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Mécanismes et fréquence des transferts horizontaux de matériel génétique entre animaux et virus – TransVir

Les virus transfèrent-ils de l’ADN entre espèces animales ?

Les transferts horizontaux (TH) correspondent à la transmission d’ADN entre organismes non nécessairement apparentés, sans reproduction. Si un grand nombre de TH ont été caractérisés chez les eucaryotes, on ne sait toujours pas comment ces transferts se produisent. Ce projet vise à tester l’hypothèse selon laquelle les virus pourraient être des vecteurs efficaces de TH entre animaux.

Disséquer les différentes étapes d’un transfert horizontal entre insectes via un vecteur viral

L’hypothèse selon laquelle les virus pourraient véhiculer de l’ADN d’un organisme à un autre est posée de manière récurrente dans les études rapportant des cas de TH entre eucaryotes. Elle n’a cependant jamais été formellement testée expérimentalement. Ce projet vise à analyser les différentes étapes moléculaires impliquées dans un tel transfert, i.e., un premier TH d’insecte à virus suivi d’un second TH de virus à insecte. De récentes études soulignent l’importance jusqu’ici insoupçonnée des TH de matériel génétique dans l’évolution des génomes d’eucaryotes, et notamment d’animaux. Certains virus comme le baculovirus AcMNPV sont utilisés en lutte biologique contre des chenilles ravageuses de cultures. Savoir si des virus sont impliqués dans les TH comme vecteurs représente donc un enjeu en terme de recherche fondamentale, mais pas seulement. L’estimation de la fréquence naturelle des TH entre insectes via des vecteurs viraux fournira des bases solides permettant d’évaluer d’éventuels risques environnementaux liés à l’utilisation des baculovirus comme biopesticides.

Ici nous proposons tout d’abord d’évaluer la fréquence et la nature des séquences impliquées dans les TH entre animaux et virus en utilisant plusieurs systèmes hôte/virus (baculovirus/papillons ; iridovirus/cloportes ; iridovirus/drosophiles) et grâce à des méthodes de séquençage à très haut débit. Par la suite, nous envisageons de générer des TH entre insectes via un virus en conditions contrôlées au laboratoire grâce à des expériences d’évolution expérimentale. Enfin nous envisageons d’évaluer les mécanismes et les facteurs influençant les TH d’hôtes à virus. Pour cela nous séquencerons des populations de génomes viraux grâce à une des dernières technologies de séquençage permettant l’obtention de longues lectures de séquences (PacBio). Nous évaluerons également l’impact du stress généré par l’infection virale sur l’expression des séquences génomiques répétées de l’hôtes, qui sont typiquement trouvées en grand nombre dans les génomes viraux. Le séquençage à très haut débit des génomes viraux devrait nous permettre de détecter des insertions de séquences hôtes présentes en très faible fréquence dans les populations virales. L’analyse du contexte génomique des insertions hôtes permettra d’inférer le détail des mécanismes impliqués dans l’intégration de ces séquences dans les génomes viraux.

Dans le cadre du WP3, nous avons procédé à une analyse poussée des longs reads de séquençage du génome du baculovirus AcMNPV obtenus grâce à la technologie PacBio. Nous avons identifié 564 éléments transposables (ET) complets intégrés dans le génome d’AcMNPV. Ces données confirment et étendent les résultats obtenus précédemment grâce au séquençage de reads courts. Elles montrent notamment que la totalité des séquences d’ET est bien intégrée dans les génomes viraux par transposition canonique, et que ces ET possèdent donc toutes les caractéristiques qui pourraient leur permettre de sauter du virus au génome d’un autre hôte.

En utilisant un jeu de données RNA-seq de AcMNPV publié (Chen et al. 2013), nous avons cherché à savoir si les ET intégrés dans ce virus étaient bien actifs, et donc transcrits. Nos résultats montrent que 3 ET identifiés dans ce jeu de données sont transcrits, dont un (l’élément PiggyBac TFP3) présente un niveau d’expression comparable à de nombreux gènes viraux.

Par ailleurs, nos recherches d’ET intégrés dans un génome viral à ARN, celui du virus de la dengue se sont avérées négatives. Nous n’avons pas pu mettre en évidence d’ET de moustiques dans les populations de génomes de la dengue répliqués en cultures cellulaires. Par ailleurs, nous avons conclu que si des TH d’ET de moustique au virus de la dengue se produisaient dans la nature, ceux-ci devaient probablement être très rares. Ce projet, réalisé en collaboration avec Louis Lambrechts (Institut Pasteur, Paris) a néanmoins permis de caractériser les propriétés des chimères artéfactuelles qui se produisent assez fréquemment lors de l’étape de PCR incluse dans le protocole de préparation des banques de séquençage haut débit.

Dès le début de sa deuxième année de thèse, Vincent Loiseau, recruté le 1er octobre 2017 sur ce contrat ANR, va démarrer une expérience visant à récapituler des TH d’ET entre insectes via le virus AcMNPV. Pour cela il va comme prévu dans le projet transformer un baculovirus avec un ET cloné à partir du génome de Trichoplusia ni, il va ensuite infecter des chenilles du shpinx du tabac (M. sexta) avec ce virus transformé, croiser les adultes issus de chenilles ayant résister au parasitisme, et chercher par PCR l’ET de T. ni dans la F1 de M. sexta.
Par ailleurs nous allons séquencer et analyses le génome de populations du virus IIV6 répliqués sur les papillons Chilo partellus et Sesamia nonagrioides.

Nous avons publié 3 articles issus de ce projet depuis juillet 2017, dont un article de recherche (dans G3) et deux articles de synthèse dans Bioessays et Curr. Opin. Genet. Dev. Les résultats obtenus ont aussi été présentés au cours d’une conférence internationale et une conférence nationale.

Le transfert horizontal (TH) de matériel génétique correspond au passage d’ADN entre deux organismes sans qu’il y ait reproduction entre ces organismes. Plusieurs centaines de TH ont été décrits chez les animaux ces dernières années et de nombreuses études laissent penser que ces transferts ont eu un impact important sur l’évolution des génomes animaux. Cependant, les mécanismes impliqués dans les TH ainsi que leur fréquence sont encore très peu connus. Ce projet vise à étudier de manière systématique les TH d’animaux à virus, afin de comprendre comment des gènes (ou autre séquences d’ADN) d’animaux peuvent s’intégrer dans les génomes viraux, et de caractériser la fréquence des séquences d’origine animales dans les populations de génomes viraux. Nous prévoyons également d’utiliser une approche d’évolution expérimentale afin de montrer que les virus peuvent être des vecteurs de TH entre animaux. Le projet se divise en trois postes de travail (WP1, 2, 3) indépendants mais complémentaires, chacun permettant de disséquer un ou plusieurs des processus biologiques impliqués dans un TH.

Dans le cadre du WP1, nous utiliserons une approche de génomique des populations afin d’identifier des jonctions entre séquences d’ADN viral et séquences d’ADN hôte dans des jeux de données de génomes viraux issus d’infections in vivo de plusieurs espèces d’arthropodes et séquencés à très haute profondeur (>100 000X). Nous nous focaliserons sur deux virus à longs génomes ADN double brin : le baculovirus Autographa californica nucleopolyhedrovirus (AcMNPV), qui servira à infecter quatre espèces de lépidoptères, et le virus iridescent des invertébrés (IIV iridovirus) avec lequel nous infecterons une espèce de mouche et une espèce de crustacé isopode terrestre. Dans le WP2, nous évaluerons tout d’abord la fréquence des TH de virus à lignée germinale de leurs hôtes en utilisant une version recombinante d’AcMNPV, contenant un élément transposable de lépidoptère capable de sauter du génome viral au génome de son hôte. Nous nous appuierons par la suite sur les résultats de cette expérience pour récapituler un évènement de TH entre animaux "vectorisé" par les versions sauvages d’AcMNPV et d’IIV. Le WP3 sera consacré à la caractérisation des mécanismes et de divers facteurs ayant une influence sur les TH entre animaux factilités par les virus. Nous nous attacherons entre autres à détecter les gènes et les éléments transposables hôtes surexprimés lors d’une infection à AcMNPV et nous chercherons à savoir si plus une séquence hôte est exprimé plus on la trouve fréquemment intégrée dans les génomes viraux lors d’une infection. Cela nous permettra de tester l’hypothèse selon laquelle le stress généré par une infection virale peut avoir un effet sur le type de séquences hôtes qui s’intègrent dans les génomes viraux.

Ce projet va permettre de caractériser le spectre complet des séquences d’ADN hôte qui peuvent s’intégrer dans les génomes viraux lors d’une infection in vivo chez plusieurs espèces d’arthropodes. Les résultats de ce projet auront des implications fondamentales sur notre compréhension de l’évolution des génomes viraux et sur les TH entre virus et leurs hôtes arthropodes. De plus, il est important de noter que AcMNPV est aujourd’hui utiliser comme biopesticide et qu’il est développé comme vecteur de gènes en thérapie génique. La possibilité que ces applications biotechnologiques soient accompagnées de multiples TH incontrôlés entre AcMNPV (produit en cellules de lépidoptères) et l’organisme cible (lépidoptères et autres insectes dans le cas des biopesticides ; l’homme dans le cas de la thérapie génique) n’a jamais été évaluée. Notre projet fournira donc une base solide permettant de mieux envisager comment évaluer la sécurité des traitements viraux utilisés en thérapie génique et en agriculture.

Coordination du projet

Clément Gilbert (Ecologie et Biologie des Interactions)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS
EBI-CNRS Ecologie et Biologie des Interactions

Aide de l'ANR 238 731 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 48 Mois

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