Diversité, évolution et écologie virale : des communautés aux génotypes. Analyse bioinformatique de métagénomes viraux

par Simon Roux

Thèse de doctorat en Ecologie

Sous la direction de Didier Debroas et de François Enault.

Soutenue le 03-10-2013

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Microorganismes : Génome et environnement (équipe de recherche) et de (LMGE) Microorganismes : Génomes et Environnement (laboratoire) .

Le président du jury était Télesphore Sime Ngando.

Le jury était composé de Denis Le Paslier, Hervé Moreau, Pascal Hingamp.

Les rapporteurs étaient Denis Le Paslier, Hervé Moreau.


  • Résumé

    Les virus sont omniprésents dans la biosphère et infectent vraisemblablement l'ensemble des êtres vivants. Au sein des écosystèmes, ils ont ainsi un impact sur la diversité des populations microbiennes, l'évolution des génomes de ces populations, et directement ou indirectement sur les cycles biogéochimiques majeurs. Leur caractère protéiforme et l'absence de marqueur unique (tant génétique que physique) font toutefois de l'exploration de la diversité virale une tâche complexe, de telle sorte que nos connaissances sur ces communautés virales environnementales sont encore très limitées. La métagénomique, ou séquençage massif et aléatoire de fragments nucléotidiques extraits d'un prélèvement, offre un point de vue unique sur les génomes viraux. Ce type d'approche, récemment développé, a ainsi mis en évidence la richesse extraordinaire des populations virales environnementales, tant du point de vue des gènes que des génotypes. C'est dans ce cadre de l'étude des communautés virales de l'environnement par métagénomique que se sont inscrits les travaux de cette thèse, organisée autour de quatre axes principaux : • Le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées aux spécificités des génomes et métagénomes viraux par la mise en place du serveur web Metavir, premier serveur dédié à l'analyse des viromes. Proposant aujourd'hui un ensemble cohérent d'outils pour différents types de viromes, Metavir compte plus de 300 utilisateurs pour plus de 2000 viromes analysés. • Le potentiel fonctionnel des génomes viraux a pu être approché par l'étude conjointe d'un ensemble de viromes. Après une analyse rigoureuse des contaminations potentielles, nous avons pu confirmer que les génomes viraux comprenaient un ensemble limité mais non négligeable de gènes associés au métabolisme cellulaire. La plupart des virus agissent ainsi certainement directement sur le métabolisme de la cellule hôte durant l'infection. • La prépondérance des paramètres environnementaux, et particulièrement de la salinité, en tant que facteurs structurant les communautés virales aquatiques a également pu être mise en avant. La distance géographique entre prélèvements semble n'avoir qu'une influence secondaire, confirmant la capacité importante de dispersion des capsides virales. Une adaptation locale semble toutefois exister dans certains cas, notamment en cas de compétition importante entre les résistances développées par les hôtes et les capacités d'infection des virus. • Enfin, différentes familles de petits virus à ADN simple brin ont pu être caractérisées par une méta-analyse de viromes. Leur apparente simplicité a ainsi révélé des mécanismes d'évolution plus complexes que prévus, impliquant différents cycles et capacités de transfert de gènes jusqu’ici plutôt considérés comme l'apanage des virus à ADN double brin, et remettant en cause les séparations admises entre les différents groupes de virus sur la base de la nature de leur génome. En permettant une étude depuis l'échelle de la communauté jusqu'à des génotypes spécifiques, les viromes constituent des outils de choix pour caractériser la diversité virale, appréhender les différents facteurs régulant ces communautés, et ainsi mieux comprendre la place des virus dans la biosphère. De plus, ces études ont confirmé l'existence d'interactions étroites entre virus et organismes cellulaires, ces interactions semblant nombreuses, multiples dans leurs natures et conséquences, et présentes tout au long de l'histoire du vivant. Ces nouvelles connaissances apportées par l'analyse de viromes permettent donc d'aborder certaines questions fondamentales concernant l'origine des grandes innovations évolutives ou le fonctionnement global des écosystèmes.

  • Titre traduit

    Viral diversity, evolution and ecology : from communities to genotypes. Bioinformatic analysis of viral metagenomes


  • Résumé

    Viruses likely infect every organism on Earth (in some cases even other viruses!), and represent vast morphological and genetic diversity. Not surprisingly given their numerical dominance, viruses significantly impact ecosystems through regulating microbial populations, driving major biogeochemical cycles, and shaping the evolution of hosts genomes. However, our understanding of viruses in nature is primitive, especially because the majority of environmental viral genomes remains uncharacterized. Metagenomics (i.e. random and massive sequencing of genomic fragments isolated from a sample) applied to encapsidated genetic templates provides a unique perspective on the viral pangenome. The first viral metagenomes (or viromes) generated entire sets of new questions about viral diversity, especially concerning their genetic and species richness. This work was set within this frame of viral diversity study through metagenomics, and organized into four main themes : • The development of bioinformatics tools adapted to the specific features of viral genomes and metagenomes led to the release of Metavir, the first web server dedicated to virome analysis. Providing a comprehensive set of connected tools, Metavir has now been used by more than 300 users in the analysis of more than 2000 viromes. • The functions encoded within viral genomes were for the first time thoroughly examined, following a rigorous examination of a set of published viromes toward contamination by cellular DNA. A new picture of the viral functional potential could thus be drawn, which confirmed that the range of cellular functions encoded in viral genomes is wider than the one retrieved from the complete genomes currently available, though not as great as previously estimated. • The study of the aquatic viral metagenomes also revealed the importance of salinity in the distribution of viral communities across the globe. The ubiquitous distribution of most viral genotypes confirmed that viral particles seem to be able to move across any distance on Earth. Viruses are thus likely selected based on factors such as the presence of their host in the samples and the competition with other parasites, which can still drive local adaptations. • Finally, viromes were used to better characterize the diversity of different ssDNA viral families. Despite their small size and relative simplicity, these viruses were found to harbor unexpectedly complex cycles and evolutionary mechanisms, in particular a great potential of recombination and gene transfer. Overall, the new genomes assembled from viromes notably challenge the separation between viruses based on the nature of their genome. Eventually, as illustrated by these different works and analyses, viromes are unique and extremely powerful tool to assess and characterize viral genetic diversity. Moreover, considering the tight links between viral and cellular worlds, insights into the viral communities provided by metagenomics make it possible to address fundamental questions such as the origin of important evolutive innovations or the functioning of ecosystems, so that these results are of interest for the whole field of biology.


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