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Définition de la vie- le cas des

virus

Céline [email protected]

http://www.frangun.org

Université Lyon 1

Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive

Stage « Origine de la vie »

6 janvier 2017

Parcours

• 1994-1995: DEUG B – Univ. Paris-Sud (P.XI)

• 1996-1997: Licence – Biologie des Organismes - Univ. Paris-Sud (P.XI)

• 1997-1998: Maîtrise – Biologie des Populations et des Ecosystèmes -

Univ. Paris-Sud (P.XI)

• 1998-1999: DEA – Biodiversité: Génétique, Histoire et Mécanismes de

l’évolution - Univ. Paris-Sud (P.XI)

• 1999-2002: PhD – Biologie évolutive « Phylogénies des Eubactéries et

détection des transferts horizontaux » - Univ. Paris-Sud (P.XI)

• 2001: DU Informatique

• 2009: HDR – Biologie évolutive « Origine et évolution des trois

domaines de la vie » - Univ. Provence (Aix-Marseille I)

• 2002-2003: ATER Univ. Pierre & Marie Curie (P.VI)

• 2003-2011: MCF Univ. Provence (Aix-Marseille I)

• depuis 2011 : PR Univ. Claude Bernard (Lyon I)

Céline Brochier-Armanet – Définition de la vie – Le cas des virus (6 janvier 2017)

Quelques ressources numériques


Quelques livres…


Définir la vie?

• Question ancienne…


(Moreira & Lòpez-Garcia (2009) Nat Rev Micro)

Définir la vie?

• … et très débattue


Pourquoi est-ce difficile de définir la vie?

• Pourquoi vouloir définir la vie?

Origine de la vie sur terre

Vie artificielle

Recherche de vie extra-terrestre

• Il est "facile" de distinguer ce qui est vivant de ce qui ne l’est pas

N’implique pas qu’il soit possible de les définir

• La vie n’est pas un ensemble délimité par des frontières claires

Continuum entre les extrêmes

Difficulté à définir ce qu’est la vie

Difficulté à définir la transition entre non-vivant et vivant

• Beaucoup de concepts ne peuvent être définis de manière absolue

Physique: temps, énergie

Biologie: vie, espèce

N’est pas un frein à la recherche dans ces disciplines, au contraire !


Vers une définition consensus?

• Données: 123 définitions

• Elimination des mots de moins de 3 lettres

• Elimination des mots de liaison ("and", "the" , "that", etc.)

• Identification des mots apparaissant plus de 4 fois

• Regroupement des mots en fonction des notions qu’ils recouvrent

Identification de 9 champs thématiques principaux


Vers une définition consensus?


Définir la vie?

• Question ancienne… et très débattue… et qui suscite toujours

autant de passions


Deux définitions (fréquentes) de la vie

• « La vie est un système chimique

auto-entretenu capable d’évolution

darwinienne. »

• « La vie est un système auto-

organisé et auto-entretenu,

délimité par une enveloppe semi-

perméable, qui est capable de

régénérer tous ses composants

grâce à un réseau interne de

réactions chimiques. »

(P. Lopez-Garcia 2007 in Lectures in

Astrobiology)


Métabolisme

Evolution

La vie cellulaire terrestre actuelle est hautement

diversifiée


…mais toutes les cellules actuelles dérivent d’un

même ancêtre commun: LUCA

Archaea

Eucarya

Bacteria

(adapté de Nicholas Barton et al (2007) 'Evolution‘)


…la diversité des cellules actuelles résulte d’une

évolution divergente depuis LUCA

Archaea

Eucarya

Bacteria

(adapté de Nicholas Barton et al (2007) 'Evolution‘)


La biodiversité actuelle ne représente qu’une

fraction de la biodiversité ayant existé

(http://web.uconn.edu/gogarten/)

LUCA LUCA


Par-delà leurs différences, toutes les cellules

possèdent des caractéristiques communes du fait

de leur ascendance commune

• Nécessitent de l’énergie, une source de

carbone et des matériaux de base

– Utilisent les mêmes molécules (acides

nucléiques, lipides, protéines, polysaccharides,

hydrates de carbone, etc.)

• Délimitées spatialement par une membrane de

phospholipides

– Régulation des flux avec le milieu externe

– Maintien d’un milieu interne favorable & stable

– Systèmes sensoriels

• Mécanismes moléculaires communs

– expression de l’information génétique + code

génétique (ADN => ARN => Protéines)

– évolution

– croissance cellulaire, réplication de l’ADN,

division cellulaire


Deux approches complémentaires pour retracer

l’histoire de la vie sur terre


Origine de la vie

Où? Quand? Comment?

Evénements,

mécanismes, etc.

LUCA

Le LUCA représente un jalon important dans

l’histoire de la vie


Origine de la vie


Evénements,

mécanismes, etc.

LUCA

LUCA avait un génome de taille comparable aux

génomes des actuels

~320->1000/2000 gènes LUCA avait un génome relativement largeMode de vie libre

Brochier-Armanet C. “Minimal cell: the biologist point of view” Origin of life (Cambridge University Press – 2010)


300->1000 gènes

LUCA était une cellule évoluée


Origine de la vie


Evénements,

mécanismes, etc.

LUCA

(Forterre, Gribaldo, Brochier MS 2005)

Troisième âge : Monde cellulaire Post-LUCA

Origine de la vie


Evénements,

mécanismes, etc.

LUCA


LUCA n’était pas la première cellule


300->1000 gènes

Première cellule

Second âge : Monde cellulaire Pré-LUCA


Premier âge : Monde pré-cellulaire

Et avant la première cellule ?


Origine de la vie


Evénements,

mécanismes, etc.

LUCA


Second âge : Monde cellulaire Pré-LUCA


300->1000 gènes

Première cellule

De nombreuses questions restent débattues

LUCA

• Où vivait LUCA?

• Quand vivait LUCA?

Vie

• Où est apparue la vie?

• Quand est apparue la vie?

• Quelles sont les étapes qui ont permis son apparition?


Origine de la vie:

le paradoxe de la poule et de l’œuf?

• Le métabolisme d’abord

1) Mise en place d’une chimie prébiotique

Formation de molécules organiques simples et sélection de catalyseurs favorables

2) Cloisonnement et compartimentation

Apparition des premières membranes

Echanges membranaires

Premiers métabolismes

3) Apparition des ribozymes (molécules fonctionnelles & codantes autoréplicatives)

Proto-cellules

4) Découplage de la réplication (ARN) et des activités enzymatiques (Protéines)

Remplacement de l’ARN par l’ADN

• Les gènes d’abord

1) Mise en place d’une chimie prébiotique

Formation de molécules organiques simples et sélection de catalyseurs favorables

2) Apparition des ribozymes (molécules fonctionnelles & codantes autoréplicatives)

3) Cloisonnement et compartimentation

Apparition des premières membranes

Echanges membranaires

Premiers métabolismes

Proto-cellules

4) Découplage de la réplication (ARN) et des activités enzymatiques (Protéines)

Remplacement de l’ARN par l’ADN


Et les virus dans tout ça?

• 1892: Découverts par Ivanovski (mosaïque du tabac) => toxine

• 1898: Agent filtrant (i.e. non retenu par le filtre Chamberland) –Bejerinck

• Définition: un virus- Invisible au microscope optique

- n’est pas retenu par le filtre de Chamberland (20-250 nm)

- ne se cultive pas (=> maintien des lignées in vivo via des organismes sensibles)

- (pas de division par fission binaire -> phase d’éclipse)

Etude très difficile

Levée des verrous technologiques dans les années 40:

Cultures cellulaires in vitro

Microscope électronique


Définition des virus (André Lwoff - 1953)

• Le virion ne possède qu’un seul type d’acide nucléique (ARN ou ADN)

• Le virion se reproduit uniquement à partir de son matériel génétique par réplication de son génome (pas de mitose, pas de scissiparité)

• Les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires: ils ne peuvent se reproduire qu’à l’intérieur d’une cellule vivante. Ils ne possèdent pas de système énergétique ou enzymatique leur permettant d’assurer leur auto-réplication

– Lyse cellulaire

– Persistance virale

• Le virion présente une structure particulaire (cristallisation possible)

• Taille du virion n’entre pas en considération


Caractéristiques générales des virus

• Très diversifiés

• Caractéristiques communes:

– Génome (ADN ou ARN)

– Capside protéique

– (Enveloppe lipidique)

• Mode d’infection très variés

• Virus = agent infectieux à tous les stades du cycle viral, extracellulaire ou intracellulaire

• Virion = particule virale infectieuse

Nucléocapside

= Virus nus Virus enveloppés


Les virus sont-ils vivants?

• Question récurrente

• Rejoint le débat sur l’origine de la vie

– Métabolisme / Evolution (gènes)

• 1928: La majorité des virus sont de la

matière vivante (Simon)

• 1929: Le 1er organisme était un gène =>

virus analogues gènes primitifs (Muller)

• 1929: "life may have remained in the virus stage

for many millions of years before a suitable

assemblage of elementary units was brought

together in the first cell" (Haldane)

Les virus = chainon manquant entre

non-vivant et premières cellules => rôle

clé dans l’origine de la vie

• 1944: ADN = support de l’information

génétique

Avènement biologie moléculaire: vision

ADN centrée de la vie et de l’évolution

Tout ce qui est capable d’évolution

est vivant

La question du métabolisme (système

auto-entretenu et auto-reproducteur)

devient subsidiaire


Méta-bolisme

Evolution

Evolution

Classification des virus

• Basée initialement sur le type d’hôte & mode de transmission

• Basée caractéristiques des virions (Lwoff – 1961)

– Génome• ADN / ARN

• Monocaténaire / bicatenaire

• Forme de l’AN (linéraire, circulaire, sermenté, non sermenté)

• Polarité positive / négative

– L’enveloppe• Virus nu / enveloppé

– Symétrie de la capside• Tubulaire (hélicoïdale) / polyédrique (icosaèdre) / inconnue

N’est pas phylogénétique (clé de détermination, cf. bactériologie < 1977)

Rappelle la dichotomie du monde vivant Eucaryotes / Procaryotes

Ne reflète pas les relations de parenté entre les virus

Considérés comme non vivants !


La (re)découverte des virus géants (2003)

• Mimivirus (Mimicking Microbe)

• Virus isolé en 1992 à partir d’amibes colonisant le système de refroidissement d’un hôpital

• Grande taille (400 nm) => non filtrable

• Pas d’ARNr 16S amplifiable

• Phase d’éclipse caractéristique d’un cycle viral

• Capside icosaédrique, pas d’enveloppe, mais présence de fibrilles

• Nouvelle famille NCLDV (NucleoCytoplasmicLarge DNA Virus)

• Génome = ADN double brin linéaire, 800kpb


(La Scola et al. Science 2003)

SSU ribonucléotide réductase

Le génome du Mimivirus (2004)

• 1 181 404 pb, ADN linéaire

– Mycoplasma genitalium 580 kpb

– Phycodnavirus infectant des

algues (560 kpb), Bacillus

megaterium (670 kpb)

• Peu de séquences répétées

• 1262 ORF (>100 aa)

911 codantes

298 annotées fonctionnellement

126 ont des homologues

cellulaires

44/61 gènes typiques des NCLDV

9/9

6/8

11/14

16/30

(Raoult et al. Science 2004)


Découverte de gènes "cellulaires typiques" dans

un génome viral



Un métabolisme viral?

• Synthèse de composés impliqués dans la manipulation des sucres, des lipides et des aa

• Synthèse d’enzymes reliées au métabolisme de la glutamine Synthèse d’uridine 5’-diphosphate-N-acetyl-glucosamine => métabolite central

pour la biosynthèse des polysaccharides

• 6 glycosyltransférases => glycosylation posttraductionnelle des protéines et la synthèse des polysaccharides

• NDKFormation de NTP (autres que l’ATP) => éviter les carences en UTP et GTP

(synthèse des polysaccharides & élongation des protéines)?

Pas de métabolisme énergétique

Métabolisme très partiel et spécialisé pour détourner/compenser le métabolisme de l’hôte


Le quatrième domaine du vivant?

• 7 / 63 protéines universelles sont présentes chez le Mimivirus Arginyl-tRNA synthetase

Methionyl-tRNA synthetase

Tyrosyl-tRNA synthetase

RNA polymerase II SSU + LSU

PCNA

5’-3’ exonucléase

• ML + BV (3164 sites)

• Branchement à la base des eucaryotes

Présence ancestrale de ces gènes => ancêtres complexes des virus géants => réduction

Acquisition secondaire par transfert à partir de donneurs cellulaires



Vers un changement de paradigme?

• La taille physique et la taille des

génomes des virus géants challengent

la distinction entre cellules et virus

• Les virus géants dérivent d’un ancêtre

+++ complexe

• Les virus représentent un quatrième

domaine du vivant

• Origine ancienne des virus à ADN

• Les virus sont vivants


Les virus de grande taille (et à gros génomes)

rendent flou la frontière entre cellules et virus

• Existence d’un continuum de taille

physique et génomique entre cellules

et virus

Affaiblit l’idée reçue que les virus sont

de facto petits

Le même continuum de taille existe

entre bactéries, archées et eucaryotes

N’a jamais remis en cause le fait

que ces groupes sont clairement

distincts

• Pose la question "pourquoi certains

virus ont un grand génome" ?

Même question pour les

organismes cellulaires


(La Scola et al. Science 2003)

Taille des génomes eucaryotes






domaine du vivant


+++ complexe




Les virus géants forment un quatrième domaine du

vivant



Concaténation de 7 gènes universels

présents chez le mimivirus

(Arg-RS, Met-RS, Tyr-RS, PCNA, RpoA,

RpoB, 5’-3’ exo)

"Mimivirus appears to define a new

branch distinct from the three other

domains" and could has played a role

in the origin of eukaryotes.


vivant


Les aa-RS ont été transférées de nombreuses fois

au cours de l’évolution

Leur phylogénie ne reflète pas celle des

organismes

Les 3 aa-RS d’E. coli utilisées ont trois origines

distinctes (Archaea, Gram + et eucaryote)(Raoult et al. Science 2004)









Arg-RS (Woese et al. MMBR 2000)


vivant


Tyr-RS

(Moreira & Lopez-Garcia Science 2005)

L’échantillonnage choisi est

hautement biaisé !(Raoult et al. Science 2004)










vivant
















domaine du vivant


+++ complexe




Les virus dérivent d’un ancêtre +++ complexe

• Hypothèse liée à la présence

de 126 gènes ayant des

homologues cellulaires

Présence ancestrale de ces

gènes

Ancêtres +++ complexes

Cellulaire (?)

Evolution réductive

Acquisition secondaire par

transfert à partir de donneurs

cellulaires



• Analyse phylogénétique

exhaustive des 126 gènes du

mimivirus ayant des


56% ont été acquis par

transfert à partir des

eucaryotes


transferts à partir de bactéries


transferts à partir d’archées

5% ont une origine virale

9% ont une origine incertaine


(Moreira & Lopez-Garcia Nat Rev Micro 2009)

(Moreira & Brochier-Armanet BMC Evol Biol 2008)


• Hypothèse liée à la présence

de 126 gènes ayant des


Présence ancestrale de ces

gènes

Ancêtres +++ complexes

Cellulaire (?)

Evolution réductive

Acquisition secondaire par

transfert à partir de donneurs

cellulaires (hôtes ou bactéries

infectant l’hôte)



(Moreira & Brochier-Armanet BMC Evol Biol 2008)

(Virology - 2014)

*

*

*






domaine du vivant


+++ complexe






génomes des virus géants challenge la

distinction entre cellules et virus


domaine du vivant


+++ complexe




Hypothèses sur l’origine des virus

• Origines multiples / une origine

unique

• Pré-cellulaire

• Pré-LUCA/Post-LUCA




unique

• Pré-cellulaire


• Il n’existe pas un seul gène

commun à tous les virus

Origines multiples des virus,

contrairement aux cellules

actuelles qui dérivent toutes du

LUCA !




unique

• Pré-cellulaire


• Peu probable car les virus ont

besoin des cellules pour se

répliquer




unique

• Pré-cellulaire


(Prangishvili et al. Nat Rev Mirco 2006)

(Raoult & Forterre Nat Rev Micro 2008)




unique

• Pré-cellulaire








unique

• Pré-cellulaire




Présuppose

qu’aucun changement d’hôte n’est

survenu

que ces structures ne résultent pas de

convergences







domaine du vivant


+++ complexe

•




Les virus ne sont pas vivants



Sauf si…..


Métabolisme

Evolution

Les virus ne sont

pas vivants !Evolution

Les virus sont

vivants !

… mais aussi

l’ADN, les gènes, les

plasmides, les virus

informatiques, le

langage, la

technologie, les

légendes, etc.


Conclusion

• Les virus ne sont pas vivants

Ne peuvent pas être inclus dans l’arbre du vivant

• Partagent un certain nombre de propriétés avec les cellules

… mais ce ne sont pas des cellules ….

Les virus sont des virus

• Vivants ou non, ils ont influencé (et influencent toujours) l’évolution

des cellules et sont des facteurs clés de la régulation de la

biodiversité


vivant


Clamp Loader

(Claverie & Ogata Nat Rev Micro 2009)

L’échantillonnage choisi est

hautement biaisé !

Pas de représentant des

lignées d’hôtes de ces deux

virus (Amoebozoa &

Stramenopiles)


vivant


Clamp Loader

(Claverie & Ogata Nat Rev Micro 2009)

Clamp Loader


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