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Contenu principal

Évolution des virus

Évolution des virus et variation génétique. VIH résistant aux médicaments. Réassortiment génétique des virus de la grippe.

Les points clés :

  • Les virus sont soumis à l'évolution et à la sélection naturelle, comme toute vie cellulaire, et la plupart d'entre eux évoluent rapidement.
  • Lorsque deux virus infectent une cellule en même temps, ils peuvent échanger du matériel génétique pour créer de nouveaux virus "mixtes" dotés de propriétés uniques. C'est ainsi qu'émergent notamment de nouvelles souches de grippe.
  • Les virus à ARN présentent un taux de mutation élevé qui leur permet d'évoluer particulièrement vite. La résistance aux médicaments contre le VIH constitue un exemple d'évolution.

Introduction

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi une souche de virus grippal différente émerge chaque année ? Ou comment le VIH, le virus responsable du sida, devient-il résistant aux médicaments ?
En bref, la réponse à ces questions réside dans le fait que les virus évoluent. Cela signifie que le "pool de gènes" d'une population virale évolue au fil du temps. Dans certains cas, les virus d'une population — comme tous les virus grippaux dans une région géographique donnée, ou toutes les différentes particules de VIH du corps d'un patient — peuvent évoluer par sélection naturelle. Les traits héréditaires qui favorisent la reproduction d'un virus (tels qu'une infectiosité élevée pour la grippe, ou la résistance aux médicaments pour le VIH) deviendront de plus en plus fréquents dans la population virale avec le temps.
Non seulement les virus évoluent, mais ils ont aussi tendance à évoluer plus rapidement que leurs hôtes, notamment les humains. L'évolution virale constitue donc un sujet important. Pas seulement pour les biologistes qui étudient les virus, mais aussi pour les médecins, les infirmières, ceux qui travaillent dans le domaine de la santé publique, ainsi que pour toute personne susceptible d'être exposée à un virus. (C'est-à-dire nous tous !)

La variation des virus

La sélection naturelle ne peut opérer qu'en présence du matériel de départ adéquat : la variation génétique. Celle-ci implique l'existence de différences génétiques (héréditaires) au sein d'une population. Chez les virus, la variation génétique provient principalement de deux sources1 :
  • La recombinaison : les virus échangent des morceaux de matériel génétique (ADN ou ARN).
  • Les mutations aléatoires : une modification a lieu dans la séquence ADN ou ARN d'un virus.
On peut observer la variation et l'évolution des virus tout autour de nous, si on sait où chercher — par exemple, dans les nouvelles souches de grippe qui apparaissent chaque année.

Tout mélanger : la recombinaison

Avant d'évoquer le cas de la grippe, examinons comment les virus échangent de l'ADN et de l'ARN lors du processus de recombinaison.
La recombinaison se produit généralement lorsque deux virus infectent simultanément la même cellule. Puisque les deux virus utilisent la cellule pour produire plus de particules virales, de nombreux composants viraux (y compris les génomes nouvellement fabriqués) flottent dans la cellule au même moment.
Crédit d'image : "Segment reassortment," de ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Dans ces circonstances, la recombinaison peut se produire de deux façons différentes. Premièrement, des régions similaires de génomes viraux peuvent s'associer et échanger des morceaux, en se brisant physiquement et en se liant à nouveau à l’ADN ou à l’ARN. Deuxièmement, les virus composés de différents segments (comparables à de minuscules chromosomes) peuvent intervertir certains de ces segments, au cours du processus de réassortiment2,3.

Recombinaison et influenza ("la grippe")

Les virus influenza ("de la grippe") sont les maîtres du réassortiment. Ils disposent de huit segments d'ARN, chacun portant un ou quelques gènes4.
Lorsque deux virus influenza infectent simultanément la même cellule, certains des nouveaux virus fabriqués à l'intérieur de la cellule peuvent comporter un mélange de segments (par exemple, les segments 1 à 4 de la souche A et les segments 5 à 8 de la souche B).
Les cochons sont particulièrement bien connus comme "hôtes mélangeurs" de virus influenza5. Les cellules porcines peuvent être reconnues, et donc infectées, par les virus influenza humains et aviaires (ainsi que par les virus porcins)6. Si une cellule de cochon est infectée par deux types de virus en même temps, elle pourra libérer de nouveaux virus qui contiennent un mélange de matériel génétique provenant des virus humains et aviaires.
Ce type de mélange a lieu fréquemment dans la nature pour les virus influenza. Par exemple, vous souvenez-vous de la souche influenza H1N1 ("grippe porcine") responsable d'une pandémie en 2009 ? Le virus H1N1 comportait des segments d'ARN issus de virus humains, aviaires et porcins d'Amérique du Nord et d'Asie. Cette combinaison reflète une série de réassortiments qui se sont produits graduellement pendant de nombreuses années jusqu'à générer cette souche H1N15,7.

Mutations virales

On a vu comment la recombinaison peut altérer l’évolution du virus, mais qu’en est-il de la mutation ? Une mutation est un changement permanent dans le matériel génétique (ADN ou ARN) d'un virus, qui découle d'une erreur lors de la réplication de l'ADN ou de l'ARN viral.
Certains virus présentent des taux de mutation très élevés, mais ce n'est pas toujours le cas. En général, les virus à ARN présentent des taux de mutation élevés tandis que les virus à ADN ont de faibles taux de mutation8.
Pourquoi donc ? La principale différence se situe au niveau de la machinerie de réplication. La plupart des virus à ADN copient leur matériel génétique grâce aux enzymes de la cellule hôte, appelées ADN polymérases, qui se "relisent" (détectent et corrigent les erreurs au fur et à mesure qu'elles se déplacent). Les virus à ARN utilisent à la place des enzymes, appelées ARN polymérases, qui ne se relisent pas et commettent donc beaucoup plus d'erreurs9.

Étude de cas : résistance aux médicaments contre le VIH

Le virus de l'immunodéficience humaine (VIH) est responsable du syndrome d'immunodéficience acquise (sida). Le VIH est un virus à ARN doté d'un fort taux de mutation et qui évolue rapidement, conduisant à l'émergence de souches résistantes aux médicaments.

Le VIH a un taux de mutation élevé

Étant donné que les virus à ARN, comme le VIH, affichent un taux de mutation élevé, beaucoup de variations génétiques au sein de cette population de virus présente dans le corps d'un patient sont possibles. Un grand nombre de ces mutations sont nocives et conduisent à la "mort" des virus mutants (qui ne se reproduisent pas). Cependant, certaines mutations favorisent la reproduction virale dans des conditions spécifiques. Par exemple, une mutation peut conférer une résistance à un médicament10.

Évolution de la résistance aux médicaments contre le VIH

Certains médicaments peuvent bloquer la réplication du VIH en inhibant les principales enzymes virales. Dans un premier temps, la prise d'un de ces médicaments réduit la charge virale du patient. Toutefois, au bout d'un certain temps, le virus "refait surface" et retrouve des niveaux élevés, même en présence du médicament. En d'autres termes, une forme de VIH résistante aux médicaments émerge10.
Pour comprendre pourquoi cela se produit, prenons l'exemple d'un type spécifique de médicament antiviral, un inhibiteur de la transcriptase inverse. Ces inhibiteurs, comme la molécule de la névirapine représentée ci-dessous, se lient à une enzyme virale appelée la transcriptase inverse (la structure en rouge et marron). Le médicament empêche l’enzyme de faire son travail, c'est-à-dire de copier l’ARN génomique du VIH en ADN. Si cette enzyme est inactive, le VIH ne peut pas infecter la cellule de façon permanente11.
Image modifiée à partir de "Exploring the structure," de David S. Goodsell, RCSB PDB Molecule of the Month, CC BY 4.0.
La plupart des virus sont arrêtés par la névirapine. Cependant, une très petite fraction de la population de VIH acquiert (par hasard) une mutation dans le gène de la transcriptase inverse qui la rend résistante au médicament. Par exemple, les virus peuvent porter une modification génétique qui altère le site de liaison du médicament sur l'enzyme, de sorte que le médicament n'est plus en mesure de bloquer et d’inhiber l’activité enzymatique.
Les virus dotés de cette mutation résistante se reproduisent malgré le traitement et, après des générations, peuvent rétablir la charge virale d'avant l'administration du médicament. De plus, toute la population virale est désormais résistante au traitement !

Résistance au TAHA

Si le VIH peut évoluer et échapper à un médicament, comment peut-on stopper ce virus ? Ce qui semble fonctionner le mieux, c'est une approche combinée, avec la prise simultanée d'au moins trois médicaments (ou plus). Cette approche thérapeutique se nomme thérapie antirétrovirale hautement active ou TAHA. Les médicaments qui composent un "cocktail" TAHA ciblent généralement différentes étapes du cycle de vie du VIH12,13.
L'approche TAHA fonctionne parce qu'il est relativement peu probable qu'un seul virus de la population de VIH possède simultanément les trois mutations qui lui confèreraient une résistance à ces trois médicaments. Bien que le virus puisse à terme évoluer vers des formes multirésistantes, la combinaison de plusieurs médicaments ralentit considérablement l'émergence d'une résistance10.
Pour en savoir plus sur la biologie du VIH, consultez l'article sur le cycle de vie des virus. Pour en savoir plus sur les symptômes, les traitements et la prévention du VIH et du sida, consultez la section Santé et Médecine sur le VIH et le sida (en anglais).

Pourquoi les virus évoluent-ils si rapidement ?

Les virus évoluent plus rapidement que les humains. Pourquoi est-ce le cas ?
Comme on l'a vu dans le cas du VIH, certains virus ont un taux de mutation élevé, ce qui les aide à évoluer rapidement en générant plus de variations qui servent de matériel de départ. Les deux autres facteurs qui contribuent à l'évolution rapide des virus sont : une population de taille conséquente et un cycle de vie rapide14.
Plus la population est grande, plus forte est la probabilité qu'elle comporte un virus doté d'une mutation aléatoire particulière (qui lui confère une résistance aux médicaments ou une haute infectiosité) sur laquelle la sélection naturelle peut agir. En outre, les virus se reproduisent rapidement, si bien que leurs populations évoluent sur des délais plus courts que ceux de leurs hôtes. Par exemple, le VIH complète son cycle de vie en seulement 52 heures, contre environ 20 ans pour le cycle de vie humaine15 !
De quels outils disposons-nous pour lutter contre les virus qui évoluent rapidement ? Prendre des mesures pour prévenir la transmission, identifier de nouvelles molécules thérapeutiques, et développer et utiliser les vaccins sont autant de stratégies essentielles.

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