Le virus de l’hépatite C, ou VHC, provoque une infection chronique du foie qui peut entraîner une cicatrisation permanente du foie et, dans certains cas extrêmes, un cancer. Il touche environ 71 millions de personnes dans le monde et provoque environ 400 000 décès chaque année. Il existe des traitements pour les infections liées au VHC, mais ils sont coûteux, difficiles d’accès et ne protègent pas contre la réinfection. Un vaccin qui puisse aider à prévenir l’infection par le VHC est un besoin médical et de santé publique majeur non satisfait.
L’une des principales raisons pour lesquelles il n’existe pas encore de vaccin contre le VHC est que les scientifiques n’ont pas encore identifié l’antigène approprié, c’est-à-dire la partie du virus qui déclenche une réponse immunitaire protectrice dans l’organisme.
Des décennies de recherche ont permis d’identifier l’E1E2 du VHC, la seule protéine à la surface du virus, comme le candidat vaccin le plus prometteur. Cependant, le développement d’un vaccin contre le VHC basé sur cette protéine est limité par l’incertitude quant à son apparence. Il est nécessaire de connaître la structure de la protéine pour comprendre comment le système immunitaire réagit au virus.
Alors comment les chercheurs peuvent-ils capturer la structure d’une seule protéine sur un virus qui change de forme ?
Nous sommes des chercheurs spécialisés dans la microscopie et la conception de vaccins. Grâce à une nouvelle technologie, nous avons pu visualiser les détails moléculaires de cette protéine insaisissable, ce qui nous a permis de comprendre le fonctionnement de ce virus et de proposer un modèle potentiel pour un futur vaccin.
Voici comment nous avons procédé.
Les défis de la capture d’un virus changeant de forme
L’une des raisons pour lesquelles il a été si difficile de capturer la structure de la protéine E1E2 du VHC est qu’elle est à la fois flexible et fragile. Elle change si souvent de forme et se casse si facilement qu’il est difficile de la purifier.
Par analogie, imaginez un bol de spaghettis imbibé de sauce tomate. Imaginez maintenant que vous essayez de prendre une photo de chaque morceau de spaghetti dans la même position au fil du temps alors que le bol tremble. Difficile à faire, n’est-ce pas ? C’est ce qu’il a fallu faire pour photographier la protéine E1E2 complète.
Il y avait aussi des obstacles technologiques. Jusqu’à récemment, les techniques d’imagerie disponibles étaient limitées dans leur capacité à visualiser des protéines microscopiques. La cristallographie aux rayons X, par exemple, est incapable de capturer des molécules qui changent et se transforment fréquemment, comme le VHC. De plus, d’autres options, comme la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, nécessitaient de couper de grandes parties de la protéine ou de la manipuler chimiquement de manière à transformer son état physiologique et à altérer potentiellement sa fonction.
Pour examiner la structure de E1E2, il fallait donc trouver un moyen d’extraire et de purifier, de stabiliser et de piéger l’ensemble de la protéine changeante dans une configuration unique.
Comment prendre une photo de la protéine
La cryo-EM, ou cryo-microscopie électronique, est une technique d’imagerie qui permet de visualiser des spécimens à des températures cryogéniques, dans ce cas le point d’ébullition de l’azote : moins 320,8 degrés Fahrenheit (moins 196 Celsius). Avec des températures aussi basses, la glace gèle si rapidement qu’elle n’a pas le temps de se cristalliser. Cela crée un cadre magnifique, semblable à du verre, autour de la protéine concernée, ce qui permet de voir sans entrave chaque détail de la structure. La cryo-EM nécessite également très peu de protéines pour fonctionner, ce qui réduit la quantité de matériel à purifier.
Lauréate du prix Nobel de chimie 2017 et du prix de la “Méthode de l’année” 2015 de la revue Nature, la cryo-EM est superbe pour l’imagerie des macromolécules biologiques dans leur état natif, ou naturel, dans l’environnement aqueux du sang humain. La cryo-EM a également joué un rôle central dans la caractérisation de la structure du virus COVID-19 et de ses variantes.
La cryo-EM a permis aux chercheurs de voir des protéines complexes qu’ils ne pouvaient pas voir auparavant.
Alors comment faire pour prendre une photo d’une protéine ?
Tout d’abord, nous avons incorporé le code génétique pour fabriquer E1E2 dans des cellules humaines dans une boîte de Pétri afin d’avoir des quantités suffisantes de protéine à étudier. Après avoir purifié la protéine, nous l’avons plongée dans de l’éthane liquide puis dans de l’azote liquide. L’éthane liquide est utilisé pour congeler la protéine car son point d’ébullition est plus élevé que celui de l’azote liquide. Cela signifie qu’il est capable de capter plus de chaleur avant de se transformer en gaz, ce qui permet à la protéine de geler beaucoup plus rapidement que dans l’azote liquide et d’éviter les dommages structurels.
Une fois la protéine vitrifiée, ou dans un état de glace semblable à du verre, nous avons pu non seulement voir sa structure globale, mais aussi capturer les multiples configurations individuelles de la protéine qu’elle prend lorsqu’elle change de forme, y compris ses formes les moins stables.
A ce stade, notre protéine était prête pour un gros plan. Nous avons utilisé un microscope qui utilise un faisceau de lumière focalisé à haute résolution.et une caméra très sophistiquée qui détecte la façon dont les élections rebondissent sur la surface de la protéine. Cela a créé une image 2D que nous avons ensuite transformée mathématiquement en un modèle 3D. Et c’est ainsi que nous avons obtenu le “gros plan” tant convoité de la protéine de surface du VHC.
Cette vidéo montre la structure 3D nouvellement identifiée de la protéine E1E2 à la surface du virus de l’hépatite C. Les deux principales sous-unités de la protéine sont colorées en rose et en bleu. Les molécules de sucre sont colorées en vert.
L’étape suivante a consisté à évaluer l’emplacement de chaque acide aminé, ou élément constitutif de la protéine, dans l’espace 3D. Comme chaque acide aminé a une forme unique, nous avons utilisé un programme informatique capable d’identifier chacun d’entre eux sur notre carte 3D. Cela nous a permis de reconstruire manuellement un modèle haute résolution de la protéine, un bloc de construction à la fois.
Un nouvel outil pour concevoir un vaccin contre le VHC
Notre carte 3D et notre modèle de la protéine E1E2 du VHC corroborent les recherches antérieures décrivant sa structure tout en fournissant de nouvelles informations sur les caractéristiques qui aideront à ouvrir la voie à la conception d’un vaccin contre ce virus, recherché depuis longtemps.
Par exemple, notre structure révèle que l’interface entre les deux parties principales de la protéine est stabilisée par des sucres et des zones hydrophobes, ou des zones qui repoussent les molécules d’eau. Cela crée des noyaux de liaison collants le long de la protéine et l’empêche de se désagréger – un site potentiel à cibler pour les anticorps protecteurs et les nouveaux médicaments.
Les chercheurs disposent désormais des outils nécessaires pour concevoir des médicaments antiviraux et des vaccins contre l’infection par le VHC.
Lisa Eshun-Wilson, chercheuse postdoctorale en biologie moléculaire et cellulaire, Institut de recherche Scripps et Alba Torrents de la Peña, boursière postdoctorale en biologie structurelle et computationnelle intégrative, The Scripps Research Institute
