Eléments génétiques mobiles

Eléments génétiques : plasmides et virus des archées hyperthermophiles

Aujourd’hui, il est admis que les éléments génétiques mobiles (EGM : virus, plasmides) jouent probablement un rôle majeur dans les grands cycles biogéochimiques et la diversité microbienne. Les virus constitueraient même la composante majeure de la biosphère et l’ensemble des organismes cellulaires serait littéralement plongé dans un océan viral. Les connaissances dans ce domaine résultent principalement des travaux sur les bactéries et les eucaryotes. Les travaux pionniers de Wolfram Zillig puis ceux de David Prangishvili sur les archées et en particulier sur les Crenarchées sont très récents et ont révélé une très importante diversité.

Trois constats majeurs, résultant des progrès en génomique comparative,ont émergé tout récemment :

 

- Le premier est la découverte d’homologies inattendues entre virus infectant des hôtes cellulaires appartenant aux trois domaines du vivant, Archaea, Bacteria et Eucarya, ce qui indique que la virosphère est extrêmement ancienne. L’existence de différents systèmes protéiques viraux analogues impliqués dans le métabolisme de l’ADN (mécanismes 3R : réplication, réparation, recombinaison), qui auraient été initialement recrutés dans le monde à ARN puis ultérieurement et indépendamment transférés latéralement aux lignées cellulaires conforte l’hypothèse selon laquelle la création de l’ADN et de ses mécanismes de réplication trouveraient leur origine dans cette virosphère ancestrale. Tout comme l’hypothèse, qui postule que le noyau cellulaire aurait pour origine ancestrale un virus archéen proche des Poxvirus infectant les eucaryotes, conforte l’ancestralité sinon la prééminence du monde viral. 
Les plasmides apparaissent également très anciens et intimement liés au monde viral. En effet, l’existence de gènes homologues chez les plasmides et les virus mais absents de la plupart des génomes cellulaires suggèrent que les plasmides dériveraient probablement d’anciens virus défectifs ayant perdu leur capside.

- Le second constat est la prise de conscience de l’importance considérable, chez les procaryotes, des transferts génétiques horizontaux. Les génomes microbiens évolueraient en grande partie grâce à un flux de gènes (acquisition, perte et réarrangements) dont les plasmides et les virus sont à la fois l’immense réservoir mais aussi les vecteurs naturels. En facilitant les échanges et les transferts génétiques latéraux, ces éléments extrachromosomiques (ECE) participent activement à l’adaptation des communautés microbiennes à leur environnement et, à long terme, à leur diversification et leur évolution.
- Le troisième constat est que le nombre de gènes orphelins présents dans les génomes de procaryotes reste important et ne diminue pas, malgré le séquençage de près de 400 génomes. Ces gènes, dont les fonctions nous sont inconnues, pourraient en réalité dériver d’anciens gènes plasmidiques ou viraux qui auraient envahi les génomes cellulaires. En effet, les génomes des EGM séquencés à ce jour comportent eux-mêmes une proportion considérable de gènes orphelins qui dépassent largement celle rencontrée dans les génomes d’organismes cellulaires. Par exemple, le séquençage des génomes de communautés virales non cultivées, issues directement du milieu marin, a révélé qu’au moins les deux tiers des séquences obtenues sont totalement nouvelles. Plus encore, les génomes plasmidiques et viraux hébergés par les communautés archéennes thermoacidophiles habitant les sources hydrothermales terrestres présentent en moyenne plus de 85% de gènes aux fonctions inconnues à ce jour.

L’ensemble de ces observations implique que les génomes viraux et plasmidiques, qui ont évolué depuis les origines de la vie, représentent un immense réservoir de nouveaux gènes et de nouvelles protéines aux propriétés inconnues. Certaines de ces protéines pourraient être des analogues fonctionnels d’enzymes déjà connus mais beaucoup pourraient encoder de nouvelles fonctions biologiques. Par leur aptitude universelle à se propager au sein des communautés cellulaires et à transférer de nouvelles fonctions aux cellules qu’ils infectent, les virus et les plasmides ont la capacité d’influencer la structure et le fonctionnement des écosystèmes en modulant l’adaptabilité de leurs hôtes à leur milieu.

Nous avons entrepris de développer un programme de recherche dédié à l’étude de la diversité virale et plasmidique des sources hydrothermales. Dans un premier temps, ce travail consiste à isoler et décrire de nouveaux éléments génétiques, puis, dans une seconde phase, et par une approche de génomique comparative et structurale, à décrypter, à analyser puis à confronter une grande quantité de génomes de ces EGM aux principales espèces d’Archaea hyperthermophiles marines de l’ordre des Thermococcales qui les abritent et dont cinq génomes complets sont disponibles. Ceci devrait apporter des informations inédites sur la diversité biologique, l’origine et l’évolution de ces EGM et sur leur implication dans l’évolution et la diversification des génomes. Puisque les génomes des virus et plasmides des microorganismes hyperthermophiles déjà décrits portent un nombre considérable de gènes orphelins, ils représentent aussi un immense réservoir de nouvelles structures protéiques et de nouvelles fonctions biologiques dont l’exploration doit être réalisée.

Cette thématique de recherche est réalisée en partenariat avec d’autres laboratoires nationaux et internationaux et financée à l’aide de programmes de recherche régionaux (une bourse de thèse – 2003-2006), nationaux (ACI CNRS HotVir 2004-2007 ; ANR GenoArchaea 2005-2008 ; ANR Modulome 2005-2008) et européen (REX Marine Genomics 2005-2008).

Les résultats principaux du laboratoire au cours de la période 2004-2007 sont:

  • la démonstration de l'existence d'une diversité importante d'éléments génétiques mobiles associée aux Thermococcales, à la fois par le nombre de génomes plamidiques obtenus et par la diversité morphologique des particules virales
  • l'isolement de PAV1, la première particule virale d'euryarchée hyperthermophile connue, l'analyse complète de son génome qui démontre l'existence de gènes très majoritairement inconnus.
  • la démonstration que les virus, les plasmides et les éléments viraux intégrés appartiennent à un ensemble et possèdent une organisation et un répertoire de gènes communs

PAV1 genome