Wikipédia

Quasi-espèce virale

concept

Une quasi-espèce virale est une struture d'une population virale caractérisée par un grand nombre de variants génomiques (phylogénétiquement reliés par des mutations)[1]. Les quasi-espèces résultent de deux événements : un taux de mutation élevé faisant apparaître continuellement des mutants, et des changements de la fréquence au fur et à mesure que la réplication et la sélection virales se déroulent[2].

La théorie prédit qu’une quasi-espèce virale située dans une région faible mais évolutivement neutre et hautement connectée (c’est-à-dire plate) dans le paysage adaptatif surpassera une quasi-espèce située dans un pic de condition physique plus élevé mais plus étroit dans lequel les mutants environnants ne sont pas adaptés[3],[4]. Ce phénomène est appelé « effet quasi-espèce »[5].

Le terme quasi-espèce est adopté à partir d'une théorie de l'abiogenèse dans laquelle les réplicons primitifs sont constitués de distributions mutantes, comme cela est découvert expérimentalement avec les virus à ARN actuels au sein de leur hôte[6],[7]. La théorie donne une nouvelle définition du type sauvage lors de la description des virus et un cadre conceptuel pour une compréhension plus approfondie du potentiel adaptatif des virus à ARN que celui offert par les études classiques basées sur des séquences consensus simplifiées[2].

Le modèle de quasi-espèce est plus applicable lorsque la taille du génome est limitée et que le taux de mutation est élevé. Il est donc plus pertinent pour les virus à ARN (y compris les agents pathogènes importants) car ils ont des taux de mutation élevés (environ une erreur par cycle de réplication) [8] bien que les concepts puissent s'appliquer à d'autres entités biologiques telles que les virus à ADN à transcription inverse comme l'hépatite B[9]. Dans de tels scénarios, des distributions complexes de génomes variants étroitement liés sont soumises à la variation génétique, à la compétition et à la sélection et peuvent agir comme une unité. de sélection. Par conséquent, la trajectoire évolutive de l’infection virale ne peut être prédite uniquement à partir des caractéristiques de la séquence la plus apte. Des taux de mutation élevés imposent également une limite supérieure compatible avec les informations héritables. Le franchissement d'une telle limite conduit à l'extinction du virus à ARN, une transition qui est à la base d'une conception antivirale appelée mutagenèse létale et qui présente un intérêt pour la médecine antivirale[2].

La pertinence des quasi-espèces en virologie a fait l'objet de nombreux débats. Cependant, les analyses clonales standards et les méthodologies de séquençage en profondeur confirment la présence de myriades de génomes mutants dans les populations virales et leur participation à des processus adaptatifs[2].

Histoire modifier

La théorie des quasi-espèces est développée dans les années 1970 par Manfred Eigen et Peter Schuster pour expliquer l'auto-organisation et l'adaptabilité des réplicons primitifs (terme utilisé pour désigner toute entité se répliquant), en tant qu'ingrédient des organisations hypercycliques qui relient les informations génotypiques et phénotypiques, en tant qu'élément d'organisations hypercycliques qui relient les informations génotypiques et phénotypiques. étape essentielle à l’origine de la vie[10],[11]. La théorie décrivait les premières populations de réplicons comme des spectres mutants organisés dominés par une séquence maîtresse, celle dotée de la plus grande aptitude (capacité de réplication) dans la distribution. Il a introduit la notion d'ensemble mutant comme unité de sélection, soulignant ainsi la pertinence des interactions intra-population pour comprendre la réponse aux contraintes sélectives. L'un de ses corollaires est la relation de seuil d'erreur, qui marque le taux de mutation maximal auquel la séquence maîtresse (ou dominante) peut stabiliser l'ensemble mutant. La violation du seuil d'erreur entraîne une perte de domination de la séquence maître et une dérive de la population dans l'espace des séquences[11],[12],[13],[14].

Les concepts fondamentaux des quasi-espèces sont décrits par deux équations fondamentales : la réplication avec production de copies erronées et la relation de seuil d'erreur. Ils capturent deux caractéristiques majeures des virus à ARN au niveau de la population : la présence d’un spectre mutant et l’effet néfaste d’une augmentation du taux de mutation sur la survie du virus, chacune ayant plusieurs dérivations[2].

L’existence d’un spectre mutant est d'abord mise en évidence expérimentalement par des analyses clonales de populations de bactériophages à ARN Qβ dont la réplication est initiée par une seule particule virale. Les génomes individuels différaient de la séquence consensus par une moyenne d'une à deux mutations par génome individuel[15]. La condition physique des clones biologiques est inférieure à celle de la population parentale non clonée, une différence également documentée pour le virus de la stomatite vésiculaire (VSV)[16]. La capacité de réplication d’un ensemble de population ne coïncide pas nécessairement avec celle de ses composantes individuelles. La découverte selon laquelle une population virale est essentiellement un pool de mutants est arrivée à une époque où les mutations en génétique générale sont considérées comme des événements rares et où les virologues associaient un génome viral à une séquence nucléotidique définie, comme le laisse entendre encore aujourd'hui le contenu des banques de données[17]. La nature nuageuse de Qβ est comprise comme une conséquence de son taux de mutation élevé, calculé en 10 −4 mutations introduites par nucléotide copié[18], ainsi que de la tolérance des génomes individuels à accepter une proportion indéterminée de mutations nouvellement apparues, malgré les coûts d'adaptation. Le taux d'erreur estimé pour le bactériophage Qβ est confirmé et est comparable aux valeurs calculées pour d'autres virus à ARN[8],[19].

Des taux de mutation élevés et des quasi-espèces sont vérifiés pour d'autres virus à ARN sur la base de la dissection des populations virales par clonage moléculaire ou biologique et de l'analyse des séquences de clones individuels. John Holland et ses collègues sont les premiers à reconnaître qu'un monde d'ARN en évolution rapide inséré dans une biosphère basée sur l'ADN a de multiples implications évolutives et médicales[2],[16],[20],[21],[22]. La plasticité du génome des virus à ARN est suspectée depuis de nombreuses décennies. Les premières observations clés sont les variations des traits viraux décrits par Findley dans les années 1930, les études de Granoff sur les transitions de la morphologie des plaques du virus de la maladie de Newcastle, ou la fréquence élevée des conversions entre résistance aux médicaments et dépendance dans le virus Coxsackie A9, entre autres études sur des animaux. et les virus végétaux au milieu du 20e siècle[23]. Replacées dans le contexte des connaissances actuelles, on se rend compte que ces observations sur les changements phénotypiques n’sont que la pointe de l’iceberg d’une réalité extrêmement complexe des populations virales. Des taux de mutation élevés et une hétérogénéité de la population caractérisent les virus à ARN, avec des conséquences sur la pathogenèse virale et le contrôle des maladies virales. Des études détaillées sur la dynamique des quasi-espèces in vivo sont réalisées avec le virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) et le virus de l'hépatite C[24],[25],[26].

Portée actuelle modifier

La première formulation mathématique des quasi-espèces est déterministe ; il suppose des distributions de mutants à l'état stable en équilibre génétique sans perturbations dérivées de modifications de l'environnement ou de la taille de la population[27]. Ces conditions sont courantes dans les formulations théoriques initiales de phénomènes complexes car elles confèrent une maniabilité mathématique. Depuis lors, plusieurs extensions de la théorie aux conditions de non-équilibre avec des composantes stochastiques sont développées, dans le but de trouver des solutions générales pour les paysages adaptatifs multi-pics. Ces objectifs se rapprochent des quasi-espèces du cas réel des virus à ARN, qui sont contraints de faire face à des variations spectaculaires de la taille de la population et de l'environnement[28]. La recherche sur les quasi-espèces suit plusieurs voies théoriques et expérimentales, notamment des études continues sur l'optimisation évolutive et l'origine de la vie, les interactions ARN-ARN et les réseaux de réplicateurs, le seuil d'erreur dans les paysages adaptatifs variables, la prise en compte de la mutagenèse chimique et des mécanismes de relecture, l'évolution de cellules tumorales, populations bactériennes ou cellules souches, instabilité chromosomique, résistance aux médicaments et distributions de conformations chez les prions (une classe de protéines dont le potentiel pathogène dépend de la conformation ; dans ce cas, la quasi-espèce est définie par une distribution de conformations)[24],[29]. De nouveaux apports à la recherche expérimentale sur les quasi-espèces proviennent du séquençage profond pour sonder les populations virales et cellulaires, de la reconnaissance des interactions au sein des spectres mutants, des modèles de dynamique des populations virales liées à la progression de la maladie et à la transmission des agents pathogènes, et de nouveaux enseignements issus des variantes de fidélité des virus[29].

Notes et références modifier

  1. ↑ (en) Esteban Domingo, Guenther Witzany, « Quasispecies Productivity », The Science of Nature (Naturwissenschaften), no 111,‎ , p. 11 (lire en ligne)
  2. ↑ a b c d e et f Domingo et García-Crespo, « Historical Perspective on the Discovery of the Quasispecies Concept », Annual Review of Virology, vol. 8, no 1,‎ , p. 51–72 (ISSN 2327-056X, PMID 34586874, DOI 10.1146/annurev-virology-091919-105900, hdl 10261/265663)
  3. ↑ « Neutral evolution of mutational robustness », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 96, no 17,‎ , p. 9716–20 (PMID 10449760, PMCID 22276, DOI 10.1073/pnas.96.17.9716, Bibcode 1999PNAS...96.9716V, arXiv adap-org/9903006)
  4. ↑ « Evolution of digital organisms at high mutation rates leads to survival of the flattest », Nature, vol. 412, no 6844,‎ , p. 331–3 (PMID 11460163, DOI 10.1038/35085569, Bibcode 2001Natur.412..331W, S2CID 1482925, lire en ligne)
  5. ↑ « Experimental evolution of plant RNA viruses », Heredity, vol. 100, no 5,‎ , p. 478–83 (PMID 18253158, PMCID 7094686, DOI 10.1038/sj.hdy.6801088)
  6. ↑ « Molecular Quasi-Species », Journal of Physical Chemistry, vol. 92, no 24,‎ , p. 6881–6891 (DOI 10.1021/j100335a010, hdl 11858/00-001M-0000-002C-84A7-C, S2CID 96727272)
  7. ↑ « What is a quasispecies? », Trends in Ecology & Evolution, vol. 7, no 4,‎ , p. 118–21 (PMID 21235976, DOI 10.1016/0169-5347(92)90145-2)
  8. ↑ a et b « Mutation rates among RNA viruses », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 96, no 24,‎ , p. 13910–3 (PMID 10570172, PMCID 24164, DOI 10.1073/pnas.96.24.13910, Bibcode 1999PNAS...9613910D)
  9. ↑ Louis Stephanus Le Clercq, Molecular characterization of full genome hepatitis b virus sequences from an urban hospital cohort in Pretoria, South Africa, Pretoria, South Africa, University of Pretoria, (OCLC 958495192, lire en ligne)
  10. ↑ « Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules », Die Naturwissenschaften, vol. 58, no 10,‎ , p. 465–523 (PMID 4942363, DOI 10.1007/bf00623322, Bibcode 1971NW.....58..465E, S2CID 38296619)
  11. ↑ a et b Eigen et Schuster, « The Hypercycle », Naturwissenschaften, vol. 65, no 1,‎ , p. 7–41 (ISSN 0028-1042, DOI 10.1007/bf00420631, S2CID 1812273)
  12. ↑ « Self-replication with errors. A model for polynucleotide replication », Biophysical Chemistry, vol. 16, no 4,‎ , p. 329–45 (PMID 7159681, DOI 10.1016/0301-4622(82)87037-3)
  13. ↑ « Viral replication modes in single-peak fitness landscapes: A dynamical systems analysis », Journal of Theoretical Biology, vol. 460,‎ , p. 170–183 (PMID 30300648, DOI 10.1016/j.jtbi.2018.10.007, Bibcode 2019JThBi.460..170F, hdl 2072/378023, S2CID 52947045)
  14. ↑ Peter Schuster, Quasispecies: From Theory to Experimental Systems, vol. 392, Springer International Publishing, coll. « Current Topics in Microbiology and Immunology », , 61–120 p. (ISBN 9783319238975, PMID 26597856, DOI 10.1007/82_2015_469), « Quasispecies on Fitness Landscapes »
  15. ↑ « Nucleotide sequence heterogeneity of an RNA phage population », Cell, vol. 13, no 4,‎ , p. 735–44 (PMID 657273, DOI 10.1016/0092-8674(78)90223-4, S2CID 19109157)
  16. ↑ a et b « Subclonal components of consensus fitness in an RNA virus clone », Journal of Virology, vol. 68, no 7,‎ , p. 4295–301 (PMID 8207804, PMCID 236352, DOI 10.1128/JVI.68.7.4295-4301.1994)
  17. ↑ « Genomics of Viruses », Pathogenomics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,‎ , p. 367–388 (ISBN 9783527608010, DOI 10.1002/352760801x.ch17)
  18. ↑ « The proportion of revertant and mutant phage in a growing population, as a function of mutation and growth rate », Gene, vol. 1, no 1,‎ , p. 27–32 (PMID 1052321, DOI 10.1016/0378-1119(76)90004-4)
  19. ↑ « Correlation between mutation rate and genome size in riboviruses: mutation rate of bacteriophage Qβ », Genetics, vol. 195, no 1,‎ , p. 243–51 (PMID 23852383, PMCID 3761305, DOI 10.1534/genetics.113.154963)
  20. ↑ « Rapid evolution of RNA genomes », Science, vol. 215, no 4540,‎ , p. 1577–85 (PMID 7041255, DOI 10.1126/science.7041255, Bibcode 1982Sci...215.1577H)
  21. ↑ « The quasispecies (extremely heterogeneous) nature of viral RNA genome populations: biological relevance--a review », Gene, vol. 40, no 1,‎ , p. 1–8 (PMID 3912262, DOI 10.1016/0378-1119(85)90017-4)
  22. ↑ RNA Genetics, (ISBN 9781351076432, DOI 10.1201/9781351076432)
  23. ↑ Quasispecies: Concept and Implications for Virology, vol. 299, Springer-Verlag, coll. « Current Topics in Microbiology and Immunology », , 371–401 (ISBN 3540263950, PMID 16568907, DOI 10.1007/3-540-26397-7_14), « Transitions in understanding of RNA viruses: a historical perspective »
  24. ↑ a et b « Viral quasispecies evolution », Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 76, no 2,‎ , p. 159–216 (PMID 22688811, PMCID 3372249, DOI 10.1128/MMBR.05023-11)
  25. ↑ « Temporal fluctuations in HIV quasispecies in vivo are not reflected by sequential HIV isolations », Cell, vol. 58, no 5,‎ , p. 901–10 (PMID 2550139, DOI 10.1016/0092-8674(89)90942-2, S2CID 35903181)
  26. ↑ « New insights into the HCV quasispecies and compartmentalization », Seminars in Liver Disease, vol. 31, no 4,‎ , p. 356–74 (PMID 22189976, DOI 10.1055/s-0031-1297925, S2CID 260313185)
  27. ↑ « The hypercycle. A principle of natural self-organization. Part A: Emergence of the hypercycle », Die Naturwissenschaften, vol. 64, no 11,‎ , p. 541–65 (PMID 593400, DOI 10.1007/bf00450633, S2CID 42131267)
  28. ↑ Quasispecies: From Theory to Experimental Systems, vol. 392, Springer International Publishing, coll. « Current Topics in Microbiology and Immunology », , 121–39 p. (ISBN 9783319238975, PMID 26342705, DOI 10.1007/82_2015_471), « Mathematical Models of Quasi-Species Theory and Exact Results for the Dynamics »
  29. ↑ a et b Quasispecies: From Theory to Experimental Systems, vol. 392, coll. « Current Topics in Microbiology and Immunology », (ISBN 978-3-319-23897-5, DOI 10.1007/978-3-319-23898-2, S2CID 19514308)
Ce document provient de « https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Quasi-espèce_virale&oldid=212718572 ».