Les découvertes en virologie pourraient changer la biologie

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Les virus sont de minuscules mais « créatures incroyablement puissantes » sans lesquelles nous ne survivrions pas. Leur influence sur notre planète est indéniable. Il est facile de les trouver, les scientifiques continuent d'identifier des types de virus jusque-là inconnus. Mais que savons-nous d'eux ? Comment savoir lequel enquêter en premier ?

Le coronavirus SARS-CoV-2 n'est qu'un des millions de virus qui vivent sur notre planète. Les scientifiques identifient rapidement de nombreux nouveaux types.

Maya Breitbart a recherché de nouveaux virus dans les termitières africaines, les phoques de l'Antarctique et la mer Rouge. Mais, en fin de compte, pour vraiment trouver quelque chose, elle n'avait qu'à regarder dans son jardin familial en Floride. Là, autour de la piscine, vous pouvez trouver des araignées orb-web de l'espèce Gasteracantha cancriformis.

Ils ont une couleur vive et un corps blanc arrondi, sur lequel des taches noires et six épines écarlates sont visibles, semblables à une arme extravagante du Moyen Âge. Mais à l'intérieur des corps de ces araignées, Maya Brightbart a eu une surprise: lorsque Brightbart, un expert en écologie virale à l'Université de Floride du Sud à St. inconnu de la science.

Comme vous le savez, depuis 2020, nous, les gens ordinaires, sommes préoccupés par un seul virus particulièrement dangereux connu de tous maintenant, mais il existe de nombreux autres virus qui n'ont pas encore été détectés. Selon les scientifiques, environ 10³¹différentes particules virales, soit dix milliards de fois le nombre approximatif d'étoiles dans l'univers observable.

Il est maintenant clair que les écosystèmes et les organismes individuels dépendent des virus. Les virus sont des créatures minuscules mais incroyablement puissantes, ils ont accéléré le développement évolutif sur des millions d'années, avec leur aide, le transfert de gènes entre les organismes hôtes a été effectué. Vivant dans les océans du monde, les virus ont disséqué les micro-organismes, jetant leur contenu dans l'environnement aquatique et enrichissant le réseau trophique en nutriments. "Nous n'aurions pas survécu sans virus", déclare le virologue Curtis Suttle de l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada.

Le Comité international de taxonomie des virus (ICTV) a découvert qu'il existe actuellement 9 110 types de virus distincts dans le monde, mais cela ne représente évidemment qu'une infime fraction de leur total. Ceci est en partie dû au fait que la classification officielle des virus dans le passé obligeait les scientifiques à cultiver le virus dans l'organisme hôte ou ses cellules; ce processus prend du temps et semble parfois irréaliste compliqué.

La deuxième raison est qu'au cours de la recherche scientifique, l'accent a été mis sur la recherche de virus qui causent des maladies chez l'homme ou dans d'autres organismes vivants qui ont une certaine valeur pour l'homme, par exemple, cela concerne les animaux de ferme et les cultures.

Néanmoins, comme nous l'a rappelé la pandémie de covid-19, il est important d'étudier les virus qui peuvent se transmettre d'un organisme hôte à un autre, et c'est justement la menace pour l'homme, ainsi que pour les animaux domestiques ou les cultures.

Au cours de la dernière décennie, le nombre de virus connus a explosé en raison des améliorations apportées aux technologies de détection, mais aussi en raison d'un changement récent des règles d'identification de nouveaux types de virus, qui ont permis de détecter des virus sans avoir besoin de les cultiver avec un organisme hôte.

L'une des méthodes les plus courantes est la métagénomique. Il permet aux scientifiques de prélever des échantillons de génomes de l'environnement sans avoir besoin de les cultiver. De nouvelles technologies telles que le séquençage des virus ont ajouté plus de noms de virus à la liste, y compris certains qui sont étonnamment répandus mais encore largement cachés aux scientifiques.

« C'est le moment idéal pour effectuer ce type de recherche », déclare Maya Brightbart. - Je pense qu'à bien des égards, le moment est venu pour le virome [virome - la collection de tous les virus caractéristiques d'un organisme individuel - environ Trad.] ".

Rien qu'en 2020, ICTV a ajouté 1 044 nouvelles espèces à sa liste officielle de virus, avec des milliers d'autres virus en attente de description et jusqu'à présent sans nom. L'émergence d'une si grande variété de génomes a incité les virologues à repenser la classification des virus et a permis de clarifier le processus de leur évolution. Il existe des preuves solides que les virus ne proviennent pas d'une seule source, mais se sont produits plusieurs fois.

Pourtant, la taille réelle de la communauté virale mondiale est en grande partie inconnue, selon le virologue Jens Kuhn de l'Institut national américain des allergies et des maladies infectieuses (NIAID) à Fort Detrick, Maryland: « Nous n'avons vraiment aucune idée de ce qui se passe. »

Partout et partout

Tout virus a deux propriétés: premièrement, le génome de chaque virus est enfermé dans une enveloppe protéique et, deuxièmement, chaque virus utilise un organisme hôte étranger - que ce soit un homme, une araignée ou une plante - aux fins de sa reproduction. Mais il existe d'innombrables variantes dans ce schéma général.

Par exemple, les minuscules circovirus n'ont que deux ou trois gènes, tandis que les mimivirus massifs, qui sont plus gros que certaines bactéries, ont des centaines de gènes.

Par exemple, il existe des bactériophages qui ressemblent quelque peu à l'appareil pour atterrir sur la lune - ces bactériophages infectent les bactéries. Et, bien sûr, de nos jours, tout le monde connaît les balles tueuses parsemées d'épines, dont les images sont maintenant douloureusement familières, peut-être, à chaque personne dans n'importe quel pays du monde. Et les virus ont également cette caractéristique: un groupe de virus stocke leur génome sous forme d'ADN, tandis que l'autre - sous forme d'ARN.

Il existe même un bactériophage utilisant un alphabet génétique alternatif, dans lequel la base azotée A dans le système canonique ACGT est remplacée par une autre molécule désignée par la lettre Z [la lettre A représente la base azotée "adénine", qui fait partie de la acides (ADN et ARN); ACGT- bases azotées qui composent l'ADN, à savoir: A - adénine, C - cytosine, G - guanine, T - thymine, - env. trad.].

Les virus sont si omniprésents et fouineurs qu'ils peuvent apparaître même si les scientifiques ne les recherchent pas. Ainsi, par exemple, Frederik Schulz n'avait pas du tout l'intention d'étudier les virus, son domaine de recherche scientifique est la séquence des génomes des eaux usées. En tant qu'étudiant diplômé à l'Université de Vienne, Schultz a utilisé la métagénomique pour trouver des bactéries en 2015. Avec cette approche, les scientifiques isolent l'ADN d'une gamme d'organismes, les broient en petits morceaux et les séquencent. Ensuite, un programme informatique assemble des génomes individuels à partir de ces pièces. Cette procédure rappelle l'assemblage de plusieurs centaines de puzzles à la fois à partir de fragments séparés mélangés les uns aux autres.

Parmi les génomes bactériens, Schultz n'a pas pu s'empêcher de remarquer une énorme partie du génome viral (apparemment parce que cette partie avait des gènes d'enveloppe virale), qui comprenait 1,57 million de paires de bases. Ce génome viral s'est avéré être un géant, il faisait partie d'un groupe de virus, dont les membres sont des virus géants à la fois en taille de génome et en dimensions absolues (généralement 200 nanomètres ou plus de diamètre). Ce virus infecte les amibes, les algues et autres protozoaires, affectant ainsi les écosystèmes aquatiques, ainsi que les écosystèmes terrestres.

Frederick Schultz, maintenant microbiologiste au Joint Genome Institute du département américain de l'Énergie à Berkeley, en Californie, a décidé de rechercher des virus apparentés dans des bases de données métagénomiques. En 2020, dans leur article, Schultz et ses collègues ont décrit plus de deux mille génomes du groupe qui contient des virus géants. Rappelons qu'auparavant, seuls 205 de ces génomes étaient inclus dans les bases de données accessibles au public.

De plus, les virologues ont également dû regarder à l'intérieur du corps humain à la recherche de nouvelles espèces. Le spécialiste de la bioinformatique des virus Luis Camarillo-Guerrero, en collaboration avec des collègues du Senger Institute à Hinkston (Royaume-Uni), a analysé les métagénomes intestinaux humains et créé une base de données contenant plus de 140 000 espèces de bactériophages. Plus de la moitié d'entre eux étaient inconnus de la science.

L'étude conjointe des scientifiques, publiée en février, a coïncidé avec les découvertes d'autres scientifiques selon lesquelles l'un des groupes de virus les plus courants qui infectent les bactéries intestinales humaines est un groupe connu sous le nom de crAssphage (du nom du programme d'assemblage croisé qui l'a découvert en 2014).. Malgré l'abondance de virus représentés dans ce groupe, les scientifiques savent peu de choses sur la façon dont les virus de ce groupe participent au microbiome humain, explique Camarillo-Guerrero, qui travaille maintenant pour la société de séquençage d'ADN Illumina (Illumina est située à Cambridge, au Royaume-Uni).

La métagénomique a découvert de nombreux virus, mais en même temps, la métagénomique ignore de nombreux virus. Dans les métagénomes typiques, les virus à ARN ne sont pas séquencés, c'est pourquoi le microbiologiste Colin Hill de l'Université nationale irlandaise de Cork, en Irlande, et ses collègues les ont recherchés dans des bases de données d'ARN appelées métatranscriptions.

Les scientifiques se réfèrent généralement à ces données lorsqu'ils étudient les gènes d'une population, c'est-à-dire les gènes qui sont activement convertis en ARN messager [l'ARN messager (ou ARNm) est également appelé ARN messager (ARNm) - env. trad.] impliqué dans la production de protéines; mais on y trouve aussi les génomes des virus à ARN. En utilisant des techniques informatiques pour extraire des séquences de données, l'équipe a trouvé 1 015 génomes viraux dans des métatrancryptomes à partir d'échantillons de limon et d'eau. Grâce au travail des scientifiques, les informations sur les virus connus ont considérablement augmenté après la parution d'un seul article.

Grâce à ces méthodes, il est possible de collecter accidentellement des génomes qui n'existent pas dans la nature, mais pour éviter cela, les scientifiques ont appris à utiliser des méthodes de contrôle. Mais il y a aussi d'autres faiblesses. Par exemple, il est extrêmement difficile d'isoler certains types de virus avec une grande diversité génétique, car il est difficile pour les programmes informatiques de reconstituer des séquences de gènes disparates.

Une approche alternative consiste à séquencer chaque génome viral séparément, comme le fait le microbiologiste Manuel Martinez-Garcia de l'Université d'Alicante en Espagne. Après avoir fait passer de l'eau de mer à travers des filtres, il a isolé des virus spécifiques, amplifié leur ADN et procédé au séquençage.

Après le premier essai, il a trouvé 44 génomes. Il s'est avéré que l'un d'entre eux est un type de l'un des virus les plus courants vivant dans l'océan. Ce virus a une si grande diversité génétique (c'est-à-dire que les fragments génétiques de ses particules virales sont si différents dans différentes particules virales) que son génome n'est jamais apparu dans la recherche en métagénomique. Les scientifiques l'ont nommé "37-F6" en raison de son emplacement sur une assiette de laboratoire. Cependant, a plaisanté Martinez-Garcia, étant donné la capacité du génome à se cacher à la vue de tous, il aurait dû être nommé 007 d'après le super agent James Bond.

Arbres généalogiques des virus

De tels virus océaniques, aussi secrets que James Bond, n'ont pas de nom latin officiel, comme la plupart des milliers de génomes viraux découverts au cours de la dernière décennie grâce à la métagénomique. Ces séquences génomiques ont posé une question difficile à ICTV: un seul génome suffit-il pour nommer le virus ? Jusqu'en 2016, l'ordre suivant existait: si les scientifiques proposaient un nouveau type de virus ou groupe taxonomique pour l'ICTV, alors, à de rares exceptions près, il fallait mettre en culture non seulement ce virus, mais aussi l'organisme hôte. Mais en 2016, après d'intenses débats, les virologues ont convenu qu'un seul génome suffirait.

Les demandes de nouveaux virus et groupes de virus ont commencé à arriver. Mais les relations évolutives entre ces virus sont parfois restées floues. Les virologues classent généralement les virus en fonction de leur forme (par exemple, "long", "fin", "tête et queue") ou en fonction de leurs génomes (ADN ou ARN, simple ou double brin), mais ces propriétés nous en disent étonnamment peu. sur leur origine commune. Par exemple, les virus avec des génomes à ADN double brin semblent provenir d'au moins quatre situations différentes.

La classification initiale des virus ICTV (qui implique que l'arbre des virus et l'arbre des formes de vie cellulaire existent séparément les uns des autres) ne comprenait que les étapes inférieures de la hiérarchie évolutive, allant des espèces et des genres au niveau qui, selon le classification de la vie multicellulaire, équivaut aux primates ou aux conifères. Il n'y avait pas de niveaux supérieurs de la hiérarchie évolutive des virus. Et de nombreuses familles de virus existaient de manière isolée, sans aucun lien avec d'autres types de virus. Ainsi, en 2018, ICTV a ajouté des niveaux d'ordre plus élevés pour classer les virus: classes, types et domaines.

Tout en haut de la classification des virus, ICTV place des groupes appelés « royaumes » (royaumes), qui sont des analogues de « domaines » pour les formes de vie cellulaires (bactéries, archées et eucaryotes), c'est-à-dire ICTV a utilisé un mot différent pour distinguer les deux arbres. (Il y a plusieurs années, certains scientifiques ont suggéré que certains virus pourraient probablement s'intégrer dans l'arbre des formes de vie cellulaires, mais cette idée n'a pas reçu une large approbation.)

ICTV a décrit les branches de l'arbre viral et assigné les virus à ARN à une région appelée Riboviria; Soit dit en passant, une partie de cette zone est constituée du virus SARS-CoV-2 et d'autres coronavirus, dont les génomes sont des ARN simple brin. Mais alors la vaste communauté des virologues a dû proposer des groupes taxonomiques supplémentaires. Il se trouve que le biologiste évolutionniste Eugene Koonin du National Center for Biotechnology Information à Bethesda, Maryland, a réuni une équipe de scientifiques pour trouver un premier moyen de catégoriser les virus. À cette fin, Kunin a décidé d'analyser tous les génomes viraux, ainsi que les résultats des études sur les protéines virales.

Ils réorganisèrent la région de Riboviria et proposèrent trois autres royaumes. Il y a eu des controverses sur certains détails, a déclaré Kunin, mais en 2020, la systématisation a été approuvée par les membres d'ICTV sans trop de difficulté. Selon Kunin, deux autres royaumes ont reçu le feu vert en 2021, mais les quatre d'origine resteront probablement les plus grands. En fin de compte, suggère Kunin, le nombre de royaumes pourrait atteindre 25.

Ce nombre confirme les soupçons de nombreux scientifiques: les virus n'ont pas d'ancêtre commun. "Il n'y a pas de progéniteur unique pour tous les virus", explique Kunin. "Ça n'existe tout simplement pas." Cela signifie que des virus sont probablement apparus plusieurs fois au cours de l'histoire de la vie sur Terre. Ainsi, nous n'avons aucune raison de dire que les virus ne peuvent pas réapparaître. "De nouveaux virus apparaissent constamment dans la nature", explique le virologue Mart Krupovic de l'Institut Pasteur de Paris, qui a été impliqué à la fois dans la prise de décision d'ICTV et dans les travaux de recherche du groupe Kunin sur la systématisation.

Les virologues ont plusieurs hypothèses sur les causes des royaumes. Peut-être que les royaumes provenaient d'éléments génétiques indépendants à l'aube de la vie sur la planète Terre, avant même la formation des cellules. Ou peut-être ont-ils laissé des cellules entières, « échappées » d'elles, abandonnant la plupart des mécanismes cellulaires pour maintenir leur existence à un niveau minimum. Kunin et Krupovich sont en faveur de l'hypothèse hybride, selon laquelle ces éléments génétiques primaires « ont volé » le matériel génétique de la cellule afin de construire des particules virales. Comme il existe de nombreuses hypothèses sur l'origine des virus, il est tout à fait possible qu'il existe de nombreuses façons de leur apparition, explique le virologue Jens Kuhn, qui a travaillé au comité ICTV sur une proposition de nouvelle systématisation des virus.

Malgré le fait que les arbres viraux et cellulaires soient différents, leurs branches non seulement se touchent, mais échangent également des gènes. Alors, où classer les virus - animés ou inanimés ? La réponse dépend de la façon dont vous définissez « vivant ». De nombreux scientifiques ne considèrent pas le virus comme un être vivant, tandis que d'autres ne sont pas d'accord. "J'ai tendance à croire qu'ils sont vivants", explique le scientifique en bio-informatique Hiroyuki Ogata, qui fait des recherches sur les virus à l'Université de Kyoto au Japon. « Ils évoluent, ils ont du matériel génétique fait d'ADN et d'ARN. Et ils sont un facteur très important dans l'évolution de tous les êtres vivants. »

La classification actuelle est largement acceptée et représente la première tentative de généralisation de la variété des virus, bien que certains virologues pensent qu'elle est quelque peu imprécise. Une douzaine de familles de virus n'ont toujours aucun lien avec aucun royaume. "La bonne nouvelle est que nous essayons de mettre au moins un peu d'ordre dans ce gâchis", ajoute le microbiologiste Manuel Martinez-Garcia.

Ils ont changé le monde

La masse totale des virus vivant sur Terre équivaut à 75 millions de rorquals bleus. Les scientifiques sont convaincus que les virus affectent les réseaux trophiques, les écosystèmes et même l'atmosphère de notre planète. Selon le spécialiste de la virologie environnementale Matthew Sullivan de l'Ohio State University à Columbus, les scientifiques découvrent de plus en plus de nouveaux types de virus, les chercheurs "découvrant des manières jusqu'alors inconnues par lesquelles les virus ont un impact direct sur les écosystèmes". Les scientifiques tentent de quantifier cette exposition virale.

"Pour le moment, nous n'avons pas d'explication simple pour les phénomènes en cours", explique Hiroyuki Ogata.

Dans les océans du monde, les virus peuvent quitter leurs microbes hôtes, libérant du carbone, qui sera recyclé par d'autres créatures qui mangent l'intérieur de ces microbes hôtes, puis libèrent du dioxyde de carbone. Mais plus récemment, les scientifiques sont également arrivés à la conclusion que les cellules qui éclatent s'agglutinent souvent et coulent au fond des océans du monde, liant le carbone de l'atmosphère.

La fonte du pergélisol sur terre est la principale source de génération de carbone, a déclaré Matthew Sullivan, et les virus semblent aider à libérer le carbone des micro-organismes dans cet environnement. En 2018, Sullivan et ses collègues ont décrit 1907 génomes viraux et leurs fragments collectés lors du dégel du pergélisol en Suède, y compris des gènes de protéines qui peuvent d'une manière ou d'une autre influencer le processus de décomposition des composés carbonés et, éventuellement, le processus de leur transformation en gaz à effet de serre..

Les virus peuvent également influencer d'autres organismes (par exemple, mélanger leurs génomes). Par exemple, les virus portent des gènes de résistance aux antibiotiques d'une bactérie à une autre, et des souches résistantes aux médicaments peuvent éventuellement prévaloir. Selon Luis Camarillo-Guerrero, au fil du temps, un tel transfert de gènes peut provoquer de graves changements évolutifs dans une population particulière - et pas seulement chez les bactéries. Ainsi, selon certaines estimations, 8% de l'ADN humain serait d'origine virale. Ainsi, par exemple, c'est du virus que nos ancêtres mammifères ont reçu le gène nécessaire au développement du placenta.

Les scientifiques auront besoin de plus que de leurs génomes pour résoudre de nombreuses questions sur le comportement des virus. Il faut aussi trouver les hôtes du virus. Dans ce cas, l'indice peut être stocké dans le virus lui-même: le virus, par exemple, peut contenir un fragment reconnaissable du matériel génétique de l'hôte dans son propre génome.

Le microbiologiste Manuel Martinez-Garcia et ses collègues ont utilisé la génomique unicellulaire pour identifier les microbes contenant le virus 37-F6 récemment découvert. L'organisme hôte de ce virus est la bactérie Pelagibacter, qui est l'un des organismes marins les plus répandus et les plus diversifiés. Dans certaines régions des océans du monde, Pelagibacter représente près de la moitié de toutes les cellules qui vivent dans ses eaux. Si le virus 37-F6 disparaissait brutalement, poursuit Martinez-Garcia, la vie des organismes aquatiques serait gravement perturbée.

Les scientifiques doivent comprendre comment il change d'hôte pour obtenir une image complète de l'impact d'un virus particulier, explique l'écologiste évolutionniste Alexandra Worden de l'Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) à Kiel, Allemagne. Warden étudie des virus géants qui portent les gènes d'une protéine fluorescente appelée rhodopsine.

En principe, ces gènes peuvent également être utiles pour les organismes hôtes, par exemple, à des fins telles que le transfert d'énergie ou la transmission de signaux, mais ce fait n'a pas encore été confirmé. Afin de savoir ce qu'il advient des gènes de la rhodopsine, Alexandra Vorden envisage de cultiver l'organisme hôte (hôte) avec le virus afin d'étudier le mécanisme de fonctionnement de ce couple (hôte-virus), réuni en un seul complexe - "virocellule".

"Ce n'est que grâce à la biologie cellulaire que vous pouvez dire quel est le véritable rôle de ce phénomène et comment il affecte exactement le cycle du carbone", ajoute Warden.

Chez elle en Floride, Maya Brightbart n'a pas cultivé de virus isolés des araignées Gasteracantha cancriformis, mais elle a réussi à en apprendre une ou deux sur elles. Les deux virus jusque-là inconnus trouvés dans ces araignées appartiennent au groupe que Brightbart a décrit comme « incroyable » - et tous à cause de leurs génomes minuscules: le premier code pour le gène de l'enveloppe protéique, le second - le gène pour la protéine de réplication.

Comme l'un de ces virus n'est présent que dans le corps de l'araignée, mais pas dans ses pattes, Brightbart pense qu'en fait sa fonction est d'infecter les proies, qui sont ensuite mangées par l'araignée. Le deuxième virus peut être trouvé dans diverses zones du corps de l'araignée - dans la couvée des œufs et de la progéniture - Brightbart pense donc que ce virus se transmet des parents à la progéniture. Selon Brightbart, ce virus est inoffensif pour l'araignée.

Les virus sont donc "en fait les plus faciles à trouver", explique Maya Brightbart. Il est beaucoup plus difficile de déterminer le mécanisme par lequel les virus affectent le cycle de vie et l'écologie de l'organisme hôte. Mais d'abord, les virologues doivent répondre à l'une des questions les plus difficiles, nous rappelle Brightbart: "Comment savoir sur laquelle enquêter au départ ?"