Comme tous les virus, les rétrovirus, dont le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), sont des « parasites » intracellulaires stricts. Le VIH-1 infecte essentiellement les lymphocytes T CD4⁺, mais également les cellules dendritiques et les macrophages. Suite à l’entrée du virus dans ses cellules-cibles, la capside contenant l’ARN viral chemine à travers le cytoplasme jusqu’à la membrane nucléaire où l’ARN viral est rétro-transcrit en ADN double-brin. De façon concomitante, la capside subit un désassemblage contrôlé, permettant la translocation du complexe de pré-intégration contenant l’ADN proviral à travers les pores nucléaires afin qu’il s’intègre au génome de la cellule. Une fois intégré, la transcription, l’épissage et la traduction des ARN viraux néo-synthétisés sont assurés par la machinerie cellulaire et les nouvelles particules virales sont assemblées et libérées à la surface des cellules. Parallèlement au détournement de la machinerie cellulaire à son profit, le VIH-1 doit également éviter, ou contrecarrer, un arsenal de défenses cellulaires mis en place pour limiter sa réplication. Ces défenses sont assurées par des protéines cellulaires connues sous le terme de facteurs de restriction, qui interfèrent avec de multiples étapes de son cycle réplicatif [1]. APOBEC3G (apolipoprotein B mRNA editing enzyme catalytic subunit 3G), TRIM5α (tripartite motif protein 5α), SAMHD1 (sterile alpha motif and histidine-aspartate domain-containing protein 1), Mx2 (MX dynamin-like GTPase 2), et BST-2 (bone marrow stromal antigen 2), sont quelques-uns des nombreux facteurs de restriction identifiés depuis une quinzaine d’années, mais il est vraisemblable que d’autres facteurs de restriction anti-VIH restent encore à découvrir [2] (→).

(→) Voir la Nouvelle de G. Chougui et al, m/s n° 1, janvier 2019, page 9

TRIM5α est une protéine appartenant à la famille TRIM, qui regroupe des protéines présentant une organisation commune, constituée de 3 domaines conservés comprenant un domaine RING^1,, un ou deux motifs B-Box^2, et une région superhélice (coiled-coil). TRIM5α possède, en plus de ces 3 domaines canoniques, un domaine B30.2³ à son extrémité C-terminale, qui lui permet de reconnaître la capside virale après son entrée dans le cytoplasme (Figure 1A). En réponse à cette reconnaissance, la protéine s’auto-oligomérise autour de la capside et entraîne son désassemblage précoce, inhibant ainsi la réplication du virus [3]. C’est chez le macaque rhésus que cette activité antivirale de TRIM5α a été découverte en 2004 [4]. En effet, comme la plupart des singes, les macaques résistent à l’infection par le VIH-1 grâce à l’expression de cette protéine dans leurs cellules [5]. Les cellules humaines sont, quant à elles, incapables de bloquer le VIH-1, mais la protéine TRIM5α humaine peut cependant inhiber certains rétrovirus équins et murins [4].

Figure 1. Identification des sites de SUMOylation dans TRIM5a. A. Représentation schématique de la protéine TRIM5α. Le principal site de SUMOylation ainsi que les autres sites de SUMOylation potentiels identifiés dans la protéine TRIM5α humaine sont représentés. B..Principaux motifs consensus de SUMOylation décrits dans la littérature. Ψ, acide-aminé hydrophobe ; X, résidu quelconque ; pS, sérine phosphorylée.

Figure 1. Identification des sites de SUMOylation dans TRIM5a. A. Représentation schématique de la protéine TRIM5α. Le principal site de SUMOylation ainsi que les autres sites de SUMOylation potentiels identifiés dans la protéine TRIM5α humaine sont représentés. B..Principaux motifs consensus de SUMOylation décrits dans la littérature. Ψ, acide-aminé hydrophobe ; X, résidu quelconque ; pS, sérine phosphorylée.

Comme tout processus cellulaire, la restriction rétrovirale est un mécanisme hautement régulé et ce, à de multiples niveaux. Cette régulation s’effectue initialement au niveau transcriptionnel puisque la plupart des facteurs de restriction ne sont pas ou peu transcrits constitutivement. Ils sont induits par les interférons de type 1, des cytokines sécrétées par les cellules infectées qui déclenchent une réponse antivirale dans les cellules avoisinantes afin de limiter la propagation virale [5]. Un autre niveau de régulation important est constitué par les modifications post-traductionnelles. La plus fréquente de ces modifications, la phosphorylation, régule par exemple l’activité antivirale de SAMHD1 [6]. L’autre principale modification post-traductionnelle est l’ubiquitination, qui consiste en la fixation covalente d’une ou de plusieurs protéines d’ubiquitine sur une protéine cible, ce qui conduit, en général, à sa dégradation par le protéasome. C’est par ce mécanisme que le VIH-1 contrecarre la restriction imposée par APOBEC3G ou BST-2 [1]. De nombreuses modifications apparentées à l’ubiquitination existent, comme la SUMOylation, l’ISGylation⁴ ou la NEDDylation, qui impliquent toutes la fixation covalente mais réversible d’une petite protéine à une protéine acceptrice. La SUMOylation, par exemple, consiste en la conjugaison d’une ou plusieurs protéines SUMO au niveau d’un résidu lysine d’une protéine cible. Cette modification peut modifier la stabilité, la localisation sub-cellulaire ou l’activité d’une protéine [7]. Tout comme l’ubiquitination, la SUMOylation fait intervenir 3 enzymes : une enzyme activatrice E1 (hétérodimère SAE1/SAE2 [SUMO-1-activating enzyme 1/2]), une enzyme de conjugaison E2 (Ubc9 [ubiquitin-conjugating enzyme 9]) et l’une des nombreuses E3-SUMO ligases. Le site consensus de SUMOylation est constitué du motif ΨKXE, dans lequel Ψ est un acide-aminé hydrophobe (Ile, Leu ou Val), X un résidu quelconque, et E un acide-aminé acide (Glu ou Asp). Outre ce motif principal, d’autres motifs alternatifs ont été décrits, dont les principaux exemples sont représentés sur la Figure 1B [7].

Il était présumé depuis plusieurs années que l’activité de restriction de TRIM5α pouvait être régulée par SUMO, mais la preuve de cette implication n’a été apportée que récemment, et le mécanisme mis en jeu vient d’être élucidé [8-10]. En 2015, nous avons montré que la surexpression de SUMO exacerbait l’activité anti-VIH de TRIM5α, tandis que l’extinction de la machinerie de SUMOylation par ARN interférence l’inhibait, suggérant ainsi que la SUMOylation de TRIM5α pourrait réguler son activité [8]. Nous avons pu confirmer que TRIM5α constituait un substrat de SUMO, puisque nous sommes parvenus à détecter pour la première fois des formes SUMOylées de TRIM5α dans des expériences de SUMOylation in vitro ainsi que dans des cellules surexprimant TRIM5α, Ubc9 et SUMO. Nous avons initialement constaté que l’enzyme E3-SUMO ligase PIAS1 (protein inhibitor of activated STAT 1) pouvait catalyser la SUMOylation de TRIM5α in vitro, en modifiant la lysine K10 localisée au sein d’un site consensus ΨKXE (VK₁₀EE) de la protéine. Cependant, la mutation de ce résidu K10 s’est révélée sans effet sur la capacité de TRIM5α à inhiber l’infection par le VIH-1, remettant temporairement en question l’implication de SUMO dans son activité de restriction.

Récemment, nous avons à nouveau examiné cette implication sur la base d’une nouvelle hypothèse : étant donné que PIAS1 est exclusivement nucléaire et qu’à l’inverse, TRIM5α exerce son activité dans le cytoplasme, il paraissait peu vraisemblable que cette E3-SUMO ligase soit responsable de la SUMOylation de TRIM5α in vivo. Nous avons donc entrepris d’identifier la E3-SUMO ligase responsable de la SUMOylation de TRIM5α in vivo, en limitant l’étude aux enzymes dont la localisation était compatible avec celle de TRIM5α [10]. Nous avons ainsi identifié RanBP2 (Ras-related nuclear protein-binding protein 2) comme étant la E3-SUMO ligase qui modifie TRIM5α dans les cellules humaines. RanBP2, également nommée Nup358, est une protéine de la famille des nucléoporines, qui forme des filaments sur la face cytoplasmique des pores nucléaires et est notamment impliquée dans le transport nucléo-cytoplasmique des protéines. Il est intéressant de noter que RanBP2 est également la protéine qui permet l’ancrage des capsides de VIH-1 au pore nucléaire, prérequis à la translocation des complexes de pré-intégration dans le noyau [11]. RanBP2 est associée aux protéines RanGAP (Ran GTPase-activating protein), Ubc9 et SUMO pour former un complexe multiprotéique impliqué dans la SUMOylation de protéines dans le cytoplasme [12]. Nous avons pu montrer que TRIM5α est associée à ce complexe et que RanBP2 est responsable de sa conjugaison à SUMO (Figure 2).

Figure 2. La SUMOylation de la protéine TRIM5a par RanBP2 régule son activité antivirale. Suite à l’entrée du virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) dans le cytoplasme de ses cellules-cibles, la capside virale chemine vers les pores nucléaires. Le désassemblage contrôlé des capsides et la rétro-transcription de l’ARN viral conduisent à la formation des complexes de pré-intégration qui vont être transloqués dans le noyau. A. La capside du VIH-1 subit un désassemblage précoce par la protéine TRIM5α (tripartite motif protein 5a) quand celle-ci est SUMOylée par RanBP2 (Ras-related nuclear protein -binding protein 2). B. L’inhibition de la SUMOylation de la protéine TRIM5α l’inactive et restaure ainsi la capacité du VIH-1 à réaliser son cycle de réplication. C. Dans les cellules dendritiques, TRIM5α est incapable de reconnaître les capsides dans le cytoplasme car elle est déSUMOylée et séquestrée dans le noyau des cellules.

Figure 2. La SUMOylation de la protéine TRIM5a par RanBP2 régule son activité antivirale. Suite à l’entrée du virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) dans le cytoplasme de ses cellules-cibles, la capside virale chemine vers les pores nucléaires. Le désassemblage contrôlé des capsides et la rétro-transcription de l’ARN viral conduisent à la formation des complexes de pré-intégration qui vont être transloqués dans le noyau. A. La capside du VIH-1 subit un désassemblage précoce par la protéine TRIM5α (tripartite motif protein 5a) quand celle-ci est SUMOylée par RanBP2 (Ras-related nuclear protein -binding protein 2). B. L’inhibition de la SUMOylation de la protéine TRIM5α l’inactive et restaure ainsi la capacité du VIH-1 à réaliser son cycle de réplication. C. Dans les cellules dendritiques, TRIM5α est incapable de reconnaître les capsides dans le cytoplasme car elle est déSUMOylée et séquestrée dans le noyau des cellules.

Une fois l’enzyme E3 identifiée, il nous restait alors à déterminer quel résidu était la cible de cette SUMOylation. En effet, PIAS1 n’étant pas l’enzyme responsable de la SUMOylation de TRIM5α dans les cellules. Il paraissait donc vraisemblable qu’un résidu autre que K10 en soit le substrat. Nous avons testé cette hypothèse et découvert que la protéine TRIM5α mutée sur le résidu K10 était toujours SUMOylée in vivo [10]. La recherche d’autres sites potentiels de SUMOylation a permis d’identifier trois autres lysines potentiellement SUMOylables : K84, K111 et K167 dans la protéine humaine, et K85, K113 et K169 dans celle de macaque rhésus (Figure 1A) [10]. Dans nos expériences, la protéine TRIM5α humaine mutée sur la lysine 84 fut la seule à ne plus être SUMOylée dans les cellules, démontrant que le site EVK₈₄LSP était le principal site de SUMOylation de la protéine TRIM5α par RanBP2 (Figure 1A). Ce site correspond à deux consensus différents puisqu’il constitue un motif consensus inversé ainsi qu’un motif de SUMOylation phosphorylé (pSUM) caractérisé par la présence d’une sérine phosphorylée (pSer) (Figure 1B) [7]. Ce mutant de TRIM5α est incapable d’inhiber l’infection virale, démontrant ainsi que la SUMOylation de TRIM5α par RanBP2 sur le résidu K84 est indispensable à son activité de restriction (Figure 2A). Ainsi, la mutation de ce résidu ou l’extinction de l’expression de RanBP2 par ARN interférence empêche TRIM5α d’exercer son activité, comme illustré dans la Figure 2B .

Une autre observation intéressante a permis de mettre en évidence un niveau supplémentaire de contrôle de l’activité antivirale de TRIM5α par la machinerie SUMO. Nous avons en effet constaté que la SUMOylation de TRIM5α régulait non seulement son activité, mais également sa localisation sub-cellulaire. Nous avons ainsi pu montrer que la SUMOylation de TRIM5α lui permettait de transiter entre le cytoplasme et le noyau [9]. Si TRIM5α est déSUMOylée dans le noyau, elle y est alors séquestrée et perd ainsi sa capacité à bloquer les capsides virales présentes dans le cytoplasme [9] (Figure 2C). Cette séquestration nucléaire de TRIM5α peut être provoquée artificiellement in vitro, mais elle peut également être physiologique, notamment dans les cellules dendritiques. Dans ces cellules, la déSUMOylation de TRIM5α entraîne sa séquestration dans des corpuscules nucléaires appelés corps de Cajal, ce qui conduit à une absence de restriction dans ces cellules [9, 13].

L’ensemble de nos travaux a donc permis de démontrer que SUMO constitue un régulateur majeur des fonctions antivirales de TRIM5α. Il a permis de mettre en évidence le rôle central des pores nucléaires et également la dualité de la protéine RanPB2, bloquant l’infection par le VIH-1 dans les cellules, mais détournée par le virus pour assurer sa réplication.

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

Ce travail a été financé par l’Agence Nationale de Recherches sur le SIDA et les hépatites virales (ANRS), le programme ATIP/Avenir et le Labex EpiGenMed, au titre du programme « Investissements d’avenir » (ANR-10-LABX-12-01).