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PSI: constants progrès dans la lutte contre le coronavirus
Quelles sont les personnes particulièrement vulnérables à une infection à Sars-CoV-2? Quelle est la méthode la plus efficace pour mettre les protéines du virus hors d’état de nuire? Et pourquoi certaines mutations virales sont-elles beaucoup plus infectieuses que la variante d’origine? Dans le cadre de ses recherches sur le Covid-19, l’Institut Paul Scherrer PSI emprunte de nombreuses voies différentes pour trouver des réponses à ces questions et à d’autres interrogations.
En novembre 2020, une variante résultant d’une mutation du nouveau coronavirus Sars-CoV-2 s’est répandue dans le sud-est de l’Angleterre. Les médias l’ont baptisée «variant britannique», alors que la communauté scientifique l’appelle B.1.1.7 et selon la nouvelle nomenclature de l'OMS, il s'agit de la variante alpha. Il s’est rapidement avéré que cette mutation était environ 1,6 fois plus contagieuse que le coronavirus d’origine. Peu après, d’autres variantes ont été découvertes, comme la variante bêta en Afrique du Sud et maintenant la variante delta en Inde.
Toutes les variantes du virus en question, y compris le variant britannique, ont un point commun: des modifications dans la région du génome qui abrite le plan d’une importante protéine, la protéine spike. Cette protéine située à la surface du virus est une espèce de bras de préhension qui permet au virus de s’arrimer à la cellule humaine et ensuite de l’infecter.
Les protéines comme la protéine spike sont composées d’une série d’acides aminés. Mais tous ces acides aminés n’ont pas la même importance pour le fonctionnement de la protéine. Au début de l’été 2020 déjà, des chercheurs de Berlin s’étaient appuyés sur des simulations informatiques du PSI pour déterminer les acides aminés de la protéine spike particulièrement importants pour le virus. Or il s’est avéré que la position 501 – entre autres – était pour ainsi dire prédestinée à des modifications induites par des mutations. «Plus tard, on a découvert que N501Y était l’une des mutations clés parmi les variantes du coronavirus qui sont apparues», explique Gebhard Schertler, directeur de la division de recherche Biologie et chimie au PSI et coauteur de l’étude. La mutation entraîne l’introduction d’un acide aminé différent à la position 501, ce qui renforce la liaison avec le récepteur. Alpha, bêta et gamma sont porteurs de cette mutation.
L’étude démontre de manière impressionnante à quel point l’évolution du virus peut être prédite lorsqu’on connaît la structure de ses composants et celle de leurs contreparties dans les cellules humaines.
Protéines de coronavirus made in Villigen
Roger Benoit, spécialiste de biologie moléculaire au Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique, travaille lui aussi sur les mutants du coronavirus. Son objectif est de sonder les détails moléculaires qui font que certaines variantes du virus sont plus infectieuses que d’autres. Pour ce faire, il produit en laboratoire des protéines modifiées par des mutations génétiques et étudie comme elles se lient au récepteur.
Roger Benoit a publié une marche à suivre pour produire en laboratoire, avec des moyens simples, une partie de la protéine spike dans des cultures cellulaires. Pour de nombreux chercheurs dans le monde qui travaillent sur le coronavirus, ces protéines sont une ressource prisée, car elles peuvent être étudiées sans danger en laboratoire, ce qui évite de devoir travailler avec le virus infectieux complet. «Mon but était de donner la possibilité à tous ceux qui mènent des recherches sur le coronavirus de produire eux-mêmes cette protéine, même dans les plus petits laboratoires de culture cellulaire», explique le chercheur.
Des tests ont confirmé que la méthode de production de Roger Benoit fonctionne. «Je reçois presque chaque semaine des demandes de renseignements sur ma méthode de production de la part de la communauté scientifique mondiale», raconte-t-il.
Au PSI, Roger Benoit n’est pas le seul à maîtriser la production de certaines protéines du coronavirus. «Nous travaillons ici depuis de nombreuses années sur des protéines qui représentent de gros défis», rappelle Jacopo Marino, postdoc au Laboratoire de recherche biomoléculaire au PSI. Avec son équipe, ce chercheur a produit la protéine de la nucléocapside, qui forme une enveloppe protectrice autour du génome du virus et joue donc un rôle essentiel pour son fonctionnement et sa réplication. L’Hôpital universitaire de Zurich utilise la protéine produite au PSI dans le cadre de tests d’anticorps à large base pour déterminer le nombre de personnes en Suisse qui ont véritablement été infectées par le virus, autrement dit le nombre réel de cas d’infections au coronavirus.
La porte d’entrée de la cellule
Pour accéder à la cellule humaine, Sars-CoV-2 utilise une protéine bien particulière: l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ECA2). De très nombreuses cellules dans le corps humain produisent cette protéine à leur surface; le virus s’y arrime et accède ainsi à la cellule. Autrement dit, sans ECA2, pas d’infection.
Néanmoins, on ignore encore beaucoup de choses sur la protéine ECA2.Où se trouve-t-elle précisément dans l’organisme? Et, surtout: dans quelle mesure des antécédents médicaux ou l’utilisation de médicaments modifient-ils sa présence dans l’organisme? Sa répartition est-elle différente chez les hommes et chez les femmes?
Cristina Müller, du Centre des sciences radiopharmaceutiques, entend étudier ces questions. Elle développe une méthode de diagnostic qui doit mettre en évidence de quelle manière et dans quels organes la protéine ECA2 est produite. «Cela permettrait alors aussi d’analyser l’influence de ces facteurs sur la susceptibilité aux infections ou la sévérité de l’évolution de la maladie, détaille-t-elle. Et par exemple de savoir si c’est une bonne chose ou non que quelqu’un produise beaucoup de molécules ECA2.»
Pour répondre à cette question, Cristina Müller entend utiliser la méthode d’imagerie appelée tomographie par émission de positrons: ce procédé produit des images en 3D d’organismes vivants en rendant visible la répartition d’une substance radioactive dans l’organisme. Cristina Müller et son équipe sont en train de développer une substance de ce genre, appelée radiotraceur. «En culture cellulaire et dans une expérience sur des animaux, nous avons observé que la première variante de ce radiotraceur se liait sélectivement à l’ECA2, et seulement à elle», raconte Cristina Müller. A présent, il s’agit d’optimiser ce radiotraceur pour améliorer sa liaison à l’ECA et que la protéine devienne plus visible. L’objectif est de pouvoir bientôt tester également cette substance sur l’être humain.
Ce projet s’est lui aussi appuyé sur des modèles: Xavier Deupi, du Laboratoire de simulation et modélisation a étudié sur ordinateur la liaison de la substance à l’ECA2. Cette modélisation a permis d’estimer l’endroit où celle-ci pouvait être modifiée au mieux pour assurer un marquage radioactif sans altérer la liaison.
En ce qui concerne le Covid-19, scruter en détail des tissus pulmonaires humains s’avère également utile. Marco Stampanoni, du Laboratoire de macromolécules et de bio-imagerie, étudie des échantillons de tissus pulmonaires dans le cadre d’un projet avec l’Université de Berne, en recourant à la microscopie à rayons X 3D à la SLS. Les poumons d'une personne infectée par le le virus souffrent non seulement de l'infection elle-même, mais aussi souvent de la réaction violente du système immunitaire, qui provoque l'accumulation d'eau et de cellules immunitaires dans les alvéoles. C’est la raison essentielle pour laquelle, lors des évolutions sévères de l’infection, les patients ne peuvent plus respirer suffisamment. L’objectif à long terme de Marco Stampanoni est de mettre au point de nouvelles techniques de diagnostic ou encore des examens de suivi personnalisés.
De quelles cellules le coronavirus s’empare-t-il?
Plus on est âgé, plus le risque de mourir d’une infection due au coronavirus est important. G. V. Shivashankar, directeur du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique a développé une thèse surprenante avec sa partenaire de coopération Caroline Uhler, du MIT aux Etats-Unis, selon laquelle la rigidité de certaines cellules jouerait un rôle décisif dans l’évolution de la maladie. Or, avec l’âge, cette rigidité augmente, par exemple dans les cellules pulmonaires. Ainsi, les coronavirus peuvent beaucoup plus facilement se répliquer dans les cellules âgées. En se basant sur cette thèse, G. V. Shivashankar et Caroline Uhler ont identifié les premiers principes actifs disponibles sur le marché pour le traitement d’autres maladies et qui devraient aussi faire effet contre le Covid-19. «Étonnamment, nous avons découvert que des études cliniques étaient déjà en cours avec des patients Covid-19 pour l’un de ces groupes de médicaments, raconte G. V. Shivashankar. Nous saurons donc bientôt si ces médicaments sont vraiment utiles.»
Des chercheurs ont par ailleurs observé que le coronavirus infectait de manière sélective les cellules ciliées des voies respiratoires. Leurs cils sont de longues extensions cellulaires qui vont et viennent à travers le mucus pour expulser les bactéries, les virus et la poussière des voies respiratoires. Pendant les premières phases de l’infection, les coronavirus pénètrent dans les voies respiratoires par le biais des cils des cellules. Mais on ignore encore le rôle que jouent les cils: attirent-ils les virus? Fonctionnent-ils comme une structure d’accès dont les virus se servent pour entrer dans la cellule? Les virus s’emparent-ils des cils?
Takashi Ishikawa, lui aussi chercheur au Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique, s’est penché sur cette question. Avec Roger Benoit, il cultive des cellules de bronches humaines. Il administre à un tapis de cellules ciliées des coronavirus qui ont été génétiquement modifiés pour infecter des cellules humaines mais qui ne peuvent pas s’y répliquer. «Notre objectif est d’observer le mécanisme d’entrée au microscope électronique», explique Takashi Ishikawa, qui espère que ses découvertes permettront ensuite d’identifier des groupes à risque, voire de développer un médicament.
Radiographier des protéines et les mettre hors d’état de nuire
Le décryptage de la structure de protéines est une spécialité du PSI. Les rayons X de la Source de Lumière Suisse SLS permettent de scruter les minuscules éléments constitutifs du virus au niveau de chaque atome. Depuis de nombreuses années, trois stations expérimentales aux lignes de faisceaux du groupe de recherche Cristallographie macromoléculaire sont utilisées à cet effet. Lorsqu’on connaît la structure exacte d’une protéine virale, on peut précisément chercher ou assembler chimiquement les principes actifs médicamenteux correspondants.
Depuis le début de la pandémie, les mesures liées au Covid-19 ont la priorité à la SLS. Donghyuk Shin, de l’Université Goethe à Francfort, a été l’un des premiers scientifiques à avoir postulé pour du temps de mesure. Ce chercheur a déchiffré la structure de la protéine virale PLpro (papain-like protease) à la SLS et l’a identifiée comme point d’attaque potentiel pour de futurs médicaments. Si l’on bloque cette protéine, on freine la réplication du virus tout en renforçant la réponse immunitaire innée des cellules humaines, de sorte qu’ensuite, l’organisme est probablement en mesure de se défendre par lui-même contre le virus.
D’autres protéines du coronavirus ont été radiographiées à la SLS: les macrodomaines et les protéines de la nucléocapside. Dans le cadre d’une coopération avec Sheng Cui, expert du coronavirus de la Chinese Academy of Medical Sciences, l’équipe emmenée par Meitian Wang, du Laboratoire de macromolécules et de bio-imagerie du PSI, examine en détail une hélicase, ce qui est une autre cible potentielle pour des médicaments contre le Covid-19. Cet enzyme permet au matériel génétique du virus de se répliquer dans les cellules d’un individu infecté.
Les chercheurs essayent par ailleurs d’identifier des substances qui se lient aux protéines du virus et les bloquent. Pour ce faire, ils laissent des principes actifs potentiels agir sur des cristaux de protéines virales. Ensuite, une détermination de structures à la SLS révèle si et où les molécules se sont liées à la protéine. Dans le cadre de la méthode relativement nouvelle du criblage de fragments, on ajoute uniquement des fragments de molécules typiques de principes actifs prometteurs, et non des principes actifs entiers. A partir de cette importante quantité d’informations individuelles, les chercheurs espèrent trouver une réponse sur le profil que pourrait présenter un médicament efficace.
Des chercheurs du PSI testent aussi des inhibiteurs potentiels sur la protéase 3CL. Cet enzyme viral découpe les protéines du virus après la réplication pour produire de nouveaux coronavirus capables de se multiplier. «Sur le coronavirus, la protéine 3CL représente un point d’attaque très prometteur pour des médicaments, affirme Meitian Wang. Sans elle, le virus ne peut pas fonctionner.»
Les examens menés sur cette protéine sont conduits en collaboration avec la société pharmaceutique Idorsia et d’autres groupes de recherche, par exemple de l’Université de Groningue aux Pays-Bas. «Normalement, il faut entre 10 et 15 ans pour développer un nouveau médicament, rappelle Meitian Wang. Mais aujourd’hui, les chercheurs qui poursuivent le même but sont tellement nombreux que nous sommes sans doute un peu plus rapides.»
Avec leurs activités, les chercheurs apportent d’importantes contributions qui permettent de mieux comprendre le nouveau virus Sars-CoV-2, mais aussi de développer des stratégies efficaces pour lutter contre sa propagation et traiter les personnes infectées. Dans ce cas également, il est clair que le travail en réseau dans le domaine de la recherche de pointe, les installations complexes et extrêmement puissantes du PSI, ainsi que les chercheurs de haut niveau qui travaillent en Suisse et au PSI, sont autant de conditions préalables élémentaires pour y parvenir.
Texte: Institut Paul Scherrer/Brigitte Osterath