP$ a été supprimé (elles n'expriment pas la protéine cellulaire normale $\text{PrP}^\text{C}$) $\rightarrow$ Aucune souris ne développe la maladie ni ne multiplie l'agent pathogène.

1. a) Interpréter les résultats des traitements 1, 2 et 4 : déduire la nature biochimique de l'agent pathogène et justifier pourquoi sa découverte a constitué une apparente violation du dogme central de la biologie moléculaire.
2. b) Expliquer au niveau structural (conformation secondaire et agrégation) pourquoi le traitement 3 a échoué alors que le traitement 4 a permis de neutraliser l'infectiosité.
3. c) Déduire du traitement 5 le mécanisme par lequel cet agent pathogène parvient à se « répliquer » chez un hôte sain et expliquer pourquoi les souris dépourvues du gène $PRNP$ sont immunisées.

Le virus de la rougeole est l'un des agents pathogènes les plus transmissibles connus, avec un $R_0 \approx 15$. Dans une population de $300\,000$ habitants, on dispose d'un vaccin dont l'efficacité contre l'infection est de $95\,\%$.

1. a) Déduire de la condition de contrôle épidémique ($R_t < 1$) la formule du seuil d'immunité collective ($H_c = 1 - 1/R_0$) et calculer le pourcentage minimal réel de la population qui doit être vacciné pour garantir la protection collective, en tenant compte de l'efficacité du vaccin.
2. b) À la suite d'une campagne de désinformation, la couverture vaccinale de cette communauté descend à $88\,\%$. Si un cas primaire est introduit dans la communauté, prévoir quantitativement si l'épidémie s'éteindra ou si elle évoluera en épidémie de grande ampleur, en calculant la valeur du nombre de reproduction effectif ($R_t$).
3. c) Dans cette population vivent 600 personnes qui ne peuvent pas être vaccinées pour des raisons médicales (immunodépression ou allergies graves). Justifier biologiquement la notion de « vaccination comme acte solidaire » et illustrer la différence que subit ce groupe vulnérable si la couverture de la population saine est de $98\,\%$ plutôt que de $88\,\%$.

Vous faites partie d'un panel épidémiologique chargé d'évaluer la faisabilité biologique de l'éradication de trois agents pathogènes viraux :

• Virus A (virus de la rage) : virus à ARN ; létalité proche de $100\,\%$ ; infecte de nombreux mammifères sauvages (chauves-souris, renards) et domestiques ; il existe un vaccin inactivé très efficace.

• Virus B (poliovirus de type 1) : virus à ARN ; réservoir exclusivement humain ; entre $90\,\%$ et $95\,\%$ des personnes infectées sont totalement asymptomatiques mais excrètent des particules virales viables dans les selles pendant des semaines ; il existe un vaccin oral et un vaccin inactivé efficaces.

• Virus C (virus de la rougeole) : virus à ARN ; réservoir exclusivement humain ; près de $100\,\%$ des personnes infectées développent une clinique caractéristique et marquée (fièvre, exanthème), sans cas asymptomatiques transmetteurs ; $R_0 \approx 12\text{-}18$ ; il existe un vaccin atténué efficace.

1. a) En s'appuyant sur la notion de réservoir naturel, justifier pourquoi le virus A n'est pas biologiquement éradicable à l'échelle mondiale, contrairement à ce qui a été réalisé pour la variole humaine.
2. b) Comparer les difficultés épidémiologiques du virus B et du virus C : lequel des deux constitue le plus grand obstacle à la détection et à l'isolement précoces des chaînes de transmission ? Justifier la réponse.
3. c) Concevoir une méthode de surveillance épidémiologique non invasive permettant de détecter la circulation active du virus B dans une ville sans avoir à effectuer de prélèvements cliniques individuels sur toute la population.

Dans une région de forêt tropicale, $60\,000\text{ hectares}$ de forêt primaire sont abattus pour installer des monocultures et des élevages porcins intensifs. Deux ans plus tard, on enregistre une flambée de syndrome respiratoire aigu et d'encéphalite chez des travailleurs des élevages, causée par un nouveau virus à ARN apparenté à des agents pathogènes de chiroptères.

1. a) Formuler une hypothèse écologique décrivant la chaîne de transmission du saut zoonotique (spillover), en expliquant le rôle de la perturbation de l'écosystème, de la chauve-souris comme réservoir sauvage et du porc d'élevage comme hôte amplificateur.
2. b) L'échantillonnage biologique révèle que, dans les fragments de forêt dégradée, la richesse en espèces de chiroptères a diminué de $65\,\%$, mais que la densité d'une espèce opportuniste réservoir du virus a triplé. Relier ce schéma au concept écologique d'« effet de dilution » et argumenter pourquoi la perte de biodiversité augmente le risque de zoonose.
3. c) Dans l'approche multidisciplinaire One Health (« Une seule santé »), concevoir deux mesures de prévention applicables à l'environnement ou à la gestion agricole et d'élevage qui évitent de futurs événements d'émergence virale dans la zone.

Le viroïde du tubercule fusiforme de la pomme de terre (PSTVd) est constitué d'une seule molécule circulaire d'ARN monocaténaire de 359 nucléotides. L'analyse de sa séquence révèle qu'il est totalement dépourvu de codons d'initiation AUG et de tout cadre ouvert de lecture (ORF), de sorte qu'il ne synthétise aucune protéine.

1. a) Lorsque le PSTVd est incubé avec des ribosomes et des facteurs de traduction dans un tube à essai, aucun peptide n'est synthétisé. Pourtant, lorsqu'il est inoculé dans des noyaux de cellules de pomme de terre, le viroïde se réplique abondamment. Justifier comment un acide nucléique non codant parvient à se multiplier dans la cellule végétale et déduire quelle enzyme nucléaire de la plante est détournée à cette fin.
2. b) Si le viroïde ne produit ni toxines ni protéines de capside, comment provoque-t-il des nécroses et de graves malformations chez la plante ? Expliquer le mécanisme pathogène au niveau moléculaire en s'appuyant sur le traitement cellulaire de l'ARN exogène par des enzymes de type Dicer et sur la voie de l'ARN interférent (siRNA).
3. c) Certains viroïdes présentent des domaines à activité ribozyme capables de catalyser leur propre coupure et leur propre ligature lors de la réplication. Justifier pourquoi les viroïdes sont considérés comme des candidats au statut de « fossiles moléculaires » des étapes initiales de l'origine de la vie cellulaire.

Un patient infecté par le VIH et non traité présente une charge virale avec une production quotidienne de $10^9$ virions. La transcriptase inverse du virus ne possède pas d'activité de relecture et commet $1$ erreur pour $10^4$ nucléotides (la taille de son génome est d'environ $10^4$ bases).

1. a) On estime que la probabilité qu'une particule virale acquière au hasard une mutation conférant une résistance au médicament A est de $10^{-5}$, au médicament B de $10^{-5}$ et au médicament C de $10^{-6}$ (mutations indépendantes) :

• Calculer combien de virions résistants au médicament A sont produits par jour chez ce patient et prévoir ce qu'il adviendra de la charge virale s'il est traité exclusivement par le médicament A en monothérapie.

• Calculer la probabilité théorique qu'un seul virion accumule simultanément la résistance aux médicaments A, B et C. À partir de cette valeur, justifier le succès thérapeutique du traitement antirétroviral combiné (trithérapie).

1. b) Si le patient suit la trithérapie mais ne respecte pas les doses de manière irrégulière (oublis fréquents), prévoir les conséquences évolutives sur la diversité des quasi-espèces du virus et expliquer pourquoi ce comportement conduit à un échec thérapeutique par multirésistance.
2. c) Pourquoi l'existence de quasi-espèces et le taux de mutation élevé ont-ils empêché d'obtenir un vaccin efficace contre le VIH, alors qu'il existe des vaccins stérilisants et durables contre des virus à génome stable comme ceux de la variole ou des oreillons ?

Défi du thème. Imaginez que vous conseillez le ministère de la Santé et de l'Agriculture. Votre mission est d'évaluer la menace que représentent les formes acellulaires dans votre environnement et de concevoir un guide technique de biosécurité.

1. Obtention de données réelles : consulter les publications de Santé publique France ou du ministère de l'Agriculture. Relever l'incidence ou la prévalence récente d'une virose (par exemple, la grippe, avec un taux de $18,4$ cas pour $100\,000$ habitants), d'un viroïde végétal (comme celui du rabougrissement de la tomate) et d'une prionopathie d'élevage.

2. Analyse comparative : élaborer un tableau comparant les trois agents selon leur composition ($ARN$, $ADN$ ou isoforme protéique $PrP^{Sc}$), la présence ou l'absence de capside/enveloppe et leur taille approximative en nanomètres ($nm$).

3. Avis argumenté : rédiger une proposition d'action ($1$ page) expliquant quels traitements physiques ou chimiques (autoclave, rayonnement UV, eau de Javel) sont efficaces contre chacun, en justifiant pourquoi la résistance d'un prion ou d'un viroïde diffère radicalement de celle d'un virus à enveloppe lipidique.

Seront évalués :

• La rigueur conceptuelle dans la distinction entre la structure moléculaire et la pathogénie des virus, des viroïdes et des prions.

• L'obtention précise et la citation correcte de données épidémiologiques issues de sources officielles.

• La cohérence scientifique de la justification physico-chimique des méthodes de désinfection proposées.