SÉQ. 7 : Perturbations du système immunitaire : Le VIH/Sida

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de ce chapitre l’élève pourra - décrire séquentiellement les étapes du cycle de réplication du VIH dans une cellule hôte ; - expliquer les trois phases cliniques de l’infection VIH/SIDA et les mesures de prévention associées ; - détailler le mécanisme d’action des principales classes d’antirétroviraux (ARV) ; - expliquer le rôle de l’intégrase virale dans l’intégration du provirus et ses conséquences génomiques ; - résoudre des problèmes simples de modélisation de la charge virale et de l’efficacité d’un traitement. **Prérequis** : connaissances de base sur la structure d’un virus (capside, enveloppe, génome), la transcription et la traduction chez les eucaryotes, le principe de l’inhibition enzymatique, et les notions de croissance exponentielle. --- ## Introduction contextualisée Depuis son identification en 1983 par Luc Montagnier et son équipe, le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) demeure un enjeu majeur de santé publique. Au Cameroun, la prévalence chez les adultes de 15‑49 ans était estimée à 3,6 % en 2022 (source MINSANTE). Comprendre le fonctionnement moléculaire du VIH permet non seulement de saisir pourquoi la maladie évolue en plusieurs phases, mais aussi d’apprécier la logique derrière les stratégies de prévention (préservatifs, prophylaxie pré‑exposition PrEP, prophylaxie post‑exposition PEP) et de traitement (ARV). Ce chapitre aborde donc le cycle de réplication, les étapes cliniques et les interventions thérapeutiques, en insistant sur les démonstrations quantitatives qui sont souvent sollicitées à l’examen du BEPC. --- ## I. La multiplication du VIH dans l’organisme : les étapes du mécanisme d’action ### 1. Attachement et fusion > **Définition** : l’attachement est la liaison spécifique de la glycoprotéine virale gp120 au récepteur CD4 et à un co‑récepteur (CCR5 ou CXCR4) sur la membrane d’une cellule cible (lymphocyte T helper, macrophage). > **Propriété** : cette interaction induit un changement conformationnel de gp41 qui permet la fusion des enveloppes virale et cellulaire. **Démonstration** : la constante d’affinité \(K_D\) de gp120 pour CD4 est de l’ordre de \(10^{-9}\) M. À une concentration virale de \(10^5\) copies mL\(^{-1}\) (soit \(10^8\) copies L\(^{-1}\)), la concentration molaire est \[ [V]=\frac{10^8}{N_A}\approx\frac{10^8}{6,02\times10^{23}}\approx1,66\times10^{-16}\text{ M}. \] La fraction de sites CD4 occupés est \[ \theta=\frac{[V]}{[V]+K_D}\approx\frac{1,66\times10^{-16}}{1,66\times10^{-16}+10^{-9}}\approx1,66\times10^{-7}, \] ce qui montre que même une faible quantité de virus peut initier l’infection grâce à l’avidité multivalente de nombreuses gp120 sur le virion. **Exemple 1** – Calcul du nombre de particules nécessaires pour atteindre 50 % de saturation des récepteurs CD4 sur un lymphocyte (≈ \(2\times10^5\) sites). Pour une occupation de 50 %, il faut \([V]=K_D\). Ainsi \[ [V]=K_D=10^{-9}\text{ M}\quad\Longrightarrow\quad N=\frac{[V]\,N_A}{1000}= \frac{10^{-9}\times6,02\times10^{23}}{1000}\approx6\times10^{11}\text{ particules mL}^{-1}. \] Chaque virion porte environ 14 trimères de gp120, ce qui augmente l’avidité et réduit le nombre réel de particules nécessaires à l’ordre de \(10^9\) particules mL\(^{-1}\). **Exemple 2** – Influence du co‑récepteur : si la densité de CCR5 est réduite de 80 % (comme chez certains porteurs du délétion CCR5‑Δ32), la vitesse d’attachement chute proportionnellement, ce qui explique la résistance partielle observée. ### 2. Transcription inverse > **Définition** : après fusion, le capside viral se dépose dans le cytoplasme ; l’enzyme transcriptase inverse (RT) synthétise de l’ADN double brin à partir du génome RNA viral (+) en utilisant des nucléotides cellulaires. **Propriété** : la RT possède une activité d’ADN polymérase dépendante d’RNA et une activité ribonucléase H qui dégrade l’RNA du hybride RNA‑DNA. Son taux d’erreur est élevé (~\(10^{-4}\) pb\(^{-1}\)), source de la grande variabilité du VIH. **Démonstration** : la réaction peut être modélisée par une cinétique de Michaelis‑Menten : \[ v = \frac{V_{\max}[dNTP]}{K_m+[dNTP]} \] Avec \(V_{\max}= 1000\) nt s\(^{-1}\) et \(K_m=10\) µM, à une concentration intracellulaire de dNTP de 50 µM, \[ v = \frac{1000\times 50}{10+50}=833\text{ nt s}^{-1}. \] Le génome du VIH fait ~9,7 kb ; le temps nécessaire pour une copie complète est donc \[ t = \frac{9700}{833}\approx 11,6\text{ s}. \] **Exemple 1** – Calcul du nombre de copies d’ADN proviral produites après 30 min si chaque particule infectée lance une transcription inverse avec une efficacité de 70 %. Nombre de cycles possibles : \(30\text{ min}=1800\text{ s}\) → \(1800/11,6\approx155\) copies potentielles. Avec 0,7 d’efficacité : \(155\times0,7\approx108\) copies d’ADN par particule. **Exemple 2** – Influence d’un inhibiteur non nucléosidique de la RT (ex. névirapine) qui augmente \(K_m\) de 5 fois. Nouvelle vitesse : \[ v' = \frac{V_{\max}[dNTP]}{5K_m+[dNTP]} = \frac{1000\times 50}{5\times10+50}= \frac{50000}{100}=500\text{ nt s}^{-1}, \] soit une réduction de ~40 % de la vitesse de synthèse. ### 3. Intégration > **Définition** : l’intégrase virale coupe l’ADN proviral aux extrémités (enlevant deux nucléotides de chaque brin) puis réalise une attaque nucléophile sur l’ADN hôte, créant des coupures décalées de 5 pb et intégrant le provirus. **Propriété** : l’intégration entraîne la duplication de 5 pb d’ADN hôte flanquant le provirus, signature utilisée en diagnostic moléculaire. **Démonstration** : la réaction se déroule en deux étapes : (i) **3’‑processing** – suppression de deux bases ; (ii) **strand transfer** – attaque de l’ADN hôte. L’énergie d’activation de la strand transfer est estimée à ~15 kcal mol\(^{-1}\). En présence d’un inhibiteur d’intégrase (ex. raltégravir) qui se lie au site métallique de l’enzyme, la constante d’inhibition \(K_i\) passe de 10 nM à >1 µM, réduisant la vitesse de réaction d’environ 99 %. **Exemple 1** – Calcul de la probabilité d’intégration dans un gène sachant que le génome humain comporte ~3 × 10⁹ pb et que les gènes occupent environ 1,5 % du génome. \[ P_{\text{gène}} = 0,015 = 1,5\%. \] Ainsi, sur 100 événements d’intégration, on attend en moyenne 1,5 intégrations dans un gène. **Exemple 2** – Effet d’un inhibiteur d’intégrase qui diminue la constante de vitesse \(k\) de 0,02 s\(^{-1}\) à 0,002 s\(^{-1}\). Si la concentration d’ADN proviral libre est constante à 10 nM, la vitesse de réaction initiale passe de \[ v = k[DNA] = 0,02\times10\text{ nM}=0,2\text{ nM s}^{-1} \] à \[ v' = 0,002\times10\text{ nM}=0,02\text{ nM s}^{-1}, \] soit une diminution de 90 %. ### 4. Transcription et traduction > **Définition** : l’ADN proviral intégré est transcrit par l’ARN polymérase II de l’hôte en ARN génomique complet et en ARN messagers splicés qui seront traduits en protéines virales (Gag, Pol, Env, régulateurs comme Tat, Rev). **Propriété** : le facteur viral Tat augmente l’efficacité de la transcription en se liant à l’élément TAR de l’ARN nascent, augmentant le taux d’initiation jusqu’à 20‑fold. **Démonstration** : sans Tat, le taux de transcription de base est \(k_0 = 0,05\) transcripts min\(^{-1}\) copie\(^{-1}\). Avec Tat saturant, le taux devient \[ k_{\text{Tat}} = k_0 (1+ \alpha [Tat]) \approx 0,05 \times (1+19)=1\text{ transcript min}^{-1}. \] Ainsi, la présence de Tat multiplie par ~20 la production d’ARN. **Exemple 1** – Calcul du nombre de protéines Gag produites après 2 h si chaque transcript donne lieu à 1000 molécules de Gag (effet de traduction efficace) et que la cellule contient 50 copies d’ADN proviral actives. Transcripts par heure : \(50\times1\text{ transcript min}^{-1}\times60=3000\) transcripts h\(^{-1}\). En 2 h : 6000 transcripts → \(6000\times1000 = 6\times10^6\) molécules de Gag. **Exemple 2** – Effet d’un inhibiteur de la transcription (ex. actinomycine D) qui réduit \(k_0\) de 90 %. Nouveau taux : \(0,005\) transcript min\(^{-1}\) copie\(^{-1}\). Production de Gag en 2 h tombe à \(6\times10^5\) molécules, soit une baisse de 90 %. ### 5. Assemblage et bourgeonnement > **Définition** : les protéines structurales Gag se multimerisent à la membrane plasmique, recrutent les deux copies d’ARN génomique et les enzymes Pol, puis le virus bourgeonne en acquérant une enveloppe riche en lipides hôtes et en glycoprotéines Env. **Propriété** : le domaine p6 de Gag contient les motifs PTAP et YPXL qui recrutent les complexes ESCRT‑I/II de l’hôte, indispensables au scission du virion. **Démonstration** : la vitesse de bourgeonnement peut être approximée par une réaction du premier ordre : \[ \frac{d[V]}{dt}=k_{\text{bud}}[Gag]_{\text{memb}} \] Avec \(k_{\text{bud}}=0,03\) s\(^{-1}\) et une concentration membranaire de Gag de 200 nM, on obtient \[ \frac{d[V]}{dt}=0,03\times200\text{ nM}=6\text{ nM s}^{-1}. \] En 10 min (600 s) cela donne 3600 nM de particules libérées. Puisque 1 nM correspond à \(6,02\times10^{14}\) particules L\(^{-1}\) (soit \(6,02\times10^{11}\) particules mL\(^{-1}\)), le nombre de particules libérées est \[ 3600\text{ nM}\times6,02\times10^{11}\text{ particules mL}^{-1}\text{ nM}^{-1} \approx2,2\times10^{15}\text{ particules mL}^{-1}. \] Cet ordre de grandeur montre la capacité de production virale d’une culture cellulaire dense. **Exemple 1** – Calcul du nombre de virions produits par cellule en 30 min si chaque cellule contient 10⁴ molécules de Gag à la membrane. \(k_{\text{bud}}[Gag]=0,03\times10^4\text{ mol}=300\) mol s\(^{-1}\). En 1800 s → \(5,4\times10^5\) mol de Gag utilisées. Comme chaque virion nécessite ~2400 molécules de Gag, nombre de virions = \(5,4\times10^5/2400\approx225\) virions par cellule. **Exemple 2** – Effet d’un inhibiteur de l’ESCRT (ex. dominant‑negative VPS4A) qui réduit \(k_{\text{bud}}\) de 80 %. Nouveau débit : \(0,006\) s\(^{-1}\) → production de virions tombe à ~45 virions cellule\(^{-1}\) en 30 min, illustrant l’importance du complexe ESCRT. --- ## II. VIH/SIDA : différentes phases de la maladie, prévention et traitement (Action des ARV) ### 1. Phase aiguë (infection primaire) > **Définition** : survient 2‑4 semaines après l’exposition, caractérisée par une charge virale élevée (>10⁵ copies mL\(^{-1}\)) et une baisse transitoire des CD4. **Propriété** : symptômes pseudo-grippaux chez 50‑80 % des patients ; sérologie encore négative (fenêtre sérologique). **Démonstration** : la dynamique de la charge virale \(V(t)\) peut être modélisée par \[ \frac{dV}{dt}=pI-cV, \] où \(p\) est le taux de production de virions par cellule infectée \(I\), \(c\) le taux de clairance. En phase aiguë, \(I\) augmente rapidement car presque toutes les cellules CD4 rencontrées deviennent infectées. En supposant \(p=10^3\) virions cellule\(^{-1}\) jour\(^{-1}\), \(c=10\) jour\(^{-1}\) et un pic de \(I=10^5\) cellules mL\(^{-1}\), on obtient un état quasi‑stationnaire \[ V_{ss}= \frac{pI}{c}= \frac{10^3\times10^5}{10}=10^7\text{ copies mL}^{-1}, \] compatible avec les valeurs observées. **Exemple 1** – Si un traitement antirétroviral débute dès la phase aiguë et réduit \(p\) de 90 % (nouveau \(p'=100\)), la nouvelle charge virale d’équilibre devient \[ V'_{ss}= \frac{100\times10^5}{10}=10^6\text{ copies mL}^{-1}, \] soit une diminution de 90 %. **Exemple 2** – Influence d’une augmentation du taux de clairance \(c\) (ex. par une réponse immunitaire précoce) de 5 à 15 jour\(^{-1}\) alors que \(p\) reste \(10^3\). Nouvelle \(V_{ss}= \frac{10^3\times10^5}{15}\approx6,7\times10^5\) copies mL\(^{-1}\). ### 2. Phase asymptomatique (latence clinique) > **Définition** : période pouvant durer plusieurs années où la charge virale se stabilise à un bas niveau (set‑point, généralement 10⁴‑10⁵ copies mL\(^{-1}\)) et le nombre de CD4 diminue lentement. **Propriété** : absence de symptômes malgré une réplication virale persistante ; le réservoir latente (cellules mémoires CD4) se constitue. **Démonstration** : le modèle de base incluant un réservoir latente \(L\) donne \[ \frac{dI}{dt}= \beta V T - \delta I,\qquad \frac{dL}{dt}= \alpha \beta V T - \lambda L, \] où \(\beta\) est le taux d’infection, \(T\) le nombre de lymphocytes CD4 cibles, \(\delta\) le taux de mort des cellules productives, \(\alpha\) la fraction d’infections menant à la latence, \(\lambda\) le taux de réactivation. En état stationnaire, on montre que la charge virale dépend du rapport \(\frac{\beta T}{\delta}\) et que l’existence d’un réservoir latente (\(\lambda\) très faible) permet une persistance même sous traitement qui bloque \(\beta\). **Exemple 1** – Calcul du nombre de cellules latentes nécessaires pour maintenir une charge virale de 2 × 10⁴ copies mL\(^{-1}\) si chaque cellule libérée produit 10 virions jour\(^{-1}\) et la clairance est \(c=10\) jour\(^{-1}\). Production nécessaire : \(V c = 2\times10^4\times10 = 2\times10^5\) virions jour\(^{-1}\). Nombre de cellules productives : \(I = \frac{2\times10^5}{10}=2\times10^4\) cellules mL\(^{-1}\). Si seulement 1 % des infections mène à la latence (\(\alpha=0,01\)), alors le réservoir latente doit être environ \(L = \frac{I}{\alpha}=2\times10^6\) cellules mL\(^{-1}\). **Exemple 2** – Effet d’un inhibiteur d’intégrase qui bloque l’établissement de nouvelles infections (\(\beta\to0\)) mais n’affecte pas le réservoir latente existant. La charge virale chute rapidement (en quelques semaines) à des niveaux indétectables, cependant le réservoir latente persiste et peut se réactiver à l’arrêt du traitement, expliquant la rebound virale. ### 3. Phase SIDA > **Définition** : survient quand le nombre de CD4 descend sous 200 cellules µL\(^{-1}\) ou lorsqu’apparaît une maladie opportuniste définie (ex. pneumocystose, sarcome de Kaposi). **Propriété** : immunodépression sévère, susceptibilité accrue aux infections et aux tumeurs. **Démonstration** : la baisse des CD4 peut être décrite par \[ \frac{dT}{dt}= s - dT - \beta VT, \] où \(s\) est la source de nouvelles cellules (thymus, prolifération périphérique), \(d\) le taux de mort naturelle. Quand \(V\) reste élevé, le terme \(\beta VT\) domine, entraînant une décroissance exponentielle de \(T\). En intégrant, on obtient \[ T(t)=T_0 e^{-(\beta V + d)t}+ \frac{s}{\beta V + d}\left(1-e^{-(\beta V + d)t}\right). \] Si \(\beta V \gg d,s\), la solution se rapproche de \(T(t)\approx T_0 e^{-\beta V t}\), montrant une décroissance rapide. **Exemple 1** – Avec \(\beta=2\times10^{-8}\) mL virion\(^{-1}\) jour\(^{-1}\), \(V=5\times10^4\) copies mL\(^{-1}\), on a \(\beta V =1\) jour\(^{-1}\). En partant de \(T_0=800\) cellules µL\(^{-1}\) et en négligeant \(s\) et \(d\), après 30 jours : \[ T(30)=800 e^{-30}\approx 800\times9,3\times10^{-14}\approx7,4\times10^{-11}\text{ cellules µL}^{-1}, \] c’est‑à‑dire une chute pratiquement totale, illustrant pourquoi le traitement doit réduire \(V\) rapidement. **Exemple 2** – Introduction d’un ARV qui réduit \(V\) de 2 log (de \(5\times10^4\) à \(5\times10^2\)). Nouveau \(\beta V = 2\times10^{-8}\times5\times10^2 =0,01\) jour\(^{-1}\). Après 30 jours, \[ T(30)=800 e^{-0,01\times30}=800 e^{-0,3}\approx800\times0,74\approx592\text{ cellules µL}^{-1}, \] soit une préservation substantielle du réservoir CD4. ### 4. Prévention > **Définition** : ensemble des mesures visant à bloquer la transmission du VIH (sexuelle, sanguine, mère‑enfant). **Mesures clés** : - Usage correct et régulier du préservatif masculin ou féminin (réduction du risque de ~80 %). - Prophylaxie pré‑exposition (PrEP) à base de ténofovir/emtricitabine (efficacité >90 % lorsqu’adhérent). - Prophylaxie post‑exposition (PEP) initiée dans les 72 h suivant une exposition à risque, durée 28 jours. - Dépistage volontaire et traitement précoce (stratégie “test‑and‑treat”) réduisant la charge virale et donc le risque de transmission. - Évitement du partage d’aiguilles, sécurisation des transfusions sanguines. **Démonstration** : l’efficacité combinée de deux mesures indépendantes se calcule par la probabilité de risque résiduel : \[ R_{\text{total}} = (1-e_1)(1-e_2), \] où \(e_i\) est l’efficacité de chaque mesure. Avec préservatif (\(e_1=0,80\)) et PrEP (\(e_2=0,90\)), \[ R_{\text{total}} = (0,20)(0,10)=0,02, \] soit une réduction globale de 98 % du risque. ### 5. Traitement antirétroviral (ARV) – mécanisme d’action des principales classes > **Définition** : les ARV inhibent spécifiquement une étape du cycle de réplication du VIH, permettant de maintenir la charge virale sous le seuil de détection (<50 copies mL\(^{-1}\)). | Classe | Cible | Exemple de médicament | Principe d’inhibition | |--------|-------|-----------------------|-----------------------| | **NRTI** (inhibiteurs nucléosidiques de la RT) | Site actif de la transcriptase inverse (incorporation d’analogue d’ADN) | Zidovudine (AZT), Ténofovir disoproxil | Analogues qui manquent du groupe 3’‑OH → arrêt de l’élongation de la chaîne d’ADN | | **NNRTI** (inhibiteurs non nucléosidiques de la RT) | Pocket allostérique de la RT | Névirapine, Éfavirenz | Liaison qui induit un changement conformationnel réduisant l’affinité pour l’ARN | | **PI** (inhibiteurs de protéase) | Site actif de la protéase virale | Lopinavir/ritonavir, Darunavir | Empêche la clivage des polyprotéines Gag‑Pol → particules immatures non infectieuses | | **II** (inhibiteurs d’intégrase) | Site métallique de l’intégrase | Raltégravir, Dolutégravir | Chélate les ions Mg²⁺/Mn²⁺ nécessaires à la coupure et au transfert de brin | | **IE** (inhibiteurs d’entrée) | gp41 (fusion) ou CCR5/CXCR4 (co‑récepteur) | Enfuvirtide (T‑20), Maraviroc | Bloque la fusion ou l’interaction avec le co‑récepteur | **Démonstration de l’effet d’un inhibiteur de la RT (NRTI)** : la vitesse de synthèse d’ADN en présence d’un compétitif se modifie comme \[ v = \frac{V_{\max}[dNTP]}{K_m\left(1+\frac{[I]}{K_i}\right)+[dNTP]}. \] Avec \([I]=1\;\mu M\), \(K_i=0,1\;\mu M\) (forte affinité), le facteur \(\left(1+\frac{[I]}{K_i}\right)=11\). Si \(K_m=10\;\mu M\) et \([dNTP]=50\;\mu M\), \[ v_{\text{sans}} = \frac{V_{\max} 50}{10+50}=0,833 V_{\max}, \qquad v_{\text{avec}} = \frac{V_{\max} 50}{10\times11+50}= \frac{50 V_{\max}}{160}=0,3125 V_{\max}. \] Ainsi, la vitesse tombe à ~37 % de la valeur initiale, expliquant la baisse rapide de la charge virale sous traitement. **Exemple 1** – Calcul de la charge virale après 14 jours de traitement avec un NRTI qui réduit \(p\) (production de virions) de 95 %. Partant de \(V_0=10^5\) copies mL\(^{-1}\) et utilisant l’équation différentielle \(\frac{dV}{dt}=pI-cV\) avec \(I\) supposée constante à court terme, on obtient une décroissance exponentielle : \[ V(t)=V_0 e^{-(c-p'I/I)t}\approx V_0 e^{-c t}\quad\text{si }p'I\ll cV. \] Avec \(c=10\) jour\(^{-1}\), après 14 jours : \[ V(14)=10^5 e^{-10\times14}=10^5 e^{-140}\approx 0, \] c’est‑à‑dire indétectable (<50 copies mL\(^{-1}\)) en pratique. **Exemple 2** – Effet d’une mauvaise adhérence : si le patient ne prend que 60 % des doses, l’efficacité moyenne de l’inhibiteur tombe à 0,6×0,95=0,57 (réduction de 57 % de \(p\)). Nouvelle \(p'=0,43p\). En supposant les mêmes paramètres, la demi‑vie de la charge virale passe de \(\ln 2 /c\) à \(\ln 2 /(c-0,43pI/V)\). Avec \(pI/V\approx0,1c\), on obtient une demi‑vie d’environ 6,9 jours au lieu de 0,07 jours, montrant pourquoi l’adhérence est cruciale. --- ## III. Apprentissage de l’intégration ### 1. Mécanisme de l’intégrase > **Définition** : l’intégrase est une enzyme tétramérique qui réalise deux réactions successives : (i) l’enlèvement de deux nucléotides 3’ de chaque extrémité de l’ADN viral (3’‑processing) ; (ii) le transfert de ces extrémités dans l’ADN hôte (strand transfer). **Propriété** : l’enzyme nécessite deux ions Mg²⁺ (ou Mn²⁺) pour chaque site actif ; elle crée une coupure décalée de 5 pb dans l’ADN cible, entraînant la duplication de ce segment flanquant le provirus. **Démonstration** : la réaction de strand transfer peut être représentée par \[ \text{ADN viral 3’-OH} + \text{ADN hôte} \xrightarrow{\text{Int}} \text{ADN viral intégré} + \text{ADN hôte nické}. \] L’énergie d’activation estimée par la théorie de l’état de transition est \(\Delta G^{\ddagger}\approx 15\) kcal mol\(^{-1}\). En présence d’un inhibiteur d’intégrase qui se lie au site métallique avec une constante d’inhibition \(K_i=5\) nM, la vitesse apparente devient \[ v_{\text{app}} = \frac{v_0}{1+[I]/K_i}. \] Pour \([I]=50\) nM, \(v_{\text{app}} = v_0/(1+10)=0,09 v_0\) : une inhibition de ~91 %. **Exemple 1** – Calcul du nombre d’événements d’intégration réussis par heure dans une cellule contenant 200 molécules d’ADN proviral linéaire libre, sachant que chaque complexe d’intégrase traite une molécule en moyenne en 2 s (vitesse \(k=0,5\) s\(^{-1}\)). Nombre de complexes actifs supposés égal à l’ADN proviral (un complexe par molécule) : \[ \text{Événements/s}=200\times0,5=100\text{ s}^{-1}. \] Par heure : \(100\times3600=3,6\times10^5\) intégrations. **Exemple 2** – Effet d’un inhibiteur qui diminue la constante de vitesse à \(k'=0,05\) s\(^{-1}\) (90 % d’inhibition). Nouvelle fréquence : \[ 200\times0,05=10\text{ s}^{-1}\;\Rightarrow\;3,6\times10^4\text{ intégrations/h}, \] soit une réduction de 90 % du flux d’intégration, conforme à l’action clinique des inhibiteurs d’intégrase. ### 2. Sites d’intégration préférentiels > **Définition** : bien que l’intégration du VIH soit largement aléatoire, elle montre une préférence pour les régions actives du génome (gènes exprimés, promotores CpG‑riches) et évite les hétérochromatines condensées. **Propriété** : cette biaise augmente la probabilité que le provirus perturbe la régulation d’un gène essentiel ou active un oncogène, contribuant à la pathogenèse et à la transformation cellulaire observée dans certains lymphomes liés au VIH. **Démonstration** : des études de séquençage d’intégration ont montré que ~60 % des sites se trouvent dans des gènes, alors que ces derniers représentent seulement ~1,5 % du génome. L’enrichissement \(E\) se calcule par \[ E = \frac{P_{\text{obs}}}{P_{\text{exp}}} = \frac{0,60}{0,015}=40. \] Ainsi, l’intégration est 40 fois plus probable dans un gène que prévu par un tirage aléatoire. **Exemple 1** – Probabilité d’intégration dans un gène donné sachant que le génome contient 20 000 gènes de taille moyenne 1,5 kb. Taille totale génique : \(20\,000\times1,5\text{ kb}=30\text{ Mb}\). Fraction du génome occupée par les gènes : \(30\text{ Mb}/3\text{ Gb}=0,01=1\%\). Avec l’enrichissement de 40, la probabilité réelle devient \[ P_{\text{gène}} = 0,01\times40 = 0,40 = 40\%. \] Donc, environ 40 % des événements d’intégration atterriront dans un gène. **Exemple 2** – Calcul du nombre moyen d’intégrations dans des gènes régulateurs de l’apoptose (supposons 500 tels gènes). Taille totale de ces gènes : \(500\times1,5\text{ kb}=0,75\text{ Mb}\). Fraction du génome : \(0,75/3000=0,00025=0,025\%\). Probabilité d’intégration dans un gène apoptotique : \(0,00025\times40=0,01=1\%\). Si une cellule subit 10⁴ événements d’intégration par jour, on attend en moyenne \(10^4\times0,01=100\) intégrations dans des gènes de l’apoptose par jour, pouvant altérer les voies de survie cellulaire. ### 3. Conséquences génomiques de l’intégration > **Définition** : l’intégration du provirus peut entraîner (a) une expression constitutive de gènes viraux, (b) une perturbation de la transcription d’un gène hôte (insertionnel mutagenesis), (c) la formation d’ARN chimériques pouvant avoir des fonctions régulatrices. **Propriété** : la présence de séquences LTR (Long Terminal Repeat) aux deux extrémités du provirus agit comme des promoteurs et des enhancers puissants, capables de détourner la machinerie transcriptionnelle de l’hôte. **Démonstration** : chaque LTR contient des sites de liaison pour NF‑κB, Sp1 et les facteurs de transcription induits par l’activation des lymphocytes T. Lorsque le provirus s’insère en amont d’un gène, ces LTR peuvent augmenter la transcription de ce gène de plusieurs fois. Par exemple, l’insertion du VIH dans le locus *LMO2* a été associée à une leucémie chez des patients traités par thérapie génique utilisant des rétrovirus similaires, illustrant le risque d’insertionnel mutagenesis. **Exemple 1** – Estimation de l’augmentation de l’expression d’un gène situé à 500 pb en aval d’un LTR du VIH. Un LTR typique augmente l’activité promoteur de 5‑fold lorsqu’il est placé à moins de 1 kb. En supposant une décroissance exponentielle de l’effet avec la distance \(d\) : \[ \text{Facteur}=5\,e^{-d/\lambda},\quad \lambda\approx 300\text{ pb}. \] Pour \(d=500\) pb : \[ \text{Facteur}=5\,e^{-500/300}=5\,e^{-1,667}\approx5\times0,188=0,94\approx1. \] Ainsi, à 500 pb l’effet est négligeable ; à 200 pb, le facteur serait \(5e^{-0,667}=5\times0,513\approx2,6\), montrant l’importance de la proximité. **Exemple 2** – Calcul du risque d’activation d’un oncogène sachant que la probabilité d’intégration dans un promoteur actif est de 0,02 (2 %) et que chaque intégration dans un tel promoteur a une probabilité de 0,1 d’activer l’oncogène (par surexpression). Risque par événement d’intégration : \(0,02\times0,1=0,002=0,2\%\). Pour 10⁴ intégrations cellulaires, le nombre attendu d’activations oncogéniques est \(10^4\times0,002=20\) événements par cellule, illustrant pourquoi même un faible risque par intégration peut devenir significatif à l’échelle d’une population cellulaire importante. --- ## Synthèse du chapitre - **Cycle de réplication du VIH** : attachement/fusion → transcription inverse → intégration → transcription/traduction → assemblage/bourgeonnement. - **Phases cliniques** : infection aiguë (charge virale élevée, symptômes), latence clinique (set‑point viral bas, réservoir latente), SIDA (CD4 <200 µL⁻¹ ou maladie opportuniste). - **Prévention** : préservatif, PrEP, PEP, dépistage/traitement précoce, sécurité sanguine. - **Traitement ARV** : classes (NRTI, NNRTI, PI, II, IE) chacune bloquant une étape spécifique ; efficacité démontrée par réduction de la production virale (\(p\)) ou augmentation de la clairance (\(c\)). - **Intégration** : réaction en deux étapes de l’intégrase, création d’une duplication de 5 pb, préférence pour les régions actives du génome (enrichissement ~40), risque d’insertionnel mutagenesis et d’activation oncogénique. - **Modélisation simple** : croissance/déclin de la charge virale décrit par \(\frac{dV}{dt}=pI-cV\); effet d’un ARV modélisé par diminution de \(p\) ou augmentation de \(c\). --- ## Glossaire - **VIH** : Virus de l’Immunodéficience Humaine, rétrovirus de la famille des *Retroviridae*, genre *Lentivirus*. - **RT** : Transcriptase inverse, enzyme virale synthétisant de l’ADN à partir d’un modèle d’ARN. - **Intégrase** : Enzyme virale catalysant l’insertion de l’ADN proviral dans le génome de l’hôte. - **LTR** : Long Terminal Repeat, séquences répétées aux extrémités du provirus agissant comme promoteurs/enhancers. - **PrEP** : Prophylaxie Pré‑Exposition, prise quotidienne d’antirétroviraux pour prévenir l’infection chez les personnes à risque élevé. - **PEP** : Prophylaxie Post‑Exposition, traitement de 28 jours initié après une exposition à risque. - **Set‑point** : Niveau relativement stable de la charge virale atteint durant la phase de latence clinique. - **Réservoir latente** : Population de lymphocytes CD4 mémoires portant un provirus silencieux, responsable de la persistance du VIH malgré le traitement. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 Un patient présente une charge virale de \(5\times10^4\) copies mL\(^{-1}\) avant le début d’un traitement à base d’un inhibiteur de la transcriptase inverse qui diminue la constante de production virale \(p\) de 90 %. En supposant que le nombre de cellules productives \(I\) reste constant à \(10^5\) cellules mL\(^{-1}\) et que la clairance virale \(c\) vaut 10 jour\(^{-1}\), calculez la charge virale théorique après 7 jours de traitement. **Corrigé** Le modèle de base : \(\displaystyle \frac{dV}{dt}=pI-cV\). En régime permanent (ou sur un intervalle court où \(I\) varie peu), la solution est \[ V(t)=V_{ss}+\bigl(V_0-V_{ss}\bigr)e^{-ct}, \] avec \(V_{ss}= \dfrac{pI}{c}\). - Avant traitement : \(p_0\) inconnu, mais on peut calculer \(V_{ss,0}=V_0=5\times10^4\) (on suppose que le patient était à l’équilibre). Donc \(p_0=\dfrac{cV_0}{I}= \dfrac{10\times5\times10^4}{10^5}=5\) virions cellule\(^{-1}\) jour\(^{-1}\). - Après traitement : \(p_1=0,1p_0=0,5\) virions cellule\(^{-1}\) jour\(^{-1}\). Nouvelle valeur d’équilibre : \[ V_{ss,1}= \frac{p_1I}{c}= \frac{0,5\times10^5}{10}=5\times10^3\text{ copies mL}^{-1}. \] Évolution : \[ V(7)=V_{ss,1}+\bigl(V_0-V_{ss,1}\bigr)e^{-c\cdot7}=5\times10^3+\bigl(5\times10^4-5\times10^3\bigr)e^{-70}. \] Puisque \(e^{-70}\approx 2,5\times10^{-31}\) est négligeable, \[ V(7)\approx5\times10^3\text{ copies mL}^{-1}. \] **Réponse** : environ \(5\times10^3\) copies mL\(^{-1}\) (5 000 copies mL\(^{-1}\)). --- ### Exercice 2 Un inhibiteur d’intégrase se lie au site métallique de l’enzyme avec une constante d’inhibition \(K_i=2\) nM. Si la concentration plasmique du médicament atteint 20 nM, quelle est la fraction d’activité restante de l’intégrase (supposons une inhibition compétitive simple) ? **Corrigé** Pour une inhibition compétitive, la vitesse apparente est \[ v_{\text{app}} = \frac{v_0}{1+\frac{[I]}{K_i}}. \] Fraction d’activité restante = \(\displaystyle \frac{1}{1+[I]/K_i}\). \[ \frac{[I]}{K_i}= \frac{20\text{ nM}}{2\text{ nM}}=10. \] Donc \[ \text{Fraction}= \frac{1}{1+10}= \frac{1}{11}\approx0,0909\;(9,1\%). \] **Réponse** : environ 9 % de l’activité initiale demeure. --- ### Exercice 3 Dans une culture de lymphocytes, on mesure que chaque cellule produit en moyenne 2 000 virions par jour lorsqu’elle est infectée. Si la clairance virale est \(c=12\) jour\(^{-1}\) et que le nombre de cellules productives est \(I=5\times10^4\) cellules mL\(^{-1}\), quelle est la charge virale d’équilibre attendue ? **Corrigé** À l’équilibre, \(\displaystyle \frac{dV}{dt}=0\Rightarrow pI=cV\). La production virale par cellule infectée est \(p=2000\) virions cellule\(^{-1}\) jour\(^{-1}\). \[ V_{eq}= \frac{pI}{c}= \frac{2000\times5\times10^4}{12}= \frac{10^8}{12}\approx8,33\times10^6\text{ copies mL}^{-1}. \] **Réponse** : environ \(8,3\times10^6\) copies mL\(^{-1}\). --- ### Exercice 4 Un patient sous traitement antirétroviral présente une charge virale indétectable (<50 copies mL\(^{-1}\)). Toutefois, une analyse d’ADN proviral montre que 0,05 % de ses lymphocytes CD4 portent un provirus intégré. Si chaque cellule porteuse libère en moyenne 5 virions par jour lorsqu’elle est activée, estimez la contribution quotidienne de ce réservoir latent à la charge virale, en supposant une clairance de \(c=10\) jour\(^{-1}\) et un volume sanguin de 5 L. **Corrigé** - On estime que la concentration de lymphocytes CD4 dans le sang varie entre 5 × 10² et 1,5 × 10³ cellules µL\(^{-1}\). Pour un ordre de grandeur, on prend 1 × 10³ cellules µL\(^{-1}\). - Dans 5 L (=5 000 mL) : \[ N_{\text{CD4}} = 1\times10^3\text{ cellules/µL}\times1000\text{ µL/mL}\times5000\text{ mL}=5\times10^9\text{ cellules}. \] - Nombre de cellules porteuses du provirus : \[ N_{\text{latente}} =0,0005\times5\times10^{9}=2,5\times10^6\text{ cellules}. \] - Production quotidienne de virions par ce réservoir (si toutes étaient activées) : \[ P_{\text{latente}} = N_{\text{latente}}\times5 = 2,5\times10^6\times5 =1,25\times10^7\text{ virions/jour}. \] - À l’équilibre, la charge virale contribuée serait \(V = \dfrac{P}{c}\) (puisque \(\frac{dV}{dt}=P-cV=0\Rightarrow V=P/c\)). \[ V_{\text{latente}} = \frac{1,25\times10^7}{10}=1,25\times10^6\text{ virions}. \] - Convertir en copies mL\(^{-1}\) : volume sanguin = 5 L = 5 000 mL. \[ \text{Concentration}= \frac{1,25\times10^6}{5\,000}=2,5\times10^2\text{ copies mL}^{-1}. \] **Réponse** : environ \(2,5\times10^2\) copies mL\(^{-1}\) (250 copies mL\(^{-1}\)) si le réservoir était entièrement activé ; en réalité, seulement une petite fraction s’active chaque jour, d’où la charge virale reste indétectable sous traitement efficace. --- ### Exercice 5 Schématisez, en quelques phrases, pourquoi l’utilisation concomitante d’un préservatif (efficacité 80 %) et de la PrEP (efficacité 90 %) réduit le risque de transmission du VIH de plus de 98 %. **Corrigé** Le risque résiduel après deux mesures indépendantes égales au produit des risques résiduels de chacune : \[ R_{\text{total}}=(1-e_{\text{préservatif}})(1-e_{\text{PrEP}})=(0,20)(0,10)=0,02. \] Ainsi, le risque restant est de 2 %, ce qui correspond à une réduction de \(100\%-2\%=98\%\). --- ### Exercice 6 Expliquez brièvement comment un inhibiteur non nucléosidique de la transcriptase inverse (NNRTI) diminue la vitesse de synthèse de l’ADN viral, en faisant référence à son mécanisme d’allostérie. **Corrigé** Un NNRTI se lie à une poche hydrophobe située près du site actif de la transcriptase inverse, éloignée du site de liaison des nucléotides. Cette liaison induit un changement conformationnel de l’enzyme qui réduit son affinité pour l’ARN modèle et/ou diminue la vitesse de catalyse de la formation de la liaison phosphodiester. En termes cinétiques, cela se traduit par une augmentation de la constante de Michaelis \(K_m\) (diminution de l’affinité) voire une diminution de la vitesse maximale \(V_{\max}\). La vitesse de réaction devient donc \[ v=\frac{V_{\max}[dNTP]}{K_m\left(1+\frac{[I]}{K_i}\right)+[dNTP]}, \] où \([I]\) est la concentration de l’inhibiteur et \(K_i\) sa constante d’inhibition. En augmentant \(K_m\) ou en diminuant \(V_{\max}\), le NNRTI diminue la vitesse de synthèse de l’ADN viral, conduisant à une baisse de la charge virale. --- ## Erreurs fréquentes 1. **Confondre la phase aiguë avec la latente** : certains élèves pensent que la charge virale reste élevée pendant toute l’infection. Rappeler que après le pic aigu, le virus atteint un *set‑point* bien plus bas (10⁴‑10⁵ copies mL\(^{-1}\)) durant la latence clinique. 2. **Attribuer l’action des ARV à une seule étape** : croire qu’un seul médicament bloque tout le cycle. Insister sur la nécessité d’une trithérapie (au moins deux classes différentes) pour éviter l’apparition de résistances. 3. **Oublier la duplication de 5 pb lors de l’intégration** : lors de schémas, représenter l’intégration comme une simple insertion sans remarquer la duplication du site cible, ce qui est essentiel pour la détection par PCR. 4. **Surestimer l’efficacité du préservatif seul** : penser qu’un préservatif élimine totalement le risque. Montrer que même avec 80 % d’efficacité, le risque résiduel reste significatif et qu’il faut le combiner à d’autres mesures (dépistage, traitement). 5. **Ne pas convertir les unités** : utiliser des concentrations en copies mL\(^{-1}\) avec des constantes en L ou en mol sans conversion, conduisant à des erreurs de facteur 10³. Toujours vérifier la cohérence des unités (mL ↔ L, copies ↔ mol via le nombre d’Avogadro). 6. **Ignorer le réservoir latente dans l’interprétation d’une charge virale indétectable** : croire que indétectable = éradiqué. Expliquer que le provirus demeure intégré dans les lymphocytes mémoires et peut se réactiver à l’arrêt du traitement. --- *Fin du cours.*