Les développements de la biologie systémique (Encadré 1) des infections reposent sur l’essor de l’« infectomique », discipline qui regroupe l’ensemble des technologies « -omiques » à haut débit (Encadré 2) appliquées à l’étude systématique du répertoire moléculaire des interactions entre les agents pathogènes et leurs hôtes, l’« infectome » [ 1]. En ce qui concerne les pathogènes viraux, l’infectome peut être défini comme l’ensemble des interactions moléculaires et fonctionnelles (par exemple les régulations génétiques, les interactions protéine-protéine, les réactions métaboliques) entre les composants des virus (génome, capside, enveloppe virale, etc.) et ceux de la cellule hôte (le cytosquelette, le noyau, les membranes, les organites, etc.) (→).

(→) Voir l’Éditorial de Pierre Legrain, p. 559 de ce numéro

Figure 1 Du génome au réseau d’interactions protéiques du virus, une approche transversale de biologie moléculaire systémique. Une répartition taxonomique des génomes séquencés est tout d’abord donnée. Ces génomes sont utilisés comme un canevas (par une approche de « protéomique inverse ») pour l’annotation des protéines (ou fragments de protéines) encodées et la genèse de l’OR-Féome viral, c’est-à-dire l’ensemble des ORF (open reading frame). L’ORFéome viral est utilisé pour le criblage systématique de l’interactome virus-virus et virus-hôte. Un exemple théorique d’un espace de recherche de 18 combinaisons concernant 3 protéines virales et 3 protéines cellulaires est présenté (1 si interagit, 0 si n’interagit pas). Les interactions expérimentales (arêtes rouges) sont intégrées au sein d’une modélisation du réseau d’interactions entre les protéines du virus (nœuds rouges) et celles de l’hôte (nœuds bleus). L’étude systémique des réseaux d’interactions protéine-protéine permet l’identification de liens entre l’architecture du réseau et le fonctionnement cellulaire. Cette approche conduit à la proposition de nouvelles hypothèses biologiques testables expérimentalement.

Figure 1 Du génome au réseau d’interactions protéiques du virus, une approche transversale de biologie moléculaire systémique. Une répartition taxonomique des génomes séquencés est tout d’abord donnée. Ces génomes sont utilisés comme un canevas (par une approche de « protéomique inverse ») pour l’annotation des protéines (ou fragments de protéines) encodées et la genèse de l’OR-Féome viral, c’est-à-dire l’ensemble des ORF (open reading frame). L’ORFéome viral est utilisé pour le criblage systématique de l’interactome virus-virus et virus-hôte. Un exemple théorique d’un espace de recherche de 18 combinaisons concernant 3 protéines virales et 3 protéines cellulaires est présenté (1 si interagit, 0 si n’interagit pas). Les interactions expérimentales (arêtes rouges) sont intégrées au sein d’une modélisation du réseau d’interactions entre les protéines du virus (nœuds rouges) et celles de l’hôte (nœuds bleus). L’étude systémique des réseaux d’interactions protéine-protéine permet l’identification de liens entre l’architecture du réseau et le fonctionnement cellulaire. Cette approche conduit à la proposition de nouvelles hypothèses biologiques testables expérimentalement.

Figure 2 La cellule infectée virtuelle, vers un modèle systémique de l’infection. Projection des cibles cellulaires du virus au sein du réseau d’interactions protéine-protéine de la cellule. Les interactions entre les protéines cellulaires sont représentées en bleu et viennent compléter le formalisme présenté dans la Figure 1. L’étude du graphe (Encadré 3) représentant le réseau cellulaire infecté par le virus de l’hépatite C a permis d’étudier la proximité des protéines ciblées dans le réseau (plus court chemin entre deux protéines, traduisant une voie fonctionnelle potentielle). Les protéines du VHC interagissent de manière préférentielle avec les hubs et les « ponts moléculaires ».

Figure 2 La cellule infectée virtuelle, vers un modèle systémique de l’infection. Projection des cibles cellulaires du virus au sein du réseau d’interactions protéine-protéine de la cellule. Les interactions entre les protéines cellulaires sont représentées en bleu et viennent compléter le formalisme présenté dans la Figure 1. L’étude du graphe (Encadré 3) représentant le réseau cellulaire infecté par le virus de l’hépatite C a permis d’étudier la proximité des protéines ciblées dans le réseau (plus court chemin entre deux protéines, traduisant une voie fonctionnelle potentielle). Les protéines du VHC interagissent de manière préférentielle avec les hubs et les « ponts moléculaires ».

Génomique virale, recherche des composantes du système

Une partie des bases moléculaires des maladies induites par les virus est codée au niveau génomique. Un nombre important de projets de séquençage systématique de génomes viraux a été réalisé. À ce jour, sur les 5 972 génomes d’espèces entièrement séquencés et référencés dans la base de données du NCBI Entrez génome, près de 2 292 génomes correspondent à des virus (Figure 1) ¹. Même si ces projets ne couvrent pas encore l’incroyable diversité des souches et des quasiespèces pourtant en lien direct avec leur virulence, leur pathogénicité et leur tropisme, ils apportent néanmoins une information unique sur la diversité des modes d’organisation génomique du monde viral, comme en témoigne le nombre important de gènes viraux sans homologues connus (gènes orphelins ou orphan). Par ailleurs, ces génomes viraux sont extrêmement compacts en comparaison des génomes eucaryotes et codent au total pour plus de 75 000 protéines. Si on considère les génomes viraux mis bout à bout, ces protéines sont réparties au total sur plus de 60 mégabases, soit la taille du chromosome 20 humain. Mais le développement de cibles antivirales repose principalement sur la connaissance fine des structures biochimiques et des fonctions biologiques de ces protéines virales [ 2] qui, pour la grande majorité d’entre elles, restent encore peu ou pas caractérisées.

Interactome virus-hôte, définition de l’interface moléculaire de l’infection

Les virus, parasites intracellulaires obligatoires, utilisent les ressources métaboliques et la machinerie moléculaire de la cellule hôte pour réaliser leur cycle de réplication. Dans le contexte général d’une infection, les composants viraux (les protéines, l’ARN, l’ADN) n’agissent pas de manière isolée. La recherche des partenaires viraux ou cellulaires des protéines virales offre un cadre idéal pour l’étude de leurs fonctions et de leur rôle éventuel dans le développement des pathologies associées à l’infection. Depuis l’avènement de la biologie moléculaire, ce type d’approche a été très utilisé à l’échelle d’une protéine ou même d’une interaction binaire testée a priori (par exemple par des techniques de GST pull down, co-immunoprécipitation ou double hybride en levure). Cependant, peu d’efforts ont encore été engagés à ce jour dans la caractérisation systématique à large échelle du vaste espace d’interactions des protéines virales. En effet, plusieurs millions d’interactions binaires devraient encore être testées en théorie si l’on considère les dizaines de milliers de protéines virales et cellulaires. Citons néanmoins les études pionnières de cartographie de l’interactome viral par la technologie du double hybride en levure (Y2H : yeast two-hybrid) réalisées à l’échelle de plusieurs virus entiers dont celui de l’hépatite C [ 9], du SARS (severe acute respiratory syndrome) [ 10] et de plusieurs herpèsvirus [ 11, 12]. Des travaux récents ont également été entrepris pour explorer sans a priori l’interactome virus-hôte, dont celui de l’EBV (Epstein Barr virus) [ 13], du virus de l’hépatite C [ 14] et du virus de la vaccine [ 15]. Comme pour les interactomes des organismes modèles, ces avancées ont été rendues possibles par le développement de larges collections d’ORF (open reading frame, cadre ouvert de lecture) ou ORFéome [ 16, 17]. Ainsi, dans le cadre du projet I-MAP (infectious mapping project), le premier ORFéome viral est en cours d’assemblage dans le but de faciliter l’étude systématique des fonctions des protéines virales tout en prenant en compte la diversité génétique liée aux différentes souches existantes et à leur virulence. Cet ORFéome viral est accessible au sein de la base de données publique ViralORFéome² [ 18]. En complément de l’approche I-MAP, de nombreuses initiatives internationales de criblage d’interactomes virus-hôte sont en train de bouleverser la discipline. Citons les travaux en cours du Center for cancer system biology sur le virus VPH5^3,, et ceux de l’Institute of toxicology and genetics sur les herpèsvirus⁴.

L’accumulation de perturbations moléculaires et cellulaires induites au cours d’une infection aiguë (grippe, rougeole, Chickungunya, etc.) ou chronique (VHC, VHB, VIH, EBV, etc.) joue, en combinaison avec d’autres facteurs de risque dont les prédispositions génétiques, un rôle prépondérant dans le développement de pathologies. Nous avons dans ce contexte introduit un modèle formel d’infection basé sur des données d’interactions moléculaires impliquées au cours d’une infection et une représentation sous forme de graphe (Encadré 3), véritable ossature physique de la cellule infectée virtuelle (Figure 2).

Dans le cadre d’une étude pilote menée au sein du projet I-MAP, le modèle de cellule infectée virtuelle a été appliqué à la simulation de l’infection virale par le VHC (génotype 1b). Une approche de criblage double hybride systématique nous a tout d’abord permis d’établir une première carte dite de « haute confiance » de l’infection par le génotype 1b du VHC. Cette carte comprend 481 interactions directes entre les 11 protéines du VHC et 421 protéines cellulaires humaines. L’analyse des fonctions cellulaires des cibles cellulaires du VHC a montré une attaque préférentielle de plusieurs voies cellulaires dont la voie d’adhésion focale des cellules à leur substrat ; la perturbation de cette voie par les protéines NS3 actives et NS5A du VHC a été validée in vitro. Ces résultats suggèrent que cette voie intervient dans la mise en place du phénotype tumoral lié à la perte d’adhésion des cellules qui est associée à l’infection chronique par le VHC (par exemple dans les hépatocarcinomes).

Une étude sans a priori des cibles protéiques du VHC dans le contexte du réseau cellulaire humain (Encadré 3) a révélé une interaction préférentielle des protéines virales avec des protéines fortement connectées à d’autres protéines cellulaires (ce sont les hubs moléculaires qui agissent comme des nœuds centraux) et des protéines centrales dans le réseau (Figure 2) [ 19]. Nous avons par ailleurs montré une interaction préférentielle et massive des protéines virales du VHC avec des protéines de type « goulot d’étranglement » (ce sont des bottleneck moléculaires) dans le réseau (Figure 2). Ces protéines présentent des caractéristiques topologiques particulières : elles ont un nombre restreint de partenaires protéiques et une centralité importante dans le réseau cellulaire. Elles joueraient un rôle crucial dans la coordination des régulations entre différentes voies fonctionnelles.

Dans une première tentative exploratoire, un interactome panviral a été reconstruit à partir des résultats de plus de trente années de recherche sur les interactions des protéines virales incluant les premiers résultats de cribles systématiques. Plus de 4 000 interactions protéine-protéine ont été compilées (2 700 interactions virus-virus ; 1 600 interactions virus-hôte) [ 20] (Tableau I). Un des résultats marquants est le nombre de fonctions cellulaires ciblées par les virus, avec plus de 5 % (1 600 cibles protéiques) du protéome potentiellement impliqué au cours de l’épisode infectieux. L’ensemble des données est accessible dans la base de connaissances VirHostNet^5,. Même si cette première image de l’infection est loin d’être complète, elle propose un point de référence inédit pour des études ultérieures de prédiction in silico d’interaction et de criblage systématique des interactions pathogènes-hôte. D’autres projets internationaux de haute confiance viennent épauler VirHostNet dans l’annotation des interactions virushôte. Citons la base de données spécialisée VirusMint⁶ [ 21] ou IntAct⁷, plus généraliste [ 22]. Alors que la couverture offerte par VirHostNet est actuellement nettement plus large⁸, VirusMint et IntAct s’efforcent d’apporter une documentation plus précise des méthodes expérimentales à l’origine de l’identification des interactions.

Tableau I Synthèse de l’interactome virus-virus et virus-hôte. Les huit virus majoritaires dans la base de connaissances sont référencés : le VHC (virus de l’hépatite C), VHB (virus de l’hépatite B), VIH-1 (vi rus de l’immunodéficience humaine de type 1), VHH-4 (virus de l’herpès humain de type 4), VHH-1 (virus de l’herpès humain de type 1), VAA-2 (adénovirus de type 2), VV (virus de la vaccine), VPH-16 (virus du papillome humain de type 16). Un bilan du nombre d’interactions protéine-protéine, virus-virus et virus-hôte ainsi que le nombre de cibles cellulaires est donné pour chacun de ces huit virus. D’après les données issues de la base de connaissances VirHostNet (http://pbildb.univ-lyon1. fr/virhostnet).

Tableau I Synthèse de l’interactome virus-virus et virus-hôte. Les huit virus majoritaires dans la base de connaissances sont référencés : le VHC (virus de l’hépatite C), VHB (virus de l’hépatite B), VIH-1 (vi rus de l’immunodéficience humaine de type 1), VHH-4 (virus de l’herpès humain de type 4), VHH-1 (virus de l’herpès humain de type 1), VAA-2 (adénovirus de type 2), VV (virus de la vaccine), VPH-16 (virus du papillome humain de type 16). Un bilan du nombre d’interactions protéine-protéine, virus-virus et virus-hôte ainsi que le nombre de cibles cellulaires est donné pour chacun de ces huit virus. D’après les données issues de la base de connaissances VirHostNet (http://pbildb.univ-lyon1. fr/virhostnet).

L’intégration des données issues des technologies haut débit appliquées aux relations pathogènes-hôte permettra de modéliser une cellule infectée virtuelle. L’architecture actuelle de cette cellule infectée virtuelle est encore à l’état embryonnaire mais elle constitue une base inestimable pour une compréhension synthétique des bases moléculaires des infections et des maladies infectieuses associées. Par ailleurs, elle offre un canevas pour une interprétation et une intégration rationnelles du flot exponentiel de données issues des projets d’infectomique en cours et à venir.

En complément des technologies de cartographie des interactomes (par exemple par Y2H), les technologies de criblage pangénomique par ARN interférents (banques de si ARN ou de shARN) se révèlent d’une valeur inestimable dans l’étude mécanistique des relations virus-hôte. Elles permettent d’identifier, par une approche systématique, les cofacteurs cellulaires indispensables à la réplication du virus mais également ceux potentiellement impliqués dans les processus de division et de prolifération anormales des cellules infectées [ 23– 26]. À ce jour, plus de 1 500 facteurs cellulaires essentiels pour la réplication virale ont été isolés. La mise en connexion de ces facteurs-clés avec le réseau d’interactions protéine-protéine virus-hôte permettra de proposer une convergence de rationnels systémiques pour l’identification de nouvelles cibles cellulaires antivirales.

Bien qu’indispensable dans la phase de reconstruction « ascendante » (bottom-up) de modèles mécanistiques qualitatifs (reconstruction de voies de signalisation moléculaire et de complexes protéiques), l’aspect quantitatif et prédictif des modèles s’appuyant sur ces données reste encore limité [ 27]. La caractérisation d’empreintes (signature moléculaire globale) et de profils (catalogue de molécules) transcriptomique et métabolomique par une approche de biologie systémique dite « descendante » (top-down) permet néanmoins de pallier ce problème. En effet, l’étude des variations des concentrations d’ARN messagers ou de métabolites mesurées dans des échantillons cellulaires ou tissulaires permet d’élaborer des modèles beaucoup plus prédictifs, par exemple pour la classification des tumeurs, des maladies ou des molécules thérapeutiques.

Ainsi, dans un futur proche, l’intégration multi-échelles des données d’« - omiques » - fusionnant des approches de biologie moléculaire systémique « ascendante » et « descendante » - devrait permettre une modélisation fine des différents modes d’organisation et de réponse fonctionnelle de la cellule au cours de l’infection. Dans ce contexte, le modèle de cellule infectée virtuelle pourra alors être décliné selon différentes pathologies, différents virus, différentes familles de protéines, etc. Finalement, l’étude systématique panpathogène et comparative inter-souches (souches virulentes/non virulentes, résistantes/non résistantes aux traitements, etc.) et des empreintes et profils moléculaires devrait conduire au développement d’outils diagnostiques, notamment pour les maladies dont l’étiologie virale est incertaine (cancers, maladies auto-immunes, etc.) et celles qui sont associées a la chronicité d’une infection (par exemple le syndrome métabolique).

Comme tout modèle, cette description holistique du système infectieux n’est qu’un reflet très partiel de la réalité et de la complexité biologiques. Elle ne pourra en aucun cas se substituer aux modèles réduits classiquement développés en virologie. Ces deux approches, l’une réductionniste (l’étude des propriétés des composants), l’autre holistique (l’étude des propriétés émergentes du système d’interaction des composants) devront être utilisées de manière conjointe pour sans cesse s’enrichir mutuellement. Le développement synergique d’approches interdisciplinaires et transversales est l’une des clés de la réussite, comme l’atteste le nombre croissant d’instituts de recherche couplant les aspects de biologie systémique et de biologie analytique.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Ce travail a été financé par l’Anrs, l’Inserm et le ministère français chargé de l’Industrie. Vincent Navratil a été financé par l’Inra. Tous nos remerciements au Dr Abdel Aouacheria, à Sandy Navratil et aux experts de Médecine/Sciences pour leurs critiques et leurs commentaires sur le manuscrit.