Note de la rédaction : Cet article a été publié à l’origine dans le numéro de décembre 2004 de Scientific American.
Dans un épisode de la comédie télévisée classique des années 1950 The Honeymooners, le chauffeur de bus de Brooklyn Ralph Kramden explique bruyamment à sa femme, Alice : » Tu sais que je sais à quel point il est facile d’attraper le virus. » Il y a un demi-siècle, même les gens ordinaires comme les Kramden avaient une certaine connaissance des virus – en tant que porteurs microscopiques de maladies. Pourtant, il est presque certain qu’ils ne savaient pas exactement ce qu’était un virus. Ils n’étaient, et ne sont, pas seuls.
Depuis une centaine d’années, la communauté scientifique a changé à plusieurs reprises d’avis collectif sur ce que sont les virus. D’abord considérés comme des poisons, puis comme des formes de vie, puis comme des produits chimiques biologiques, les virus sont aujourd’hui considérés comme se situant dans une zone grise entre le vivant et le non-vivant : ils ne peuvent pas se répliquer seuls mais peuvent le faire dans des cellules réellement vivantes et peuvent également affecter profondément le comportement de leurs hôtes. La catégorisation des virus comme non-vivants pendant la majeure partie de l’ère moderne de la science biologique a eu une conséquence involontaire : elle a conduit la plupart des chercheurs à ignorer les virus dans l’étude de l’évolution. Enfin, cependant, les scientifiques commencent à apprécier les virus en tant qu’acteurs fondamentaux de l’histoire de la vie.
Coming to Terms
Il est facile de voir pourquoi les virus ont été difficiles à pigeonner. Ils semblent varier avec chaque lentille appliquée pour les examiner. L’intérêt initial pour les virus provenait de leur association avec les maladies – le mot « virus » trouve ses racines dans le terme latin pour « poison ». À la fin du XIXe siècle, les chercheurs se sont rendu compte que certaines maladies, dont la rage et la fièvre aphteuse, étaient causées par des particules qui semblaient se comporter comme des bactéries mais qui étaient beaucoup plus petites. Parce qu’ils étaient eux-mêmes clairement biologiques et pouvaient se propager d’une victime à l’autre avec des effets biologiques évidents, les virus étaient alors considérés comme la plus simple des formes de vie porteuses de gènes.
Leur rétrogradation au rang de produits chimiques inertes est intervenue après 1935, lorsque Wendell M. Stanley et ses collègues, à l’actuelle université Rockefeller de New York, ont cristallisé un virus – le virus de la mosaïque du tabac – pour la fi ère fois. Ils ont constaté qu’il était constitué d’un ensemble de substances biochimiques complexes. Mais il lui manquait des systèmes essentiels nécessaires aux fonctions métaboliques, l’activité biochimique de la vie. Stanley a partagé le prix Nobel de 1946 – en chimie, et non en physiologie ou en médecine – pour ces travaux.
Les recherches ultérieures de Stanley et d’autres ont permis d’établir qu’un virus est constitué d’acides nucléiques (ADN ou ARN) enfermés dans une enveloppe protéique qui peut également abriter des protéines virales impliquées dans l’infection. Selon cette description, un virus ressemble davantage à un ensemble de produits chimiques qu’à un organisme. Mais lorsqu’un virus pénètre dans une cellule (appelée hôte après infection), il est loin d’être inactif. Il se débarrasse de son enveloppe, dévoile ses gènes et incite la machinerie de réplication de la cellule à reproduire l’ADN ou l’ARN de l’intrus et à fabriquer davantage de protéines virales sur la base des instructions contenues dans l’acide nucléique viral. Les bits viraux nouvellement créés s’assemblent et, voilà, plus de virus surgit, qui peut aussi infecter d’autres cellules.
Ces comportements sont ce qui a conduit beaucoup à penser que les virus existent à la frontière entre la chimie et la vie. De manière plus poétique, les virologues Marc H. V. van Regenmortel, de l’Université de Strasbourg en France, et Brian W. J. Mahy, des Centers for Disease Control and Prevention, ont récemment déclaré qu’avec leur dépendance vis-à-vis des cellules hôtes, les virus mènent « une sorte de vie empruntée. » Il est intéressant de noter que, même si les biologistes ont longtemps privilégié l’idée que les virus étaient de simples boîtes de produits chimiques, ils ont profité de l’activité virale dans les cellules hôtes pour déterminer comment les acides nucléiques codent pour les protéines : en effet, la biologie moléculaire moderne repose sur un socle d’informations acquises grâce aux virus.
Les biologistes moléculaires ont ensuite cristallisé la plupart des composants essentiels des cellules et ont aujourd’hui l’habitude de penser aux constituants cellulaires – par exemple, les ribosomes, les mitochondries, les membranes, l’ADN et les protéines – soit comme des machines chimiques, soit comme ce que ces machines utilisent ou produisent. Cette exposition à des structures chimiques multiples et complexes qui mettent en œuvre les processus de la vie est probablement une raison pour laquelle la plupart des biologistes moléculaires ne passent pas beaucoup de temps à se demander si les virus sont vivants. Pour eux, cet exercice peut sembler équivalent à la question de savoir si les différents constituants subcellulaires sont vivants par eux-mêmes. Cette vision myope leur permet de voir uniquement comment les virus cooptent les cellules ou provoquent des maladies. La question plus vaste des contributions virales à l’histoire de la vie sur terre, que j’aborderai prochainement, reste pour l’essentiel sans réponse et même sans question.
Etre ou ne pas être
La question apparemment simple de savoir si les virus sont vivants ou non, que mes étudiants posent souvent, a probablement défi ni une réponse simple pendant toutes ces années parce qu’elle soulève une question fondamentale : Qu’est-ce qui définit exactement la « vie » ? Une définition scientifique précise de la vie est une chose insaisissable, mais la plupart des observateurs s’accordent à dire que la vie inclut certaines qualités en plus de la capacité à se répliquer. Par exemple, une entité vivante est dans un état délimité par la naissance et la mort. On pense également que les organismes vivants ont besoin d’un certain degré d’autonomie biochimique, en poursuivant les activités métaboliques qui produisent les molécules et l’énergie nécessaires au maintien de l’organisme. Ce niveau d’autonomie est essentiel à la plupart des définitions.
Les virus, cependant, parasitent essentiellement tous les aspects biomoléculaires de la vie. C’est-à-dire qu’ils dépendent de la cellule hôte pour les matières premières et l’énergie nécessaires à la synthèse des acides nucléiques, à la synthèse, à la transformation et au transport des protéines, et à toutes les autres activités biochimiques qui permettent au virus de se multiplier et de se propager. On pourrait alors en conclure que, même si ces processus sont dirigés par le virus, les virus ne sont que des parasites non vivants de systèmes métaboliques vivants. Mais un spectre peut exister entre ce qui est certainement vivant et ce qui ne l’est pas.
Une roche n’est pas vivante. Un sac métaboliquement actif, dépourvu de matériel génétique et de potentiel de propagation, n’est pas non plus vivant. Une bactérie, en revanche, est vivante. Bien qu’il s’agisse d’une cellule unique, elle peut générer de l’énergie et les molécules nécessaires à son maintien, et elle peut se reproduire. Mais qu’en est-il d’une graine ? Une graine peut ne pas être considérée comme vivante. Pourtant, elle a un potentiel de vie, et elle peut être détruite. À cet égard, les virus ressemblent davantage à des graines qu’à des cellules vivantes. Ils ont un certain potentiel, qui peut être étouffé, mais ils n’atteignent pas l’état plus autonome de la vie.
Une autre façon de penser à la vie est comme une propriété émergente d’une collection de certaines choses non vivantes. La vie et la conscience sont toutes deux des exemples de systèmes complexes émergents. Ils nécessitent chacun un niveau critique de complexité ou d’interaction pour atteindre leurs états respectifs. Un neurone seul, ou même dans un réseau de nerfs, n’est pas conscient – la complexité du cerveau entier est nécessaire. Pourtant, même un cerveau humain intact peut être biologiquement vivant mais incapable de conscience, ou « mort cérébrale ». De même, ni les gènes individuels ni les protéines cellulaires ou virales ne sont vivants en soi. La cellule énucléée s’apparente à l’état de mort cérébrale, en ce sens qu’elle est dépourvue de toute complexité critique. Un virus, lui aussi, ne parvient pas à atteindre une complexité critique. La vie elle-même est donc un état émergent et complexe, mais elle est constituée des mêmes éléments physiques fondamentaux qui constituent un virus. Abordés sous cet angle, les virus, bien qu’ils ne soient pas pleinement vivants, peuvent être considérés comme étant plus que de la matière inerte : ils frôlent la vie.
En fait, en octobre, des chercheurs français ont annoncé des résultats qui illustrent à nouveau à quel point certains virus pourraient être proches. Didier Raoult et ses collègues de l’Université de la Méditerranée à Marseille ont annoncé qu’ils avaient séquencé le génome du plus grand virus connu, le Mimivirus, découvert en 1992. Ce virus, de la même taille qu’une petite bactérie, infecte les amibes. L’analyse de la séquence du virus a révélé de nombreux gènes dont on pensait auparavant qu’ils n’existaient que dans les organismes cellulaires. Certains de ces gènes sont impliqués dans la fabrication des protéines codées par l’ADN viral et pourraient faciliter la cooptation des systèmes de réplication des cellules hôtes par le Mimivirus. Comme le note l’équipe de recherche dans son rapport publié dans la revue Science, l’énorme complexité du complément génétique du Mimivirus « remet en question la frontière établie entre les virus et les organismes cellulaires parasites. »
Impact sur l’évolution
Les débats sur la question de savoir s’il faut étiqueter les virus comme vivants conduisent naturellement à une autre question : Le fait de réfléchir au statut de vivant ou de non-vivant des virus est-il plus qu’un exercice philosophique, la base d’un débat rhétorique animé et passionné mais sans grande conséquence réelle ? Je pense que la question est importante, car la façon dont les scientifiques considèrent cette question influe sur leur réflexion sur les mécanismes de l’évolution.
Les virus ont leur propre histoire évolutive, ancienne, qui remonte à l’origine même de la vie cellulaire. Par exemple, certaines enzymes de réparation virale – qui excisent et resynthétisent l’ADN endommagé, réparent les dommages causés par les radicaux d’oxygène, et ainsi de suite – sont uniques à certains virus et ont existé presque inchangées probablement depuis des milliards d’années.
Néanmoins, la plupart des biologistes évolutionnistes soutiennent que, parce que les virus ne sont pas vivants, ils ne sont pas dignes d’être pris en considération sérieusement lorsqu’on essaie de comprendre l’évolution. Ils considèrent également les virus comme provenant de gènes de l’hôte qui, d’une manière ou d’une autre, ont échappé à l’hôte et ont acquis une enveloppe protéique. Dans cette optique, les virus sont des gènes d’hôte fugitifs qui ont dégénéré en parasites. Les virus étant ainsi écartés de la toile de la vie, les contributions importantes qu’ils ont pu apporter à l’origine des espèces et au maintien de la vie risquent de passer inaperçues. (En effet, seules quatre des 1 205 pages du volume de 2002 The Encyclopedia of Evolution sont consacrées aux virus.)
Bien sûr, les biologistes de l’évolution ne nient pas que les virus ont eu un certain rôle dans l’évolution. Mais en considérant les virus comme inanimés, ces chercheurs les placent dans la même catégorie d’infl uences que, par exemple, le changement climatique. De telles infl uences externes sélectionnent parmi les individus ayant des traits variés, génétiquement contrôlés ; les individus les plus aptes à survivre et à prospérer face à ces défis se reproduisent avec le plus de succès et transmettent donc leurs gènes aux générations futures.
Mais les virus échangent directement des informations génétiques avec les organismes vivants – c’est-à-dire au sein même de la toile de la vie. Une surprise possible pour la plupart des médecins, et peut-être aussi pour la plupart des biologistes évolutionnistes, est que la plupart des virus connus sont persistants et inoffensifs, et non pathogènes. Ils s’installent dans les cellules, où ils peuvent rester dormants pendant de longues périodes ou profiter de l’appareil de réplication des cellules pour se reproduire à un rythme lent et régulier. Ces virus ont développé de nombreux moyens astucieux pour éviter d’être détectés par le système immunitaire de l’hôte – essentiellement chaque étape du processus immunitaire peut être modifiée ou contrôlée par divers gènes présents dans un virus ou un autre.
De plus, le génome d’un virus (le complément complet d’ADN ou d’ARN) peut coloniser son hôte de façon permanente, ajoutant des gènes viraux aux lignées de l’hôte et devenant finalement une partie essentielle du génome de l’espèce hôte. Les virus ont donc certainement des effets plus rapides et plus directs que ceux des forces externes qui sélectionnent simplement les variations génétiques internes, générées plus lentement. L’énorme population de virus, associée à leurs taux rapides de réplication et de mutation, en fait la principale source d’innovation génétique au monde : ils « inventent » constamment de nouveaux gènes. Et les gènes uniques d’origine virale peuvent voyager, se retrouver dans d’autres organismes et contribuer aux changements évolutifs.
Les données publiées par le Consortium international pour le séquençage du génome humain indiquent que quelque part entre 113 et 223 gènes présents dans les bactéries et dans le génome humain sont absents dans des organismes bien étudiés – comme la levure Saccharomyces cerevisiae, la drosophile Drosophila melanogaster et le nématode Caenorhabditis elegans – qui se situent entre ces deux extrêmes évolutifs. Certains chercheurs ont pensé que ces organismes, apparus après les bactéries mais avant les vertébrés, avaient simplement perdu les gènes en question à un moment donné de leur histoire évolutive. D’autres ont suggéré que ces gènes avaient été transférés directement à la lignée humaine par des bactéries envahissantes.
Mon collègue Victor DeFilippis, du Vaccine and Gene Therapy Institute de l’Oregon Health and Science University, et moi-même avons suggéré une troisième alternative : les virus peuvent être à l’origine de gènes, puis coloniser deux lignées différentes – par exemple, les bactéries et les vertébrés. Un gène apparemment accordé à l’humanité par les bactéries peut avoir été donné aux deux par un virus.
En fait, avec d’autres chercheurs, Philip Bell de l’université Macquarie à Sydney, en Australie, et moi-même soutenons que le noyau cellulaire lui-même est d’origine virale. L’apparition du noyau – qui différencie les eucaryotes (organismes dont les cellules contiennent un véritable noyau), dont l’homme, des procaryotes, comme les bactéries – ne peut être expliquée de manière satisfaisante uniquement par l’adaptation progressive des cellules procaryotes jusqu’à ce qu’elles deviennent eucaryotes. Il se peut plutôt que le noyau ait évolué à partir d’un grand virus ADN persistant qui s’est installé de façon permanente au sein des procaryotes. Cette idée est étayée par des données de séquence montrant que le gène d’une ADN polymérase (une enzyme copiant l’ADN) dans le virus appelé T4, qui infecte les bactéries, est étroitement lié à d’autres gènes d’ADN polymérase tant chez les eucaryotes que chez les virus qui les infectent. Patrick Forterre, de l’Université Paris-Sud, a également analysé les enzymes responsables de la réplication de l’ADN et a conclu que les gènes de ces enzymes chez les eucaryotes ont probablement une origine virale.
Des organismes unicellulaires aux populations humaines, les virus affectent toute la vie sur terre, déterminant souvent ce qui va survivre. Mais les virus eux-mêmes évoluent également. Les nouveaux virus, comme le VIH-1, responsable du sida, sont peut-être les seules entités biologiques dont les chercheurs peuvent réellement assister à la naissance, offrant ainsi un exemple en temps réel de l’évolution en action.
Les virus comptent pour la vie. Ils sont la frontière en constante évolution entre les mondes de la biologie et de la biochimie. Alors que nous continuons à décortiquer les génomes de plus en plus d’organismes, les contributions de ce pool génétique dynamique et ancien devraient devenir évidentes. Le lauréat du prix Nobel Salvador Luria s’est interrogé sur l’influence virale sur l’évolution en 1959. « Ne pouvons-nous pas avoir le sentiment, écrivait-il, que dans les virus, dans leur fusion avec le génome cellulaire et leur réémergence, nous observons les unités et le processus qui, au cours de l’évolution, ont créé les modèles génétiques réussis qui sous-tendent toutes les cellules vivantes ? » Que nous considérions ou non les virus comme vivants, il est temps de les reconnaître et de les étudier dans leur contexte naturel – au sein de la toile de la vie.
Les virus sont des organismes vivants.