Using viral genomics for the understanding of the epidemiology and evolution of RNA viruses in the context of past and ongoing outbreaks

Titre traduit

Application de la génomique virale pour comprendre l'épidémiologie et l'évolution des virus à ARN dans le contexte d'épidémies passées et en cours
Résumé

Les pandémies qui ont impacté le début du XXIe siècle (la grippe H1N1 en 2009 et la COVID-19 actuellement) soulignent l'importance du défi global que posent les maladies infectieuses virales émergentes et ré-émergentes à nos sociétés. Par exemple, au cours des deux dernières années seulement, le virus chikungunya (CHIKV) a provoqué des épidémies majeures dans plusieurs pays d'Asie du Sud-Est, auxquelles s'ajoute le fardeau croissant du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2), avec des conséquences majeures dans le monde entier. Bien que les pandémies ne soient pas un phénomène nouveau, la popularité croissante des technologies de séquençage de nouvelle génération, l'accélération de la génération de données génomiques - qui élargissent les bases de données de génomes viraux - et les progrès des méthodes phylodynamiques ainsi que de l'informatique ont permis d'utiliser les génomes viraux pour répondre à des questions épidémiologiques cruciales, renforçant les réponses de la santé publique aux épidémies. Ce travail s'est concentré sur l'étude de l'origine, aussi bien spatiale que temporelle, et de la propagation des maladies infectieuses virales d'épidémies passées et en cours. Pour ce faire, nous avons utilisé l'épidémiologie génomique et montré qu'elle peut être un outil très puissant pour enquêter sur les épidémies de maladies infectieuses à différents niveaux. Par exemple, nous avons réussi à mettre en place un protocole de séquençage métagénomique profond qui nous a permis de découvrir que le probable agent étiologique responsable d'une série de cas de méningite dans le sud de l'Espagne, au cours de la période 2015-2018, était le virus Toscana (TOSV), un arbovirus responsable d'un nombre croissant d'infections dans les pays bordant la mer Méditerranée. Ensuite, nous avons développé une approche de séquençage basée sur des amplicons qui nous a permis d'obtenir la séquence complète du TOSV à partir d'échantillons de qualité et charge virale très variables. Nous sommes ensuite allés plus loin dans les analyses des épidémies de CHIKV au Cambodge. En effet, l'analyse phylogénétique des génomes que nous avons générés nous a permis d'étudier la diversité génétique du CHIKV et, en ajoutant des données temporelles, d'estimer le moment auquel il a été introduit dans la population. Dans un second temps, une analyse phylogéographique nous a fourni un niveau de détail supplémentaire en mettant en lumière les origines de l'épidémie, les liens avec les épidémies précédentes dans la même région et la dispersion du virus dans le pays. Enfin, à une autre échelle, nous avons pu suivre la dynamique de la population virale du SARS-CoV-2 lors de l'infection à long terme d'un patient immunodéprimé, ce qui a souligné les défis de la prise en charge de ces membres vulnérables de notre société pour lesquels il existe un risque accru de maladie grave. Pour conclure, ces travaux contribuent à une meilleure compréhension de l'épidémiologie et l'évolution de plusieurs virus à ARN qui représentent encore aujourd'hui des menaces importantes pour la santé humaine, et soulignent les apports de l'épidémiologie génomique contre les épidémies.

mots clés

Résumé

From 2009 H1N1 influenza pandemic to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) COVID-19 pandemic, emerging and re-emerging viral infectious diseases have constituted one of the greatest global challenges of the twenty-first century. For instance, in the last two years alone, Chikungunya virus (CHIKV) have caused major outbreaks in several countries across Southeast Asia, in addition to the growing burden of SARS-CoV-2, causing major consequences around the globe. While pandemics are not a new phenomenon, the growing popularity of next generation sequencing technologies, the increased pace of genome data generation - which are enlarging viral genome repositories - and advances in both phylodynamic methods and computer science made it possible to use viral genomes to answer crucial epidemiological questions, ultimately strengthening public health response to outbreaks. This work focused on investigating the origin, timing, and spread of viral infectious diseases of past and ongoing outbreaks. To address these questions we used genomic epidemiology, showing that it can be a very powerful tool to investigate infectious disease outbreaks at various steps. For instance, we succeeded in setting up a metagenomic deep sequencing protocol that allowed us to determine that the probable etiologic agent responsible for a series of meningitis cases in southern Spain during 2015-2018 was Toscana virus (TOSV), an arbovirus responsible for an increasing number of infections in countries enclosing the Mediterranean Sea. Next, using an in-house designed amplicon-based sequencing approach we succeeded to obtain the complete sequence of TOSV from samples of varying viral load and quality. We then went a step further on the analyses of CHIKV outbreaks in Cambodia. In light of the genomes that we generated, phylogenetic analysis allowed us to study the genetic diversity of CHIKV and by adding temporal data, to estimate the time at which it was introduced into the population. Subsequent phylogeographic analysis provided us with an additional level of detail, shedding light on the origins of the outbreak, connections to previous outbreaks in the same region and dispersal of the virus within the country. On a different scale, we were able to track the dynamics of the SARS-CoV-2 viral population during the long-term infection of an immunocompromised patient, highlighting the challenges of treating these vulnerable members of our society for whom there is still significant risk for severe illness. Together, this work provides a better understanding of the epidemiology and evolution of several RNA viruses representing important threats to human health and simultaneously highlights the importance and main contributions of genomic epidemiology for outbreak investigation.

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