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Dans le pergélisol ou les océans, les Pandoravirus défient la virologie. Avec des génomes records, ces géants ne se contentent pas de pirater leur hôte : ils fabriquent de toutes pièces leurs propres gènes.

L’histoire de la biologie est jalonnée de découvertes qui bousculent nos certitudes, mais celle des virus géants ressemble à un véritable séisme. Identifiés il y a une vingtaine d’années, ces colosses microscopiques possèdent des génomes plus complexes que ceux de certains organismes eucaryotes. Visibles au microscope optique, les Pandoravirus arborent une forme d'amphore inédite et un génome atteignant 2,5 millions de bases, le record actuel de la virosphère. Mais au-delà de leur taille, c’est leur capacité d’innovation génétique qui fascine aujourd'hui les chercheurs du projet PandoNovo.
Comme le souligne Matthieu Legendre, coordinateur du projet au laboratoire Information Génomique et Structurale (IGS)^[1], à Marseille : « Il y a eu en fait plusieurs temps de surprise. D’abord, la découverte de virus qu’on ne connaissait pas du tout et dont la taille était inattendue. Ensuite, on s’est rendu compte qu’on les retrouve dans de très nombreux milieux. Et aujourd’hui, la nouvelle étape, c’est de comprendre leur fonctionnement ».

Particule virale de Pandoravirus salinus en microscopie électronique à balayage. ©Matthieu Legendre

L'énigme du gigantisme : des virus « artisans » de leur propre ADN

Comment des entités autrefois considérées comme de simples parasites ont-elles pu acquérir des génomes aussi titanesques ? L'hypothèse classique suggérait que les virus géants augmentaient leur taille en "volant" des gènes à leurs hôtes. Cependant, les analyses menées par l'IGS sur les Pandoravirus ont révélé une réalité bien différente : seuls 13 % de leurs gènes proviennent effectivement de l'amibe Acanthamoeba castellanii qu'ils infectent. La grande majorité, soit environ 85 %, sont des gènes dits "orphelins" (ORFans), car ils ne possèdent aucun équivalent connu.
Plus fascinant encore, ces gènes varient d'une espèce à l'autre parmi la vingtaine de souches identifiées. « Certaines de ces protéines ne sont présentes que dans une seule souche. Donc on sait que ce sont des événements extrêmement récents à l’échelle de l’évolution », précise le chercheur. Cette diversité soutient une théorie novatrice : ces gènes émergeraient spontanément des régions d'ADN intergéniques. Les Pandoravirus sont de véritables "artisans" capables d'inventer leurs propres fonctions biologiques à partir d'un gène pré-existant.

PandoNovo : décrypter la naissance des gènes de novo

Le projet PandoNovo explore les mécanismes précis de cette création de gènes de novo. L'enjeu est de comprendre si ces séquences sont de simples "accidents" ou si elles produisent des protéines fonctionnelles capables de s'intégrer aux réseaux biologiques établis. « La création de gènes est un phénomène qui a finalement été assez peu étudié jusqu’à ces dernières années. Chez ces virus géants, on s’est demandé si ce mécanisme pouvait jouer un rôle important », explique Matthieu Legendre.
Pour lever le voile sur ce mystère, les scientifiques utilisent une approche "omique" globale. Grâce au profilage ribosomique (Ribo-seq), réalisé par l’équipe d’Olivier Namy de l’I2BC, les chercheurs traquent la traduction de ces gènes en temps réel. Parallèlement, la spectrométrie de masse, effectuée par l’équipe de Yohan Couté à Grenoble, permet d'identifier physiquement les protéines produites. Les premiers résultats indiquent que ces gènes récents produisent effectivement des protéines.

Particules virales de Pandoravirus salinus en microscopie électronique en coloration négative. ©Matthieu Legendre

Des protéines au cœur de l'usine à virions

L'étude explore également la localisation de ces protéines inédites. Des résultats issus des travaux en cours révèlent qu'elles semblent se concentrer dans l'usine à virions. Cet organite transitoire, construit par le virus dans le cytoplasme de l'amibe, constitue le centre névralgique de l’assemblage des virions. « Elles paraissent capables de se localiser à l’usine à virions et d’interagir avec des protéines déjà existantes. Autrement dit, elles semblent déjà pouvoir s’intégrer dans un réseau biologique fonctionnel », avance le coordinateur, tout en restant prudent sur ces données non encore publiées.
Cette plasticité génétique est hors norme : « Ils peuvent acquérir énormément de gènes, puis au contraire se recontracter très fortement. On voit donc de très grandes variations dans leur composition génétique, probablement en fonction de l’hôte et des conditions environnementales ».

Coupe d’une cellule d’amibe infectée par Pandoravirus salinus à 20h post infection en microscopie électronique. ©Matthieu Legendre

Un impact écologique et une vision globale

Si ces recherches relèvent de la science fondamentale, leurs enjeux sont aussi environnementaux. Les Pandoravirus sont omniprésents dans la nature, du pergélisol sibérien vieux de 30 000 ans aux sédiments marins, où ils régulent les populations de micro-organismes. Bien qu'ils ne soient pas pathogènes pour l'homme, ils appartiennent à la vaste famille des virus à ADN double brin, incluant les Poxvirus (comme la variole). « Mieux comprendre leur fonctionnement, c’est aussi enrichir notre compréhension générale de ce grand groupe viral », souligne Matthieu Legendre.
En manipulant ces génomes avec des outils comme CRISPR/Cas9, PandoNovo espère désormais observer la trajectoire évolutive de ces gènes sur le long terme. Au-delà du laboratoire, ce projet s'aventure sur un terrain de jeu récent et extrêmement étendu. Car si la virologie s'est historiquement concentrée sur quelques pathogènes cibles, la génomique environnementale révèle aujourd'hui une virosphère bien plus vaste que ce que l’on pouvait imaginer. Un champ de recherche colossal s'ouvre ainsi, rappelant l'immensité de ce qu'il reste à explorer : "On est encore loin d’avoir cartographié ou compris toute la diversité du vivant, et en particulier celle du monde viral."

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence nationale de la recherche (ANR) au titre du projet ANR - PandoNovo - AAPG22. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJC et PRC AAPG 22).

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^[1] Aix-Marseille Université/CNRS