Summary [résumé français voir ci-dessous]
From the beginning of the 20th century the world population has been
confronted with the human immune deficiency virus 1 (HIV-1). This virus has the
particularity to mutate fast, and could thus evade and adapt to the human host. Our
closest evolutionary related organisms, the non-human primates, are less susceptible
to HIV-1. In a broader sense, primates are differentially susceptible to various
retrovirus. Species specificity may be due to genetic differences among primates. In
the present study we applied evolutionary and comparative genetic techniques to
characterize the evolutionary pattern of host cellular determinants of HIV-1
pathogenesis. The study of the evolution of genes coding for proteins participating to
the restriction or pathogenesis of HIV-1 may help understanding the genetic basis of
modern human susceptibility to infection.
To perform comparative genetics analysis, we constituted a collection of
primate DNA and RNA to allow generation of de novo sequence of gene orthologs.
More recently, release to the public domain of two new primate complete genomes
(bornean orang-utan and common marmoset) in addition of the three previously
available genomes (human, chimpanzee and Rhesus monkey) help scaling up the
evolutionary and comparative genome analysis. Sequence analysis used
phylogenetic and statistical methods for detecting molecular adaptation.
We identified different selective pressures acting on host proteins involved in
HIV-1 pathogenesis. Proteins with HIV-1 restriction properties in non-human primates
were under strong positive selection, in particular in regions of interaction with viral
proteins. These regions carried key residues for the antiviral activity. Proteins of the
innate immunity presented an evolutionary pattern of conservation (purifying
selection) but with signals of relaxed constrain if we compared them to the average
profile of purifying selection of the primate genomes. Large scale analysis resulted in
patterns of evolutionary pressures according to molecular function, biological process
and cellular distribution.
The data generated by various analyses served to guide the ancestral
reconstruction of TRIM5a a potent antiviral host factor. The resurrected TRIM5a from
the common ancestor of Old world monkeys was effective against HIV-1 and the
recent resurrected hominoid variants were more effective against other retrovirus.
Thus, as the result of trade-offs in the ability to restrict different retrovirus, human
might have been exposed to HIV-1 at a time when TRIM5a lacked the appropriate
specific restriction activity.
The application of evolutionary and comparative genetic tools should be
considered for the systematical assessment of host proteins relevant in viral
pathogenesis, and to guide biological and functional studies.
Résumé
La population mondiale est confrontée depuis le début du vingtième siècle au
virus de l'immunodéficience humaine 1 (VIH-1). Ce virus a un taux de mutation
particulièrement élevé, il peut donc s'évader et s'adapter très efficacement à son
hôte. Les organismes évolutivement le plus proches de l'homme les primates nonhumains
sont moins susceptibles au VIH-1. De façon générale, les primates
répondent différemment aux rétrovirus. Cette spécificité entre espèces doit résider
dans les différences génétiques entre primates. Dans cette étude nous avons
appliqué des techniques d'évolution et de génétique comparative pour caractériser le
modèle évolutif des déterminants cellulaires impliqués dans la pathogenèse du VIH-
1. L'étude de l'évolution des gènes, codant pour des protéines impliquées dans la
restriction ou la pathogenèse du VIH-1, aidera à la compréhension des bases
génétiques ayant récemment rendu l'homme susceptible.
Pour les analyses de génétique comparative, nous avons constitué une
collection d'ADN et d'ARN de primates dans le but d'obtenir des nouvelles
séquences de gènes orthologues. Récemment deux nouveaux génomes complets
ont été publiés (l'orang-outan du Bornéo et Marmoset commun) en plus des trois
génomes déjà disponibles (humain, chimpanzé, macaque rhésus). Ceci a permis
d'améliorer considérablement l'étendue de l'analyse. Pour détecter l'adaptation
moléculaire nous avons analysé les séquences à l'aide de méthodes
phylogénétiques et statistiques.
Nous avons identifié différentes pressions de sélection agissant sur les
protéines impliquées dans la pathogenèse du VIH-1. Des protéines avec des
propriétés de restriction du VIH-1 dans les primates non-humains présentent un taux
particulièrement haut de remplacement d'acides aminés (sélection positive). En
particulier dans les régions d'interaction avec les protéines virales. Ces régions
incluent des acides aminés clé pour l'activité de restriction. Les protéines
appartenant à l'immunité inné présentent un modèle d'évolution de conservation
(sélection purifiante) mais avec des traces de "relaxation" comparé au profil général
de sélection purifiante du génome des primates. Une analyse à grande échelle a
permis de classifier les modèles de pression évolutive selon leur fonction
moléculaire, processus biologique et distribution cellulaire.
Les données générées par les différentes analyses ont permis la
reconstruction ancestrale de TRIM5a, un puissant facteur antiretroviral. Le TRIM5a
ressuscité, correspondant à l'ancêtre commun entre les grands singes et les groupe
des catarrhiniens, est efficace contre le VIH-1 moderne. Les TRIM5a ressuscités
plus récents, correspondant aux ancêtres des grands singes, sont plus efficaces
contre d'autres rétrovirus. Ainsi, trouver un compromis dans la capacité de
restreindre différents rétrovirus, l'homme aurait été exposé au VIH-1 à une période
où TRIM5a manquait d'activité de restriction spécifique contre celui-ci.
L'application de techniques d'évolution et de génétique comparative devraient
être considérées pour l'évaluation systématique de protéines impliquées dans la
pathogenèse virale, ainsi que pour guider des études biologiques et fonctionnelles