Les virus et l’émergence des cellules eucaryotes modernes

Abstract

Il est maintenant bien établi que les virus ont joué un rôle important dans l’évolution des eucaryotes modernes. Dans cette revue, nous commentons le rôle qu’ils ont pu jouer dans l’eucaryogenèse. Nous discutons les analyses phylogénétiques qui mettent en évidence l’origine virale de plusieurs protéines clés de la biologie moléculaire des eucaryotes et des observations récentes qui, par analogie, pourraient suggérer une origine virale du noyau cellulaire. Nous mettons en parallèle la complexité des eucaryotes avec l’unicité de leur virosphère et avançons l’hypothèse selon laquelle des mécanismes de la différenciation cellulaire auraient leur source dans ceux mis en œuvre par les virus pour transformer les cellules infectées en cellules virales.

Full text

médecine/sciences
990 m/s n° 12, vol. 38, décembre 2022
https://doi.org/10.1051/medsci/2022164
médecine/sciences 2022 ; 38 : 990-8
médecine/sciences Les virus
et l’émergence
des cellules
eucaryotes
modernes
Patrick Forterre1,2, Morgan Gaïa3
> Il est maintenant bien établi que les virus ont
joué un rôle important dans l’évolution des euca-
ryotes modernes. Dans cette revue, nous com-
mentons le rôle qu’ils ont pu jouer dans l’euca-
ryogenèse. Nous discutons les analyses phylo-
génétiques qui mettent en évidence l’origine
virale de plusieurs protéines clés de la biologie
moléculaire des eucaryotes et des observations
récentes qui, par analogie, pourraient suggérer
une origine virale du noyau cellulaire. Nous met-
tons en parallèle la complexité des eucaryotes
avec l’unicité de leur virosphère et avançons
l’hypothèse selon laquelle des mécanismes de
la différenciation cellulaire auraient leur source
dans ceux mis en œuvre par les virus pour trans-
former les cellules infectées en cellules virales. <
eucaryovirus, ce qui n’est pas le cas
des virus des deux autres domaines.
La majorité des eucaryovirus sont des
virus à ARN. Ceux-ci sont relative-
ment rares parmi les bactériovirus et complètement absents chez les
archéovirus [5]. Les rétrovirus, avec leur génome à ARN et une réplica-
tion impliquant une étape utilisant l’ADN, sont strictement spécifiques
aux eucaryotes. Cette diversité des eucaryovirus se retrouve également
dans leur taille, puisque certains, les Nucleocytoviricota, font partie
des plus grand virus connus à l’heure actuelle, à la fois par la taille de
leurs génomes et par celle de leurs virions.
Les eucaryotes présentent eux aussi de très nombreuses particulari-
tés par rapport aux deux domaines cellulaires procaryotes. En effet,
si l’origine des eucaryotes est aussi débattue (principalement entre
une émergence indépendante à partir d’un ancêtre commun avec les
archées, ou directement au sein de ces dernières à partir d’une lignée
qui aurait accumulé les différentes caractéristiques eucaryotes), c’est
en partie dû aux nombreux traits spécifiques qui les distinguent des
archées et des bactéries : noyau, splicéosome1, cytosquelette, etc.
Ces traits étant partagés par tous les eucaryotes modernes, ils étaient
probablement déjà présents chez LECA, leur dernier ancêtre commun2.
D’autres particularités complexes ont également émergé dans des
groupes d’eucaryotes plus restreints : par exemple, les Viridiplantae et
1 Le splicéosome, ou particule d’épissage, est un large complexe de protéines et d’ARN qui catalyse
l’élimination des introns des ARN pré-messagers et l’épissage des exons codants au cours du processus de
maturation des ARN messagers.
2 LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor) est le dernier ancêtre commun des eucaryotes. Son génome
était déjà aussi complexe que celui des eucaryotes unicellulaires actuels.
1 Département de microbiologie,
Institut Pasteur,
25 rue du Docteur Roux,
75015 Paris, France
2 Institut de biologie
intégrative de la cellule (I2BC),
Département de microbiologie,
CEA, CNRS,
Université Paris-Saclay,
91198 Gif-sur-Yvette, France
3 Génomique métabolique,
Genoscope, Institut François
Jacob, CEA, CNRS, Univ. Evry,
Université Paris-Saclay,
91057 Évry, France
forterre@pasteur.fr,
patrick.forterre@i2bc.paris-
saclay.fr
mgaia@genoscope.cns.fr
Nos connaissances sur les virus, leur diversité, leurs
rôles mais aussi leurs possibles origines ont explosé ces
dernières années, bousculant au passage leur définition
et notre perception de leur place dans la biosphère
[1-4]. Trois ensembles de virus ont été identifiés, cha-
cun étant spécifique d’un des trois domaines du vivant :
les archées, les bactéries, et les eucaryotes (Figure 1).
Nous parlerons donc ici des archéovirus, des bacté-
riovirus (traditionnellement appelés bactériophages),
et des eucaryovirus. Les eucaryovirus sont particuliè-
rement divers. À l’écriture de ces lignes, 131 familles
virales ont en effet été identifiées chez les eucaryotes,
contre respectivement 28 chez les bactéries et 16 chez
les archées (d’après la ressource Virus du NCBI, en ne
tenant compte que de génomes de référence complè-
tement séquencés et rattachés à une famille). Cette
différence de représentation est sans doute en partie
biaisée par une recherche plus active des virus chez les
eucaryotes, mais elle reflète bien leur extraordinaire
diversité. Cette diversité se retrouve en premier lieu
dans celle de leurs génomes. Tous les types de génomes
et de réplication sont en effet représentés chez les
Vignette (© Philippe Roingeard).
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téines de capside, et qui sont les seules à comprendre
à la fois des archéovirus, des bactériovirus, et des
eucaryovirus [6].
Alors que les eucaryotes et les archées sont très proches
sur le plan moléculaire, étonnamment, les virus de ces deux
sphères cosmopolites semblent plutôt marquer une sépa-
ration entre eucaryovirus d’un côté, et virus de procaryotes
de l’autre (Figure 2A). Ainsi, les archéovirus et les bacté-
riovirus de la sphère Duplodnaviria font partie d’un même
groupe, la classe des Caudoviricetes, qui inclue un nombre
considérable de familles virales, correspondant toutes à
des virus tête-queue particulièrement abondants chez les
bactéries et inconnus chez les eucaryotes. En revanche,
les eucaryovirus de cette sphère ne sont représentés pour
le moment que par une seule famille, celle des Herpesvi-
ridae, dans la classe Herviviricetes. Du côté des Varidna-
viria, les virus infectant les archées ou les bactéries sont
relativement semblables et regroupés dans la classe des
Tectiliviricetes, alors que les eucaryovirus se positionnent
clairement à l’écart [7]. Ces derniers comprennent en par-
ticulier des virus à ADN double-brin de grande taille, parmi
lesquels les virus dit « géants », qui ont tous été regroupés
dans le phylum des Nucleocytoviricota, jusqu’à récemment
encore connus par l’acronyme NCLDV (pour nucleocyto-
plasmic large DNA viruses).
les Métazoaires ont développé indépendamment des systèmes extraor-
dinairement sophistiqués, tels que la floraison, le système nerveux
central ou encore un système immunitaire adaptatif particulièrement
efficace. Cette complexité est associée à l’existence de mécanismes
de différenciation cellulaire qui permettent la présence de multiples
formes cellulaires chez un même organisme.
Il semble alors légitime de se demander si l’extraordinaire diversité des
eucaryovirus n’a pas quelque chose à voir avec la trajectoire évolutive
si particulière des organismes eucaryotes. En d’autres termes, la co-
évolution entre eucaryovirus et leurs hôtes pourrait-elle expliquer, au
moins en partie, les traits spécifiques des eucaryotes modernes ?
Origine et diversité des virus eucaryotes
La virosphère eucaryote se caractérise par l’abondance et la diversité
des virus à ARN, qui sont inconnus chez les archées et rares chez les
bactéries [5]. Ces virus possèdent tous une ARN réplicase (ou trans-
criptase inverse) homologue et sont classés en une même sphère
(Encadré 1), celle des Riboviria, au sein de cinq branches majeures
dont trois ne comprennent que des eucaryovirus [6]. Les virus à ADN
sont également divers, mais la plupart des eucaryovirus à ADN font
partie de larges groupes comprenant également des archéovirus et
des bactériovirus. En particulier, la majorité des eucaryovirus à ADN
double-brin appartiennent à deux sphères virales dites « cosmopo-
lites », les Varidnaviria et les Duplodnaviria, définies par leurs pro-
Figure 1. Représentation schématique des trois domaines du vivant et des sphères virales qui leur sont associées (voir encart et [6]). Les tailles
des cercles représentent de façon schématique la proportion relative des virus correspondants dans chacun des trois domaines. Les cercles vides
symbolisent des groupes de virus apparentés qui n’ont pas encore été formellement reconnus par l’ICTV comme de nouvelles sphères virales.
LUCA
Bactéries
Eucaryotes Archées
Corticoviridae
Tectiviridae
Myoviridae
Podoviridae Inoviridae
crAss-like Cystoviridae
‘Jumbo’
Mimiviridae
Herpesviridae
Phycodnaviridae
Reoviridae
Papillomaviridae
Retroviridae
Hepadnaviridae
Picornaviridae
Arenaviridae
Turriviridae
Myoviridae
Rudiviridae
Fuselloviridae
Ampullaviridae
Clavaviridae
Pleolipoviridae
Sphaerolipoviridae
Riboviria
Orthornavirae
Pararnavirae
Duplodnaviria
Varidnaviria
Monodnaviria
Adnaviria
Virus à ADN Virus à ARN
Virus à ARN/ADN
b
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aux armements continue que se livrent virus et cellules,
course qui a pu jouer un rôle dans la complexité croissante
des mécanismes moléculaires lors de la transition des
proto-eucaryotes vers les eucaryotes modernes. On peut
d’ailleurs penser que de nombreuses « armes » apparues
dans un camp ont pu être ensuite récupérées par l’autre
camp. La coiffe des ARN messagers pourrait en être un
exemple : on considère généralement que les virus coiffent
leurs ARN messagers d’un nucléotide modifié à l’extrémité
5’ pour qu’ils ressemblent à ceux des eucaryotes et ainsi
« berner » la cellule infectée. Or, il existe chez les euca-
ryovirus une très grande variété de coiffes qui, pour beau-
coup, diffèrent de celles des eucaryotes [11]. On pourrait
donc se demander si la fonction n’est pas inverse : se
distinguer des ARN messagers de leurs hôtes pour pouvoir
les dégrader ou les inactiver spécifiquement. Dans ce cas,
les gènes codant la coiffe pourraient donc être d’origine
virale et avoir été ensuite récupérés par un ancêtre des
eucaryotes, qui au fil des mutations ont pu coiffer leurs
propres ARN messagers et tromper les virus [12].
Les virus peuvent également profondément influencer la
trajectoire évolutive de leurs hôtes en provoquant des
transferts de gènes. Ces derniers sont favorisés par la
proximité immédiate des génomes viraux avec ceux de
leurs hôtes au sein de la cellule infectée. Par ailleurs, de
nouveaux gènes apparaissent sans doute constamment
chez les virus lors de la réplication de leurs génomes,
par les mêmes mécanismes moléculaires qui com-
mencent à être bien connus pour les génomes cellulaires
[13]. Les virus, entités biologiques les plus abondantes
sur la Terre, représentent ainsi un réservoir extraordi-
naire de nouvelles fonctions biologiques. Ils peuvent
donc transférer non seulement des gènes cellulaires
d’une cellule à une autre, mais également leurs propres
gènes, notamment lors d’évènements d’intégration du
génome viral dans celui de l’hôte.
De très nombreux virus infectant les trois domaines
du vivant sont capables d’intégrer leurs génomes
dans celui de leur hôte. Ils sont particulièrement
abondants dans les génomes des archées et des bac-
téries ; il a d’ailleurs été reconnu depuis longtemps
que des intégrations de bactériovirus ont joué un rôle
majeur dans l’évolution des bactéries [14]. L’impor-
tance des intégrations virales dans l’évolution des
eucaryotes a été reconnue plus récemment. L’atten-
tion s’est initialement portée essentiellement sur les
intégrations des rétrovirus, particulièrement abon-
dants dans les génomes eucaryotes. Ainsi, Camille
Heisserer, Marc-André Selosse et Jean-Michel Drezen
discutent, dans ce numéro, du rôle de plusieurs pro-
téines issues des rétrovirus dans l’origine du placenta
(fusion cellulaire) ou dans celui du système nerveux
Les eucaryovirus étaient probablement déjà différenciés avant l’émer-
gence de LECA, comme le suggère la distribution des différents groupes
de virus à ADN et à ARN dans les différentes lignées eucaryotes [5]. Dans
le scénario évolutif dit « deux domaines », selon lequel les eucaryotes
seraient issus de l’association entre une archée, appelée Asgard, et une
alpha-protéobactérie, il a été proposé que l’ensemble des eucaryovirus
seraient les descendants des virus ayant infecté ces deux procaryotes
[8] (Figure 2B). Dans l’autre scénario majeur, dit « trois domaines »,
selon lequel les eucaryotes et les archées partagent un ancêtre commun
[9], certains groupes de virus spécifiques des eucaryotes auraient pu
émerger avant cet ancêtre, voire avant LUCA3, et être ensuite perdus
dans les autres domaines (Figure 2C, cercle orange). Ceci pourrait
être en particulier le cas des familles de virus à ARN inconnus chez les
bactéries, ce qui permet d’imaginer un lien de parenté direct entre les
premiers virus à ARN apparus au cours de l’évolution et les virus à ARN
des eucaryotes modernes. Quel que soit le scénario envisagé, il suppose
une relativement longue période de coévolution entre les ancêtres des
eucaryovirus actuels et les proto-eucaryotes avant l’émergence de LECA
(Figure 2B, C), période durant laquelle de nombreux groupes de virus ont
pu jouer un rôle dans la formation de la cellule eucaryote moderne.
Course aux armements et transferts de gènes
Les virus sont des acteurs majeurs de sélection et de variabilité à l’échelle
du vivant [10]. En effet, leur mode de vie induit une pression de sélection
permanente sur leurs hôtes, qui en exercent une en retour sur leurs virus
via l’émergence de nouveaux mécanismes de défenses : c’est une course
3 LUCA (Last Universal Common Ancestor) est le dernier ancêtre commun universel aux trois domaines du
vivant : les bactéries, les Archées et les eucaryotes.
Nouvelle classification des virus proposée par l’ICTV
L’étude structurale des protéines de capside virale et de celles impli-
quées dans la réplication des virus a profondément changé la vision
de leur évolution et a conduit à revoir leur classification. En effet, il
est apparu que ces protéines pouvaient présenter des similarités de
structure chez des virus appartenant à des familles distinctes. Cette
découverte a conduit l’ICTV (International Committee on Taxonomy
of Viruses) à abandonner la classification de Baltimore fondée sur la
nature du génome viral et à la remplacer par une classification taxono-
mique fondée sur la conservation structurale des protéines de capside
et/ou des protéines de réplication virale [6]. Au sein de cette classifi-
cation, les virus sont ordonnés en 15 taxons. Aux taxons traditionnels
(phylums, ordres, familles, genres, etc.), l’ICTV a ajouté deux taxons
supérieurs chez les virus : le royaume (kingdom) et le realm. Le realm
correspond au taxon le plus élevé chez les virus et permet de distinguer
les virus des organismes codant des ribosomes (archées, bactéries et
eucaryotes) pour lesquels le taxon le plus élevé est le domain. Nous
proposons d’utiliser en Français le terme de « sphères », une des
traductions possibles de realm, et qui se rapproche de la notion de
« virosphère » souvent utilisée pour décrire l’ensemble du monde viral.
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lesquelles ils s’expriment. Une expérience menée sur
des plants de betterave a ainsi montré que l’expres-
sion d’une protéine de 25 kDa du virus à ARN des
nervures jaunes nécrotiques de la betterave, entraîne
des modifications dans l’expression d’une centaine
de gènes chez la plante transformée, ainsi qu’un
phénotype particulier caractérisé par l’apparition de
racines branchées [17].
central [49]. L’intégration des rétrovirus est facilitée par la trans-
cription inverse de l’ARN viral en ADN. Il a toutefois été montré que
les virus non-rétroviraux peuvent également s’intégrer dans les
génomes eucaryotes. Ces évènements sont rares mais s’accumulent
sur le long terme, résultant en la présence de gènes de ces virus
dans les génomes eucaryotes [15, 16]. Les virus à ARN ne codent
qu’un petit nombre de gènes, mais quelques gènes peuvent être suf-
fisants pour profondément modifier la physiologie des cellules dans
Figure 2. Les deux schémas du haut (A) représentent les relations évolutives entre les eucaryovirus, les bacteriovirus et les archéovirus des deux
sphères de virus cosmopolites, les Varidnaviria [6, 7] et les Duplodnaviria, montrant que les eucaryovirus se regroupent à part des deux autres
ensembles de virus. Au contraire, les eucaryotes se regroupent avec les archées dans l’arbre universel du vivant fondé sur les ARN ribosomiques et/
ou les protéines universelles [9]. Les deux schémas du bas (B, C) représentent les deux scénarios pour l’origine des eucaryotes et de leurs virus.
Les cercles bleus correspondent à la position du dernier ancêtre commun des eucaryotes modernes, LECA. Dans le scénario 2D (B), les eucaryotes
émergent à la suite de l’endosymbiose d’une bactérie dans une archée (flèche en gros pointillé), la bactérie devenant la mitochondrie. Les euca-
ryovirus proviennent du mélange de leurs deux virosphères. Dans le scénario 3D (C), les eucaryotes et les archées dérivent d’un ancêtre commun
aujourd’hui disparu. Dans ce scénario, certains eucaryovirus peuvent également dériver de la bactérie à l’origine des mitochondries (flèche en
petit pointillé), mais d’autre peuvent provenir de la virosphère qui entourait cet ancêtre. La distinction entre ces deux scénarios est importante
dans le cas des virus à ARN. Les cercles oranges représentent les cinq familles de virus à ARN spécifiques des eucaryotes ou d’origine eucaryote
[6]. Dans le scénario 2D, ces cinq familles sont apparues de novo chez les proto-eucaryotes. En revanche, dans le scénario 3D, elles pourraient
dériver d’anciens virus à ARN ayant précédé LUCA.
A
B
C
Bactéries
Eucaryotes
Archées Bactéries Eucaryotes Archées
LUCA LUCA
Deux domaines Trois domaines
Duplodnaviria
Herviviricetes Caudoviricetes
eucaryovirus bacteriovirus archéovirus bacteriovirus archéovirus
Varidnaviria
Nucleocytoviricota Caudoviricetes
eucaryovirus
Lavidaviridae
Polintovirus
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formant des clades distincts des eucaryotes dans les
analyses phylogénétiques.
Plusieurs scénarios peuvent expliquer cette observa-
tion (Figure 3). On peut imaginer qu’un ancêtre des
Nucleocytoviricota ait récupéré ces protéines d’un
proto-eucaryote (transfert de cellule à virus), ou
l’inverse (transfert de virus à cellule). Des scénarios
plus complexes sont évidemment possibles, comme, par
exemple, un premier transfert de proto-eucaryotes vers
un Nucleocytoviricota, suivi d’une période d’évolution
spécifique avant un second transfert d’un virus vers les
proto-eucaryotes. D’ailleurs, toutes les protéines de
type eucaryote chez les Nucleocytoviricota n’ont pas
nécessairement suivi la même trajectoire évolutive,
plusieurs scénarios hypothétiques coexistant pour dif-
férents groupes de protéines.
Traditionnellement, l’hypothèse de transferts des cel-
lules vers les virus a été privilégiée par la plupart des
biologistes. Les auteurs qui soutiennent l’idée d’un
rôle majeur des virus dans l’eucaryogenèse ont, au
contraire, mis en avant la possibilité de transfert des
Nucléocytoviricota vers les proto-eucaryotes. Ainsi,
Différentes familles de virus à ADN peuvent également s’incorpo-
rer de façon durable dans les génomes eucaryotes [19]. Dans le
cas des virus à ADN de grande taille, tels les Nucleocytoviricota,
ce sont généralement des fragments qui sont retrouvés dans les
génomes eucaryotes les plus divers [20]. Il a été récemment mon-
tré que jusqu’à 10 % environ du contenu en gènes de certaines
algues vertes correspondaient à de larges segments de Nucleocy-
toviricota intégrés [21]. Plus globalement, les Nucleocytoviricota
semblent être impliqués dans de nombreux transferts de gènes
avec les eucaryotes, et ce, dans les deux directions de transferts
[22]. L’analyse des transferts dans le sens virus vers cellules a
montré que plusieurs recrutements indépendants de glycosyltrans-
férases provenant de Nucleocytoviricota ont pu être à l’origine de
changement de la morphologie cellulaire au cours de la différen-
ciation des lignées eucaryotes [22].
S’il est maintenant clairement établi que les virus ont joué un rôle
important au cours de la différenciation des eucaryotes modernes à
partir de LECA, il semble logique de penser qu’ils ont également dû
jouer un rôle dans l’évolution des proto-eucaryotes qui ont abouti à
l’émergence de ce dernier. Ainsi, un rôle possible des virus à ARN dans
l’émergence de la reproduction sexuée peut être envisagé. En effet,
les protéines virales fusogènes de classe II, impliquées
dans la fusion de la membrane des virions de certains
virus à ARN avec la membrane cellulaire, pourraient
être à l’origine de la protéine HAP2/GCS1 (Hapless 2/
generative cell-specific 1) permettant la fusion des
gamètes [18]. Mais depuis la découverte des virus
géants [23], c’est surtout le rôle possible des Nucleo-
cytoviricota dans l’eucaryogenèse qui a été particuliè-
rement analysé et discuté [12, 13, 24-27].
Un rôle spécifique des Nucleocytoviricota
dans l’origine des eucaryotes
Le phylum des Nucleocytoviricota comprend les plus
grands virus connus, autant en termes de virions,
dont certains sont plus gros que les plus petites bac-
téries, que de taille de génomes qui vont d’environ
100 kb (kilobases) à 2,5 Mb (megabases). Ces virus
codent de nombreuses protéines de type eucaryote :
des protéines informationnelles (intervenant dans la
réplication, la transcription, ou la traduction : ADN et
ARN polymérases, primases, topoisomérases, facteurs
de processivité, d’élongation, coiffe ARN [25, 28, 29]),
mais aussi des protéines structurales (comme les
histones [30]), des protéines impliquées dans la for-
mation du cytosquelette chez les eucaryotes (actine,
myosine [31, 32]), ou encore dans celle des vésicules
(protéines SNARE [33]). À l’exception des facteurs
associés à la traduction, ces protéines ne semblent pas
avoir été acquises récemment à partir de leurs hôtes,
Figure 3. Représentation schématique des deux principaux scénarios pouvant
expliquer la présence de protéines homologues chez les eucaryotes et les Nucleo-
cytoviricota : transfert d’une protéine cellulaire d’un proto-eucaryote vers un
ancêtre des Nucleocytoviricota (cercle rouge) ou transfert d’une protéine virale
d’un ancêtre des Nucleocytoviricota vers un proto-eucaryote (cercle jaune).
Certaines de ces protéines peuvent avoir été ensuite perdues dans des lignées
virales au cours de la diversification des Nucleocytoviricota, expliquant leur
distribution hétérogène. Du côté des eucaryotes, s’il s’agit de protéines jouant
un rôle important dans la physiologie cellulaire ; celles-ci seront généralement
conservées chez tous les eucaryotes si elles étaient déjà présentes chez LECA.
Proto-eucaryotes
Eucaryotes Nucleocytoviricota
LECA
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tefois la particularité d’avoir trois ARN pol nucléaires :
l’ARN pol I, principalement associée aux ARN riboso-
miques ; l’ARN pol II, responsable des ARN messagers ; et
l’ARN pol III, en charge des ARN de transfert. Ces trois ARN
pol sont présentes chez tous les eucaryotes « modernes »
et étaient donc déjà présentes chez LECA. Par des ana-
lyses phylogénétiques poussées, nous avons pu montrer
que les deux sous-unités de l’ARN pol II, ainsi proba-
blement qu’une sous-unité de l’ARN pol I, avaient été
introduites dans la lignée proto-eucaryote par transfert
de gènes à partir de deux lignées de Nucleocytoviricota
[37] (Figure 4). Les clades eucaryotes correspondant
à ces deux enzymes sont en effet localisés à l’intérieur
des Nucleocytoviricota, à deux positions différentes. En
revanche, le clade eucaryote correspondant à l’ARN pol
III est localisé entre les archées et les Nucleocytoviricota.
Nous avons donc proposé le scénario suivant : un ancêtre
des Nucleocytoviricota a recruté une ARN pol ancestrale
d’un proto-eucaryote peu de temps après la formation
de cette lignée cellulaire. Cette ARN pol ancestrale a fini
par devenir, chez les eucaryotes, l’ARN pol III, tandis que
celle acquise par les virus s’est spécifiée au fil de leur
plusieurs auteurs ont proposé une origine virale pour les réplicases
eucaryotes [34-36]. Toutefois, des phylogénies approfondies restent
à réaliser pour dévoiler le sens du transfert, des virus aux cellules ou
inversement. Les réplicases des eucaryotes et des Nucléocytoviricota
appartiennent en effet à la famille des ADN polymérases B, dont l’his-
toire évolutive est particulièrement complexe [37]. Une origine chez
les Nucleocytoviricota a également été proposée pour les protéines
de la coiffe des ARN messagers [25], qui sont identiques à celles
des eucaryotes ; là encore, des phylogénies approfondies restent à
entreprendre. Récemment, nous avons pu obtenir des phylogénies
robustes en faveur d’un transfert des Nucleocytoviricota vers les
proto-eucaryotes pour l’ADN topoisomérase de la famille IIA (Topo IIA)
[38]. Toutes les Topo IIA eucaryotes forment en effet un clade qui est
localisé à l’intérieur des Nucleocytoviricota (Figure 4). Les Topo IIA
interviennent notamment dans la réplication et la ségrégation de l’ADN
chez les eucaryotes, et participent au squelette des chromosomes ;
leur introduction dans la lignée proto-eucaryote aurait donc eu des
conséquences considérables pour le fonctionnement cellulaire.
Nous avons pu mettre en évidence une situation plus complexe dans le
cas des ARN polymérases (ARN pol) [29, 37]. Les deux grandes sous-
unités de l’ARN pol des Nucleocytoviricota sont homologues à celles des
archées, des bactéries, et des eucaryotes. Ces derniers présentent tou-
Figure 4. Représentation schématique des phylogénies obtenues pour l’ADN topoisomérase IIA, les ARN polymérases et les actines (et protéines
apparentées) chez les eucaryotes et les Nucleocytoviricota (d’après [29, 32, 38]). Les clades des différents groupes de Nucleocytoviricota sont
en orange et ceux des eucaryotes sont en bleu. Les cercles bleus représentent la position du dernier ancêtre commun aux eucaryotes modernes
(LECA). Les flèches noires indiquent les transferts des proto-eucaryotes vers les virus et les flèches orange indiquent les transferts des virus vers
des proto-eucaryotes. Les arbres sont enracinés avec les groupes extérieurs les plus proches : les virus Caudoviricetes pour l’arbre Topo IIA, les
bactéries pour l’arbre ARN pol (il s’agit d’une protéine universelle), et les protéines homologues pour l’arbre des actines (ARP 03 à 08, Asgardac-
tines, Bathyactines, et Crénactines).
Topo IIA ARN pol Actine
Caudoviricetes
Bacteria
Archaea
Pol III
Pol I
Pol II
Autres ARPs + Asgardactines
+ Crénactines
ARP 01
ARP 02
Viractines 02
Viractines 03
Viractines 01
Actine
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ancestral suivi de la transformation de l’usine virale
en noyau ; ou la récupération par le proto-eucaryote
infecté des gènes viraux codant les protéines impli-
quées dans la formation de l’usine virale, lui permet-
tant de constituer sa propre « usine à chromosomes ».
Compte-tenu de la complexité du processus d’euca-
ryogenèse et la durée pendant laquelle les Nucleocy-
toviricota et proto-eucaryotes ont coévolué, on peut
imaginer que plusieurs virus aient joué un rôle dans cet
évènement certainement progressif.
Deux découvertes récentes ont également renforcé le
lien apparent entre virus et noyau eucaryote. En 2017,
Joe Poligliano et ses collaborateurs ont ainsi décou-
vert une famille de Caudoviricetes de grande taille
à l’origine de la formation d’un noyau viral dans la
bactérie qu’ils infectent, par l’expression d’une seule
protéine formant une membrane nucléaire [42]. La
nouvelle structure permet au virus de répliquer son
génome à l’abri des systèmes CRISPR. Ce noyau viral
est par ailleurs positionné au centre de la bactérie
infectée par des filaments formés par une tubuline
virale homologue des tubulines eucaryotes, rappelant
le positionnement des chromosomes eucaryotes par
les tubulines du fuseau mitotique [42]. L’ADN viral est
ensuite empaqueté dans les capsides virales qui se
logent à la surface de ce « noyau » via un mécanisme
encore inconnu. Il aura au préalable fallu que les ARN
messagers viraux soient transférés du noyau viral vers
le cytoplasme pour y être traduits, ces virus restants
en effet sensibles aux systèmes CRISPR visant l’ARN
[43]. On peut donc supposer l’existence de pores
nucléaires permettant à ces ARN messagers de traver-
ser la membrane du noyau viral.
Cette possibilité est d’autant plus envisageable que des
pores « nucléaires » viraux ont pu être mis en évidence,
mais dans un autre contexte : celui des virus à ARN, en
particulier le SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syn-
drome coronavirus 2). Les usines virales produites par
ce virus se présentent sous la forme de vésicules entou-
rées d’une double membrane lipidique issue des mem-
branes intracellulaires [44]. Une équipe américaine a
réussi à obtenir des images particulièrement spectacu-
laires de pores à la surface des vésicules permettant à
l’ARN viral de quitter ces usines virales [44]. Une seule
protéine virale, nsp3 (non-structural protein 3), une
protéine de 222 kDa, est responsable du corps central
de ces pores qui ressemblent de façon frappante aux
pores nucléaires des eucaryotes.
Ces pores viraux, ainsi que le noyau viral de certains
bactériovirus, ne peuvent évidemment pas être consi-
dérés comme des ancêtres possibles des noyaux euca-
ryotes ; ils démontrent en revanche la capacité des
diversification. Plus tard, l’ARN pol spécifique des Imitervirales, un ordre
des Nucleocytoviricota comprenant les virus géants, tels que Mimivirus
et Pandoravirus, a été transférée aux proto-eucaryotes, résultant in
fine en l’ARN pol II eucaryote. Séparément, un autre transfert a impliqué
une sous-unité de l’ARN pol d’un autre groupe de Nucleocytoviricota.
Son association avec la sous-unité d’une ARN pol cellulaire issue d’une
duplication de l’ARN pol ancestrale a conduit à l’apparition de l’ARN Pol
I [29, 37].
Il est intéressant de noter que chez les eucaryotes « modernes », l’ARN
pol II et la Topo IIA interagissent à la fois sur les plans structural et
fonctionnel. La Topo IIA, composant structural du complexe ARN pol II
holoenzyme, est essentielle pour une synthèse optimale de l’ADN asso-
cié aux nucléosomes [39]. Elle facilite aussi le recrutement de l’ARN
pol II aux promoteurs chez les levures [40]. Il est donc possible que ces
deux enzymes aient été transférées ensemble d’un Nucleocytoviricota
vers les proto-eucaryotes.
Récemment, ce sont des gènes codant deux protéines clés du cytos-
quelette eucaryote, l’actine et la myosine, qui ont été identifiées dans
les génomes de plusieurs Imitervirales [31, 32]. Des transcrits de leurs
gènes ont d’ailleurs été détectés dans plusieurs viromes océaniques,
suggérant leur expression lors d’infections virales. Dans le cas des
actines virales, que nous avons appelées viractines, un scénario simi-
laire à celui des ARN pol est soutenu par les analyses phylogénétiques :
un premier transfert d’une actine ancestrale d’un proto-eucaryote vers
un virus, suivi d’un retro-transfert après une période de diversification
(Figure 4). Ce dernier retro-transfert, de virus vers proto-eucaryotes,
pourrait être à l’origine de l’actine majeure présente chez les euca-
ryotes « modernes », témoignant une fois de plus d’un lien évolutif
particulièrement étroit entre les virus du phylum Nucleocytoviricota et
les proto-eucaryotes.
Origine du noyau
En 2001, avant la découverte des virus géants, Masaharu Takemura
et Philip Bell avaient indépendamment proposé l’hypothèse selon
laquelle le noyau des cellules provenait d’un virus apparenté à la
famille des Poxviridae, dont le virus de la vaccine fait partie [25, 26].
Leur hypothèse, appelée l’eucaryogenèse virale, était fondée sur les
similarités de structure et de mécanismes entre le noyau eucaryote et
les usines virales produites par l’infection du virus de la vaccine dans
le cytoplasme des cellules infectées pour protéger la réplication virale.
Le premier virus géant, Mimivirus, était découvert deux ans plus tard
[23], et ce dernier s’est justement révélé être apparenté aux Poxvi-
ridae, tous deux faisant partie des Nucleocytoviricota. La plupart des
virus infectant les eucaryotes, y compris des virus à ARN, produisent
des usines virales [41], mais celles des Nucleocytoviricota sont par-
ticulièrement élaborées. Elles se forment souvent à partir des mem-
branes du réticulum endoplasmique, voire de la membrane nucléaire,
évoquant l’idée d’un lien évolutif [10, 13].
Deux scénarios principaux sont considérés dans le cadre de l’euca-
ryogenèse virale : l’infection d’un proto-eucaryote sans noyau (donc
phénotypiquement de type procaryote) par un Nucleocytoviricota
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SYNTHÈSE REVUES
dans la formation des domaines cellulaires modernes
ne fait plus guère de doute : l’ampleur de ce rôle dans
l’émergence des eucaryotes modernes demeure toutefois
encore mal connue. Il faut notamment expliquer com-
ment ces interactions n’ont pas abouti à la formation de
cellules aussi complexes chez les bactéries et les archées.
Nous avons tenté dans cette synthèse, d’établir un paral-
lèle entre la spécificité des eucaryotes et ce qui distingue
leur virosphère de celles des deux autres domaines du
vivant, bactéries et archées. En particulier, nous avons
avancé l’idée d’un lien entre la différenciation cellulaire
chez les eucaryotes et la capacité des virus à transformer
les cellules infectées en cellules virales. Poursuivre l’ex-
ploration du monde viral reste bien évidemment une prio-
rité. La fréquence des découvertes en matière de coévo-
lution entre virus et cellules montre que cette exploration
réserve sans doute encore bien des surprises.
SUMMARY
Viruses and the evolution of modern eukaryotic cells
It is now well accepted that viruses have played an
important role in the evolution of modern eukaryotes.
In this review, we suggest that interactions between
ancient eukaryoviruses and proto-eukaryotes also
played a major role in eukaryogenesis. We discuss phy-
logenetic analyses that highlight the viral origin of
several key proteins in the molecular biology of euka-
ryotes. We also discuss recent observations that, by
analogy, could suggest a viral origin of the cellular
nucleus. Finally, we hypothesize that mechanisms of cell
differentiation in multicellular organisms might have
originated from mechanisms implemented by viruses to
transform infected cells into virocells.
LIENS D’INTÉRÊT
Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les don-
nées publiées dans cet article.
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virus, dans leur globalité, à former des structures au fonctionnement
proche des noyaux. L’idée d’un rôle majeur des virus dans l’apparition
du noyau eucaryote est donc tout à fait possible.
Le concept de cellule virale (virocell) et l’origine
de la différenciation cellulaire
Plusieurs lignées d’eucaryotes sont caractérisées par l’abondance de
formes multicellulaires complexes, ce qui a contribué fortement à
leur expansion et à leur diversification. La formation des organismes
multicellulaires passe par la transformation d’une cellule initiale en
de multiples formes cellulaires par un phénomène de différencia-
tion qui existe également chez certaines bactéries, mais qui a pris,
chez les eucaryotes, une importance toute particulière. Un parallèle
pourrait être tracé entre les transformations des cellules lors de leur
différenciation et celles observées au cours des infections virales. Les
transformations induites par l’infection peuvent en effet conduire à
des changements spectaculaires dans la morphologie et/ou dans la
physiologie des cellules infectées, comme en cours de différenciation
cellulaire. Par exemple, le virus de la vaccine induit la mobilité des cel-
lules épithéliales qu’il infecte, ce qui va conduire à la désorganisation
des tissus et faciliter la propagation des virions dans l’organisme [45].
Plus récemment, il a été montré que l’infection par le SARS-CoV2 induit
la fusion des cellules infectées et la formation de syncytium [46]. Chez
les archées, certaines infections virales peuvent entraîner un gigan-
tisme cellulaire suite à la manipulation par le virus des protéines du
cycle cellulaire [47].
Le concept de cellule virale (ou virocell) a été introduit pour rendre
compte de cette transformation d’une cellule non-infectée en une
entité clairement différente lors de l’infection [48]. Le métabolisme,
comme le mode d’interaction avec les autres cellules de l’organisme
(pour les organismes multicellulaires) peuvent être très différents de
ce qu’ils étaient avant l’infection. En effet, comme nous l’avons évo-
qué, les virus codent de nombreuses protéines régulatrices qui peuvent
modifier la trajectoire phénotypique des cellules infectées. Ce statut
de cellule virale ne se solde par ailleurs pas systématiquement par
la mort cellulaire, plusieurs débouchés existant pour une infection.
On peut se demander si les eucaryotes n’auraient pas appris des virus
comment manipuler leurs propres cellules en fonction des besoins.
Dans cette hypothèse, les eucaryotes auraient recruté des protéines
régulatrices virales pour construire des mécanismes de différenciation
cellulaire de plus en plus complexes.
Il sera intéressant de tester cette dernière hypothèse en cherchant
des homologies entre protéines virales et protéines régulatrices inter-
venant dans la différenciation cellulaire, ou encore en déterminant si
des virus ont pu jouer un rôle dans les quelques exemples connus de
différenciation chez les bactéries.
Conclusion
L’existence d’un rôle qu’ont pu jouer les interactions entre cellules et
virus, déjà certainement intenses avant même l’apparition de LUCA,
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