Mots-Clés
Transfert horizontal
virus
éléments transposables
insectes
génomique comparative
évolution moléculaire
Description
Titre : Evaluer la contribution des virus dans les transferts horizontaux d’ADN
Résumé du projet de thèse
Ce projet vise à évaluer la contribution des virus comme vecteurs de transfert horizontal de matériel génétique entre insectes (TH). Ce type de transfert est défini comme le passage d’ADN entre organismes par des moyens autres que la reproduction. Nous nous focaliserons sur les TH d’éléments transposables (THE), le type de transfert le plus fréquent chez les eucaryotes, et concentrerons nos efforts sur les insectes, un groupe d’animaux chez lequel les THE sont très répandus. Le premier axe du projet consistera à mesurer expérimentalement la fréquence des THE virus-vers-hôte chez des papillons et des espèces de drosophiles infectées par un ou deux ou trois virus (un baculovirus, un iridovirus et un virus domestiqué de guêpe parasitoïde). Dans le 2ème axe, nous effectuerons des criblages bioinformatiques à grande échelle de THE entre insectes et testerons si le nombre de THE entre espèces s’explique par la présence de virus. Cela sera fait sur un sous-ensemble d’échantillons de terrain disponibles dans la base de données SymbioCode hébergée par le laboratoire LBBE (université Lyon 1), dans laquelle la flore virale sera caractérisée à l’aide de PoolSeq de plusieurs individus pour chaque espèce d’insecte. Dans son ensemble, ce projet combinant des approches expérimentales et de génomique comparative apportera un nouvel éclairage sur les aspects mécanistiques des THE. Il permettra également d’évaluer si les virus ont contribué à façonner la distribution des THE chez les insectes.
Thématique
La thèse porte sur les transferts horizontaux (TH) de matériel génétique, autrement dit la transmission d’ADN entre organismes par des mécanismes autres que la reproduction (Soucy et al. 2015). Ce type de transfert a été bien étudié chez les procaryotes, chez lesquels les vecteurs et les mécanismes sous-jacents aux TH sont connus (Frost et al. 2005). Chez les eucaryotes en revanche, les TH ont été relativement peu étudiés et de nombreuses questions persistent sur la manière dont ils se produisent, sur les mécanismes sous-jacents et sur les facteurs expliquant leur occurrence au cours de l’évolution. Le sujet proposé contribuera à répondre à ces questions en abordant deux axes principaux de recherche :
1 – le premier axe vise à caractériser et à quantifier les TH induits par des virus libres et domestiqués dans différents tissus chez différentes espèces d’insectes.
3 – le second contribuera à évaluer un lien possible entre la composition de la flore virale et le nombre de TH d’éléments transposables au sein d’un ensemble d’espèces de papillons.
Domaine
Cette thèse se situe dans le domaine de la biologie de l’évolution et plus spécifiquement dans ceux de la génomique évolutive et de l’évolution moléculaire. Elle repose sur des approches de biologie moléculaire (Extraction d’ADN, PCR, séquençage Sanger/Illumina/MinION), de virologie (Infections d’insectes, quantification et purification de particules virales) et de génomique comparative (analyses bioinformatiques de données de séquençage et analyses de génomes complets).
Contexte
Bien que les TH aient longtemps été considérés comme impossibles chez les eucaryotes pluricellulaires, ou au mieux anecdotiques (Martin 2017), le nombre de cas de TH de gènes et d’ETs chez ces organismes ne cesse d’augmenter dans la littérature (Sibbald et al. 2020; Van Etten and Bhattacharya 2020; Irwin et al. 2021). Plusieurs centaines de gènes ont notamment été acquis par TH chez les insectes (Li et al. 2022) et plusieurs dizaines chez les plantes (Ma et al. 2022). Nous avons par exemple découvert 50 gènes de plantes acquis par TH par l’aleurode du tabac, un insecte hémiptère (Gilbert and Maumus 2022). Certains des gènes acquis par TH jouent aujourd’hui un rôle majeur dans la biologie des espèces (Husnik and McCutcheon 2018; Xia et al. 2021). Aussi, plusieurs milliers de TH d’ETs ont été inférés chez les eucaryotes pluricellulaires (Dotto et al. 2015). Les deux encadrants de cette thèse ont participé à la mise au point d’approches bioinformatiques permettant de détecter et de compter les TH d’ET à large échelle, dans des ensembles comportant plusieurs dizaines de génomes. Ces approches ont révélé que des centaines de TH d’ETs se sont produits au cours de l’évolution des insectes et des vertébrés (Peccoud et al. 2017; Reiss et al. 2019; Zhang et al. 2020). Etant donné les conséquences profondes et multiples qu’ont les ET sur l’évolution des génomes, les TH d’ETs apparaissent de plus en plus comme un phénomène important à prendre en compte dans notre compréhension de l’origine de la diversité et de la complexité du vivant (Gilbert and Feschotte 2018).
Il apparait donc important d’élucider les mécanismes et les vecteurs possibles de TH d’ET et de gènes chez les eucaryotes. Contrairement aux procaryotes, aucun mécanisme spécifiquement dédié au TH n’est connu chez les eucaryotes. Plusieurs scénarios, dont certains impliquent divers vecteurs, ont été proposés pour expliquer ces TH (Schaack et al. 2010). Nous avons récemment démontré qu’au cours de la réplication de plusieurs types de virus infectant des mouches et des papillons, des ET transposaient à une fréquence mesurable du génome des mouches ou des papillons à ceux des virus. De plus, nous avons montré que des ETs de papillons avaient la capacité de transposer entre génomes viraux pendant la réplication d’un virus (Loiseau et al. 2021). Nos résultats soutiennent donc l’idée que les virus peuvent transporter des ET fonctionnels et pourraient favoriser les TH d’ET entre insectes.
Le premier axe de la thèse correspond à la suite immédiate de ces travaux. Bien qu’ayant mis en évidence un flux continu d’ET d’insectes dans les populations de génomes viraux infectant ces insectes, nos travaux n’ont pas encore porté sur les TH dans le sens virus vers insectes. Nous aurons donc pour objectif de caractériser et de quantifier ce type de transferts dans les tissus somatiques et germinaux de plusieurs espèces de mouches et de papillons infectées par des virus.
Le deuxième axe prévu dans ce projet vise à évaluer plus largement l’étendue du rôle des virus dans la distribution globale des TH d’ETs entre papillons. Nous quantifierons donc les TH d’ETs entre papillons ainsi que la flore virale endogène et exogène de ces papillons et nous chercherons à savoir si les nombres de TH d’ETs sont corrélés à diverses propriétés de la flore virale.
Methode
Axe 1 – Quantification des TH dans le sens « virus-vers-insectes »
Ici, nous infecterons un insecte « hôte 2 » avec un virus dont le contenu en matériel génétique (notamment en ETs) provenant d’un autre insecte « hôte 1 » non apparenté à l’hôte 2 aura au préalable été caractérisé par séquençage illumina. Après réplication du virus dans l’hôte 2, nous dissèquerons les individus infectés afin d’isoler différents tissus somatiques (e.g., chaine nerveuse, corps gras, hémocytes) et les gonades. Nous séquencerons le génome de ces tissus à forte profondeur en illumina et nous rechercherons des TH de matériel génétique de l’hôte 1 porté par le virus dans les génomes de l’hôte 2. Nous répéterons ce type d’expérience en utilisant des doses de virus non léthales afin d’obtenir des individus hôte 2 résistants à l’infection et capables de se reproduire. Nous rechercherons ensuite des TH de matériel génétique de l’hôte 1 porté par le virus dans les œufs de femelles hôte 2 ayant résisté au virus.
Axe 2 – Patrons de transferts horizontaux entre Wolbachia et ses hôtes
Dans cette partie du projet, nous évaluerons si les patterns globaux des TH d’ETs chez les insectes peuvent être expliqués en partie par des virus partagés. Pour cela, nous nous appuierons sur le séquençage de pools d’échantillons de terrain de Lépidoptères, où la détection directe et indirecte des infections virales sera possible. Les Lépidoptères sont choisis ici comme ordre d’insectes focal, car nous avons montré, en utilisant une approche de séquençage ciblé sur trois superfamilles de rétrotransposons, que ce groupe d’insectes est caractérisé par un taux exceptionnellement élevé de TH d’ETs, et plusieurs faisceaux d’évidence indirectes suggèrent que les virus (plus spécifiquement les baculovirus) sont le mécanisme responsable de ce phénomène (Reiss et al. 2019). Ces inférences ont été basées sur la collection SymbioCode (dx.doi.org/10.5883/DS-SYMC (Ramage et al. 2017)), qui comprend 10929 spécimens d’arthropodes collectés sur le terrain et actuellement conservés par le LBBE dans de l’éthanol à -20°C. Le séquençage par Illumina de pools comprenant au moins 7 spécimens (médiane = 11 spécimens par espèce, maximum = 60), suivi de l’assemblage du génome, sera appliqué à 70 espèces de Lépidoptères de cette collection. Cela permettra non seulement de détecter les virus endogénéisés, mais aussi les virus à ADN circulants librement qui pourraient infecter certains des échantillons groupés et servir de vecteurs pour les HTT.
Après avoir inféré le flux des THs (récents) entre les branches impliquant les ETs d’une part et la distribution des EVEs le long des branches et leur flux entre les branches d’autre part, nous testerons et quantifierons la corrélation entre ces deux flux. Cela sera réalisé en adaptant les méthodes que nous avons déjà utilisées dans un travail précédent (Guinet et al. 2023).
Résultats attendus
La caractérisation de TH de matériel génétique d’un hôte 1 porté par un virus libre dans les génomes somatiques et ou germinaux d’un hôte 2 constituera une découverte majeure pouvant aller jusqu’à produire une démonstration formelle du rôle que peuvent jouer des virus libres comme vecteurs de TH. Concernant la faisabilité et le potentiel de valorisation, il est à noter que nous avons déjà détecter des TH de matériel génétique de virus à hôtes dans le cadre de nos études sur les virus domestiqués (i.e., non-libres) de guêpes parasitoïdes (Muller et al. 2021). De plus, si nous ne parvenons pas à caractériser d’évènement de TH de virus vers tissus hôtes, nous pourrons approfondir l’étude des TH d’ETs d’hôtes à virus et entre virus.
Le deuxième axe nous permettra d’évaluer l’importance du rôle des virus comme vecteurs de TH dans la distribution des transferts dans la phylogénie des papillons. En cas de non association entre les caractéristiques de la flore virale (nombre et diversité des virus, distance génétique entre lignées virale) et les nombres de TH d’ETs, cette étude nous permettra dans tous les cas de quantifier les TH d’ETs entre un grand nombre d’espèces de papillons et sera donc publiable.
Références bibliographiques
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Conditions scientifiques matérielles et financières
La thèse sera co-encadrée par Clément Gilbert (DR CNRS HDR, laboratoire EGCE, Univ. Paris-Saclay) et Julien Varaldi (MCF HDR, laboratoire LBBE, Univ. Lyon 1). L’essentiel des expériences et des analyses prévues dans la thèse seront effectuées au laboratoire EGCE mais plusieurs séjours au laboratoire LBBE sont envisagés.
Ce projet s’inscrit dans le cadre plus large d’un projet ARN financé (VIRHOZFER, 2024 – 2029), impliquant plusieurs membres des laboratoires EGCE et LBBE (Univ. Lyon1) avec lesquels le.la candidat.e pourra interagir autant que besoin. Toutes les manips seront financées par le projet ANR VIRHOZFER.
Deux virus libres (un baculovirus [AcMNPV] et un iridovirus [IIV6]) et un virus domestiqué (bracovirus de la guêpe parasitoïde Cotesia typhae) sont disponibles au laboratoire EGCE. Le laboratoire EGCE possède un élevage de plusieurs dizaines d’espèces de drosophiles, d’une espèce de papillon et d’une espèce de guêpe parasitoïde qui pourront être utilisées pour les infections simples et multiples prévues dans la thèse.
Tous les individus d’espèces de papillons qui seront séquencés en pools dans le cadre de l’axe 2 sont disponible et conservés dans l’éthanol à -20°C au laboratoire LBBE.
L’étudiant.e sera sera amené.e à présenter ses travaux régulièrement devant les membres des laboratoires LBBE et EGCE, ainsi que lors de la réunion du GDR 3546 « Eléments transposables ».