Des échantillons d’eau de mer fournissent un trésor de données sur les virus à ARN

Les échantillons d’eau de mer collectés dans le monde entier ont fourni un trésor de nouvelles données sur les virus à ARN, élargissant les possibilités de recherche écologique et remodelant notre compréhension de l’évolution de ces particules submicroscopiques petites mais importantes.

En combinant des analyses d’apprentissage automatique avec des arbres évolutifs traditionnels, une équipe internationale de chercheurs a identifié 5 500 nouvelles espèces de virus à ARN qui représentent les cinq phylums de virus à ARN connus et suggèrent qu’il existe au moins cinq nouveaux phylums de virus à ARN nécessaires pour les capturer.

La collection la plus abondante d’espèces nouvellement identifiées appartient à un phylum proposé par les chercheurs nommé Taraviricotaclin d’œil à la source des 35 000 échantillons d’eau qui ont permis l’analyse : le Tara Consortium des Océansune étude globale en cours à bord de la goélette Tara de l’impact du changement climatique sur les océans du monde.

« Il y a tellement de nouvelles diversités ici – et tout un phylum, le Taraviricota, ont été trouvés partout dans les océans, ce qui suggère qu’ils sont écologiquement importants », a déclaré l’auteur principal Matthew Sullivan, professeur de microbiologie à l’Ohio State University.

« Les virus à ARN sont clairement importants dans notre monde, mais nous n’en étudions généralement qu’une infime partie – les quelques centaines qui nuisent aux humains, aux plantes et aux animaux. Nous voulions les étudier systématiquement à très grande échelle et explorer un environnement que personne n’avait regardé en profondeur, et nous avons eu de la chance parce que pratiquement toutes les espèces étaient nouvelles, et beaucoup étaient vraiment nouvelles. »

L’étude paraît en ligne aujourd’hui dans Science.

Alors que les microbes sont des contributeurs essentiels à toute vie sur la planète, les virus qui les infectent ou interagissent avec eux ont diverses influences sur les fonctions microbiennes. On pense que ces types de virus ont trois fonctions principales : tuer les cellules, modifier la façon dont les cellules infectées gèrent l’énergie et transférer des gènes d’un hôte à un autre.

En savoir plus sur la diversité et l’abondance des virus dans les océans du monde aidera à expliquer le rôle des microbes marins dans l’adaptation des océans au changement climatique, selon les chercheurs. Les océans absorbent la moitié du dioxyde de carbone généré par l’homme dans l’atmosphère et Recherche précédente par ce groupe a suggéré que les virus marins sont le « bouton » d’une pompe biologique affectant la façon dont le carbone dans l’océan est stocké.

En relevant le défi de la classification des virus à ARN, l’équipe est entrée dans des eaux encore agitées par les efforts antérieurs de catégorisation taxonomique qui se concentraient principalement sur les agents pathogènes viraux à ARN. Au sein du règne biologique Orthornavirescinq embranchements ont été récemment reconnus par le Comité international de taxonomie des virus (ICTV).

Bien que l’équipe de recherche ait identifié des centaines de nouvelles espèces de virus à ARN qui s’inscrivent dans ces divisions existantes, leur analyse a identifié des milliers d’autres espèces qu’ils ont regroupées en cinq nouveaux phylums proposés : Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota et Arctiviricotaqui, comme Taraviricotaprésente des espèces très abondantes, du moins dans les eaux critiques pour le climat de l’océan Arctique, la région du monde où les conditions de réchauffement causent le plus de ravages.

L’équipe de Sullivan a longtemps catalogué les espèces de virus à ADN dans les océans, faisant passer leur nombre de quelques milliers en 2015 et 2016 à 200 000 en 2019. Pour ces études, les scientifiques avaient accès à des particules virales pour compléter l’analyse.

Dans ces efforts actuels pour détecter les virus à ARN, il n’y avait pas de particules virales à étudier. Au lieu de cela, les chercheurs ont extrait des séquences de gènes exprimés dans des organismes flottant dans la mer et ont restreint l’analyse aux séquences d’ARN contenant un gène signature, appelé RdRp, qui a évolué pendant des milliards d’années dans les virus à ARN et est absent d’autres virus ou cellules. .

Parce que l’existence de RdRp remonte au moment où la vie a été détectée pour la première fois sur Terre, sa position de séquence a divergé plusieurs fois, ce qui signifie que les relations traditionnelles des arbres phylogénétiques étaient impossibles à décrire avec des séquences seules. Au lieu de cela, l’équipe a utilisé l’apprentissage automatique pour organiser 44 000 nouvelles séquences d’une manière qui pourrait gérer ces milliards d’années de divergence de séquences, et a validé la méthode en montrant que la technique pouvait classer avec précision les séquences de virus à ARN déjà identifiées.

« Nous avons dû comparer le connu pour étudier l’inconnu », a déclaré Sullivan, également professeur de génie civil, environnemental et géodésique, directeur fondateur du Center of Microbiome Science de l’Ohio State et membre de l’équipe de direction de l’EMERGE Biology Integration Institute.

« Nous avons créé un moyen reproductible par calcul d’aligner ces séquences là où nous pouvons être plus sûrs que nous alignons des positions qui reflètent avec précision l’évolution. »

Une analyse plus approfondie à l’aide de représentations 3D des structures et de l’alignement des séquences a révélé que le groupe de 5 500 nouvelles espèces ne correspondait pas aux cinq phylums existants de virus à ARN classés dans la Orthornavires Royaume.

« Nous avons comparé nos clusters à des taxons établis et reconnus basés sur la phylogénie, et c’est ainsi que nous avons découvert que nous avions plus de clusters que ceux qui existaient », a déclaré le co-premier auteur Ahmed Zayed, chercheur en microbiologie à l’Ohio State et responsable de la recherche. à l’Institut EMERGE.

Au total, les résultats ont conduit les chercheurs à proposer non seulement les cinq nouveaux phylums, mais également au moins 11 nouvelles classes d’orthornaviran de virus à ARN. L’équipe prépare une proposition pour demander la formalisation des phylums candidats et des classes par l’ICTV.

Zayed a déclaré que l’étendue des nouvelles données sur la divergence du gène RdRp au fil du temps conduit à une meilleure compréhension de la façon dont la vie précoce a pu évoluer sur la planète.

« RdRp est censé être l’un des gènes les plus anciens – il existait avant qu’il y ait un besoin d’ADN », a-t-il déclaré. « Nous ne retraçons donc pas seulement les origines des virus, mais également les origines de la vie. »

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation, l’Ohio Supercomputer Center, l’Ohio State’s Center of Microbiome Science, l’EMERGE Biology Integration Institute, la Ramon-Areces Foundation et Laulima Government Solutions/NIAID. Le travail a également été rendu possible par l’échantillonnage sans précédent et la science de la Tara Oceans Consortium, la Fondation Tara Océan à but non lucratif et ses partenaires.