Population dynamics of RNA arthropod-borne viruses in experimental evolution
Dynamiques populationnelles en évolution expérimentale des arbovirus à ARN
Résumé
RNA viruses are one the fastest evolving biological entities. With their high mutation and recombination rates, small genomes, and fast replication rates, they easily adapt to new hosts, causing outbreaks regularly. Despite their simplicity, their ability to interact with each other through complementation and other forms of collective behaviors gives rise to complex population dynamics. In this work, I explore two aspects of these social interactions and their influence on virus evolution, using two arthropod-borne viruses. A first part of this manuscript investigates the role of defective viral genomes (DVGs), which were typically described as ubiquitous deleterious by-products of the erroneous RNA-dependent RNA-polymerase of RNA viruses. In this work, we tested if these DVGs could positively interact with standard viral genomes. We first identified identified a ribavirin-resistance mutation in the viral polymerase that rescued viral titers in mutagenic conditions. We then introduced it in a previously described DVG of Zika virus, and showed that DVGs carrying this mutation accelerated viral population adaptation to ribavirin treatment through genetic recombination. We then showed that absence of observed complementation was due to a trans-complementation incompetent NS5 polymerase domain. Finally, we showed that DVGs could not only be trans-packaged, but they could also be co-packaged with standard genomes, ensuring their maintenance across new infectious cycles. In the second half, I re-explored the question of the arbovirus trade-off hypothesis which is hypothesized to explain the low substitution rates of arboviruses in nature. Using barcoded chikungunya virus clones and high-throughput sequencing techniques, I proposed an extended experimental design to resolve conclusion discrepancies among previous studies. In a first phase of experimental evolution, I identified that genetic diversity was accumulated differentially in-between genomic regions and among passaging regimes. Alternating passages were restricted in genetic diversity by the most stringent host at each locus, and did not tolerate host-specific DVGs. Mutant cloud analysis showed that they in part acquired insect-associated adaptive mutations, but also alternation-specific ones. This pattern was in turn explained by the observation of an asymmetric trade-off: initial adaptation to mammalian cells has a fitness cost in insect cells, blocking such mutations to appear in alternation. Further, no cost of generalism was observed, which we propose is explained by a different fitness landscape neighborhood around the insect-cell adaptive pathway.
Les virus à ARN sont l'une des entités biologiques évoluant le plus rapidement. À l'aide de leur taux de mutation, recombinaison et replication élevés, ainsi que leurs petits génomes, ils s'adaptent aisément à de nouveaux hôtes, causant régulièrement des épidémies. Malgré leur simplicité, leur capacité à interagir entre eux par complémentation et d'autres formes de comportements collectifs fait émerger des dynamiques populationnelles complexes. Dans mon travail de thèse sur deux arbovirus, j'explore deux aspects de ces interactions sociales et leur influence sur l'évolution virale. Une première partie de ce manuscript s'intéresse au rôle des génomes viraux défectifs (DVG) généralement décrits comme des sous-produits délétaires de la polymérase ARN-dépendante des virus à ARN. Dans ces travaux, nous avons testé si les DVG étaient capables d'intéragir positivement avec les génomes viraux standards. Premièrement, nous avons indentifié une mutation de résistance à la ribavirine située dans la polymérase virale qui restaure les titres viraux en conditions mutagènes. Nous avons par la suite introduit cette mutation dans un DVG du virus Zika précédemment identifié, et démontré que ces DVGs accéléraient l'adaptation virale au traitement par recombinaison génétique. Nous avons montré que l'absence d'observation de complémentation était causée par l'impossibilité du domaine polymérase de NS5 à être trans-complémenté. Enfin, nous avons montré que non seulement les DVGs pouvaient être empaqueté en trans, mais qu'ils pouvaient égelement être co-empaquetés avec des génomes standards afin d'assurer leur maintien. Dans une seconde partie, j'ai ré-étudié l'hypothèse du compromis évolutif (trade-off) des arbovirus qui expliquerait leurs faibles taux de substitution dans la nature. En utilisant des clones du virus chikungunya barcodés et des techniques de séquençage à haut débit, j'ai proposé un design experimental capable de résoudre les contradictions entre précédentes études. J'ai identifié que la diversité géntique variait selon les régions du génome et le régime de sélection. Les virus soumis à l'alternation entre hôtes montrent une diversité restraintes à chaque locus au niveau de l'hôte le moins permissif, ainsi que pour l'accumulation des DVG spécifiques. L'analyse du nuage de variant a montré qu'ils avaient acquis en partie des mutations associées à l'adaptation chez le moustique, ainsi que des mutations spécifiques au régime alterné. Ces observations s'expliquent par l'asymétrie du trade-off: l'adaptation initiale aux cellules de mammifères a un coût adaptatif en cellules d'insectes, ce qui empêche ces mutations d'apparaître dans le régime alterné. De plus, nous n'avons pas observé de coût du généralisme, et nous proposons que cela s'explique par un paysage adaptif différent avoisinant le chemin évolutif d'apatation aux cellules d'insectes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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