Origine, évolution et biodiversité des virus : les virus et l’arbre universel du vivant

Colloque organisé par Patrick Forterre et Henri Krisch du 24 au 30 juillet 2000.

 

Participants

Hans W. ACKERMANN (Laval University, Québec), Sankar ADHYA (N.C.I. N.I.H., Bethesda, USA), Michaël BALTER (Correspondant Science), Dennis BAMFORD (Université d’Helsinki), Harald BRUSSOW (Centre de recherche Nestlé, Lausanne), Allan CAMPBELL (Stanford University, USA), Carine DESPLATS (C.N.R.S., Toulouse), Mike DYALL-SMITH (University of Melbourne, Australie), Patrick FORTERRE (Université de Paris Sud, Orsay), Claire GESLIN (I.U.E.M., Plouzane), Graham E HATFULL (University of Pittsburgh, USA), Roger W. HENDRIX (University of Pittsburgh, USA), Henri M. KRISCH (C.N.R.S., Toulouse), Jacqueline LAURENT (Université de Paris-Sud, Orsay), Lucienne LETELLIER (Université de Paris-Sud, Orsay), Vadim V MESYANZHINOV (Institut Shemyakin-Ovchinnikov, Moscou), Stephen S. MORSE (Professeur, New York), David PRANGISHVILI (Université de Regensburg, Allemagne), Kenneth STEDMAN (Montana State University, Bozeman, USA), Maggie SMITH (Queens Medical Centre, Nottingham), Curtis SUTTLE (University of British Columbia, Vancouver), Paulo TAVARES (Institut Pasteur, Paris), Wolfram ZILLIG (Institut Max-Plank, Martinsried, Allemagne).

 

Introduction

En 1996, la Fondation des Treilles avait organisé un colloque intitulé « The Last common ancestor and beyоnd » (« Le dernier ancêtre commun et au-delà »). Cette rencontre, qui avait regroupé des chimistes et biologistes concernés par le problème de l’origine de la vie et des premières étapes de l’évolution, a connu un grand retentissement ¹. Il s’agissait du premier colloque entièrement consacré à dresser le portrait-robot du dernier ancêtre commun à tous les êtres vivants actuels, de l’homme aux bactéries. À cette occasion, cet ancêtre fut baptisé du petit nom de LUCA (Last Universal Common Ancestor), nom qui a connu depuis lors un suc­cès grandissant, aussi bien auprès des médias que des scientifiques. Il était toutefois apparu qu’il y avait un grand absent dans les dis­cussions consacrées à LUCA: le virus. En effet, les êtres vivants sur Terre peuvent être actuellement divisés en deux grands groupes, d’un côté les organismes cellulaires (qu’ils soient monocellulaires comme les bactéries, ou pluricellulaires comme les animaux, végé­taux et champignons) et de l’autre les virus. À l’époque, un seul des vingt-cinq exposés présentés aux Treilles avait abordé le problème de l’origine des virus. C’est pour combler cette lacune, et parce que je pense depuis longtemps que cette question est l’une des clefs qui permettra de comprendre l’origine de LUCA, que j’ai décidé qua­tre ans plus tard d’organiser aux Treilles une réunion sur l’origine des virus. Mon laboratoire ne travaillant pas directement sur les virus jusqu’à présent, je me suis associé, pour mener à bien ce pro­jet, avec le Dr Henry Krisch, du CNRS à Toulouse, un virologiste reconnu par la communauté internationale pour ses recherches sur l’évolution des bactériophages (virus infectant les bactéries) ². Le déroulement du colloque, les résultats présentés, le niveau des dis­cussions ont répondu largement à nos attentes. L’atmosphère exceptionnelle des Treilles a une fois de plus joué un rôle détermi­nant dans ce succès. Un compte rendu de ces journées de réflexion rédigé par le journaliste Michaël Balter est paru dans la revue Science en septembre 2000 ³. Cet article est reproduit à la suite du présent rapport, et sa diffusion a permis de faire connaître large­ment à la communauté internationale l’importance des résultats et des idées discutées aux Treilles du 24 au 30 juillet 2000.

 

Compte rendu

Les virus sont des parasites obligatoires, qui ont absolument besoin des cellules pour se reproduire et se multiplier. En effet, ils sont formés par un acide nucléique entouré d’une coque protéique ou protéolipidique (la capside) et sont incapables de synthétiser leurs protéines car ils ne possèdent pas les mécanismes nécessaires pour cela (en particulier les ribosomes). De ce fait, certains scienti­fiques pensent que les virus ne sont pas vivants, qu’ils ne seraient, en quelque sorte, qu’un épiphénomène au sein de la biosphère. Cette position explique sans doute pourquoi l’étude des virus pour eux-mêmes est finalement peu abordée. Pour beaucoup, les virus ne sont dignes d’étude que comme « systèmes modèles » pour abor­der certains mécanismes moléculaires fondamentaux, ou en raison des problèmes de santé publique qu’ils représentent, afin de décou­vrir de nouveaux moyens de les combattre.

Il est clairement apparu aux Treilles que cette façon de voir, encore largement répandue parmi les biologistes, n’était pas parta­gée par les spécialistes des virus. Pour tous les participants, il ne fai­sait pas de doute qu’un virus est bien un être vivant, sujet de la sélection naturelle, et un acteur essentiel de l’évolution. L’importance pratique des recherches sur les virus n’a pas été absente des débats. Au passage, différents participants ont rappelé le rôle biotechnologique que jouent actuellement les virus dans le développement des thérapies géniques. Le Dr Sankаr Adhуa a ainsi présenté un exposé sur les nouvelles recherches visant à utiliser les bactériophages comme agents thérapeutiques antibactériens. Mais la grande majorité des exposés et des discussions s’est focalisée sur la place des virus dans l’arbre universel du vivant, les mécanismes de leur évolution, leur importance dans la biosphère et leur rôle dans l’évolution de leurs hôtes.

L’importance considérable des virus dans la biosphère a été sou­lignée par le Dr  Curtis Suttle de l’Université de British Columbia au Canada. Celui-ci, spécialiste des virus dans les environnements marins, a rappelé que les bactériophages représentent la grande majorité de la biomasse océanique (on compte de 10 à 100 millions de particules virales par millilitre d’eau de mer) et qu’ils jouent un rôle déterminant dans la régulation du cycle du carbone océanique. Ces données ne sont connues que depuis une dizaine d’années et sont encore largement ignorées par de nombreux écologistes du milieu marin. Le Dr Suttle a présenté plusieurs nouveaux virus, iso­lés dans son laboratoire, et dont les hôtes sont des сyanobaсtériеs ou divers protistes eucaryotes. Ses travaux ont mis en évidence la diversité morphologique et génotypique des virus marins. Ils ont fait écho à la présentation faite par le Dr Hans Ackermann, de l’université Laval au Québec, qui possède la plus grande collection de bactériophages au monde, et qui a passé en revue la classification actuelle de tous ces organismes et leur incroyable diversité. En par­ticulier, tous les participants ont été fascinés par la présentation de virus dont le génome à ADN atteint une taille de 700 kilobases, supérieure à celle de certaines bactéries parasites des genres Mycoplasme ou Buchnera.

Le Dr Vadim Mesyanzhinov, de Moscou, a rapporté le séquen­çage complet du génome d’un bactériophage de Pseudomonas aeru­ginosa, appelé phiKZ. Ce génome de 280 000 paires de bases, qui comprend 483 gènes, est le plus grand génome de phage séquencé jusqu’à présent. Seulement 6 % des protéines codées par ces gènes présentent des similarités de séquence avec des protéines réperto­riées dans les bases de données. C’est un chiffre beaucoup plus fai­ble que ceux obtenus lors du séquençage de génomes complets d’organismes cellulaires, procaryotes ou eucaryotes, qui tournent plutôt autour des 30 %. Des observations similaires ont été faites par tous les participants ayant été amenés à séquences des génomes viraux dans leur laboratoire.

Ces données sur l’abondance des virus dans la nature, sur leur extrême diversité, et sur la proportion élevée de protéines virales inconnues, montrent clairement que les virus représentent de loin le plus grand réservoir de biodiversité sur la planète, une mine d’or pour les futures générations à la recherche de gènes et de protéines complètement nouvelles. Tous les participants ont donc convenu qu’il fallait maintenant convaincre les centres de séquençage de s’at­taquer aux virus et de ne pas se contenter d’accumuler les séquen­ces de génomes cellulaires.

Une hypothèse largement répandue sur l’origine des virus sup­pose que ces derniers ne sont « que » des gènes cellulaires qui se sont un jour échappés de leur cellule hôte, pour devenir autono­mes, et finalement acquérir un caractère pathogène. Dans cette optique, les bactériophages (virus s’attaquant aux bactéries) auraient pour origine d’anciens gènes bactériens, tandis que les virus s’attaquant aux cellules eucaryotes auraient pour origine d’an­ciennes cellules eucaryotes. Tous les participants du colloque des Treilles se sont trouvés d’accord pour rejeter cette idée d’une origine « récente » des virus. Si, comme l’a souligné le D^r Stephen Morse, de l’université Columbia, spécialiste des virus émergents, de « nouveaux virus » (tel celui du SIDA) apparaissent continuelle­ment par réorganisation de virus déjà existants et adaptation à de nouvelles espèces, les virus actuels descendent manifestement d’an­cêtres viraux très anciens. Les résultats les plus spectaculaires en faveur d’une origine ancienne ont été présentés par le Dr Dennis Bamford de l’université d’Helsinki, qui a présenté une connexion totalement inattendue entre des virus qui infectent des hôtes appar­tenant aux deux groupes évolutifs les plus éloignés que l’on puisse imaginer : les bactéries et les eucaryotes. Le premier cas correspond à deux virus à ARN, d’un côté le bactériophage phi6, qui s’attaque à la bactérie Pseudomonas syringae, et de l’autre les réovirus, qui s’at­taquent aux oiseaux et aux mammifères. Le second correspond à deux virus à ADN, le bactériophage PRD1 et l’adénovirus humain, responsable de maladies chroniques des systèmes respiratoires et intestinaux. Dans les deux cas, ces virus répliquent leurs génomes par des mécanismes similaires chez les bactéries et chez l’homme, et l’analyse structurale de certains de leurs composants montre que ces structures sont homologues, c’est-à-dire qu’elles sont issues d’une structure ancestrale commune. Ces bactériophages et virus humains descendraient donc d’un ancêtre qui a dû exister avant la séparation des eucaryotes et des bactéries, c’est-à-dire avant LUCA.

L’ancienneté des virus est encore attestée par des découvertes récentes sur les archaebactéries, un groupe d’organismes procaryo­tes aussi éloignés des bactéries classiques que des eucaryotes, et dont de nombreux représentants vivent dans des conditions extrê­mes de température, de pH ou de sel. Le Dr David Prangishvili, de l’université de Regensburg en Allemagne, a mis en évidence des similarités entre un virus d’une archaebactériе thermoacidophile (le virus SIRF de Sulfolobus islandicus) et les poxvirus (virus de la variole). Ces deux virus auraient donc divergé à partir d’un anсêtrе qui vivait avant la séparation des eucaryotes et des archaebactéries.

Le professeur Wolfram Zillig, en annéе sabbatique à l’Université de Brest, a suggéré qu’un autre virus d’archaebactérie, le virus SSV1 de Sulfolobos shibatae, pourrait être apparenté au bactériophage ?, dont l’hôte est la bactérie Escherichia coli. Hans Ackermann a rap­pelé à cette occasion le cas d’un archaeophage qui s’attaque à une archaebactérie méthanogène et qui présente des analogies structu­rales et des similarités de séquence avec l’une des superfamilles des bactériophages.

Par rapport aux bactériophages, les « archaeophages » sont encore très peu connus. Tous les chercheurs travaillant sur ces virus dans le monde étaient présents aux Treilles. Kenneth Stedman, un ancien chercheur du laboratoire de Wolfram Zillig travaillant actuellement dans le Montana, a présenté de nouveaux virus de la famille de SSV isolés à Yellowstown. Ils ressemblent comme deux gouttes d’eau aux virus de cette famille précédemment isolés au Japon, ce qui conforme l’idée selon laquelle certains virus évoluent très lentement et peuvent conserver dans leurs séquences la mémoire d’événements très anciens. Mike Dyall-Smith, de l’univer­sité de Melbourne en Australie, a décrit plusieurs nouveaux virus qui infectent des archaebactéries halophiles, amoureuses du sel. Certains de ces virus ressemblent aux bactériophages à tête-queue (caudés), d’autres au contraire ressemblent aux virus qui s’attaquent aux archaebactéries des sources chaudes. Claire Geslin, une étu­diante en thèse de l’université de Brest, a décrit les premières recherches visant à isoler des virus d’archaebactéries hyperthеrmo­philes à partir d’échantillons isolés de sources hydrothermales sous-marines, récoltés au fond des océans grâce au sous-marin le Nautile de l’IFREMER. Toutes ces recherches ont déjà abouti à la descrip­tion de plusieurs nouvelles familles de virus, mettant encore une fois en avant l’extraordinaire diversité de ces organismes et permet­tant la mise en évidence des relations évolutives insoupçonnées entre les virus des trois grands domaines du vivant.

Ces relations apparaissent également lorsque l’on étudie l’évolu­tion des protéines virales par les méthodes de la phylogénie molé­culaire. Ainsi Jacqueline Laurent, de l’université Paris-Sud, a mon­tré que de nombreuses ADN polymérases virales ne ressemblaient que très peu aux ADN polymérases cellulaires, et que leurs histoi­res évolutives ne recoupaient pas celles de leurs hôtes cellulaires. Les ADN polymérases virales et cellulaires semblent donc bien, elles aussi, avoir divergé les unes des autres, il y a très longtemps, sans doute avant même l’émergence de LUCA. Ces travaux mont­rent également que les virus ont joué un rôle important dans l’évo­lution de leurs hôtes; en particulier, Jacqueline Laurent et son étu­diant Jonathan Filé ont découvert qu’une ADN polymérase d’origine virale avait remplacé l’ADN polymérase bactérienne ancestrale au cours de l’évolution qui a conduit aux mitochondries. J’ai moi-même avancé l’idée selon laquelle de tels remplacements auraient joué un rôle clef dans l’évolution des mécanismes de répli­cation de l’ADN, ce qui pourrait expliquer pourquoi ces mécanis­mes sont aussi différents aujourd’hui, d’une part chez les bactéries, d’autre part chez les archaebactéries et les eucaryotes. Je pense que de nombreuses protéines impliquées dans la synthèse et la réplica­tion de l’ADN sont d’origine virale. Suite au colloque, je me suis même demandé si l’ADN lui-même n’avait pas été inventé par un virus à ARN qui désirait rendre son génome inattaquable par les nucléases de ses hôtes potentiels ⁴ !

Si tous les participants du colloque des Treilles se sont accordés sur l’ancienneté des virus, la question de leur origine n’a pas fait l’unanimité. Certains auteurs, tels Wolfram Zillig et Dennis Bamford, imaginent l’origine des virus antérieure à l’apparition des premières cellules, le milieu « prébiotique » constituant en quelque sorte le premier hôte. Cette vision a été vivement contestée par d’autres participants qui ont insisté sur l’apparition très précoce des cellules dans l’histoire du vivant, bien avant l’émergence de LUCA. Pour ces derniers, l’origine des virus est à rechercher dans l’évolution de ces cellules primitives, soit par un mécanisme de régression de certaines de ces cellules (ce qui serait plutôt mon point de vue), soit par l’acquisition de l’autonomie de certains de leurs gènes.

Cette dernière hypothèse a été plus particulièrement développée par Roger Нendrix de l’Université de Pittsburgh aux États-Unis. Pour expliquer l’origine des virus, il s’appuie sur les observations faites par son équipe de recherche concernant l’évolution des virus à ADN. En comparant les séquences génomiquеs de trois bacté­riophages proches, HK97, HK022 et le bactériophage, ces cher­cheurs ont remarqué que ces génomes diffèrent par l’insertion d’un petit nombre de gènes additionnels qu’ils ont appelés « moron » (pour more DNA). Ils envisagent donc la formation des virus par l’accrétion continue de moron, le premier moron ayant été un gène codant pour une protéine capable de former une coque protectrice autour de ce gène et de transférer celui-ci dans une autre cellule.

Cette hypothèse a suscité une vive discussion. Si les virus sont apparus avant LUCA et dès le monde à ARN, faut-il imaginer des morons à ARN? Quelle a été la pression de sélection qui a permis l’apparition et la multiplication des premières « capsides » ? Mécanismes facilitant le transfert de gènes entre cellules primitives ? Système de protection du gène ? L’hypothèse du moron semble a priori un peu trop simple si l’on commence à regarder de plus près la complexité de l’architecture d’aujourd’hui des virus et des méca­nismes nécessaires à l’heure actuelle pour l’injection de l’ADN viral dans les cellules hôtes. Par exemple, Paulo Tavares, de l’Institut Pasteur, a présenté une analyse détaillée de la structure des bacté­riophages caudés, en particulier de celle du collier (connecteur) qui associe la structure de la tête à celle de la queue. Lucienne Letellier, de l’université Paris-Sud, a pour sa part consacré son exposé au mécanisme d’injection de l’ADN. Ce mécanisme a pu être repro­duit in vitro à partir de la protéine membranaire de E. coli qui est reconnue par le bactériophage T5. L’addition de cette protéine à des liposomes (vésicules lipidiques) permet l’injection d’ADN dans ces vésicules. Comment de tels mécanismes complexes se sont-ils mis en place ? La question n’a pas été résolue, mais tous les participants au colloque ont été fascinés par le fait qu’il ne semblait plus déraisonnable, aujourd’hui, de s’attaquer à de tels problèmes, et que les données expérimentales commençaient à s’accumuler, permettant de tester sérieusement les hypothèses les plus audacieuses.

Par ailleurs, au sein des cellules, les virus coexistent avec d’autres éléments génétiques, les plasmides, dont l’origine est également mystérieuse. En fait, les virus et les plasmides sont très certaine­ment apparentés, comme le montre l’existence de formes intermé­diaires décrites par W. Zillig dans le cas des archaebactéries du genre Sulfolobus. Certains plasmides de Sulfolobus portent en effet des gènes par ailleurs présents sur des génomes viraux, ce qui leur permet de se faire transporter par des capsides virales pour passer d’une cellule à l’autre (du virus-stop en quelque sorte). Les virus sont-ils d’anciens plasmides qui ont perdu leur capside et leur autonomie ? Ou de supermorons en quête d’habits neufs pour aller voir ailleurs ?

Si l’origine des virus (et des plasmides) reste encore sujette à controverses, on comprend mieux les mécanismes qui président à leur évolution. Les données sur ces mécanismes se sont récemment accumulées grâce aux travaux comparatifs menés dans plusieurs laboratoires sur différentes familles de bactériophages spécifiques de grands groupes bactériens. Harald Brussow, du centre de recher­che de la compagnie Nestlé, en Suisse, a parlé des bactériophages des bactéries lactiques ; Graham Hatfull, de l’université de Pittsburgh aux États-Unis, a présenté une analyse comparative des bactériophages s’attaquant aux mycobactéries ; Maggie Smith, de l’université de Nottingham en Grande-Bretagne, présentait une analyse similaire sur les bactériophages des Streptomyces. Ces tra­vaux suggèrent l’existence d’un vaste pool de modules protéiques susceptibles d’être échangés entre différents virus d’une même famille et parfois entre virus de familles différentes. Cependant, ils mettent également en évidence la conservation de l’organisation génomique chez tous les bactériophages caudés. Au sein de chaque famille, il semble qu’il serait possible de retrouver des liens de parenté entre les différents virus, si l’on disposait toutefois d’un nombre suffisamment grand de génomes entièrement séquencés.

Pourra-t-on aller plus loin et retracer dans le détail l’évolution de superfamilles de virus susceptibles de s’attaquer à des groupes bactériens différents ? Un travail dans ce sens a été entrepris à Toulouse par Henry Krisch et son étudiante, Carine Desplat. Cette équipe étudie l’évolution de la superfamille de virus associée au bactériophage T4 dont l’hôte est Escherichiа соli. Des phages appartenant à cette superfamille, mais dont les hôtes sont des bactéries de plus en plus éloignées de E. coli, ont maintenant été isolés. Il semble possible de mettre en évidence de courts motifs de séquence très conservés dans les protéines majeures de la tête de ces phages qui per­mettent de faire le lien entre tous ces virus. J. Laurent a montré que leur ADN polymérase pourrait être apparentée à celle de l’un des phages isolés par M. Dyall-Smith chez une archaebactérie halo­phile. Si cela se vérifie, l’étude de la superfamille T4 permettrait d’a­border l’évolution d’une famille de virus dont l’émergence aurait précédé la séparation des bactéries et des archaebactéries !

Tous ces travaux ont également mis en évidence le rôle des transferts de gènes et des recombinaisons illégitimes dans l’évolution des familles virales. Parfois, ces recombinaisons se font à l’in­térieur des gènes, entre deux régions codant pour des modules pro­téiques différents, et aboutissent à la formation de nouvelles associations modulaires. Par l’intermédiaire de ce mécanisme, les virus auraient donc pu activement participer à l’invention de nou­velles protéines (par exemple celles ayant permis la transformation de l’ARN en ADN). Une fois inventées par les virus, ces protéines pourraient, dans certains cas, être récupérées par les cellules par intégration du gène viral dans le chromosome de l’hôte.

Ces recombinaisons entre les génomes des virus et ceux de leurs hôtes ont été au centre de plusieurs exposés. Les génomes viraux peuvent s’intégrer dans le chromosome des cellules et en repartir grâce à des enzymes, intégrases et excisases. Au passage, ces mou­vements intègrent des gènes cellulaires dans les génomes viraux et vice versa. L’un des pionniers des recherches sur l’intégration des génomes viraux au sein des chromosomes, Allan Campbell, de l’u­niversité de Stanford en Californie, était présent aux Treilles. Il a présenté des travaux sur la nature de l’un des sites d’intégration pri­mordiaux qui se trouve être un ARN de transfert, l’un des éléments essentiels de la machinerie de synthèse des protéines. Les détails de certains mécanismes d’intégration au niveau moléculaire ont par ailleurs été décortiqués par G. Hatfull et M. Smith. Outre son importance pour comprendre l’évolution des relations hôte-cellu­les, l’étude de ces systèmes d’intégration a des implications pra­tiques importantes. Il est maintenant établi que de nombreuses bactéries ont acquis leur caractère pathogène à la suite de l’intégra­tion d’un virus. Les gènes responsables de la virulence bactérienne sont en effet souvent regroupés en îlots de pаthogénicité, et l’on retrouve fréquemment au niveau de ces îlots les traces d’une ancienne insertion de gènes viraux.

À la fin du colloque, tous les participants n’avaient qu’une idée en tête : à quand le prochain ? Beaucoup d’entre eux ne se connais­saient pas avant de se rencontrer aux Treilles, la communauté des virologistes étant particulièrement nombreuse et très dispersée. Les spécialistes des bactériophages ont rarement l’occasion de parler à ceux des archaeophages ou des virus marins, sinon lors de confé­rences gigantesques regroupant des milliers de chercheurs. Les pas­sionnés de l’évolution se retrouvent généralement très isolés et se demandent parfois si leurs idées les plus originales ont bien leur place dans de tels forums. Tous les participants envisagent toutefois maintenant l’avenir avec plus d’optimisme. Au moment où le séquençage du génome humain vient de se terminer et ou la grande foule des biologistes va se presser pour son exploitation, l’étude des virus, de leur extraordinaire diversité, de leur mystérieuse origine et de leur fascinante évolution apparaît comme une nouvelle frontière pour la biologie du prochain siècle.

 

Balter, M. (2000), « Évolution on lifе’s fringes ». Science, 289, 1866-7.

Forterre, P. (2000), « L’Origine du génome », La Recherche, 336, 34-39

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