ecologie et evolution virale 2011

Evolution virale
Comme tous les génomes, les génomes des virus se copient et ce processus
génére des erreurs. Ceci permet au virus de s’adapter au changements de
l’environnement par un processus en deux temps (Théorie de Darwin, 1850): 1- génération de diversité, produite au hasard, c'est à dire sans idée
préconçue. 2- Séléction des meilleures variations par l’environnement. variations défavorables par rapport a l’environnement, les individus
qui en sont porteurs produiront moins de copies. variation favorable. Les individus porteurs produiront plus de copies.
"gaspillage" des nombreux virus qui ont essayé les mauvaises variations…
dérisoire au vu de la vitesse de multiplication virale : un virus moyennement rapide peut produire près de 10.000 virus fils par jour,
soit mille milliards le quatrième jour, etc. La variation prend naissance au niveau des gènes, les erreurs surviennent
lors de la réplication du génome : chaque erreur, ou mutation, correspond à
un changement.
Comme la réplicase des virus à ARN la rétrotranscriptase des rétrovirus n’a pas
de mécanisme de relecture, une erreur sur 104 nucléotides répliqués: Pour un génome d’environ 10.000 nucléotides: une différence en moyenne
entre deux virus frères. Une population en réplication est hétérogène. Cette population est appelée
quasi-espèce (espèce au sens moléculaire). C’est le cas de la plupart des virus à
ARN. (NB: en fait toutes les espéces sont hétérogènes, le membre type n’existe
pas, mais c’est particuliérement évident chez les virus)
une mutation défavorable supprime par exemple l'activité d'une enzyme
nécessaire à la multiplication du virus : le mutant qui la porte disparaît, n'ayant
pas la possibilité de se reproduire. exemple de mutation favorable: glycoprotéine d'enveloppe différente: pas de
reconnaissance par le systéme immunitaire
LAMARCK
DARWIN
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Par la méthode des
répliques on montre que
les mutations préexistent
à la sélection (résistance
aux virus par exemple)
Le génome des virus à ADN se réplique en utilisant des
ADN polymérase, soit cellulaires (papillomavirus), soit
codées par le génome viral (herpes) ces enzymes ont
une fonction de relecture : si nucléotide incorporé est
incorrect, éliminé par l'enzyme et systèmes de
réparation de l'ADN corrigent les erreurs.
=>: taux de mutation relativement faibles : de 1/106 à
1/109, soit 1 nucléotide erroné pour 1 million à 1 milliard
de nucléotides recopiés.
Le génome des virus à ARN se réplique avec une ARN
polymérases, comme les ARN polymérases cellulaires,
les ARN polymérases virales n'ont pas de fonction de
relecture.
la cellule ne possède pas de système de réparation de
l'ARN.
=>virus à ARN : taux de mutation sont très élevés :
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1/10 à 1/10 soit 1 nucléotide erroné pour 1000 à 10.000
nucléotides recopiés, limite la taille du génome (tailles
maximales 30.000 nucléotides, 30kb)
mais: avantage pour échapper aux défenses de l’hôte
(ex: grippe, HIV)
les virus a ARN se répliquent à la limite de l’erreur
catastrophique.…si le taux de mutation augmente un peu
le virus n’y survit pas (voir article TD)
Le taux de mutation lui même est soumis a la sélection
naturelle (modification des polymérases)
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.Per-site mutation rate versus genome size: viroids, RNA viruses (left to right)
tobacco mosaic virus, human rhinovirus, poliovirus, vesicular stomatitis virus,
bacteriophage {Phi}6, and measles virus. Single-stranded DNA viruses:
bacteriophage {Phi}X174 and bacteriophage m13. Double-stranded DNA
viruses are bacteriophage {lambda}, herpes simplex virus, bacteriophage T2, and
bacteriophage T4. Bacteria: Escherichia coli. Lower eukaryotes are
Saccharomyces cerevisiae and Neurospora crassa. Higher eukaryotes are
Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus, and Homo
sapiens. Taux de mutation des ADN polymerases
Evolution virale
Du fait de leur taux de réplication les génomes viraux évoluent
plus vite que ceux de leurs hôtes.
mutations: 10-3 à 10-9 (ARN ou ADN)
réassortiments lors d’infections mixtes: tous les virus
segmentés (grippe)
Recombinaisons durant la réplication
homologues (entre souches ou entre molécules co répliquées > effet réducteur de la diversité obtenue par mutations
hétérologues: entre virus différents ou entre virus et hôte->
gain de nouvelles séquences/gènes
Recombinaison des molécules d’ARN: par « saut de
matrice » (template switch), la réplicase se dissocie de l’ARN en
cours de réplication et reprend la synthése sur une autre
molécule. Souvent associé à structures locales de l’ARN
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Superfamilles de virus ARN+, définies par la séquence des
polymérases et des protéines de réplication
Picorna-like: « bloc » conservé: hélicase, protéase, VPg, Polymérase
Sindbis-like: méthyl-transférase, hélicase, polymérase,
Les recombinaisons multiples rendent
difficiles la reconstruction de la phylogénie
des virus
plantes
animaux
plantes
animaux
icosaédres
hélicoidaux
L’arbre phylogénétique des deux grandes familles
de virus ARN + n’est pas identique selon que l’on considére la
polymérase ou la capside!
la polymérase est le caractére le plus ancestral ,
l’acquisition des protéines de capside est plus tardive
l’origine de la séparation plante/animaux n’est pas claire
(séparation avant la divergence, échanges génétiques postdivergence?)
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ECOLOGIE VIRALE
Plusieurs stratégies d’infection ont pu être séléctionnées par
les interactions entre le virus et les défenses de l’hôte ex:
Infection aigue et infection chronique
Infection aigue: Ebola, Grippe, Rhume
le virus se réplique beaucoup et il est facilement
transmissible. Il doit être transmis a un autre hôte avant
d’être détruit par les systèmes de résistance (immunitaire
etc) : conséquence: symptômes souvent violents (le virus
peut détruire son hôte car ce qui arrive à l’environnement
nécessaire à la réplication virale à peu d’importance.
virus trés contagieux mais qui induisent une réponse de
défense solide (immunité chez les vertébrés). Soit le virus
doit varier pour revenir infecter le même hôte (grippe,
rhume) soit il n’infecte que des organismes non-immunisés
(enfants, rubéole, oreillons); thérapie: vaccination, isolement Infection chronique: Le virus est peu contagieux, il doit être
capable de rester longtemps dans l’hôte , infection
persistante. Le virus doit épargner les cellules qui servent à
sa multiplication et échapper aux défenses . Faible
production de virus, symptômes faibles. Sélection de virus
qui se transmettent par voie sexuelle ou de la mère a l’enfant
(le virus doit se propager avant la mort de son hôte).
vaccination peu efficace (herpès, HIV)
ETIOLOGIE: Etude de l’origine des maladies
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ETIOLOGIE
Postulat de Koch
L’agent responsable d’une maladie doit répondre
au postulat de Koch :
> Agent présent chez tous les individus présentant
la pathologie ;
> Agent pouvant être cultivé ;
> Agent qui lorsqu’il est introduit chez l’hôte (ou
chez un modèle s’en rapprochant (singes pour
virus humains), induit le développement de la
pathologie ;
> Possibilité de réisoler l’agent à partir d’un de
l’organisme infecté expérimentalement.
Les maladies virales peuvent avoir des étiologies
multiples ex: le rhume
Rhinovirus, enterovirus, coronavirus:
Virus a ARN +
Influenza virus, VRS (virus respiratoire syncitial):
virus a ARN-
Adenovirus: virus à ADN
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Antiviraux: mode d’action multiples
- ribavirine: mutagenése létale ( article TD RNA virus error
catastrophe: Direct molecular test by using ribavirin )
(glycoprotéine de surface)
Quelques anticorps neutralisants
suffisent a bloquer
l’infection virale, si le virus est bien
reconnu (rhinovirus
> 100 souches différentes)
rhinovirus fixé a son
rhinovirus couvert
récepteur, l’interaction
conduit à l’ouverture du virus d’anticorps
côté récepteur
l’antiviral pleconaril interagit
avec les ss unités de la capside
et empêche l’ouverture du
virus en présence du récepteur
intérieur de la particule
source: http://www.rcsb.org/pdb/molecules/molecule_list.html
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Compromis évolutifs
en A une population « généraliste » peut évoluer vers des niches
écologiques diverses (montagnes)
en B, une population est spécialisée, la plupart des mutations
réduisent son adaptation (fitness), peu de chances d’aller conquérir
une nouvelle niche
La spécialisation d’un virus peut limiter les possibilités d’évolution
vers d’autres hôtes, dans les mêmes groupes on trouve des virus à
spectre d’hôte large ou étroit ex: potyvirus, histoires évolutives
différentes...
Evolution virale: Origine des virus
Il est probable que tous les virus ne dérivent pas
d’un seul ancêtre commun: origine
polyphylétique
- Les petit virus à ARN (tobamo, picorna etc)
pourraient dériver de la recombinaison de
fragments d’ARN par des RNA-polyméraseRNA dépendantes cellulaires (voir viroides,
ARNs satellites)
-  les grands virus à ADN ( herpes, pox,etc)
pourraient dériver d’unicellulaires développant
des relations de parasitisme de plus en plus
étroites jusqu’a perdre les fonctions de synthése
protéique (tendance générale à la perte de
nombreux gènes chez les parasites et symbiotes,
ex bactéries intracellulaires: rickettsies)
Ou de petits virus a ADN capturant des gènes
chez des hôtes successifs ….
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Structure d’une population de séquences d’ ADN
viral extrait de 200 litres d’eau de mer
lambda
1012 virus, 3-7000 différents virus,
(1011 bactéries) Les mutations apparaissent elles aléatoirement où sont elles
induites par la sélection?? exp de Luria et Delbruck
Plusieurs cultures de E. coli en paralléle, sont testées pour
l’apparition de la résistance à un phage.
Si adaptation: toutes les cultures vont montrer la même
fréquence
d’apparition de la résistance
Si aléatoires: la fréquence sera variable d’une culture à l’autre
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(glycoprotéine de surface)
La conséquence de ces mutations diffère selon le type de protéines touchées :
Mutation silencieuse : elle est sans conséquence sur l’entité virale, car elle
n'entraîne pas de modification des protéines codées par le génome viral
(dégénérescence du code génétique).
Mutation létale : elle modifie une protéine essentielle à la survie du
microrganisme (par exemple la partie fonctionnelle de la neuraminidase,
empêchant ainsi le détachement du virus de la cellule).
Mutation bénéfique au virus : elle modifie la séquence primaire des
protéines porteuses des propriétés antigéniques (hémagglutinines et
neuraminidase) donnant ainsi naissance à un nouvel antigène viral, c’est le
phénomène de glissement antigénique.
L’accumulation de cette dernière mutation au cours du temps, entraîne
l’émergence de nouveaux variants viraux pouvant échapper à la
reconnaissance des anticorps antiviraux présents dans la population humaine
et est responsable du déclenchement d’épidémie. Par exemple, pour le type
A, on observe 1% de la séquence antigénique de l’hémagglutinine muté en 1
an et 5% en 5 ans.
C'est également ce phénomène qui oblige la mise au point d’un vaccin dont
la composition doit être réactualisée chaque année.
I.4.2-Deuxième mécanisme : La cassure antigénique.
voir le scéma de la cassure
Changement complet d’une des protéines de surface comme
l’hémagglutinine ou la neuraminidase. Ce phénomène est ponctuel, rare (tous
les 10 à 30 ans) et n’existe que pour les virus de type A..
La cassure antigénique est due à un réassortiment génétique et n’est possible
que grâce au caractère segmenté du génome grippal.
Les virus grippaux de type A peuvent infecter plusieurs espèces de
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