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Les virus se mêlent-ils à notre génome ?

Clément Gilbert
Clément Gilbert
chargé de recherche CNRS en génétique à l’Université Paris-Saclay
En bref
  • Le transfert génétique horizontal représente le phénomène par lequel du matériel génétique se transmet d’un organisme extérieur à un autre, sans que ce dernier en soit un descendant.
  • Ces transferts entraînent une forte similitude de séquence entre deux espèces qui sont trop distantes, dans l’arbre de la vie, pour que la similarité puisse s’expliquer par l’héritage d’un ancêtre commun.
  • En étudiant les génomes de 200 espèces d’insectes et 300 génomes de vertébrés, les chercheurs ont révélé plus de 2 000 transferts horizontaux d’éléments transposables entre insectes et plus de 900 entre vertébrés.
  • Les virus sont de petits organismes connus pour transporter du matériel génétique. Ils pourraient donc être les potentiels vecteurs des transferts horizontaux.
  • Si leur hypothèse est confirmée, ils auront mis au jour un mécanisme important de l’évolution des espèces.

Des travaux très éton­nants sug­gèrent que les virus pour­raient avoir joué un rôle majeur dans l’évolution. Pas seule­ment en oblig­eant leur hôte à se trans­former pour s’en pré­mu­nir, mais en agis­sant directe­ment sur la séquence des génomes. Une his­toire de géné­tique horizontale.

Dans le monde vivant, le partage de matériel géné­tique ne se fait pas tou­jours de par­ents à enfants… Les généti­ciens appel­lent ain­si « trans­ferts hor­i­zon­taux » tout autre mécan­isme de trans­mis­sion d’ADN que la repro­duc­tion1. C’est un phénomène bien con­nu chez les bac­téries ou les archées — les micro-organ­ismes pro­cary­otes2. Il explique notam­ment l’acquisition de résis­tance aux antibi­o­tiques qui pose tant de prob­lèmes en san­té publique. Les bac­téries s’échangent des gènes, via de petits morceaux d’ADN cir­cu­laires appelés plas­mides, ce qui leur per­met de s’adapter rapi­de­ment à de nou­velles con­di­tions envi­ron­nemen­tales, comme la présence d’une molécule antibi­o­tique. Mais les organ­ismes pluri­cel­lu­laires, même très com­plex­es comme les vertébrés, peu­vent-ils aus­si s’échanger des gènes par trans­fert hor­i­zon­tal ? C’est la ques­tion que j’explore…

Chez les eucary­otes3, des études com­para­nt le génome de dif­férentes espèces ont mon­tré que le phénomène était rare, mais pas impos­si­ble. Les trans­ferts hor­i­zon­taux sont faciles à retrou­ver, car ils entraî­nent une forte simil­i­tude de séquence entre deux espèces qui sont très éloignées dans l’arbre de la vie. Celles-ci sont trop dis­tantes, en ter­mes d’évolution, pour que la sim­i­lar­ité de séquence puisse s’expliquer par l’héritage d’un ancêtre com­mun au tra­vers des générations.

Un grand nom­bre de cas décrits con­cer­nent des insectes, il s’agit sou­vent de matériel géné­tique provenant de bac­téries. Par exem­ple, des coléop­tères pos­sè­dent un gène issu de bac­téries qui les aide à digér­er la paroi pep­tidique des plantes. D’autres séquences facili­tent la dégra­da­tion de com­posés tox­iques émis par les plantes pour se pro­téger. L’aleurode du tabac, une petite mouche blanche capa­ble de rav­ager les cul­tures, a ain­si acquis par trans­fert hor­i­zon­tal une enzyme qui lui per­met de se pro­téger des phénols tox­iques émis par les plantes, comme l’ont récem­ment démon­tré des col­lègues chi­nois et suiss­es4. Cette fois, ce n’est pas une bac­térie qui aurait livré sa solu­tion géné­tique, mais une plante… Il s’agirait d’un trans­fert entre deux organ­ismes eucary­otes, ce qui soulève la ques­tion du mécan­isme sous-jacent.

Un phénomène rarissime remarquable

Intri­g­ant aus­si, le phénomène a été doc­u­men­té entre deux vertébrés. Le hareng de l’Atlantique et deux espèces d’éperlans parta­gent ain­si une pro­téine antigel acquise par trans­fert hor­i­zon­tal5. Un exem­ple unique entre vertébrés dans la lit­téra­ture. Mais si l’on ne con­sid­ère pas seule­ment les gènes, mais toutes les séquences du génome, le phénomène ne sem­ble pas si rare.

Pour opér­er un trans­fert hor­i­zon­tal de matériel géné­tique entre deux espèces de vertébrés, en théorie, il faut réu­nir plusieurs con­di­tions : une séquence mobile dans l’espèce don­neuse, un vecteur pour la trans­porter et la pos­si­bil­ité de s’insérer durable­ment dans le génome de l’espèce receveuse, c’est-à-dire dans sa lignée ger­mi­nale afin qu’elle soit trans­mise aux descen­dants de l’individu receveur.

Con­sid­érons les deux pre­miers points, les prob­lèmes de séquences don­neuses et de vecteur. Au côté des gènes, il existe dans les génomes des séquences mobiles ou ayant été mobiles. Elles com­posent d’ailleurs une très grande par­tie des séquences des génomes vertébrés, plus de 50 % du génome humain dérive de telles séquences, ce sont les élé­ments trans­pos­ables. Il s’agit d’ADN non codant, capa­ble de se mou­voir et de se mul­ti­pli­er dans le génome. La plu­part sont désor­mais inac­t­ifs, c’est-à-dire inca­pables de se déplac­er, mais leurs pro­priétés en font des can­di­dats de choix pour par­ticiper aux trans­ferts horizontaux. 

En étu­di­ant les génomes de 200 espèces d’insectes et 300 génomes de vertébrés, nous avons ain­si révélé plus de 2 000 trans­ferts hor­i­zon­taux d’éléments trans­pos­ables entre insectes et plus de 900 entre vertébrés67. Pour ces derniers, la plu­part des trans­ferts hor­i­zon­taux con­cer­nent des pois­sons, ce qui sug­gère que cer­tains aspects de leur mode de vie, comme la niche aqua­tique ou la fer­til­i­sa­tion extérieure des œufs, pour­raient être plus favor­ables au phénomène.

Sur la piste virale

Par ailleurs, de petits organ­ismes sont con­nus pour trans­porter du matériel géné­tique. Ce sont les virus. Nous avons donc imag­iné qu’ils pour­raient être les poten­tiels vecteurs des trans­ferts hor­i­zon­taux. L’analyse de 11 virus dif­férents infec­tant des cel­lules en cul­ture ou des ani­maux de lab­o­ra­toire mon­tre que cer­tains sont capa­bles de récupér­er des élé­ments trans­pos­ables de leur hôte8. Tous n’en étaient pas capa­bles. Les virus spé­cial­istes des infec­tions chez les humains et les rongeurs n’ont présen­té aucune séquence d’éléments trans­pos­ables appar­tenant au génome humain ou de rats. En revanche, ceux des mouch­es et des papil­lons captent ces séquences : entre 0,1 et 26 % des par­tic­ules virales analysées (en moyenne 5 %) présen­taient des élé­ments trans­pos­ables de leur hôte.

Mais la démon­stra­tion n’est pas com­plète. Pour finalis­er le trans­fert hor­i­zon­tal, encore faut-il que ces virus puis­sent don­ner l’élément trans­pos­able acquis chez l’hôte à un autre hôte receveur. Nous sommes en train d’évaluer cette ques­tion chez une espèce de papil­lon. Nous espérons ain­si pou­voir observ­er com­ment les élé­ments trans­pos­ables évolu­ent en sautant d’une espèce à l’autre.

Si notre hypothèse est con­fir­mée, nous aurons mis au jour un mécan­isme impor­tant de l’évolution des espèces. En per­me­t­tant la trans­mis­sion de matériel géné­tique en dehors de la repro­duc­tion, les virus ne seraient pas seule­ment des acteurs néfastes du vivant. Ils auraient par­ticipé à la diver­sité des génomes. C’est ain­si tout un volet de l’évolution géné­tique que nous explorons.

Propos recueillis par Agnès Vernet

1R. Acuña et al., PNAS 2012 109 (11) 4197–4202 ; DOI : 10.1073/pnas.1121190109
2Organ­isme uni­cel­lu­laire dont l’ADN est libre dans la cel­lule
3Les organ­ismes dont l’ADN est enfer­mé dans un noy­au et qui peu­vent être pluri­cel­lu­laires
4J. Xia et al., Cell 2021, 7, P1693-1705.e17. DOI : 10.1016/j.cell.2021.02.014
5LA Gra­ham, PL Davies, Trends in Genet­ics 2021, 6, P501-503, June 01, 2021. DOI : 10.1016/j.tig.2021.02.006
6J. Pec­coud et al., PNAS 2017, 114 (18) 4721–4726 DOI:10.1073/pnas.1621178114
7HH Zhang et al., Nat. Com­mun. 2020, 11, 1362. DOI : 10.1038/s41467-020–15149‑4
8V. Loiseau et al., Mol Biol Evol 2021, 38, 3512–3530. DOI :. 10.1093/molbev/msab198

Auteurs

Clément Gilbert

Clément Gilbert

chargé de recherche CNRS en génétique à l’Université Paris-Saclay

Clément Gilbert est chargé de recherche CNRS au laboratoire Evolution, Génomes, Comportement, Ecologie(UMR 9191 CNRS/Université Paris-Saclay). Ses recherches portent sur les transferts horizontaux de matériel génétique entre espèces. Il cherche à quantifier ces transferts par des approches de génomique comparative, et à caractériser les facteurs biotiques et abiotiques ayant une influence sur leur distribution dans la phylogénie des eucaryotes. Ses travaux visent également à élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans les transferts horizontaux, en étudiant notamment le rôle de vecteur que pourraient jouer certains virus dans ces transferts.