Ecology, biodiversity and evolution of influenza viruses

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La répétition annuelle de la vaccination antigrippale des personnes à risque contribue à donner des virus grippaux une image de virus « changeants » dont on attend chaque année le ou les nouveaux variants nouvellement inclus dans la composition vaccinale, car susceptibles de causer l'épidémie annuelle à venir. La variabilité des virus grippaux ainsi que l'intensité, parfois explosive de certaines des épidémies dont ils sont responsables, sont les deux principaux caractères qui concourent au portrait de la grippe et de ses virus. Les virus grippaux sont en effet capables de considérables variations génétiques selon trois mécanismes : 1) les mutations ponctuelles qui, lorsqu'elles affectent un site antigénique aboutissent au glissement antigénique, 2) les réassortiments génétiques lors de co-infections (encapsidation d'un mélange de segments d'ARN issus de l'un et l'autre de deux virus parentaux, générant un virus nouveau dont le génome est hybride), rendus possibles par le caractère segmenté du génome viral, et, enfin, 3) la recombinaison proprement dite (échange de fragments d'ARN entre deux segments nécessitant au moins un crossing over), ce dernier mécanisme étant certainement beaucoup moins important pour l'évolution des virus grippaux que les deux autres (non évoqué dans la suite de cette revue). Chez l'homme, la grippe, virose bénigne et grave, connue et sous-estimée, est une maladie pleine de paradoxes. L'écologie et l'évolution des virus grippaux révèlent aussi nombre de paradoxes.

Les virus grippaux sont des virus enveloppés dont le génome constitué d'ARN de polarité négative est segmenté en sept ou huit fragments (pour les virus de grippe A : trois segments génomiques codant les protéines du complexe réplicase-transcriptase : PB2, PB1 et PA, le quatrième code l'hémagglutinine HA, le cinquième la nucléoprotéine ou NP, le sixième la neuraminidase ou NA, le septième M code la protéine de matrice M1 et la protéine du canal à ions M2 et enfin le huitième, NS, code les protéines NS1 et NS2). Les virus grippaux appartiennent à la famille des Orthomyxoviridae. Il en existe trois genres ou types : Influenzavirus A, B et C. Selon la nature des deux glycoprotéines de surface que sont l'hémagglutinine (HA ou H) et la neuraminidase (NA ou N), le type A est divisé en sous-types sérologiques. Les caractéristiques d'évolution sont très variables selon les types viraux et seules seront traitées ici celles des virus de grippe A.

Large spectre d'espèces hôtes pour une multitude de sous-types de virus de grippe A

Les virus de grippe A infectent plusieurs espèces de mammifères dont certaines sont terrestres, comme le cheval et le porc, et d'autres sont marines comme les baleines et les dauphins parmi les cétacés, et les phoques parmi les pinnipèdes. Cependant, les virus grippaux sont avant tout des virus aviaires et c'est chez les oiseaux, notamment les oiseaux aquatiques sauvages, que l'on observe le plus grand nombre de sous-types de virus de grippe A (tableau 1). Alors que, chez l'homme, n'ont circulé que des virus portant à leur surface les HA des « espèces moléculaires » H1, H2 et H3 (et ponctuellement seulement H5 [1-3] et H9 [4]), des virus portant les HA H1 à H15 circulent chez les oiseaux. Quatorze de ces 15 espèces moléculaires d'HA ont été isolées chez les canards sauvages, la H13 n'ayant été détectée (à une exception près [5]) que chez les oiseaux marins (pour revue [6, 7]). De même, les NA de virus humains n'appartiennent qu'aux types N1 et N2 alors que celles des virus aviaires appartiennent aux types N1 à N9. Les oiseaux constituent un véritable réservoir de virus de grippe A dont la diversité s'accroît à chaque découverte d'une nouvelle espèce moléculaire d'HA ou de NA. Il apparaît cependant que la liste de ces espèces moléculaires est presque achevée si l'on tient compte de la faible fréquence, voire de l'absence actuelle de découverte de nouvelles espèces moléculaires. Récemment, au cours d'une étude destinée à estimer la prévalence des virus de grippe A chez les oiseaux migrateurs (canards, oies et oiseaux marins côtiers) sur une période de deux ans en Europe du Nord, une équipe hollandaise a identifié un virus grippal aviaire dont l'hémagglutinine est génétiquement (plus de 30 % de différence au niveau de la séquence) et antigéniquement différente de celles répertoriées jusque-là. Les discussions sont fournies pour déterminer s'il s'agit ou non d'une seizième espèce moléculaire d'hémagglutinine (H16 ?) [8].

En règle générale, les oiseaux aquatiques sauvages sont infectés dans la partie distale de leur tube digestif, ce qui explique la présence de virus grippal dans le cloaque et dans les fèces. L'infection est très généralement asymptomatique. Le mécanisme de maintien de ces virus dans les populations aviaires n'est pas clairement déterminé. Cinq hypothèses sont actuellement avancées : selon la première, la circulation des virus grippaux serait continue au sein des espèces d'oiseaux aquatiques sauvages ; selon la deuxième, les virus circuleraient d'espèces d'oiseaux infectés plutôt au printemps à d'autres espèces d'oiseaux plutôt infectées en automne ; selon la troisième, il y aurait persistance des virus grippaux dans l'eau où barbotent les oiseaux infectés ou dans la glace qui se forme à partir de celle-ci dans certaines régions du globe ; selon la quatrième, il y aurait persistance des virus grippaux chez leur hôte pendant de longues périodes et, enfin, selon la cinquième, il y aurait circulation continue de virus grippaux dans les régions tropicales et subtropicales (pour revue [9]).

Migrations des oiseaux aquatiques sauvages et circulation virale entre individus et entre espèces aviaires

Des virus grippaux ont été isolés d'oiseaux aussi bien en Asie (Chine), en Océanie (Australie) qu'en Europe (en France notamment [10]) et en Amérique du Nord. La classe des oiseaux comprend une cinquantaine d'ordres ; des virus grippaux ont été isolés d'une douzaine d'entre eux dont les plus fréquemment impliqués sont présentés dans le tableau 1. Les ensembles de gènes de virus grippaux, y compris ceux qui codent les glycoprotéines de surface HA et NA, varient en fonction des espèces aviaires hôtes. Les ordres qui regroupent des espèces d'oiseaux aquatiques sauvages comme les ansériformes (canards et oies), les pélécaniformes (cormorans) ou les procellariiformes (albatros, puffins, pétrels) sont particulièrement importants en termes de fréquence d'infection, mais également en termes de pouvoir de dissémination géographique car, parmi ces derniers, certains peuvent migrer sur de très grandes distances, allant d'un hémisphère à l'autre. Après nidification, les espèces migratrices commencent leur déplacement au cours duquel elles font des pauses. Ces pauses entraînent la rencontre de nombreuses espèces d'oiseaux migrateurs. Pour une même espèce, le passage par des points de repos communs favorise la concentration au même endroit d'oiseaux venant de lieux de nidification très variés. Au début de la migration, une proportion importante des oiseaux est constituée de jeunes qui migrent pour la première fois. Ces jeunes sont immunologiquement plus « naïfs » que leurs parents et représentent une population particulièrement sensible à l'infection par les virus grippaux. La transmission entre différents individus d'une même espèce venant de patries différentes ou de différentes espèces est donc facilitée. De plus, l'utilisation de points d'eau douce ou saumâtre, de volume limité, favorise la présence dans l'eau de virus de sous-types différents en fonction des virus éliminés dans les excrétats des oiseaux infectés. Pour les oiseaux d'une espèce donnée, l'arrêt temporaire d'individus migrateurs, dans des zones particulières comme la baie de la Somme en France, permet la rencontre entre ces derniers et des colonies sédentaires de la même espèce.

Malgré la grande variété d'itinéraires, il existe des routes majeures de migration des oiseaux. Plusieurs de ces routes passent par exemple par l'Europe et par la Chine. Bien que certains sous-types de virus prédominent globalement chez les canards sauvages d'une voie de migration déterminée, il existe des variations dans la nature du sous-type prédominant en fonction des voies de migration et de l'année [11]. De nombreux facteurs interviennent dans le déroulement des migrations mais les éléments climatiques sont prépondérants.

Les migrations provoquent non seulement des « rassemblements cosmopolites » d'espèces très variées d'oiseaux sauvages migrateurs, mais également des contacts entre des animaux sauvages sédentaires ou domestiques et ces oiseaux sauvages migrateurs. Ainsi, les volailles domestiques apparaissent certainement comme des intermédiaires entre les oiseaux aquatiques migrateurs sauvages et les autres animaux domestiques comme les porcs [12], pour les transmissions interspécifiques de virus grippaux.

Transmissions interspécifiques et réassortiments

Le porc : « territoire » de réassortiments

Il a été démontré que le porc peut être infecté directement par des virus aviaires de façon expérimentale [13] ou de façon naturelle [14]. La contamination de l'homme par des virus aviaires avec apparition d'un syndrome grippal est possible, même si elle n'a que très rarement pu être démontrée, l'exemple le plus documenté étant l'épisode dit de la « grippe du poulet » qui s'est déroulé à Hong Kong en 1997. L'hypothèse la plus couramment admise à l'heure actuelle place toujours l'espèce porcine au cœur des événements qui conduisent à l'émergence de nouveaux virus humains [15, 16]. Les porcs semblent pouvoir être naturellement infectés de manière directe par des virus aviaires représentant la plupart sinon toutes les espèces moléculaires d'HA et qui sont capables de se répliquer chez le porc [17]. L'isolement récent de virus aviaires H4N6 à partir de porcs souffrant de pneumonie au Canada (octobre 1999) atteste que le porc peut, dans des conditions naturelles, être infecté par des virus aviaires suite à une transmission directe sans réassortiment (transmissions in toto) [18]. Un mécanisme moléculaire a été proposé pour expliquer la sensibilité du porc aux virus d'origine aviaire. Les récepteurs viraux, qui sont des sialoglycoconjugués et qui sont présents à la surface des cellules trachéales porcines, possèdent à la fois des acides N-acétylneuraminiques terminaux liés par des liaisons glycosidiques en alpha2,3 à du galactose (NeuAc alpha2,3Gal) et des NeuAc alpha2,6Gal [19]. Les virus humains se lient préférentiellement aux NeuAc alpha2,6Gal, prépondérants à la surface des cellules humaines, alors que les virus aviaires se lient plutôt aux NeuAc alpha2,3Gal, largement majoritaires à la surface des cellules aviaires [20]. Ainsi, pourvues des deux types de « récepteurs », les cellules trachéales porcines sont susceptibles d'être infectées par des virus d'origine humaine tout comme par des virus d'origine aviaire. Cependant, la transmission directe de virus aviaire à l'homme dans le cas de l'épisode dit de la « grippe du poulet » qui s'est déroulé à Hong Kong en 1997 (voir ci-après) suggère que d'autres facteurs sont probablement nécessaires à la transmission interspécifique des virus grippaux [21-23]. La nature des virus grippaux qui circulent dans l'espèce porcine indique que des réassortiments se produisent chez cet animal à une fréquence non négligeable. Il circule actuellement trois sous-types principaux de virus chez le porc dans le monde : H1N1, H3N2 et H1N2 (tableau 2). En Asie, en Amérique et en Europe surtout, c'est le sous-type H1N1 qui est le plus couramment isolé. Les virus H1N1 qui circulent en Asie et en Amérique du Nord sont des virus porcins classiques, c'est-à-dire qu'ils sont génétiquement apparentés aux virus H1N1 humains issus du virus responsable de la pandémie de grippe espagnole du début du xx^e siècle [24-26]. En revanche, les huit segments génomiques des virus H1N1 qui circulent chez les porcs en Europe sont phylogénétiquement apparentés aux lignages aviaires [25]. Les virus de sous-type H3N2 circulent principalement en Europe et en Asie et apparemment beaucoup moins en Amérique du Nord [27-29]. Les virus A(H3N2) porcins appartiennent pour l'ensemble de leurs gènes aux lignages de virus humains. Le sous-type H1N2, identifié pour la première fois au Japon et en France d'une part et en Grande-Bretagne d'autre part [30, 31], résulte respectivement du réassortiment de virus porcins de type aviaire et de virus A(H3N2) porcins ou de réassortiments multiples (virus de type aviaire, virus de type humain portant H1 et virus porcins dérivant de virus humains portant N2). Il avait été montré que les virus H3N2 participent à des événements de réassortiments, il y a quelques années déjà, par la circulation chez des porcs en Italie, entre 1985 et 1989, de virus hybrides dont les antigènes de surface H3 et N2 étaient codés par des gènes issus de virus humains A(H3N2) et dont les autres protéines étaient codées par des gènes provenant de virus aviaires A(H1N1) [32]. Récemment des virus A(H3N2) isolés chez le porc aux États-Unis ont également été caractérisés comme des réassortants. En effet, une souche H3N2 isolée en Caroline du Nord était constituée à la fois de gènes de virus humains (HA, NA, et PB1) et de gènes de virus porcins classiques (NS, NP, M, PB2, et PA). D'autres souches H3N2 isolées dans le Minnesota, l'Iowa et au Texas résultent de multiples réassortiments puisqu'elles sont constituées : de gènes issus de virus humains (HA, NA et PB1), de gènes de virus porcins classiques (NS, NP et M) et, enfin, de gènes appartenant aux lignages aviaires (PB2 et PA) [33].

Le porc cumule assez de caractéristiques pour qu'il demeure encore aujourd'hui un candidat sérieux au rôle de creuset de mélange et de maillon entre les oiseaux et l'homme. Comme l'illustre la figure 1, c'est ainsi grâce au porc que serait apparu, quelque temps avant 1957, le sous-type H2N2 par remplacement de trois segments génomiques du virus A(H1N1) en circulation chez l'homme par trois segments (PB1, HA et NA) de virus d'oiseaux aquatiques sauvages de sous-type A(H2N2). Le sous-type A(H3N2) serait apparu quelque temps avant 1968 en Asie par remplacement des molécules PB1 et H2 du virus humain A(H2N2) apparu en 1957 par les molécules PB1 et H3 qui proviennent, selon une étude phylogénétique, d'un virus de canards sauvages [34].

Le cheval : une cible possible de virus aviaires

La transmission de virus d'oiseaux vers d'autres espèces que le porc et l'homme est possible. Ainsi, l'épizootie de grippe chez le cheval de 1989, en Chine, a été provoquée par le passage d'un virus du même sous-type que les virus en circulation chez les équidés à cette époque, mais phylogénétiquement et antigéniquement distinct. Ces virus dont la souche prototype est A/Equi/Jilin/89(H3N8) n'ont pas subi de réassortiment et sont passés directement (avec les huit gènes) de l'oiseau au cheval [35].

Le poulet : un hôte aviaire à part

Pour autant, le rôle de creuset de mélange n'est sans doute pas exclusif au porc et pourrait être partagé par diverses espèces animales, et tout particulièrement les poulets. En 1997, dix-huit cas humains virologiquement confirmés d'infections à virus A(H5N1) à Hong Kong ont souligné la possibilité de passage de manière directe de virus aviaires du poulet à l'homme. Le taux de létalité chez l'homme a été particulièrement élevé puisqu'un tiers des malades sont morts. Ces cas humains ont été contemporains d'une épizootie de grippe aviaire touchant les poulets du territoire. Lorsqu'un virus grippal est introduit chez un nouvel hôte, il subit généralement des modifications rapides spécialement au niveau de ses glycoprotéines de surface, et l'HA en premier lieu. Dans le cas des virus H5N1 isolés à partir d'oiseaux présents sur les marchés aux volailles de Hong Kong, ceci n'a pas été le cas. En effet, à partir des séquences nucléotidiques et protéiques déduites du fragment 77-1042 du domaine HA1 de l'HA et du fragment 46-1542 de PA, il a été observé que la proportion de mutations ayant conduit à une substitution en acide aminé, par rapport aux mutations silencieuses, était environ six fois plus élevée pour le gène PA que pour le gène HA [36]. Ces données suggèrent que le gène HA de ces virus a été plus compatible avec le poulet que les autres gènes. Cela impliquerait que les virus H5N1 de Hong Kong de 1997 ont été le résultat de réassortiments au cours desquels les virus auraient emprunté le gène HA déjà adapté aux poulets tandis que les sept autres gènes auraient été empruntés à d'autres sources, probablement à des virus d'oiseaux aquatiques sauvages (figure 2). La proportion importante de substitutions au niveau de la NA et des gènes internes des virus H5N1 de Hong Kong isolés en 1997, dans leur ensemble, indique que ces virus évoluaient rapidement au moment de cet épisode. Ces données et la circulation entre 1975 et 1985 chez les canards et les oies à Hong Kong, mais non chez les poulets, de virus H5N1 suggèrent que le poulet soit devenu un nouvel hôte pour eux en 1997. Ces éléments font du poulet un hôte intermédiaire possible impliqué dans la transmission zoonotique de la grippe [19].

L'origine des virus H5N1 de 1997 n'a pas été complètement élucidée. D'après les données phylogénétiques, il est possible que le gène HA provienne du virus A/Goose/Guangdong/1/96 (H5N1), hautement pathogène pour l'oie [36]. La région de Guangdong est une province chinoise adjacente au territoire de Hong Kong ; elle lui fournit une part importante des volailles consommées. Les sept autres gènes viraux appartiennent aux lignages aviaires eurasiens. La forte similitude entre les six gènes internes de la souche A/quail/Hong Kong/G1/97(H9N2) (Qa/HK/G1/97) et ceux des souches de virus H5N1 de 1997 indique que les virus de caille H9N2 ont probablement été les virus donneurs des gènes internes (sans que la réciproque puisse être écartée) [37]. La cocirculation de virus H5N1 et H9N2 rend possible les réassortiments entre ces deux sous-types (figure 2). Des études antigéniques et génétiques [37] ont montré que les virus H9N2 de canards domestiques s'étaient établis chez les volailles domestiques en Asie. Les virus H9N2 isolés de volailles à Hong Kong se groupaient en trois lignages distincts. Parmi les virus H9N2 de poulet, il semble que six des segments étaient empruntés à des virus H9N2 isolés auparavant en Chine chez le poulet tandis que les gènes PB1 et PB2 présentent une proche parenté génétique à la fois avec ceux des virus de poulet H5N1 de 1997 et avec ceux de la souche de caille Qa/HK/G1/97. Cela suggère que, parmi les virus de poulet H9N2 qui circulaient en 1997 à Hong Kong, une part étaient des réassortants. Il est important de noter que, comme dans le cas du H5N1, deux cas d'infection humaine par un virus H9N2, survenus chez des enfants à Hong Kong en 1999, suggèrent que les gènes internes communs entre les virus H9N2 et H5N1 portent des déterminants de la capacité à se multiplier chez l'homme et que l'HA de type H9 est capable de permettre l'entrée des virions dans les cellules humaines [4].

Pour aller plus loin dans la recherche de l'origine des virus H5N1 de Hong Kong isolés en 1997 [38], un ensemble hétérogène de virus grippaux de sept sous-types différents a été analysé génétiquement (figure 2). Parmi les virus étudiés, la souche A/teal/Hong Kong/W312/97(H6N1), isolée à partir d'une sarcelle, est constituée de six gènes internes présentant plus de 98% de similitude avec les gènes correspondants du virus humain A/Hong Kong/156/97(H5N1). De plus, les protéines NA des deux souches présentent une similitude de séquence nucléotidique de plus de 97 %. Ces NA comportent notamment toutes les deux une délétion de 19 acides aminés dans la région de la tige. Quant à l'HA de la souche A/teal/Hong Kong/W312/97(H6N1), elle est apparentée à celle de la souche issue d'un autre oiseau aquatique, une espèce de puffin (genre Puffinus) : A/shearwater/Australia/1/72(H6N5). L'isolat A/teal/Hong Kong/W312/97(H6N1) est le premier à posséder sept des huit gènes des virus H5N1 de Hong Kong isolés en 1997. Il n'est pas encore possible de déterminer si le virus H6N1 est le donneur de gènes excepté H5 ou s'il s'agit d'une souche dérivée. La forte similitude de séquences nucléotidiques des gènes internes des virus des sous-types H9N2, H6N1 et H5N1 indique que ces sous-types, qui continuent de circuler dans la région de Hong Kong, sont capables d'échanger leurs gènes internes et d'être à l'origine de la constitution d'un virus réassortant potentiellement pathogène et pandémiogène.

Mécanismes potentiellement impliqués dans le passage d'un virus à un hôte nouveau, soit directement, soit après réassortiment

Les événements de réassortiments génomiques chez les virus grippaux existent donc, non seulement chez le porc, mais aussi dans diverses espèces d'oiseaux. La panoplie de gènes capables de passer entre les espèces et in fine chez l'homme est sans doute assez large et un certain nombre de sous-types aviaires a des caractères qui leur permettent des assortiments génétiques réussis et des passages interspécifiques efficaces. Une fois un virus grippal passé chez un hôte nouveau pour lui, quelles sont les évolutions qu'il peut subir qui en feraient un parasite plus adapté à ce nouvel environnement biologique ? Sur cette question, que peut-on apprendre du passé ?

À partir soit de tissus pulmonaires inclus dans la paraffine, soit de tissus congelés dans le permafrost issus d'individus morts de grippe espagnole, il a été possible à J.K. Taubenberger, à A. Reid et à toute leur équipe de détecter puis de séquencer une part importante du génome du virus grippal de l'époque [26, 39, 40]. Il existe donc maintenant des preuves virologiques qui démontrent formellement que la pandémie grippale de 1918-1919 a été causée par un virus grippal de type A et de sous-type H1N1 [26]. Ce virus était probablement très proche antigéniquement et génétiquement des virus porcins classiques repérés un peu plus tard, et les travaux de l'équipe de J.K. Taubenberger suggèrent que ce virus A(H1N1) a été transmis quelques années avant le début de la pandémie directement des oiseaux au porc (voire à l'homme) sans réassortiment. Une étude publiée en 1999 [41] a utilisé l'hypothèse suivante : l'introduction in toto en 1979 d'un virus grippal d'origine aviaire chez le porc en Europe septentrionale puis son établissement dans cette espèce, donnant ainsi naissance à un nouveau lignage viral [42], aurait été analogue à celui qui a permis l'introduction de virus A(H1N1) des oiseaux aux mammifères, prélude à l'explosion pandémique de 1918. Les auteurs ont ainsi utilisé les isolats porcins nord-européens comme modèle pour étudier l'évolution adaptative des virus grippaux nouvellement introduits chez un hôte mammifère, en pensant que cela permettrait de mieux appréhender les conditions et les circonstances qui ont entouré l'émergence d'une souche pandémique entièrement nouvelle en 1918. Leurs résultats et la discussion qu'ils suscitent sont exposés ci-après.

Évolution rapide des virus grippaux liée à un taux élevé de mutation

Une sélection de type darwinien et un glissement aléatoire, y compris par mutation, participent à des degrés variables à l'évolution des virus grippaux. Scholtissek et al. [43] avaient favorisé l'hypothèse selon laquelle l'évolution des virus grippaux serait plutôt liée à un niveau élevé de mutations, rendu possible par des « mutations mutatrices » dans les séquences des éléments du complexe de transcription-réplication des virus grippaux. Il semble néanmoins difficile d'extrapoler des taux de mutations à partir de données phylogéniques pour les virus porcins H1N1 d'origine aviaire [41] car le taux d'évolution observé (nombre de changements de nucléotides par site et par an) est influencé, d'une part, par les fluctuations du nombre de cycles de réplication (en fait par la taille de la population au cours du temps) et, d'autre part, par les biais d'échantillonnages sur le terrain au cours de la période couverte [41]. En revanche, d'après ces auteurs, le taux de mutations (nombre de changements de nucléotides par site et par cycle de réplication) peut être déterminé clairement au laboratoire, le taux d'évolution représentant en fait les changements accumulés, au cours d'une période considérée, d'année en année. Les auteurs suggèrent qu'en plus de la sélection darwinienne, les biais d'échantillonnage et un nombre accru de cycles de réplications (qui reflètent divers facteurs comme le nombre d'animaux infectés, le pouvoir de multiplication de diverses souches chez le porc, un plus grand nombre de cellules cibles chez le porc que chez les oiseaux et la taille nette de la population virale produite par une cellule infectée) ont en fait contribué significativement au taux d'évolution observé très élevé des virus H1N1 de type aviaire chez les porcs européens. Il est possible que l'expansion généralisée de ces virus en Europe entre 1979 et 1981 ait été liée à la grande taille du cheptel porcin en Allemagne. Les résultats de l'étude de Stech et al. [41] indiquent que le taux de mutation observé ne peut pas expliquer les taux d'évolution des divers gènes viraux. Par exemple, les taux de mutations pour la région très variable HA1 de l'hémagglutinine et du canal à ions, issu du gène M2 qui est hautement conservé, sont du même niveau. Cependant, il se pourrait que des mutations mutatrices (mutations dans le complexe polymérasique favorisant les erreurs de synthèse) aient joué un rôle à un stade précoce de l'évolution des virus H1N1 de type aviaire au nord de l'Europe. Pour que ces mutations mutatrices aient effectivement joué un rôle, elles doivent être apparues avant 1981, peut-être même dès 1979 immédiatement après la transmission chez le nouvel hôte, voire même chez l'hôte aviaire précédant la transmission au porc.

Mécanisme alternatif : accroissement de la taille globale des populations virales

Un autre mécanisme de passage à une nouvelle espèce peut exister en l'absence de mutation mutatrice. Il est en effet possible que le virus aviaire subisse chez son hôte « primaire » un certain nombre de mutations (au taux normal) qui sont nécessaires à l'établissement futur chez le nouvel hôte. Dans ce cas, le nombre théorique minimal de cycles de réplication aboutissant à l'accumulation de toutes les mutations nécessaires ne doit pas engendrer une population virale d'une taille supérieure à celle qui est possible chez l'hôte aviaire. Ce mécanisme est susceptible de s'appliquer à l'apparition de mutations qui sont délétères, voire létales, pour les virus chez l'hôte aviaire. Dans le cas, au contraire, où les mutations conduisent à des changements qui permettent de s'adapter aux contraintes rencontrées chez le nouvel hôte, alors elles peuvent se produire chez une multitude d'hôtes aviaires avant même la transmission du virus au nouvel hôte. Pour que le passage de l'hôte primaire au nouvel hôte se réalise, il faut que ce dernier soit exempt d'infection par une souche virale déjà bien établie dans son espèce.

Un exemple de ce mécanisme alternatif à l'existence de mutations mutatrices pourrait bien être le passage de virus H5N1 chez l'homme à partir du poulet. Le virus parent est un virus de poulet H5N1 hautement pathogène pour cette espèce [23]. Les souches aviaires H5 [44] virulentes ainsi que les virus humains H5 de 1997 [23] sont pantropes (c'est-à-dire qu'elles infectent tous les tissus) chez le poulet. Par conséquent, ces virus peuvent aboutir à des populations virales de taille beaucoup plus grande que celle permise aux virus a- ou paucipathogènes. Ainsi, l'apparition de mutations nécessaires au passage à l'homme de ces virus H5 virulents peut prendre naissance chez l'hôte aviaire initial, le poulet, sans intermédiaire mammalien.

Les deux mécanismes (mutations mutatrices et accroissement de la taille des populations virales) peuvent très bien coexister dans la nature et celui qui serait mis en œuvre dépendrait du nombre de mutations requises et donc en réalité du rapport entre, d'une part, le nombre de virions portant les mutations mutatrices et, d'autre part, le nombre de virions mutants déjà adaptés au nouvel hôte. Ainsi, si le nombre de mutations nécessaires au passage au nouvel hôte est faible, alors l'existence d'une population virale numériquement importante suffit. Dans le cas contraire, où le passage interspécifique nécessite un nombre plus élevé de mutations pour adaptation, l'existence de mutants porteurs de mutations mutatrices est sans doute nécessaire.

Séparation divergente de pools de gènes de virus grippaux : par spéciation et par isolement géographique

Les fréquences variables des transmissions de virus grippaux entre les espèces d'une part et la séparation physique totale ou partielle d'autre part, ont contribué à l'évolution divergente des virus grippaux par séparation plus ou moins complète de pools de gènes viraux qui se sont particulièrement adaptés à l'hôte auquel ils se sont « inféodés ». Cette adaptation, conjuguée à des contacts entre certaines espèces peu fréquents ou devenus rares à cause de changements écologiques, ont pu entraîner la création des barrières d'espèces relatives. En effet, des virus adaptés à un hôte particulier peuvent manquer de pouvoir infectieux pour une autre espèce ou encore se heurter à des phénomènes d'interférences liés à la présence de sous-types viraux déjà présents chez cette nouvelle espèce. La séparation de pools de gènes de virus chez les oiseaux peut également avoir été due à la séparation géographique des populations d'oiseaux aquatiques, notamment au niveau de leurs voies de migration tout comme au niveau de leurs lieux de nidification ou d'hivernage. C'est probablement ce type de séparation qui a entraîné l'existence de lignées de gènes de virus grippaux eurasiennes d'une part, et américaines d'autre part. Cependant, la dichotomie entre ces deux lignages géographiques n'est pas totale, dans la mesure où il a été montré qu'en Amérique du Nord circulent à la fois des virus portant à leur surface des H2 du lignage américain et des H2 du lignage eurasien. Cela montre qu'il peut malgré tout exister des échanges de gènes viraux entre des oiseaux aquatiques séparés géographiquement [45].

Réassortiments et constellation de gènes

Chaque segment génomique des virus grippaux peut évoluer différemment des sept autres dans la mesure où les pressions de sélection ou les contraintes d'adaptation ne sont pas de la même nature et de la même intensité pour tous les segments. Ainsi, l'HA et la NA, qui sont deux glycoprotéines de surface, sont très exposées au système immunitaire et la cible d'anticorps neutralisants très efficaces. Les gènes HA et NA sont susceptibles d'être impliqués dans des réassortiments, compte tenu de l'avantage sélectif conféré par l'échappement à l'immunité de population. Le fait que se produisent des réassortiments, aboutissant à l'émergence répétée de nouveaux sous-types de virus humains, explique que ces gènes HA et NA n'ont pas la possibilité d'évoluer pendant très longtemps chez leur hôte humain. Parallèlement, alors que les gènes codant les protéines dites internes ne sont pas l'objet de pression de sélection forte de la part du système immunitaire, ils peuvent être contraints d'évoluer afin de parfaire leur adaptation à l'hôte [46, 47]. Certaines de ces protéines internes qui sont impliquées plus particulièrement dans l'adaptation à une espèce hôte sont moins fréquemment réassorties et susceptibles de changer d'hôte. C'est le cas du gène de la NP. Dans le cas de PB2, il semble que ce sont des contraintes spécifiques de fonction liées au virus et à l'hôte qui limitent les changements d'hôtes lors de réassortiments qui peut entraîner une perte de vitalité du nouveau virus. En revanche, les contraintes fonctionnelles virales de PB1 empêcheraient toute variation et toute sélection au niveau de cette protéine pour l'adaptation à une espèce hôte particulière. Cette « unicité » de PB1 expliquerait que cet élément du complexe polymérase peut être l'objet de réassortiments. En effet, lors de l'apparition du nouveau virus A(H2N2) chez l'homme, causant la pandémie dite de grippe asiatique en 1957, il y a eu changement de trois gènes, PB1, HA et NA (figure 1). En 1968, lors de la cassure antigénique suivante avec apparition du virus A(H3N2) chez l'homme, le gène PB1 encore une fois et celui de l'HA ont été échangés (figure 1). La comparaison des phylogénies entre les huit gènes des virus grippaux permet de grouper les gènes en constellations et suggère que les huit gènes ne se réassortissent pas complètement indépendamment.

Évolution rapide des virus de grippe A humains et stase évolutionnelle des virus aviaires

Pendant longtemps, l'évolution des virus grippaux a été observée et décrite principalement au travers du prisme des virus humains chez lesquels la pression de sélection immunitaire est probablement élevée et chez lesquels les glycoprotéines des virus grippaux subissent une évolution rapide. En effet, dans le cas des virus humains, le gène codant la glycoprotéine H3 évolue beaucoup plus rapidement que ceux qui codent les protéines dites internes PB2, PB1, PA, NP et M. Dans une étude portant sur 254 séquences du domaine HA1 de l'hémagglutinine H3 des virus humains isolés entre 1984 et 1996, il a été montré que le gène HA évoluait au taux de 5,7 substitutions nucléotidiques par an, soit 5,7 x 10^{- 3} substitutions par site et par an [48]. Quatre-vingt-dix-neuf codons sur 329 ont subi au moins quatre mutations. Parmi ceux-ci, 31 sont associés à un rapport Rns/s (mutations non silencieuses/mutations silencieuses) dont la probabilité est inférieure à 0,05, parmi lesquels 14 sont associés à un Rns/n dont la probabilité est inférieure à 0,005. Ces données confortent l'hypothèse, déjà émise [49], selon laquelle les virus grippaux humains A (H3N2) subissent une pression de sélection positive de type darwinien. Cette pression de sélection serait le résultat d'une immunosélection alors que le virus circule au sein d'une population humaine partiellement immune. Ainsi, les virus de grippe A humains seraient des espèces « fugitives » obligées à une évolution rapide pour pouvoir ré-infecter la population humaine en s'affranchissant de l'immunité protectrice de l'hôte. Comme cela a été discuté précédemment, après introduction de virus grippal chez un nouvel hôte, les gènes, externes comme internes, sont l'objet d'une évolution à un taux rapide. Cette rapidité d'évolution est sans doute le reflet d'un manque d'équilibre entre l'hôte et son « parasite viral ».

À l'opposé des changements progressifs et rapides, au niveau à la fois nucléotidique et des aminoacides, observés pour les virus humains, les gènes de virus aviaires montrent beaucoup moins de variations. Ces dernières sont erratiques et ne semblent pas s'accumuler au cours du temps. L'évolution divergente, due à des mutations cumulées dans les gènes de virus aviaires, est plutôt liée à une séparation géographique des populations aviaires hôtes (par exemple pools américains d'une part, et eurasiens d'autre part). La comparaison des schémas de changements aux niveaux nucléotidique et des aminoacides, pour les virus d'oiseaux et pour les virus de mammifères, révèle un type d'évolution fondamentalement différent. Les résultats d'une étude portant sur les séquences en nucléotides et en acides aminés correspondant à des NP issues de 89 souches de virus grippaux [50] indiquent que, pour les branches internes de l'arbre phylogénique, les lignages humains de NP subissent autant de changements en acides aminés qu'en nucléotides, tandis que les lignages aviaires sont associés à autant de changements nucléotidiques mais à peu ou aucun changement(s) au niveau de la séquence protéique. Cette différence suggère que les lignages humains de NP soient soumis à une sélection positive dans une direction donnée et, au contraire, que les virus aviaires soient l'objet d'une sélection négative qui leur permette de conserver un phénotype ancestral. Cette stase évolutionnelle reflète sans doute une adaptation optimale entre l'hôte aviaire et son parasite viral, fruit d'un équilibre établi il y a longtemps.

Ainsi, à un moment donné, pour les virus de grippe A humains, la diversité génétique est faible, limitée qu'elle est par la circulation fugace des variants successifs dont la durée de « vie » est courte à cause de la forte pression d'immunosélection qui les obligent à évoluer vers un nouvel état. Actuellement, seuls deux sous-types, et autrefois (avant 1977) seul un sous-type, de virus de grippe A circulent à un moment donné chez l'homme. À l'opposé, la multitude des espèces moléculaires d'HA et de NA compose un bouquet varié de sous-types en circulation chez les oiseaux. Si la connaissance des virus grippaux a considérablement augmenté au cours du siècle passé, de vastes zones d'ombres demeurent. Il est aujourd'hui encore impossible de dire avec certitude qu'un type de molécule HA peut ou ne peut pas faire partie un jour des constituants d'un virus adapté à l'homme. La connaissance de la circulation des virus grippaux chez les oiseaux sauvages est ponctuelle et les travaux se heurtent à des variations complexes liées aux migrations et à des problèmes méthodologiques d'échantillonnage, notamment. La reconstitution des événements passés au niveau génétique est difficile et pas toujours possible. Le sujet est encore vaste et le champ ouvert à de nombreuses études impliquant plusieurs disciplines.

CONCLUSION

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