1 - Principe d’utilisation thérapeutique de l’ARN messager
1 - Comparaison de la structure et du génome du virus Sars-Cov-2 et d’une nanoparticule d’un vaccin ARNm anti-Covid
La vaccination à ARNm illustre l’apport décisif de la recherche fondamentale aboutissant à des connaissances ayant permis des découvertes et applications médicales importantes pour les individus et la société.
- Des progrès considérables tant en ce qui concerne le domaine des connaissances que celui des technologies ont eu lieu durant la seconde moitié du 20ème siècle et le début du 21ème. Durant ces périodes, l’identification de l’ADN comme support de l’information génétique cellulaire, de sa structure et sa réplication, les modalités de l’expression des gènes et donc du rôle crucial de l’ARN messager ont été établies. Les progrès dans le séquençage des gènes ont permis l’identification de ceux impliqués dans différents phénotypes et en particulier dans les maladies génétiques ainsi que celles de leurs mutations. C’est un ensemble de connaissances fondamentales en biologie moléculaire qui n’a fait que s’enrichir.
- Les chercheurs ont commencé à concevoir des protocoles thérapeutiques exploitant les données de biologie moléculaire pour traiter les dérèglements cellulaires, causes des maladies génétiques et infectieuses. Les premiers résultats ont trait à l’ADN thérapeutique utilisé dans les thérapies géniques. Plusieurs exemples de thérapie génique sont développés par ailleurs.
- Les recherches sur l’utilisation thérapeutique de l’ARNm ont débuté il y a près de 30 ans mais ont rencontré beaucoup d’obstacles. Ils ont progressé notamment grâce à deux chercheurs, Katalin Kariko et Drew Weissman qui en ont été récompensés par le prix Nobel de médecine de 2023. Leurs découvertes ont permis la mise au point rapide de vaccins révolutionnaires à ARN messager anti-COVID-19, vaccins Pfizer-BioNTech et Moderna qui constituent une révolution vaccinale portée par la recherche en immunologie et en biologie moléculaire.
L’analyse des données et des documents a pour objectif d’aboutir à formuler les principes du mode d’action de l’ARN messager anti-COVID-19. Pour cela, ils proposent une comparaison entre la structure et la biologie du Virus SARS-CoV-2 et celles d’une nanoparticule du vaccin à ARNm.
A - Données et questionnements
1a - Vue externe et structure du virus
Source : Structure du SARS-CoV-2. Image extraite de l'article : Potential Therapeutic Targets and Promising Drugs for Combating SARS-CoV-2. Hong Zou et al. First published BJP: 05 May 2020.
Le virion SARS-CoV-2 a un diamètre de 100 nanomètres environ.
1b - Structure du génome du SARS-CoV-2
Source : Development of SARS-CoV-2 vaccine : challenges and prospects. Tooba Mahboob et al ; Diseases 2023
1c - Séquence du génome de SARS-CoV-2
- La séquence de référence du virus SARS-CoV-2 présente l’intérêt de fournir les limites des différents gènes et de bien visualiser que ce génome viral est formé par une succession de gènes sans séquences non codantes entre eux.
1d - Aspect et structure d’une nanoparticule d’un vaccin à ARN messager anti COVID-19
Les vaccins à ARNm contiennent un grand nombre de nanoparticules lipidiques dont le diamètre est de 100 nanomètres environ. La légende indique les noms des lipides constituant l’enveloppe de la nanoparticule et celui du lipide associé à la séquence nucléique. Celle-ci est en rouge ; il peut y avoir un petit nombre de séquences nucléiques à l’intérieur de la nanoparticule. La séquence nucléique est en somme le génome de la nanoparticule.
Source : M. D. Bushmann et al 2021. Nanomaterial Delivery systems for mRNA Vaccines
1e - Structure du « génome » d’une nanoparticule à ARN messager
UTR désigne des régions de la séquence qui ne sont pas traduites. Poly (A) tail est une séquence non traduite mais qui augmente la stabilité du génome. ORF (Open Reading Frame) désigne la séquence traduite. Whole mRNA molecule désigne la séquence d’intérêt de la nanoparticule.
Source : Réalités Biomédicales L’aventure scientifique des vaccins à ARN messager. Le Monde décembre 2020. Marc Gozlan
1f - Séquences SARS-CoV-2 et vaccin Pfizer.edi. Pour Anagène ou Géniegen.
Questionnements
- Comparer (caractères communs et différents) les structures du virus (virion) et d’une nanoparticule du vaccin.
- Indiquer les caractéristiques des séquences du génome du virus et de la nanoparticule qui confirment que ces génomes sont en ARN et non en ADN.
- Indiquer la ou les séquences codantes du virus qui se retrouve(nt) ou pas dans le génome de la nanoparticule.
B - Commentaires et compléments
Le virus SARS-CoV-2 et les nanoparticules des vaccins ARNm anti-COVID-19 sont des sphères de 100 nanomètres de diamètre environ, limitées par une enveloppe lipidique et contenant à leur intérieur un génome. L’observation de la séquence de ces génomes nucléiques révèle la présence de nombreux nucléotides à uracile et l’absence de nucléotides à thymine, ce qui indique que ces génomes sont en ARN.
- L’enveloppe de la nanoparticule diffère de celle du virus (virion) : d’une part les lipides qui la constituent sont différents de ceux de l’enveloppe virale, d’autre part, elle ne possède pas de protéines alors que 4 types de protéines S, E, M et N sont ancrées dans l’enveloppe du virus. Les protéines virales S (Spike) forment une couronne à la surface du virus. La schématisation de ces protéines sur la figure 1a indique qu’elles sont formées de deux sous-unités qui ont un rôle complémentaire dans leur fonction qui est de permettre l’entrée du virus dans la cellule qu’il parasite.
- La figure 1b indique que le génome du virus comprend de nombreux gènes dont les quatre qui codent pour les protéines structurales de l’enveloppe. En revanche la figure 1e ne renseigne pas sur la nature des gènes présents dans ce génome vaccinal.
- L’absence de protéines dans l’enveloppe de la nanoparticule laisse supposer que son génome ne possède pas de gènes codant pour les protéines S, E, M et N. On peut tester cette hypothèse en exploitant les séquences fournies. La séquence CDS du génome du vaccin Pfizer-BioNTech est à comparer avec les séquences des gènes S, E, M et N du génome du virus.
La comparaison des séquences indique que celles de l’ARN codant pour les protéines virales E, M et N sont très différentes de la séquence du génome de la nanoparticule. Par contre, on constate une très grande similitude entre celle de la protéine « Spike » et celle de la nanoparticule. La similitude est encore plus frappante lorsqu’on compare les séquences de la protéine S avec celle codée par le génome vaccinal. On aboutit donc à la conclusion que le génome de la nanoparticule code uniquement pour la protéine « spike ». Cela soulève la question du lieu où s’exprime le gène spike de la nanoparticule.
- La figure 1e schématise la structure de l’ARN messager de la nanoparticule. ORF (Open Reading Frame) désigne la phase ouverte de lecture (ou cadre ouvert de lecture) segment d’ARN qui est traduit, commence par le codon d’initiation AUG et se termine par un codon stop. Il s’agit donc de la séquence codante qui, dans le cas du vaccin anti-COVID-19, code pour la protéine spike.
- L’ARN messager comprend 5 régions : la coiffe, nucléotide modifié, les régions non traduites UTR de part et d’autre de la séquence codante, la séquence codante et la queue poly A, succession de nucléotides à adénine.
Bien qu’elles ne soient pas codantes, la coiffe, les UTR et la queue poly A sont indispensables à la traduction. La coiffe, par exemple, a un double rôle. Elle constitue un signal de reconnaissance par le ribosome et évite une dégradation rapide de l’ARNm dans le cytoplasme d’une cellule. Les régions non codantes de l’ARNm modulent sa stabilité et la quantité de la protéine résultant de la traduction.
- La structure de l’ARN messager d’un vaccin est très semblable à celle des ARN messagers cytoplasmiques exprimés dans les cellules eucaryotes.
L’enveloppe lipidique de la nanoparticule est très importante pour l’action de l’ARN messager. En effet, celui-ci est très fragile, très rapidement dégradé lorsqu’il est introduit dans l’organisme par des enzymes, les ribonucléases ; en outre, il ne peut pénétrer dans les cellules de l’organisme. L’enveloppe lipidique joue un rôle protecteur et permet l’entrée de l’ARNm codant la protéine spike dans les cellules.