Impact global des virus

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Impact métabolique sur les cellules

Le cycle infectieux d’un virus, lytique (40), ou lysogénique (41), altère, de façons diverses, le métabolisme de l’hôte. Ces modifications du métabolisme microbien peuvent être extrêmement ciblées ou au contraire très globales. Bien que de façon moins directe que concernant la lyse des cellules, ceci peut également perturber les écosystèmes localement ou globalement, particulièrement lorsque cela touche des producteurs primaires. Les mécanismes sous-jacents à ces modifications ne sont pas toujours connus.
Voici quelques exemples d’altérations globales qui ont été décrites: premièrement, l’infection de Sulfitobacter et Pseudomonas aeruginosa par leur bacteriophage génère une augmentation globale des niveaux de métabolites variés (42, 43). Deuxièmement, l’observation que l’infection par des virus remodèle le métabolisme des lipides de leur hôte a été faite à plusieurs reprises, concernant des virus de taxa diverses (44–47). Dans ces deux cas, il est admis que cela favorise la réplication du virus, mais les mécanismes sous-jacents sont peu connus. Un niveau additionnel de compréhension a été atteint dans l’exemple suivant : des analyses quantitatives du carbone et de l’azote séquestrés dans la biomasse particulaire ont indiqué que l’infection de Sulfitobacter par son phage redirige ~75% des nutriments vers les virions (43).
Nous avons également parfois plus d’indices quant aux mécanismes en jeu, notamment lorsque les altérations du métabolisme sont plus ciblées. Ils peuvent être distingués en (i) « indirects » ou (ii) « directs ».
(i) mécanismes indirects : Une infection de plants de tabac par le virus de la mosaïque altère les fonctions photosynthétiques de la plante. Ceci semble être dû à l’accumulation de protéines de capside dans les chloroplastes (48).
(ii) modifications directes : Le virus peut également exercer un contrôle sur le métabolisme de l’hôte de façon plus directe, ciblée. Effectivement, un paradigme émergeant est que les phages possèdent des gènes métaboliques, appelés AMG (pour Auxiliary Metabolic Genes), que l’on supposait précédemment restreints aux cellules. Ces AMGs (revues : (49–51)), provenant probablement de transferts horizontaux depuis les cellules, sont utilisés pour suppléer le métabolisme de l’hôte en enzymes ou nutriments limitants, voire, parfois pour le « reprogrammer ». C’est alors un métabolisme qualifié de « viro-cellulaire » qui se met en place (52). Les AMGs décrits sont impliqués notamment dans la photosynthèse (composants de photosystèmes (53, 54), transporteurs d’électrons (55), ou encore biosynthèse des pigments (56)), dans la voie des pentoses phosphates (57), dans l’acquisition du phosphate (58, 59), du soufre (60). A côté de ces AMGs impliqués dans la production d’énergie ou l’acquisition de nutriments, d’autres prennent part spécifiquement à la synthèse des nucléotides (61, 62), et/ou peuvent toucher des systèmes plus globaux comme la réponse au stress (63). Parfois, ces AMGs ne se contentent pas de compléter le métabolisme de l’hôte mais le « reprogramment » de façon drastique. L’exemple le mieux connu est la redirection de l’énergie de la photosynthèse vers la voie des pentoses phosphates au détriment du cycle de calvin lors de l’infection des cyanobactéries Prochlorococcus et Synechococcus par leur cyanophages (64). Les AMGs les plus étudiés sont les composants des photosystèmes codés par les cyanophages, pour les raisons suivantes (i) la majorité de ces phages en possèdent ; ceci implique donc qu’une part de la production primaire est codées par des virus ; (ii) parmi ces AMGs, les proteines hli qui « récoltent » l’énergie lumineuse, sont modifiées dans la lignée virale par accumulation de mutations. Cette diversité génétique produite par les virus participe à l’évolution des photosystèmes, particulièrement lorsque les gènes viraux sont transférés « en retour » chez les hôtes bactériens (65, 66). Cette expansion de certaines familles de gènes produite chez les hôtes par leur virus pourrait même accélérer la différenciation des niches des hôtes, en leur permettant de s’adapter à une gamme d’environnements plus vaste (67). Parfois, ces AMGs peuvent évoluer jusqu’à accomplir des fonctions modifiées. Par exemple, le produit du gène viral PebS, xenologue (homologue issu de transfert horizontal) du gène bactérien PebA, est capable d’effectuer non seulement la réaction catalysée par PebA, mais également la réaction catalysée chez les bactéries par PebB (56), deux réactions successives de la voie de biosynthèse de pigments du phycobilisome. Ce dernier exemple met en évidence que les virus peuvent être des réservoirs de diversité génétique pour les cellules, et donc influencent leur évolution.

Les virus : des acteurs de l’évolution des cellules.

Ci-après sont exposés les différents aspects de cette mise à contribution des virus dans l’histoire évolutive des cellules. Ceci va de contraintes sélectives exercées localement, jusqu’aux innovations majeures de l’histoire de la vie.

Les théories évolutives de la course aux armes (l’hypothèse de la reine rouge) et la stratégie du chat de Cheshire

La plupart des virus (en particulier les virus à ARN) sont connus pour évoluer rapidement (68, 69). Les mécanismes de défenses des cellules pourraient donc rapidement être obsolètes. Cependant, une sélection continue s’opère chez les hôtes pour s’adapter, ce qui donne lieu à une évolution simultanée et également rapide des gènes cellulaires spécialisés dans la défense contre les virus. C’est l’hypothèse de la reine rouge, qui tire son nom d’un épisode fameux du livre de Lewis Caroll : De l’autre côté du miroir (70) (deuxième volet d’Alice au pays des merveilles) au cours duquel le personnage principal et la Reine Rouge se lancent dans une course effrénée. Alice demande alors : « Mais, Reine Rouge, c’est étrange, nous courons vite et le paysage autour de nous ne change pas ? » Et la reine répondit : « Nous courons pour rester à la même place. ». Cette hypothèse de la reine rouge (71) est une métaphore qui symbolise la course aux innovations sans fin pour des mécanismes de défenses et mécanismes de contournement de ces défenses, qui a lieu entre des espèces en compétition, ici les virus et leurs hôtes cellulaires.
-Un des micro-eucaryotes les plus abondants dans les océans, Emiliania huxleyi, a trouvé le moyen de s’affranchir de cette course aux armements infinie de façon élégante : pendant son cycle de vie, E.huxleyi alterne les phases diploïdes (phase végétative) et haploïdes (phase de reproduction sexuée). Sous sa forme diploïde, il est sensible aux infections du virus E.h virus. Sous sa forme haploïde, qui serait induite par les attaques virales, E.huxleyi est par contraste résistant au virus. Ceci a été nommé la stratégie du « chat de Cheshire », en référence au personnage tiré cette fois du 1er tome d’ Alice au pays des merveilles (72) de Lewis Caroll. Dans ce roman, le chat de Cheshire échappe à la décapitation en rendant son corps transparent (L’analogie tient en ce que E. huxleyi est « invisible » aux virus sous sa forme haploïde). Ceci a mené des spécialistes du plancton marin des laboratoires de Plymouth en Angleterre, Bigelow laboratory aux Etats-Unis et Roscoff en France à proposer que cette différence de susceptibilité entre les formes haploïdes et diploïdes pourrait être une raison de l’apparition et de la maintenance de la reproduction sexuée chez les eucaryotes : la méiose, dissociée temporellement de la fusion des gamètes, permet que la transmission des gènes à la génération suivante se déroule dans un environnement dénué de virus (73).
-Une autre micro-algue, Ostreococcus tauri de la lignée verte, aurait quant à elle évolué un chromosome entièrement dédié à l’immunité contre ses virus (74). Effectivement, une partie importante des gènes différenciellement exprimés entre les lignées d’algues résistantes aux virus et les lignées sensibles sont localisés sur un chromosome en particulier, le 19. Ce chromosome possède par ailleurs des propriétés atypiques comparativement aux autres chromosomes : il est plus petit, son taux de GC est plus bas, et il est particulièrement plastique (74, 75). Il est également enrichi en glycosyltransférases, et ces enzymes sont majoritairement exprimées chez les souches résistantes. Par ailleurs, les souches résistantes ont subi des réarrangements variés au niveau de ce chromosome 19. Ceci a mené l’équipe de l’observatoire océanographique de Banyuls à proposer que cette forte propension aux réarrangements pourrait être un mécanisme adaptatif pour générer rapidement des variants génétiques capables de résister aux virus. Cette résistance serait acquise par des altérations de l’état de glycosilation du protéome et particulièrement des glycanes de surface (74). L’apparition d’un chromosome spécialisé dans la défense contre les virus est unique, mais peut être comparée aux ilots génomiques hypervariables regroupant des gènes impliqués dans la résistance à leur phage chez les cyanobactéries Prochlorococcus (74, 76, 77). Nous verrons par la suite que les gènes responsables de l’immunité anti-virale eux-mêmes peuvent être hérités des virus.

Le cas des virus mutualistes

De plus en plus de cas de mutualisme entre une cellule et un virus sont documentés (78, 79). Dans de telles relations, la présence de virus est (ou a été) requise pour l’adaptation d’un organisme cellulaire à un environnement particulier. Ceci peut subséquemment générer une accélération de l’évolution génétique de l’organisme en question. Voici deux exemples qui m’ont semblés particulièrement parlants :
-Une étude publiée sous le titre « A virus in a fungus in a plant : three-way symbiosis required for thermal tolerance » (80) montre que la thermotolérance de la plante Dichanthelium lanuginosum est fournie par l’expression de gènes de son symbionte fongique C. protuberata. Important pour nous, cette expression a lieu uniquement lorsque le champignon est infecté par son virus CThTV. Les mécanismes sous-jacents n’ont pas été élucidés.
-Un cas que l’on peut rapprocher d’une symbiogènese (fusion de deux symbiontes, habituellement cellulaires, créant une nouvelle entité), est celui des guêpes parasitoïdes et de leur polydnavirus. Ces guêpes sont elles-mêmes des parasites de chenilles, dans lesquelles elles pondent leurs oeufs. Ceci est permis grâce à leur virus mutualiste (figure 3): des gènes de la guêpe suppresseurs des défenses immunitaires de la chenille hôte sont encapsidés dans des particules des virus, qui sont ainsi injectées dans la chenille. Les oeufs des guêpes peuvent après quoi se développer jusqu’à maturité (81, 82).

Les virus, agents de transferts horizontaux de gènes vers les cellules.

Le séquençage à haut débit et l’analyse des génomes microbiens ont permis de révéler le rôle prépondérant des transferts horizontaux de gènes (HGT) dans le façonnage des génomes procaryotes. Les mécanismes sous-jacents sont bien connus (83–86), et l’un d’entre eux qui implique des bactériophages sera décrit dans le paragraphe suivant. Des HGTs ont également été mis en évidence chez les eucaryotes (87, 88), bien que ces évènements semblent cependant plus anecdotiques (89). Au contraire des HGTs bactériens, les mécanismes sont moins compris. Certains cas impliqueraient des virus, qui sont en effet en contact rapproché avec le génome de leur hôte lors de la réplication. Que l’organisme receveur soit procaryote ou eucaryote, ces transferts de gène intermédiés par les virus peuvent être divisés en deux classes : (i) les virus peuvent véhiculer des gènes cellulaires d’une cellule à une autre. Ils peuvent alors être comparés à des navettes de gènes entre organismes cellulaires. (ii) Alternativement, des gènes viraux (apparus ou modifiés dans une lignée virale) peuvent s’intégrer dans les génomes d’organismes cellulaires.

Les virus médiateurs de transition évolutive

Un article conceptuel a été publié par Koonin (110) dans lequel il fait l’hypothèse que les virus et les éléments mobiles ont pu être des médiateurs de plusieurs des « transitions évolutives majeures» sensu Maynard-Smith et Szathmary (111, 112). Rapidement, la propriété clé de ces transitions est le regroupement de réplicateurs indépendants pour former une entité subissant un niveau supérieur de sélection. Des gènes se réunissent en « proto-cellule », des procaryotes se joignent pour constituer la cellule eucaryote, des protistes se regroupent pour former des organismes multicellulaires, etc. Pour que le succès de la transition soit assuré, l’évolution au niveau inférieur doit être contrainte par le niveau supérieur (111). La transition procaryotes-eucaryotes par exemple, pourrait être le fait d’un virus ; il a effectivement été proposé qu’un virus à ADN double brin soit à l’origine du noyau (112). Cette hypothèse a été appelée l’eucaryogénèse virale. A côté de « l’acquisition » du noyau, le second évènement crucial dans l’émergence des eucaryotes fut l’acquisition d’une mitochondrie. Plus démonstrativement que dans le cas du noyau, des indices suggèrent que des virus ont été impliqués dans cette étape également. Effectivement, le remplacement, par des enzymes de phages, des enzymes clés des machineries de réplication et de transcription de la mitochondrie primitive, aurait permis la domestication de l’alphaprotéobactérie juste « engloutie ».
Il a été proposé que L’ADN lui-même ait pu être inventé par les virus, pour se prémunir de la dégradation des ARNs par les Rnases cellulaires (dans le contexte d’un monde à ARN) (113). Une hypothèse étayée par le fait que l’ADN de certains phages ne contient pas de thymidine mais de la deoxyuridine (5, 114). L’hypothèse d’une origine virale des protéines de réplication eucaryotes a également été évoquée, et pourrait expliquer leurs phylogénies atypiques (112).
En résumé, les virus semblent jouer et avoir joué un rôle prépondérant dans l’évolution des cellules, des gènes, des écosytèmes. Ils sont moteurs et acteurs d’évolution.

Les grand virus nucléo-cytoplasmique à ADN (NCLDVs)

Nous allons maintenant faire un focus sur un groupe de virus en particulier, qui sont étudiés au laboratoire. Ils sont appelés en anglais nucleo-cytoplasmic large DNA viruses (NCLDVs). Pour vous présenter les NCLDVs, je commencerai par un historique de la recherche sur ce groupe viral, ce qui me permettra de décrire succinctement les différentes familles taxonomiques qui le compose. Nous discuterons ensuite des caractéristiques des NCLDVs qui ont récusées certains dogmes historiques de la virologie.

Analyses complémentaires et discussion

Évolution de la taille des génomes des Mimiviridae

En plus de ces travaux publiés, nous avons déterminé, par une méthode fondée sur le critère du maximun de parcimonie, le nombre minimal de gènes présents à chaque noeud (i.e., ancêtre) de l’arbre des Mimiviridae. Pour cela, j’ai reconstruit les familles de protéines de 8 Mimiviridae appartenant aux différents clades connus (voir figure 7) en utilisant le logiciel OrthoMCL (178). A partir de cette classification des protéines homologues, le schéma suivant était appliqué : si une protéine était présente chez au moins un « Mesomimivirinae » (i.e., nom de sous-famille proposé dans l’article pour le clade réunissant CeV, PgV et AaV), et au moins un « Megavirinae » (i.e., groupe comprenant CroV, et les Mimiviridae qui infectent les amibes), alors ce gène était considéré comme présent dans le génome de l’ancêtre commun des Mimiviridae. Ce principe était appliqué à chaque noeud de l’arbre phylogénétique des Mimiviridae (i.e., chaque noeud représente l’ancêtre commun des virus descendants). Les différences dans les répertoires de gènes entre chaque noeud permettaient d’inférer le nombre de gains et de pertes de gènes pour chaque branche de l’arbre (i.e., chaque branche représente l’évolution de la lignée entre deux noeuds). Ceci a été réalisé dans l’optique de détecter de potentielles tendances dans l’évolution des génomes de Mimiviridae : gagnent-ils, ou perdent-ils majoritairement des gènes ? Les résultats de cette analyse sont résumés dans la figure 7.
Selon notre analyse, l’ancêtre des Mimiviridae possédait donc au moins 183 gènes, que l’on retrouve dans tout, ou une partie, des descendants. Ce nombre de gènes ancestraux est plus faible que le nombre de gènes trouvés chez les virus séquencés (i.e., de 384 gènes pour AaV à 1120 gènes pour Megavirus). Ce résultat est compatible avec l’hypothèse que le génome de l’ancêtre des Mimiviridae était moins complexe que ceux des virus actuels. Cependant, l’inférence par l’approche du maximum de parcimonie souffre de certaines limitations (voir ci-dessous) qui peuvent conduire à une estimation erronée du nombre de gènes ancestraux. Un second message de cette analyse est qu’il n’y a pas d’unidirectionnalité dans l’évolution des génomes de Mimiviridae : que ce soit pour les plus petits ou les plus gros génomes, il semblerait que tous ont à la fois perdu certains gènes ancestraux, et gagné de nouveaux gènes ; certes à des rythmes différents ce qui explique les différences de taille des génomes actuels.
La méthode du maximum de parcimonie comporte certains biais qui méritent d’être étudiés en plus amples détails car ils pourraient affecter les estimations des nombres de gènes ancestraux : -Une surestimation du nombre de gains, qui par effet de vases communiquants conduit à une sous-estimation du nombre de gènes chez l’ancêtre, peut avoir lieu lorsque des gènes ont été perdus tôt dans l’histoire des Mimiviridae, ou bien encore dans plusieurs lignées distinctes de la famille, de telle façon que les virus possédant ces gènes n’appartiennent plus qu’à un sous ensemble de l’arbre. La méthode du maximum de parcimonie conclura alors de manière erronée à un gain dans la branche de l’ancêtre des virus qui ont conservé le gène. Ce biais pourra être en partie corrigé lorsque de nouveaux génomes de Mimiviridae seront séquencés et révèleront la nature ancestrale de certains des gènes rangés dans la catégorie « gain ».
-Le phénomène d’acquisition parallèle de gènes homologues peut mener à une sous-estimation des gains de gènes, si ces acquisitions se produisent indépendamment dans plusieurs lignées émergeant de l’ancêtre. J’ai par exemple décrit, dans l’article ci-dessus, 3 cas évidents d’acquisitions parallèles de gènes homologues impliquant CeV et d’autres NCLDVs infectant des algues. D’autres cas ont dernièrement fait l’objet d’une publication (139) : de nouveaux Mimiviridae tout récemment isolés et formant un 4ème clade au sein des « Megavirinae » possèdent un vaste répertoire de gènes codant pour des composants de la traduction. L’analyse de l’origine des enzymes de ce nouveau clade de Mimiviridae révèle que la plupart des gènes correspondant ont été acquis indépendamment pour chaque virus, de diverses sources cellulaires. Concernant ce dernier point, il faut cependant faire la remarque qu’il pourrait également s’agir d’un remplacement fonctionnel d’un gène à l’origine présent dans le génome viral par un gène d’origine cellulaire, et non d’une « acquisition de novo » de cette fonctionnalité. Ceci a par exemple été proposé pour la chaperonne HSP70 de CeV, ou encore l’ADN ligase des NCLDVs (179).
Peu après que nous ayons conduit cette analyse en interne, le laboratoire de Shoko Ueki au Japon a publié une étude similaire (en y incluant les virus de la famille des Phycodnaviridae (180)) qui a été réalisée à l’occasion de l’analyse du génome du virus Heterosigma akashiwo virus (HaV) infectant l’algue raphydophyte Heterosigma akashiwo. Ceci nous a permis de comparer nos résultats et nos interprétations avec les leurs. Leur étude a été menée grâce au logiciel COUNT, qui utilise non pas le principe de parcimonie, mais une méthode basée sur le maximum de vraissemblance. A partir d’un arbre groupant un ancêtre et tous ses descendants et d’une matrice de présence/absence de gènes orthologues chez les différents virus actuels, sont inférés la taille des génomes ancestraux ainsi que les évènements de gains et de pertes de gènes le long des branches de l’arbre. Cette méthode est supposée moins sensible aux biais énoncés plus haut. Cependant, l’utilisateur de COUNT doit arbitrairement choisir la valeur des pénalités de gains et de pertes de gènes qui seront appliquées lors de l’analyse. L’équipe japonaise a voulu tester l’impact de la valeur des paramètres choisis sur le résultat, et a donc réalisé deux séries d’analyse : la première avec une pénalité de gain élevée et la seconde avec une pénalité de gain faible, tout en gardant constante la pénalité de perte. De façon saisissante, changer la valeur de ce paramètre change également l’interprétation générale de l’évolution des Mimiviridae : lorsque la pénalité de gain est forte, alors l’hypothèse d’une réduction génomique est privilégiée, tandis que lorsqu’elle est faible, c’est l’hypothèse inverse, d’accrétion de gènes à partir de petits génomes, qui est favorisée. Nos résultats sont intermédiaires, mais sensiblement plus proche des résultats obtenus avec une pénalité de gain forte.
L’étude de Shoko Ueki montre que les conclusions tirées dépendent en partie d’a priori apposés sur les données. Il est effectivement très difficile d’estimer la valeur juste pour ces pénalités. Ci-après sont présentées quelques pistes de réflexion concernant la pertinence des scénarii de gains et des scenarii de pertes.
Si nous faisons une analogie avec les parasites cellulaires et les parasites viraux que sont les Mimiviridae, ceci va à l’encontre d’un scénario de gains. Effectivement, les génomes des premiers ne grossissent pas après qu’ils deviennent obligatoirement intracellulaires. Au contraire, c’est un phénomène de réduction génomique qui est observé (181, 182) : la baisse des pressions de sélection sur certains gènes, due au fait que l’endosymbionte profite des machineries de son hôte, entraine une « pseudogénisation » et une perte progressive de ces gènes. Il pourrait en être de même pour les Mimiviridae.
Cependant, il existe des exceptions à la trajectoire réductioniste des génomes d’organismes intracellulaires : une étude suggère que certains parasites intracellulaires d’amibes ont des génomes plus complexes que leurs proches parents libres (183). Or, les plus gros Mimiviridae sont des parasites d’amibes. Ceci va plutôt dans le sens d’un scénario de gain de gènes.
De façon importante, les gènes rangés dans la catégorie « gains » sont pour la majorité des ORFans, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas d’homologues chez les organismes cellulaires séquencés. Donc à moins d’admettre que nous ne connaissons qu’une faible proportion des protéines existantes dans le monde cellulaire, ce qui apparait de plus en plus improbable avec les progrès de la métagénomique notamment, la probabilité que tous ces « gains » soient le résultat de transfert latéraux de gènes « volés » aux organismes cellulaires est faibles. Ainsi, l’origine de ces ORFans reste à déterminer.

Acquisitions convergentes de gènes : les AMGs ne sont pas l’apanage des phages

Trois cas d’acquisitions indépendantes du même gène chez leur hôte respectif, de CeV d’une part, et d’autres NCLDVs non apparentés mais infectant également des algues ont été décrit dans l’article. L’un d’entre eux, codant pour le composant du photosystème II LHC (Light Harvesting Protein), a également été acquis par des cyanophages à partir de leurs hôtes bactériens photosynthétiques. Des virus éloignés infectant des organismes photosynthétiques semblent donc adopter une stratégie commune pour s’adapter à leur hôte, qui vise probablement à modifier les caractéristiques des photosystèmes. Ce cas spécifique pourrait illustrer un phénomène fréquent d’adaptation convergente des virus à un environnement donné. Après l’écriture de l’article, j’ai identifié des cas additionnels d’acquisitions convergentes impliquant différentes branches de NCLDVs et/ou des phages, et répertorié d’autres cas décrits dans la littérature :
b.1 – Protéine Fe-S de type A (ATC pour « A type carrier »). Ces protéines prennent part à l’assemblage des centres Fe/S puisqu’elles lient des centres [2Fe_2S]2+ ou [4Fe_4S]2+ après qu’ils aient été synthétisés puis les transfèrent aux apoprotéines. Des gènes codant pour des ATC ont été acquis par CeV d’une part, le prasinovirus Ostreococcus lucimarus Virus 7 (OlV7) d’autre part et des cyanophages enfin, de sources cellulaires différentes (figure 8).
La majorité des bactéries possèdent un seul type d’ATC, tandis que les alpha, beta et gamma protéobactéries en possèdent plusieurs types, qui sont classés en ATCI et ATCII. Ainsi, lors de l’endosymbiose primaire de l’alphaprotéobacterie, évènement qui a engendré les mitochondries, les eucaryotes ont hérité de deux ATCs (nommées Isa1 (ATCII) et Isa2 (ATCI) chez les eucaryotes). Ensuite, lors de l’endosymbiose secondaire de la cyanobactérie qui résulta en l’établissement du chloroplaste, certains eucaryotes ont acquis une ATC supplémentaire.
J’ai réalisé une reconstruction phylogénétique des ATCs, en utilisant d’une part des protéines qui présentaient un bon score d’alignement blast contre les protéines virales, et d’autre part les protéines utilisées dans une étude sur la répartition et la phylogénie des ATCs (192) réalisée par le laboratoire LCB à Marseille. L’arbre phylogénétique que j’ai obtenu (figure 8) concorde remarquablement (à l’exception des branches virales) avec les résultats de l’étude susnommée.
La protéine du prasinovirus Olv7 fait partie des ATCII. Elle émerge au sein des protéines Isa2 des prasinophytes (i.e., la classe d’algue de son hôte) (figure 8), ce qui suggère qu’elle est issue d’un transfert de gène depuis une algue prasinophyte. De plus, la protéine virale présente un fort taux d’identité (80%) avec la protéine de son hôte Ostreococcus lucimarus, ce qui est compatible avec la possibilité que la protéine virale soit bien adaptée pour supplémenter le métabolisme de son hôte. Ni la protéine de l’algue, ni la protéine du virus, ne possèdent de peptide signal (TP pour target peptid en anglais), portion peptidique permettant l’adressage à la mitochondrie de protéine codée par le noyau, dans le cas où l’organelle est le compartiment d’action de la protéine. Ceci suggère que ces deux protéines sont responsables du transport des centres Fe/S cytoplasmiques. Par contraste, la protéine ATC de CeV n’émerge pas au sein d’une branche eucaryote (figure 8). En fait, elle semble n’appartenir à aucun des clades d’ATCs caractérisés par l’étude de l’équipe Marseillaise, qui pourtant s’est basée sur les ATCs détectées dans la totalité des génomes procaryotes disponible en 2008 (date de leur étude), ainsi que dans la totalité des protéines eucaryotes disponible à la même date. Autre point intriguant : des protéines ATCs de phages appartiennent elles aussi à ce clade restreint (figure 8). La présence au sein de ce clade, également.
b.2 – PhytanoylCoA-dioxygenase. Ce gène est présent d’une part, dans plusieurs génomes de cyanophages (193). D’autre part, une protéine de CeV et une protéine de PgV possèdent un domaine PFAM (la base de données de domaines protéiques de l’EMBL-EBI) PhytanoylCoA-dioxygenase. Ces virus semblent donc également encoder cette protéine, mais ceci mériterait cependant une démonstration expérimentale ; effectivement, les homologues cellulaires les plus proches (des fungi) présentent 30 % d’identité avec les protéines de CeV et PgV. Les protéines de phages d’un côté et de NCLDVs de l’autre sont trop divergentes entre elles pour les intégrer dans un alignement multiple commun. Je n’ai pas donc pas effectué la reconstruction phylogénétique qui aurait permis de vérifier qu’il s’agit bien d’acquisitions indépendantes. Cependant, parce que (1) les séquences de phages et de NCLDVs sont très divergentes, et (2) leurs homologues cellulaires les plus proches appartiennent à deux 2 domaines différents (i.e., bactéries pour les phages et eucaryotes pour PgV et CeV), ceci semble être l’hypothèse la plus vraisemblable. Chez les cyanophages, il a été proposé que cette enzyme convertisse le 2-oxuglutarate (accumulé chez l’hôte bactérien, en réponse à l’infection par le phage) en succinate, un donneur d’électron majeur de la chaine respiratoire chez les bactéries. Ce dernier prendrait part à la production de l’énergie requise pour le processus infectieux.
b.3 – Il a été montré autre part que le transporteur de phosphate PHO4 a été indépendamment acquis par EhV, certains prasinovirus et certains cyanophages (194); tandis qu’une ATPase spécifiquement induite lors de carence en phosphate (phoH) est présente chez plusieurs prasinovirus (194) ainsi que chez plusieurs cyanophages (193). Conjointement, ceci suggère que manipuler le métabolisme du phosphate de l’hôte est une adaptation importante des virus marins. D’autres observations sont compatibles avec cette hypothèse : (i) la distribution des prasinovirus est affectée par la disponibilité du phosphate (195), (ii) le fait que des Chlorella virus, des prasinovirus et Ectocarpus Siliculosus virus encodent également des canaux à ions potassium. Leur phylogénie et l’analyse de leur séquence suggérant qu’il s’agit cette fois d’un caractère ancestral de ces virus (voire même que ces canaux pourraient avoir été inventés chez ces virus avant d’être transférés au monde cellulaire) (196, 197).
b.4 – Enfin, le cycle du soufre est lui aussi la cible de différents virus. Ceci a déjà été mis en lumière par la présence d’enzymes responsables de l’oxydation du soufre chez plusieurs phages (198). La présence de l’exporteur de composés soufrés TauE, indépendamment acquis de sources bactériennes par CeV d’une part, et PgV d’autre part, semble en être un autre exemple (Figure 9). Chez les bactéries, TauE est impliqué dans l’exportation de sulfite ou sulfoacetate résultant spécifiquement de la consommation de taurine (199, 200). Le rôle de TauE pendant une infection par CeV ou PgV reste cependant à déterminer puisque, à l’exception de certaines algues vertes (201, 202), seules les bactéries sont connues pour cataboliser la taurine. De façon intéressante (pour les producteurs et/ou amateurs de vin au moins), un autre virus encode TauE. Il s’agit d’Oenococcus oeni phage, qui infecte Oenococcus oeni la bactérie responsable de la fermentation malolactique. Ce processus, qui suit la fermentation alcoolique, participe à une désacidification, ainsi que, indirectement, à une modification des propriétés organoleptiques (arômes, goût, couleur) des vins (203, 204). L’enzyme du phage est à 99% identique à celle de plasmides de son hôte bactérien, ce qui suggère qu’elle est héritée de l’hôte. La présence de sulfites, soit résultant de la fermentation alcoolique réalisée par les levures, soit ajoutée dans les cuves par les viticulteurs, influence la fermentation malolactique (205). La possession de plasmides codant pour TauE a donc été présentée comme une adaptation au vin de ces bactéries (205). L’acquisition secondaire de cette enzyme par le phage (qui, via l’infection de son hôte bactérien, pourrait indirectement influencer la fermentation malolactique (203, 206)) en serait une seconde, du phage cette fois.

Les Asparaginyl-tRNA synthétase (AsnRS) de NCLDVs

Les aminoacyl-tRNA synthétase (AARSs) codées par Mimivirus ont été les premières AARS virales reportées (207). Or, ces enzymes ont un rôle central dans le processus de traduction des protéines, et ce processus était supposé exclusivement cellulaire. Ces AARS alimentent le débat sur une potentielle origine cellulaire de ces virus (208, 209), une attention particulière leur est donc portée. Ceci m’a mené à m’intéresser à 2 asparaginyl tRNA synthétase (AsnRS) de NCLDVs. La première est codée par CeV et a été détectée lors de l’annotation du génome. La seconde est codée par Heterosigma akashiwo Virus, un NCLDV qui infecte une micro-algue raphydophyte (stramenopile) et dont le génome a été publié pendant ma thèse (180). Megavirus et Moumouvirus encodent également une AsnRS. Une question que l’on peut se poser est la suivante : Est-ce que la possession d’une AsnRS est un caractère ancestral (i.e., provenant d’un virus ancestral possédant un appareillage autonome pour la traduction), ou bien est-ce un caractère acquis ? Un article récent (139) suggère qu’il s’agit d’un caractère acquis mais n’avais pas encore été publié quand nous étudiions CeV au laboratoire. Effectivement ni l’AsnRS de CeV, ni celle d’HaV ne forment un groupe monophylétique avec celles de Megavirus et Moumouvirus (ces deux dernières par contre sont bien regroupées dans la phylogénie) (Figure 10). Cette configuration polyphylétique des AsnRSs virales soutient l’hypothèse qu’il s’agit plutôt d’un caractère acquis récemment par des NCLDVs. Notons cependant que des cas de replacements fonctionnels sont connus (179, 186) et pourraient également constituer une explication alternative. Les AsnRS de CeV et d’HaV sont polyphylétiques. Fait intriguant, elles ont tout de même un caractère en commun : elles ne possèdent qu’un seul des deux domaines nécessaires à l’activité AARS. Effectivement, il leur manque le domaine de reconnaissance de l’anticodon sur l’ARNt, et ne possèdent que le domaine « catalytique ». Celui-ci lie l’acide aminé et effectue habituellement la liaison entre l’acide aminé et l’ARNt lors de la traduction. Ces AsnRS-like virales pourraient donc avoir une fonction différente des AsnRSs classiques. Plusieurs études décrivent de tel cas (210–214) pour des AsnRS ou d’autre AARS. Il semblerait effectivement que d’une manière générale, les paralogues des AARS soient de façon réccurente l’objet de cooption pour une autre fonction que celle de lier un ARNt et son acide aminé associé lors de la traduction.

Aucun lien entre le domaine « choline acetyltransférase » et AsnRS n’a pu être mis en évidence

En conclusion, en utilisant la méthode de la pierre de rosette, nous pouvons émettre l’hypothèse que l’AsnRS-like de CeV pourrait être impliquée dans le métabolisme des acides aminés aspartate ou asparagine, et/ou dans dans le métabolisme de Ap4A. Tout ceci reste hautement spéculatif et demande à être étudié par des expériences d’activités.
Par ailleurs, j’ai mentionné que l’enzyme de CeV et celle de cyanophages (phages infectant des cyanobactéries) forment un groupe monophylétique. Il pourrait donc s’agir d’un transfert entre virus infectant des royaumes cellulaires différents. Certaines algues, dont des haptophytes, possèdent un microbiote bactérien varié dont peuvent faire partie certaines cyanobactéries (223, 224). Dès lors, ces communautés rapprochées pourraient être le lieu de transferts de gènes entre organismes cellulaires (entre eux), organismes cellulaires et virus, ou virus entre eux.

Spectre d’hôte et date de divergence des Mimiviridae

L’isolement de ces nouveaux Mimiviridae qui infectent des protistes dont la divergence avec les amibes est un évènement très basal dans l’histoire du domaine eucaryote, suggère pour certains que l’origine des Mimiviridae pourrait avoir précédé cette radiation et donc être contemporaine de l’émergence du domaine eucaryote (102). Cette hypothèse ne fait pas l’unanimité puisqu’un autre scénario possible, bien que moins parcimonieux, propose que plusieurs sauts d’hôte soient responsables de la distribution d’hôtes actuelle (140). Un mixe de ces deux scenarii est également envisageable. D’autres éléments sont compatibles avec l’hypothèse de co-radiation. Nous avons déjà évoqué le cas des enzymes impliquées dans la réplication et la réparation de l’ADN ainsi que de celles impliquées dans la transcription qui forment une branche monophylétique émergeant à la racine du domaine eucaryote (141).
Un autre argument nous vient de l’analyse de la distribution du gène MutS7, de la famille des MSH (mutation suppressor homolog), exclusif aux proteobactéries epsilon, aux Mimiviridae (tous) et aux octocoralliaires. En effet, la phylogénie suggère que l’explication la plus parcimonieuse expliquant cette distribution serait qu’un Mimiviridae ait transféré ce gène depuis les bactéries vers les mitochondries des coraux (102). Toujours d’après l’arbre, ceci ce serait passé après la divergence des « Megavirinae » et « Mesomimivirinae », et avant la radiation des octocoralliaires (mais après la divergence de ces dernier avec les Hexacorallia, car leurs mitochondries n’encodent pas MutS7). Ce scenario s’il est correct, implique que la divergence des Mimiviridae a eu lieu il y a au moins 750 millions d’année (date d’estimation récente de la radiation des coraux (225)). Ceci est certes longtemps après la date d’émergence supposée du domaine eucaryote, mais pose déjà une limite au caractère récent de l’évènement.
Que l’hypothèse exacte soit celle d’une divergence des Mimiviridae aussi ancienne que le domaine eucaryote ou celle de plusieurs sauts d’hôtes éloignés, nous pouvons faire la prédiction que des virus de la famille des Mimiviridae pourraient (ou aurait pu) infecter des hôtes cellulaires appartenant à d’autres super-groupes eucaryotes en plus des 4 hébergeant des hôtes connus (figure 13). L’analyse de traces laissées dans les génomes eucaryotes (ceci me permet de ménager une transition vers la seconde partie de mon travail de thèse), pourraient nous permettre de valider cette prédiction.

Table des matières

Introduction
A – Introduction générale sur les virus
1 – Historique et définition
2 – Cycle lytique/lysogénique
3 – Une virosphère extrêmement variable
4 – Origine des virus
a – Une origine unique ou multiple des virus ?
b – Les virus sont-ils très anciens ?
c – Hypothèses quant à l’émergence de parasitisme de type viral
5 – Impact global des virus
6 – Impact métabolique sur les cellules
7 – Les virus : des acteurs de l’évolution des cellules
a – Les théories évolutives de la course aux armes (l’hypothèse de la reine rouge) et la stratégie du chat de Cheshire
b – Le cas des virus mutualistes
c – Les virus, agents de transferts horizontaux de gènes vers les cellules
d – Les virus médiateurs de transitions évolutives
B – Les grand virus nucléo-cytoplasmique à ADN (NCLDVs)
1 – Historique
2 – Pourquoi les NCLDVs, et particulièrement les géants, défraient-ils la chronique ? Un aperçu des dogmes rompus et des points intrigants
C – Introduction à mon travail de thèse
Résultats et Discussion
Chapitre A – CeV et les Mimiviridae
1 – Introduction
2 – Article 1: Comparative genomics of Chrysochromulina Ericina Virus (CeV) and other microalgae-infecting large DNA viruses highlight their intricate evolutionary relationship with the established Mimiviridae family
3 – Analyses complémentaires et discussion
a – Evolution de la taille des génomes des Mimiviridae
b – Acquisitions convergentes de gènes : les AMGs ne sont pas l’apanage des phages
b.1 – Protéine Fe-S de type A
b.2 – PhytanoylCoA-dioxygenase
b.3 – Le transporteur de phosphate PHO4
b.4 – AMGs dans le cycle du souffre
c – Les Asparaginyl-tRNA synthétase (AsnRS) de NCLDVs
c.1 – HaV
c.2 – AsnRS de CeV
d – Spectre d’hôte et date de divergence des Mimiviridae
4 – Conclusion
Chapitre B – Séquences de NCLDVs et virophages dans les génomes eucaryotes
1 – Introduction générale
a – Les NCLDVs, des oubliés de la paléovirologie
b – Etat des lieux avant ma thèse, historique
c – Les virophages
d – Problématique
2 – Bigelowiella natans – un génome analysé en détail
a – Introduction
b – Article 2: Provirophages in the Bigelowiella genome bear testimony to past encounters with giant viruses
c – Discussion
c.1 – Séquences de virophages
c.2 – Séquences de NCLDVs
3 – Un crible global des eucaryotes
a – Introduction
b – Article 3: A Glimpse of Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Virus Biodiversity through the Eukaryotic Genomics Window
c – Résultats supplémentaires et discussion
c.1 – Retour sur les Mimiviridae
c.2 – Les Asfarviridae
c.3 – Les Phaeovirus
c.4 – VLTF3
c.5 – Limitations de la méthode
c.6 – Une ouverture : quels hôtes utilisés pour isoler de nouveaux virus ? 16
Discussion générale
A – Les NCLDVs, des acteurs de l’évolution
B – NCLDVs acteurs d’établissement de symbioses/endosymbioses
1 – Symbioses transitoires
2 – Le cas des organelles
C – Les cnidaires, un autre lieu de « melting pot » : Mimiviridae, Asfarviridae, bactéries, symbiontes eucaryotes
Conclusion générale
Matériel et Méthodes
Bibliographie

Télécharger le rapport complet