Covid-19 : comment le coronavirus exploite la réponse immunitaire pour attaquer des cellules respiratoires et intestinales

C’est une étude d’une importance majeure que viennent de publier le 21 avril une soixantaine de chercheurs internationaux dans la revue Cell. Les résultats de cette publication exceptionnellement longue (63 pages) permettent de mieux comprendre comment le coronavirus SARS-CoV-2 se sert d’un mécanisme naturel de défense contre les virus pour s’attaquer à une multitude de tissus et d’organes dans la maladie Covid-19. Les chercheurs ont en effet découvert que le coronavirus tire avantage du fait que les cellules immunitaires produisent de l’interféron, une molécule antivirale, pour paradoxalement infecter un grand nombre de cellules du corps humain.

Les chercheurs américains, sud-africains, français et britanniques ont utilisé un outil de biologie moléculaire sophistiqué : le « séquençage des ARN messagers sur cellules uniques » ou single-cell RNA-sequencing (ScRNA-seq) qui permet de détecter quels gènes sont particulièrement actifs dans chacune des cellules du tissu ou de l’organe étudié. Dans la mesure où le fonctionnement (expression) d’un gène implique que l’ADN soit converti en ARN messager (ARNm), la présence de ces molécules d’ARNm renseigne sur le fonctionnement des gènes. La technologie RNA-seq permet ainsi d’évaluer l’activité des gènes dans chacun des sous-types cellulaires que renferme un tissu ou un organe. Elle renseigne donc sur le niveau d’expression de ces gènes.

Rappelons que le coronavirus SARS-CoV-2 utilise comme porte d’entrée dans les cellules qu’il infecte une molécule présente à leur surface : l’enzyme ACE2 qui se comporte comme un récepteur pour le virus [1]. L’entrée du SARS-CoV-2 dans les cellules cibles nécessite l’activation de la protéine S présente à la surface du virus. Un processus auquel participe une enzyme cellulaire appelée TMPRSS2 (Type II transmembrane serine protease) [2]. Un peu comme si le virus avait besoin d’aide pour bien tourner la clé (protéine S) dans la serrure (récepteur ACE2) pour pénétrer dans la cellule. Il s’avère donc que l’enzyme cellulaire TMPRSS2 coopère avec ACE2 pour favoriser l’entrée du virus dans la cellule.

Par ailleurs, lors d’une infection virale aiguë, l’organisme produit très rapidement une molécule antivirale, l’interféron. Cette cytokine est une des premières armes de défense du système immunitaire en cas d’attaque virale. Il existe trois types distincts d’interférons. On distingue les interférons de classe I : interféron-alpha (IFNα) et interféron-bêta (IFNβ), les interférons de classe II (interféron-gamma ou IFNγ) et les interférons de classe III (interféron-lambda, IFNλ). Ces molécules tirent leur nom du fait qu’elles participent à l’interférence virale, c’est-à-dire qu’elles aident les cellules à acquérir une résistance au virus.

L’étude entreprise par les chercheurs a consisté à déterminer quels sont les gènes dont l’activité est stimulée par les interférons dans plusieurs tissus humains lors de l’infection par le SARS-CoV-2. Pour ce faire, ils ont utilisé des données provenant de l’analyse des ARN messagers (transcriptome) présents dans un grand nombre de cellules humaines mais également dans des cellules de souris et de primates non humains (singes macaques).  

Carly Ziegler et ses collègues ont entrepris de déterminer quelles cellules humaines possèdent à leur surface les molécules ACE2 et/ou TMPRSS2 utilisées par le virus pour infecter ses cellules cibles, tout en cherchant à identifier dans les cellules exprimant ACE2 quels sont les gènes dont l’expression est stimulée par les interférons.

Les chercheurs ont montré la présence de cellules porteuses à leur surface des molécules ACE2 et TMPRSS2 à la fois au niveau des poumons, de l’intestin grêle et des fosses nasales. Ils ont en outre découvert que l’interféron-alpha (IFNα) stimule l’expression du récepteur ACE2.

Autrement dit, la présence sur les cellules cibles de la porte d’entrée du virus est renforcée par un mécanisme mis en place par le système immunitaire pour normalement contrer l’infection virale. Le coronavirus SARS-CoV-2 utilise donc à son avantage un mécanisme de défense immunitaire pour se propager dans l’organisme.

Cellules des alvéoles pulmonaires

Les chercheurs ont montré que ACE2, porte d’entrée du coronavirus, est principalement présent sur les cellules qui tapissent l’intérieur des alvéoles pulmonaires. Ces cellules épithéliales qui expriment ACE2 au sein du revêtement respiratoire de l’appareil pulmonaire font partie de ce que les biologistes appellent les pneumocytes de type II [3] qui sont de grandes cellules alvéolaires. Parmi elles, 1,4 % des pneumocytes de type II expriment ACE2. TMPRSS2 est exprimée dans 34% de ces cellules et à peine 0,8 % d’entre elles portent également à leur surface ACE2 et TMPRSS2 [4].

Cellules de l’intestin grêle

Certaines cellules de l’appareil digestif expriment également à leur surface le récepteur ACE2. Les chercheurs s’y sont intéressés car l’on observe dans la maladie Covid-19 des symptômes abdominaux (diarrhée) de même que la présence du matériel génétique du virus dans les matières fécales (excrétion virale). Les chercheurs ont ainsi observé que la majorité des cellules exprimant ACE2 résident dans l’intestin grêle (entérocytes du jéjunum et de l’iléon impliquées dans l’absorption des aliments), dans une moindre partie dans le côlon et le foie. Un contingent de cellules exprimant à leur surface en grande quantité d’ACE2 (parfois en association avec TMPRSS2) a également été trouvé dans les cellules de l’iléon, partie terminale de l’intestin grêle. L’infection de ces cellules intestinales pourrait expliquer les symptômes abdominaux (diarrhée, douleurs) chez certains patients Covid-19.

Cellules « gobelet » des fosses nasales

Les chercheurs ont utilisé la technologie scRNA-seq pour analyser l’expression des gènes dans des échantillons de tissus des voies aériennes supérieures, en l’occurrence ceux des fosses nasales [5] et du sinus ethmoïdal situé entre les deux orbites. La présence d’ ACE2 et/ou de TMPRSS2 a été détectée au niveau des fosses nasales dans les cellules « gobelet » sécrétrices de mucus, respectivement dans 4 % et 28 % d’entre elles. Ces cellules des voies aériennes supérieures sont probablement les premières à être infectées par le SARS-CoV-2 avant qu’il ne se propage à d’autres tissus et organes. Les scientifiques indiquent que de rares cellules sécrétrices nasales (1,6 % des cellules « gobelet ») expriment à la fois ACE2 et TMPRSS2, molécules impliquées dans l’entrée cellulaire du coronavirus.

Les chercheurs ont par ailleurs montré que l’interféron de type I (interféron-alpha, IFNα) induit l’expression d’ACE2 dans les cellules nasales exprimant à la fois le récepteur ACE2 et le co-récepteur TMPRSS2.

Les biologistes ont ensuite entrepris de caractériser l’effet de divers interférons dans des cellules épithéliales des voies aériennes supérieures. Ils ont ainsi montré que l’IFNα, et dans une moindre mesure l’IFNβ ou l’IFNγ, stimulent l’expression d’ACE2 et que cet effet est d’autant plus prononcé que la dose de ces interférons est importante. En particulier, la catégorie des cellules « gobelet » de l’épithélium nasal humain exprimant ACE2 est celle dont les gènes répondent le plus à la stimulation par l’interféron-alpha (IFNα).

A l’inverse de ce que qui a été observé dans les cellules épithéliales respiratoires et digestives, il n’a pas été observé de changement notable d’expression d’ACE2 dans des cellules immunitaires du sang périphérique (lymphocytes T CD4 et macrophages) stimulées par interféron. Le niveau d’expression ACE2 est même parfois diminué. Du fait de son absence dans ces cellules immunitaires, ACE2 n’avait sans doute pas jusqu’à présent été considéré comme pouvant faire partie des gènes dont l’expression pouvait être stimulée par l’interféron. Les travaux publiés dans Cell, sous la direction de chercheurs de la Faculté de médecine de Harvard et du Massachusetts Institute of Technology (MIT, Boston), montrent à quel point il n’en est rien.

Les chercheurs ont par ailleurs mis en évidence que des molécules de la cascade biochimique de la réponse à l’interféron se fixent à proximité du gène codant ACE2 [6]. Toutes ces données plaident en faveur de l’hypothèse selon laquelle le gène codant pour ACE2, récepteur du coronavirus SARS-CoV-2, fait partie de ceux dont l’expression est grandement influencée par l’interféron.

Expression accrue d’ACE2 lors de la grippe

Les chercheurs ont analysé le taux d’expression d’ACE2 dans des cellules épithéliales humaines au cours d’infections virales respiratoires connues pour induire une forte réponse en interféron. Ils ont analysé des échantillons de poumon de patients ayant développé une forme sévère de grippe et subi une ablation chirurgicale d’un segment pulmonaire. Il a été montré que l’expression d’ACE2 a été fortement stimulée après exposition au virus de la grippe (influenza A). De même, l’analyse de cellules provenant de lavages nasaux de patients présentant une grippe à virus influenza A ou B a montré que l’infection virale entraîne une expression accrue d’ACE2 dans les cellules sécrétrices  (« gobelet ») de l’épithélium nasal.

Détourner la réponse interféron au profit de l’expression d’ACE2

En résumé, l’interféron augmente dans les cellules respiratoires humaines l’expression d’ACE2, molécule qui lui sert de porte d’entrée dans ses cibles cellulaires. Ces travaux montrent donc comment le coronavirus SARS-CoV-2 tire partie de l’activation de l’interféron, première ligne de défense de l’organisme contre une attaque virale, pour poursuivre son attaque vers différentes catégories cellulaires dans l’organisme. D’autres facteurs interviennent cependant dans la sévérité et/ou la dynamique de l’infection virale, notamment l’âge, la présence de comorbidités (pathologies pré-existantes), des co-infections, le sexe du patient (la mortalité du Covid-19 est plus élevée chez les hommes).

L’importance de l’enzyme ACE2, identifiée comme un récepteur du SARS-CoV-2, suscite le développement de plusieurs stratégies thérapeutiques, comme l’utilisation d’une forme soluble de la protéine ACE2. Agissant comme un leurre, ces ACE2 se fixeraient au virus qui serait ainsi détourné de ses cibles cellulaires. En France, l’essai clinique multicentrique ACORES-2, qui a débuté début avril, est destiné à évaluer l’impact de médicaments [7] influant sur l’expression du récepteur ACE2, chez des patients hospitalisés pour  une infection au virus SARS-CoV-2.

La découverte que l’expression d’ACE2, récepteur du SARS-CoV-2, est stimulée dans des cellules des voies aériennes supérieures (épithélium nasal) et inférieures (alvéoles pulmonaires), de même que dans des cellules digestives (iléon, jéjunum, côlon, foie), du fait de la réponse à l’interféron dévoile une nouvelle facette inattendue de la complexité des relations entre ce virus émergent et l’organisme humain. Une de plus.

Marc Gozlan (Suivez-moi sur Twitter, sur Facebook) 

[1] ACE2 est l’enzyme de conversion de l’angiotensine II. ACE2 régule négativement le système rénine-angiotensine-aldostérone (RAA), notamment connu pour son rôle majeur dans la régulation de la pression artérielle. ACE2 est exprimé dans le poumon, le cœur, les cellules endothéliales qui tapissent l’intérieur des vaisseaux sanguins, le rein, les intestins.

[2] On ignore si la présence conjointe d’ACE2 et de TMPRSS2 est nécessaire sur une même cellule, ou si des enzymes solubles (protéases) doivent activer la protéine S du coronavirus pour que le virus parvienne à pénétrer dans les cellules cibles. La protéine S possède un site spécifique qui est activé par une enzyme de la cellule hôte, appelée furine. La protéine S possède en effet un site clivage par la furine.

[3] Les pneumocytes de type II sont impliqués la sécrétion de surfactant, le transport transépithelial de fluide et le renouvellement de l’épithelium alvéolaire après agression.

[4] Une importante expression d’ACE2 a été observée dans les cellules épithéliales apicales, dans un moindre degré dans les cellules ciliées.

[5] Echantillon provenant du grattage du cornet inférieur (petite lamelle osseuse située dans la paroi latérale de la cavité nasale).

[6] Les facteurs de transcription STAT1, STAT3, impliqués dans la voie de signalisation des interférons, se fixent à proximité du site d’initiation de la transcription (promoteur) du gène ACE2.

[7] L’essai multicentique randomisé Acores-2, sur 550 patients, évalue l’impact de l’arrêt des inhibiteurs de l’enzyme de conversion (IEC) et des sartans (antagonistes des récepteurs de l’angiotensine II ou ARAII) chez des patients Covid-19 initialement traités pour hypertension artérielle ou insuffisance cardiaque.

Pour en savoir plus :

Ziegler C, Allon SJ, Nyquist SK, et al. SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected in specific cell subsets across tissues. Cell. 2020. doi: 10.1016/j.cell.2020.04.035

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