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Compte rendu du webinaire de Purificación López-García, écrit par Baptiste Gaborieau, journaliste scientifique.

En ce contexte de pandémie, les virus occupent le devant de la scène. Pour autant, ces minuscules entités biologiques demeurent souvent mystérieuses de par leur fonctionnement, leur diversité ou même leur nature. À l’occasion d’un webinaire organisé le 15 octobre 2020 par la Société Française d’ (), Purificación López-García, directrice de recherche au CNRS s’intéresse à une question simple uniquement en apparence : les virus sont-ils vivants ? Cet article, qui a bénéficié de la relecture de Purificación López-García, synthétise les points principaux de sa présentation que vous pouvez retrouver sur la chaîne YouTube de la SFE.

Virus : nature et diversité

Un mécanisme parasitaire bien rodé

Avant d’entrer dans le vif du sujet, quelques rappels en virologie s’imposent. Les virus peuvent être définis comme des parasites moléculaires stricts. En effet, leur survie dépend complètement des cellules qu’ils infectent pour perpétuer leur cycle reproductif. Ce cycle comprend deux phases principales. Tout d’abord, au cours de la phase extracellulaire, les virus se dispersent dans le milieu externe, comme par exemple dans l’, les aérosols ou même dans le sang, sous forme de virion. Ces virions sont composés d’une capside protéique (sorte de coque) qui entoure et protège l’information génétique du virus (ADN ou autre).

Tous les virions sont composés d’un matériel génétique protégé par une capside protéique. Certains virus dits « enveloppés » sont également recouverts d’une fine membrane lipidique.

 

Au contact de leur cellule cible, les virions sont capables d’injecter leur matériel génétique : c’est le début de la phase intracellulaire. Ce matériel injecté va détourner la machinerie cellulaire de l’hôte infecté pour fabriquer de nombreuses copies du virus. Parmi les composants viraux produits en masse par la cellule, on retrouve les composants de la capside protectrice mais également les molécules portant son information génétique. Les nouveaux virus produits s’extirpent hors de leur hôte lors de la lyse cellulaire qui entraîne généralement la mort de la cellule infectée. Les virions regagnent ainsi le milieu extracellulaire et peuvent commencer un nouveau cycle lytique. Quelques fois, la phase de lyse cellulaire est mise en pause et certains virus sont capables d’entrer en hibernation dans les chromosomes de leur cellule hôte, attendant le moment propice pour se libérer.

Le virus utilise le métabolisme de la cellule qu’il infecte afin de se multiplier lors d’un cycle lytique.

 

Les virus sont capables d’infecter les trois domaines connus du vivant : les bactéries, les archées et les eucaryotes. Néanmoins, chaque virus ne va pas s’attaquer à l’ensemble des êtres vivants et possède un ou plusieurs hôtes de prédilection. Il existe ainsi une gigantesque diversité de virus que l’on peut classer en fonction de leur hôte, de leur forme, de leur structure ou encore en fonction de la nature de leur matériel génétique (ADN ou ARN et leurs variations). On retrouve les virus dans tous les écosystèmes que ce soit dans la , dans la mer ou même dans les airs ! Fait intéressant, lorsque les virologues tentent d’analyser les virus présents dans un environnement donné, la plupart des séquences obtenues sont inconnues. L’observation de ces nouvelles séquences implique alors qu’il existe une incroyable diversité virale encore à explorer.

Depuis la découverte des virus à l’aube du XXe siècle en utilisant des filtres de plus en plus étroits, nos connaissances sur ces êtres exceptionnels ne cessent de grandir. Dernière curiosité en date, les virus géants découverts au début des années 2000. La taille de ces mastodontes microscopiques (cinq fois plus grands que le virus de la grippe) est similaire à celle d’une petite bactérie. De quoi bouleverser toutes nos certitudes !

Des rôles insoupçonnés

Même si on juge souvent les virus comme indésirables, ces parasites jouent pourtant des rôles clés dans le fonctionnement des écosystèmes. En dynamique des populations, on les considère par exemple comme des « terminateurs de blooms », en d’autres termes, les virus sont capables de mettre fin à la prolifération rapide d’une espèce. C’est le cas pour une algue que l’on retrouve dans le Manche qui a tendance à se reproduire de manière intense en été. On sait aujourd’hui que les virus mettent fin à ces explosions démographiques et régulent ainsi la population des algues. La lyse des cellules qu’ils infectent libèrent des nutriments dans l’environnement et les virus participent ainsi aux cycles biogéochimiques.

Les « nuages » que l’on observe sur cette photo de la Manche sont en fait la fluorescence naturelle des pigments photosynthétiques des micro-algues. Les virus jouent un rôle majeur dans le contrôle de cette prolifération algale. Source : Steve Groom, 1999.

 

Autre rôle insoupçonné, les virus régulent la biodiversité via des stratégies dites de « kill the winner » (tuer le gagnant). Quand une espèce est très abondante, le virus peut facilement circuler entre les individus et ainsi diminuer l’avantage démographique de l’espèce dite « gagnante » par rapport aux espèces moins nombreuses. D’une certaine manière, c’est ce que l’on peut malheureusement observer au cours de la pandémie actuelle (Covid-19). Les humains étant denses et mobiles partout sur la planète, le virus SARS-CoV-2 se transmet facilement entre les individus du monde entier.

De plus, les virus sont des acteurs majeurs de l’évolution. Par exemple, ils exercent une pression de sélection sur leurs cibles. À chaque nouvelle arme inventée par le parasite moléculaire, la cellule visée se doit de trouver une protection adaptée si elle veut s’en sortir. Cette course à l’armement structure ainsi l’évolution des deux belligérants. Face à cette situation, les biologistes parlent du modèle de la Reine Rouge, en référence à la suite d’Alice au Pays des Merveilles. Dans cette œuvre, Alice et la Reine doivent courir pour rester au même endroit mais dans notre cas, ce sont les gênes des virus et de leurs hôtes qui doivent évoluer pour ne pas se faire dominer par l’autre participant.

Comme la Reine Rouge et Alice, les virus et leurs cellules hôtes doivent être en constante évolution s’ils souhaitent conserver leurs avantages. Source : John Tenniel, 1871.

 

D’autre part, les virus participent aux échanges de gènes entre cellules (transferts horizontaux), ce qui favorise l’apparition de nouvelles fonctions cellulaires.

Les virus à l’ ?

La bataille des modèles

Au moment de la découverte des virus, il y a presque 150 ans, deux courants de pensées se chamaillent pour expliquer l’origine de la vie et les scientifiques s’engagent dans un débat semblable à celui de l’œuf ou de la poule. D’un côté, le modèle nucléocentrique place l’auto-réplication du matériel génétique comme élément clé de l’apparition de la vie. De l’autre, le modèle cytoplasmiste prône l’auto-maintien du système au cœur du processus. Il y a donc un duel cornélien dans le bouillon primitif. Qui vient en premier, les gènes ou le métabolisme ?

À cause de leur taille, les virus sont à l’époque considérés comme les êtres vivants les plus simples et certains scientifiques estiment alors qu’ils seraient semblables aux organismes primitifs. Par exemple, en 1922 le biologiste américain Herman Muller suggère que les premiers organismes vivants étaient des sortes de gènes primitifs comparables aux virus. Sept ans plus tard, John Haldane déclare dans son ouvrage The Origin of Life que « la vie aurait pu rester au stade virus pendant plusieurs millions d’années avant qu’un assemblage convenable de briques élémentaires aboutisse à la première cellule ». Le modèle nucléocentrique et, en l’occurrence, virocentrique, prédomine alors. Les gènes seraient apparus en premier, grâce à un virus primitif. Néanmoins, cette idée originale ne va pas durer.

Vers une résolution du problème

Par la suite, la balance oscillera entre les modèles proposés au rythme des nouvelles découvertes et des réflexions apportées. Des critiques sont notamment faites à la théorie selon laquelle les virus, de par leur simplicité, seraient primitifs. En effet, on observe des évolutions dites « régressives » chez d’autres parasites qui perdent progressivement certains de leurs gènes devenus facultatifs. Par exemple, on assiste à une disparition de pattes devenues inutiles chez les acariens. Le côté originel des virus est ainsi mis à mal. Les positionnements virocentriques sont finalement abandonnés lorsque l’on identifie clairement la nature des virus. Ce ne sont pas de minuscules êtres vivants autonomes mais des parasites moléculaires stricts. Ils ne peuvent se maintenir sans leurs hôtes et ils ne survivraient donc pas dans un environnement primitif peuplé uniquement par des virus. De plus, un meilleur modèle de l’apparition de la vie est proposé : celui du monde à ARN. Cette molécule, proche de l’ADN mais avec une structure simple brin, peut jouer une double fonction, à la fois génétique et métabolique. Elle concilie ainsi harmonieusement les deux modèles.

Néanmoins, depuis quelques années, quelques théories virocentriques réapparaissent et placent les virus aux sur Terre ou comme un quatrième domaine de la vie. Ces idées partagent toutes un postulat commun : les virus seraient vivants. Mais comment définir la vie ?

La vie et les virus

Définir la vie

Qu’est-ce que la vie ? Cette question, en apparence banale, est néanmoins un véritable casse-tête pour les scientifiques qui tentent d’attribuer certaines propriétés essentielles aux organismes vivants. Grossièrement, en étudiant l’infinité de définitions proposées, on peut trouver deux visions opposées.

  • D’un côté, la propriété essentielle du vivant serait l’auto-maintien. C’est ici l’énergie qui est essentielle, les systèmes vivants peuvent former de l’ordre à partir du désordre. Cette définition s’accommode aux conceptions provenant à la fois de la physique et de la biochimie.

  • À l’opposé, d’autres idées favorisent l’auto-réplication et l’évolution dans le sens darwinien, c’est-à-dire la production d’une descendance variée sur laquelle agit la sélection naturelle. Dans ce point de vue, c’est l’information génétique qui est au centre de la théorie.

Ces deux visions se retrouvent également dans les modèles d’origine de la vie : d’abord une activité catalytique pour la première définition de la vie, ou d’abord une auto-réplication de polymères informatifs pour la seconde. Ces théories constituent des extrêmes et il existe de nombreuses hypothèses les mélangeant et les nuançant davantage.

Le cas problématique des virus

Selon la théorie de la virocell, le virion ne doit pas être considérée comme la vraie forme du virus.

La vision métaboliste

D’un point de vue métaboliste, les virus ne sont pas vivants car ils ne transforment pas en eux-mêmes de la matière et de l’énergie. En somme, ils sont comme une vie empruntée aux cellules. Certains auteurs comme Patrick Forterre essaient tout de même de classer les virus parmi les êtres vivants grâce à une expérience de pensée : celle de la « virocell ». D’après ce chercheur français, les virions ne seraient pas les « vrais » virus, cette place étant réservée à la cellule infectée. Cette vision est néanmoins fortement contestée car le virion est une étape essentielle du cycle viral. On pourrait ainsi critiquer l’hypothèse de la virocell qui estimerait que le parasite englobe également son hôte. Lorsque nous avons la grippe, devenons-nous un virus ? L’hypothèse de la virocell est ainsi souvent rejetée car elle attribue de manière illégitime des propriétés de l’hôte à son parasite.

 

La vision généticiste

D’un point de vue généticiste, les virus évoluent, ils ne sont pas capables de s’auto-reproduire ; leur évolution est en réalité portée par les cellules. Ils ne seraient donc pas strictement vivants. Si l’on considère que tout ce qui évolue ou qui « se fait évoluer » est vivant, les virus seraient effectivement en vie mais également les virus informatiques, les langues, ou encore les recettes de cuisine. Problématique, non ?

Dans l’hypothèse du « monde viral » qui aurait précédé la vie telle qu’on la connait aujourd’hui, ce terme de virus porte souvent une double signification plutôt ambigüe. D’un côté le virus actuel, incapable de s’auto-répliquer et de des molécules auto-réplicatives simples considérées comme des virus. Seul ces dernières molécules pourrait alors être considéré comme vivantes. Cette hypothèse est complexe mais valide, néanmoins le substantif de « réplicateur » et non « virus » conviendrait mieux à ces potentiels organismes capables d’autoréplication pour éviter la confusion.

Intégrer les virus dans l’arbre du vivant

Un arbre phylogénétique est une représentation des relations évolutives entre plusieurs êtres vivants en comparant leurs séquences ADN. L’arbre du vivant se catégorise par trois branches majeures correspondant aux trois domaines du vivant (eucaryotes, bactéries, archées). Une condition reste nécessaire pour réaliser cet arbre : avoir des caractères homologues. Autrement dit, il faut que la séquence génétique étudiée ait été héritée d’un ancêtre commun (transmission verticale) et qu’il n’y ait pas eu d’échanges génétiques (transmission horizontale) entre les organismes étudiés.

Au cours d’un transfert vertical, le gène est hérité d’un ancêtre (cellulaire ou organisme à part entière).

Au cours d’un transfert horizontal, le gène est récupéré à partir d’une autre cellule co-existante. Comme il n’y a pas de relation de parenté entre les organismes, il est impossible de retracer un arbre phylogénétique à partir de gènes transférés horizontalement.

Cette condition est difficile à appliquer pour les virus car il n’y a pas un seul gène qui soit commun à toutes les familles de virus et aux cellules classiques.

 

Placer les virus aux racines ?

Néanmoins, certains scientifiques voient une origine commune des virus avant l’apparition des cellules. Ces théories se basent sur deux arguments. D’une part, des motifs structuraux similaires sont partagés par des familles de virus très différentes. D’autre part, il y a des virus d’une même famille qui infectent des cellules très différentes (bactéries et archées par exemple). Alors, les virus sont-ils les racines de l’arbre du vivant ?

Il reste toutefois possible d’expliquer ces phénomènes sans pour autant estimer que les virus précèdent l’apparition du premier être vivant cellulaire. En effet, on sait que des structures géométriques simples associées à des contraintes structurelles fortes ont tendance à converger vers le même modèle. Par exemple, les carboxysomes qui sont des structures cellulaires non-virales partagent la même forme que les virus icosaédriques. En 2017, il a même été démontré que certaines les protéines des capsides virales étaient en réalité héritées d’éléments cellulaires, remettant en cause l’apparition primitive des virus. Par ailleurs, les virus réalisent des transferts de gènes dits « horizontaux » et il est commun que deux virus distants s’échangent des informations génétiques, ce qui peut expliquer des motifs similaires dans des familles virales pourtant éloignées. Enfin, les virus changent d’hôte et peuvent donc infecter des cellules non-apparentées.

Tout ce qui se ressemble n’a pas une origine commune ! En (a) et (b), on peut observer des carboxysomes dans une cellule bactérienne tandis qu’en (c), il s’agit de virus dans une bactérie marine. Si ces structures ont des tailles et des formes similaires, elles ont des origines très différentes. Source : Moreira et López-García, 2009.

 

Cachés dans les branches

Nos connaissances actuelles penchent ainsi plutôt vers une évolution conjointe entre virus et cellules. Par ailleurs, il parait plus probable que les virus aient émergé des cellules, à plusieurs reprises dans l’histoire des organismes cellulaires.

Il reste alors la question de savoir s’il pré-existait des réplicateurs avant l’apparition des cellules. Ces hypothèses sont à aborder d’un point de vue considérant l’apparition de la vie comme l’apparition d’un système génétique.

Un quatrième domaine du vivant ? Le cas des virus géants

Quelques gènes que l’on retrouve dans les virus géants ont des homologues chez des cellules classiques. Ils codent par exemple pour des protéines utilisées dans des fonctions typiquement cellulaires.

Étant donné que l’on dispose cette fois-ci de gènes homologues entre être cellulaires et virus géants, il est possible d’inclure ces virus particuliers dans des arbres phylogénétiques. Lorsque cette opération a été faite pour la première fois, les scientifiques ont observé que ces virus pouvaient être classés à la base du domaine des organismes eucaryotes.

Lors de la première analyse, les mimivirus se classaient à la base de la branche eucaryote. Source : Raoult, 2004.

 

Une branche épineuse

Toutefois, ce placement dans l’arbre du vivant suscite d’importants problèmes méthodologiques. En raison de leur vitesse d’évolution rapide, les gènes viraux accumulent les mutations plus rapidement que leurs homologues cellulaires. Toutefois, il a été démontré que pour un organisme évoluait si rapidement, les méthodes basiques de construction d’arbres phylogénétiques ont tendance à le placer à la base d’un domaine, de façon incorrecte. On appelle cela l’attraction des longues branches et c’est une problématique récurrente en phylogénie. D’autre part, si l’échantillonnage est faible et si l’hôte n’est pas lui aussi incorporé dans l’expérience, il est difficile de détecter des phénomènes de transferts horizontaux d’une espèce cellulaire au virus qui l’infecte.

Des problèmes méthodologiques majeurs sont apparus lors de l’inclusion du mimivirus dans un arbre phylogénétique.

 

Une seconde analyse a donc été menée en prenant en compte ces particularités et les virus géants ne se classaient plus à la base du domaine des eucaryotes. Cette fois-ci, les virus étaient très proches des amibes qu’ils infectent habituellement. Cette observation indique ainsi que le virus a très probablement volé les gènes de son hôte au cours d’un transfert horizontal. Cela a été démontré pour plusieurs gènes de ces virus géants.

Lors d’une seconde analyse prenant en compte les problèmes rencontrés, les mimivirus se trouvaient être phylogénétiquement très proches des amibes et non plus à la base de l’arbre. Source : Moreira et López-García, 2005.

 

Au fil des années de recherche, une véritable histoire évolutive des virus géants s’est construite. Au départ simples virus classiques, leur génome se serait progressivement enrichi de gènes appartenant aux hôtes qu’ils infectent. Cette accumulation génétique brouille les frontières du domaine du vivant mais les virus géants restent incapables de se reproduire sans infecter une cellule hôte.

Conclusion : pas si vivants que ça

Malgré leur rôle crucial dans l’évolution et le fonctionnement des écosystèmes, difficile de classer les virus parmi les êtres vivants. En effet, que l’on se base sur une vision métaboliste ou généticiste du vivant, ces parasites n’ont pas de métabolisme qui leur est propre et sont incapables de s’auto-répliquer. Comme on retrouve plusieurs origines des virus au cours de l’histoire phylogénétique, il est également impossible de les catégoriser comme un quatrième domaine homogène du vivant.

Les virus demeurent des entités biologiques mystérieuses et aujourd’hui, les recherchent continuent pour mieux comprendre leurs implications dans les origines de la vie et les rapports complexes qu’ils entretiennent avec les êtres cellulaires.

Sources iconographiques :

Moreira D, López-García P. Comment on “The 1.2-Megabase Genome Sequence of Mimivirus.” Science. 2005;308(5725):1114-1114. doi:10.1126/science.1110820

Moreira D, López-García P. Ten reasons to exclude viruses from the tree of life. Nature Reviews Microbiology. 2009;7(4):306-311. doi:10.1038/nrmicro2108

Raoult D, Audic S, Robert C, et al. The 1.2-megabase genome sequence of Mimivirus. Science. 2004;306(5700):1344-1350. doi:10.1126/science.1101485

 

 

 

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