De la grippe au SRAS, la plasticit

1
De la grippe au SRAS, la plasticité génétique
virale est facteur d'émergence

• Visioconférence, organisée par le CCSTVN,
  l'Institut Pasteur et l'AUF
• mardi 30 septembre 2008
• AUF (4 place de la Sorbonne)

2
Émergences virales et évolution des populations
et des activités humaines
Avant lapparition de lhomme
Domestication des petits et des grands ruminants

• 400 000
• Homo sapiens

Temps historiques
-15 000 Peintures de Lascaux
Invention de lécriture
Premiers hommes Homo genus
- 3 000 000 ans
- 3 000 ans
- 8 000 ans
3
Virus et maladies virales émergentes de 1973 à
2003
Modifié daprès la source http//www.wpro.who.in
t/public/policy/50TH/Ch_32.html
4
Facteurs impliqués dans lémergence possible de
virus chez lhomme
Facteurs écologiques
Facteurs virologiques
Facteurs démographiques
Facteurs zootechniques
Émergence possible
5
La grippe et ses virus
6
Facteurs impliqués dans lémergence possible de
virus chez lhomme

• Facteurs virologiques
• Plasticité génétique nature des polymérases
  (Virus à ARN) et des génomes viraux
• Diversité
• Spectre dhôtes
• Taille des populations virales possibles

Taille des populations dhôtes
7
Facteurs impliqués dans lémergence possible de
virus chez lhomme

• Facteurs virologiques
• Spectre dhôtes

8
Transmissions inter-espèces des virus de grippe A
9
Facteurs impliqués dans lémergence possible de
virus chez lhomme

• Facteurs virologiques
• Diversité

10
Facteurs impliqués dans lémergence possible de
virus chez lhomme

• Facteurs virologiques
• Plasticité génétique les mécanismes
• mutations/insertions/délétions
• Recombinaisons
• Réassortiments

Coronavirus
Virus grippaux
11
Evolution de lhémagglutinine des virus humains
A(H3N2) collectées doctobre 1985 à septembre 1996
FIG. 2. Rate of evolution of human influenza HA1.
The y axis shows the number of replacement
substitutions between the root and a tip
sequence. The x axis shows the time of isolation
of the virus to the month where known (206
sequences), or to the month of June if the
month was not known (48 sequences). Each of the
254 sequences is represented in the graph but, if
there were more than one isolate for the same
month and year, their distances were averaged. A
least squares fit to the data gives a slope of
3.20 replacement substitutionsyyear. The two
tubes show an apparent increase in the rate of
replacement substitutions about 1992. However, we
cannot rule out the possibility that this is a
consequence of a more intensive sampling of the
population in the last four years.
FIG. 1. Overall structure of the most
parsimonious trees. The thick line running from
the lower left (p 5 root) to the upper right
(open square) is called the trunk and represents
the successful H3N2 lineage. The vertical lines
indicate the range of isolates from the flu years
(October 1 to September 30).
Long term trends in the evolution of H(3) HA1
human influenza type A WALTER M. FITCH, ROBIN M.
BUSH, CATHERINE A. BENDER, AND NANCY J. COX,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 94, pp.
77127718, July 1997
12
Représentation schématique du site récepteur des
virus grippaux et structures reconnues par les
virus grippaux
 
 

a 2,6
a 2,3
Leurs relations et positions avec la poche de
résidus conservés identifiés dans le site de
liaison au récepteur sont montrées
(Wilson et al., Nature, 1981)
13
Mécanisme hypothétique de lémergence des
sous-types de virus grippaux humains A(H2N2)
A(H3N2)
14
Les pandémies grippales
Année Sous-type Morts en millions Lieu géographique dorigine
1889 H2N2 6 Europe
1898 H3N2 0,5 Europe
1918 H1N1 40 Europe
1957 H2N2 4 Asie
1968 H3N2 2 Asie
1977 H1N1 ? Asie (laboratoire)
Influenza A pandemics of the 20th century with
special reference to 1918 virology, pathology
and epidemiology, Rev Med. Virol., J. S. Oxford
15
Grippe A(H5N1) en Asie depuis 2003/2004
16
Pays touchés par lépizootie dinfluenza aviaire
hautement pathogène H5N1 à génotype Z prédominant
Au total depuis le début 61 pays touchés dont 30
ont subi des foyers en 2007 en Asie, Europe et
Afrique, dont 5 pour la première fois
Bangladesh, Bénin, Ghana, Arabie Saoudite et
Togo. A lexception de quelques foyers chez les
oiseaux sauvages (surtout à Hong Kong et en
Europe), la plupart des foyers ont touché des
espèces domestiques poules, dindes, oies,
canards et cailles.
Evolution in the number of outbreaks between 2006
and 2007
Pays dendémie en Asie (Indonésie, Bangladesh,
Pakistan, Chine et Afghanistan) et en Afrique
(Égypte et probablement Nigeria) Source FAO
17
Les génotypes de virus grippaux A(H5N1)
réassortants en Asie orientale

• Les huits segments génomiques sont de haut en
  bas PB2, PB1, PA, HA, NP, NA, M et NS.
• Chaque couleur représente un lignage (le rouge
  indique Gs/Gd/1/96). Les génotypes (indiqués par
  des lettres) sont définis sur la base de la
  phylogénie du gène.
• Les génotypes A, B et C résultent du
  réassortiment de Gs/Gd/1/96 et de un ou plus vrus
  doiseau aquatique one or more aquatic avian
  viruses.
• Le génotype D a été créé quand le gène NP du
  génotype C a été remplacé par celui de virus
  proches de Dk/HK/Y280/97(H9N2).
• Le génotype E a été créé quand le gène NP du
  génotype C a été remplacé par un gène dun autre
  virus doiseau.
• Des réassortiments supplémentaires du génotype E
  avec dautre virus doiseaux aquatiques ont donné
  naissance aux génotypes X 0X 3, qui se
  distinguent entre eux par lorifgne des segments
  PB2, NP et M.
• Des réassortiments supplémentaires des génotypes
  A ou B avec dautres virus doiseaux aquatic ont
  permis la création des génotypes V, Y, Z et Z .
  Il est aussi possible que le Gen. V résulte du
  réassortiment du génotype Z avec deautres virus
  aquatiques sauvages

Source Li K.S. et al, Genesis of a highly
pathogenic and potentially pandemic H5N1
influenza virus in eastern Asia, 2004, Nature,
vol 430, p 209-213
18
Evolution génétique virale
Source Evolution of H5N1 Avian InfluenzaViruses
in Asia WHO Global Influenza Program Surveillance
NetworK, Emerging Infectious Diseases Vol. 11,
No. 10, 2005
Source FAO
19
Linfluenza (La grippe) aviaire aujourdhui
problème de santé animale avec des répercussions
socio-économiques
Réservoir population dhôtes permettant le
maintien du virus en son sein
Environ.
Oiseaux sauvages
Inter- face
Oiseaux domestiques
Populations Humaines exposées
Impact socio-économique
Santé animale
Phénomène zoonotique mineur
20
Cas humains par pays et par année au 11 mars 2008
Pays   2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008 Total Total
Pays   cases deaths cases deaths cases deaths cases deaths cases deaths cases deaths cases deaths
Azerbaïdjan 0 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 8 5
Cambodge 0 0 0 0 4 4 2 2 1 1 0 0 7 7
China 1 1 0 0 8 5 13 8 5 3 3 3 30 20
Djibouti 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0
Egypte 0 0 0 0 0 0 18 10 25 9 4 1 47 20
Indonésie 0 0 0 0 20 13 55 45 42 37 12 10 129 105
Iraq 0 0 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0 3 2
Laos 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 0 0 2 2
Myanmar 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0
Nigeria 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1
Pakistan 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1
Thaïlande 0 0 17 12 5 2 3 3 0 0 0 0 25 17
Turquie 0 0 0 0 0 0 12 4 0 0 0 0 12 4
Viet Nam 3 3 29 20 61 19 0 0 8 5 4 4 105 51
Total 4 4 46 32 98 43 115 79 86 59 22 18 371 235
 
Source OMS (seuls les cas confirmés au
laboratoires sont rapportés ici)
21
Risque de réassortiment

• Si le réassortiment arrive dans tous les cas de
  co-infection, alors la probabilité de
  réassortiment pour n cas humains dinfection par
  la grippe aviaire est de
• 1-(1-0,0012)n
• Pour un risque de réassortiment de 50, n 600
• Pour un risque de réassortiment de 5, n 45
• Lors de lécriture de larticle n34, soit un
  risque de 4
• Au 05/02/2008 n359 r35

Public Health Risk from the Avian H5N1 Influenza
Epidemic Neil M. Ferguson, Christophe Fraser,
Christl A. Donnelly, Azra C. Ghani, Roy M.
Anderson 14 MAY 2004 VOL 304 SCIENCE
22
Surveillance de la taille des clusters des cas
groupés
Ici, 2 cas de transmission inter-humaine
possible R00,06
Threshold size of the largest cluster expected by
chance for a range of levels of human-to-human
transmission, as quantified by the proportion of
avian-to-human cases generating secondary cases
(approximate R0 values are also shown). Anomalous
behavior might be suspected if a cluster exceeds
this threshold size. Note how the expected
maximum cluster size increases cases accumulate.
Public Health Risk from the Avian H5N1 Influenza
Epidemic Neil M. Ferguson, Christophe Fraser,
Christl A. Donnelly, Azra C. Ghani, Roy M.
Anderson 14 MAY 2004 VOL 304 SCIENCE
23
Diversité génétique virale
La taille des populations virales est dépendante
de celle des populations dhôtes (animaux et
hommes) et du territoire tissulaire dans lequel
le virus peut se multiplier.

• Les deux causes principales de la diversité
  génétique virale sont
• les mutations (y compris les échanges génétiques)
  et
• la taille des populations.
• Quand les deux augmentent, le spectre des
  propriétés disponibles pour les descendants
  viraux en font autant.

24
Démographie mondiale taille des populations
danimaux domestiques et dhommes/ interfaces

• Démographie humaine
• Chine 1,3.109 (incl 66.7 rural pop.)
• Vietnam 83.106
• Thaïlande 57.106
• Pays-Bas 17.106
• Démographie des volaillesPays-Bas
  12.107Chine (source FAO)
• 1980 1.11109
• 1990 2.42109
• 2000 4.30109
• 2002 4.89109

Lumières vues de lespace
25
Conclusion

• Influenza aviaire problème majeur de santé
  animale vs Grippe aviaire zoonose mineure à ce
  jour
• Risque lié à la circulation chez lanimal
• Collaboration interdisciplinaire OIE, FAO et OMS
• Risque réel mais non avéré
• Intérêt de la lutte aux lieux (possibles)
  démergence
• Coopération internationale OMS (problèmes
  déchanges de souches géopolitique, propriété
  intellectuelle ..)
• Plan de lutte nationaux pour
• Éviter la pandémie
• Retarder la pandémie
• Diminuer limpact sur la population
• Vaccination
• Quel vaccin, quel schéma ( prime-boost ?) à
  partir de quelle phase faire des stocks, vacciner
  etc.)
• Antiviraux
• Résistance? (leçons données par les virus A(H1N1)
  humains saisonniers actuels en Europe?)

26
De la grippe .

• .. au SRAS

27
Genèse et phases des épidémies
Introduction
Diffusion
Amplification
Régression
Milieu indemne
Progression géométrique Du nombre de cas
Foyers secondaires
Réservoir animal/ /- espèce intermédiaire
Index cas Individus sensibles
Foyers secondaires
(Re-) Introduction Dun virus nouveau
Cas sporadiques
Foyers secondaires
Clusters de cas sporadiques Foyers locaux
primaires

• Au sein dune zone géographique
• Dune zone à une autre par contiguité
• Diffusion à distance avions, bateaux

28
Phase dintroduction

• Province de Canton pour la période du 16
  novembre 2002 au 9 février 2003
• 305 cas de syndromes respiratoires aigus dont
  cinq étaient décédés.
• En date du 12 février 2003, aucun virus grippal
  n'avait été isolé ou seulement détecté de ces 305
  cas
• rapportés dans 6 municipalités du Guangdong
  Foshan, Guangzhou, Heyuan, Jiangmen, Shenzhen
• A la mi-février 2003, aucun nouveau cas n'était
  plus officiellement observé à Foshan, Heyuan et
  Zhongshan et le nombre de nouveaux cas étaient en
  diminution à Guangzhou, Jiangmen et Shenzhen.

Source organisation modiale de la santé, complété
29
Les trois étapes de lépidémie de pneumopathie
atypique avant sa mondialisation
Mondialisation
Émergence du virus du SRAS chez lhomme
Premiers supercontaminateurs
The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
30
Découverte et description dun nouveau virus
The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
31
Evolution de la composition du génome viral isolé
ou détecté chez les patients au cours de
lépidémie de SRAS en 2002/2003
Phase précoce
Phase moyenne
Phase tardive
Souche référence
Animaux Shenzhen
The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
Un patient de la même salle dhôpital possédait
des virus des deux génotypes
32
Phase de diffusion internationale
Bangkok
Cas P
Cas C
Cas K
PARIS
Cas B
MMWR Weekly March 28, 2003 / 52(12)241-248,
http//www.cdc.gov/mmwr/preview/mmwrhtml/mm5212a1.
htm complété
33
Évolution du génome viral

• Le taux de mutation neutre pour le CoV du SRAS
  pendant lépidémie a été
• presque constant
• Estimé à 8.26 10Exp6 (2,16. 10-6) nt1 jour1.
  Ceci est une valeur comparable à celles trouvées
  pour les virus à ARN connus et est le tiers de
  celle estimée pour les virus de
  limmunodéficience humaine (VIH).
• Au contraire, le taux de mutations non synonymes
  a été
• variable selon les trois phases de lépidémie
• Une analyse par paires du ratio Ka/Ks pour les
  génotypes représentés dans chaque groupe montre
  que le ratio Ka/Ks moyen était plus grand pendant
  la phase précoce que pendant la phase
  intermédiaire dont le ration Ka/Ks moyen était
  supérieur à celui de la phase tardive, lui même
  inférieur à 1.
• Ceci suggère que des pressions dadaptation se
  sont opérées sur le génome du CoV du SRAS qui
  sest ensuite stabilisé en donnant naissance à
  une génotype dominant.

The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
34
Évolution du génome viral
Konrad Stadler et al., SARS Beginning to
understand a new virus, NATURE REVIEWS
MICROBIOLOGY Volume 1 Ddecmber 2003, p 209-218

• Les domaines prédits de la protéine S impliqués
  dans la reconnaissance du récepteur sur lhôte et
  dans linternalisation sont les domaines qui ont
  subi le plus de changement dacides aminés. Entre
  les séquences des CoV des civettes palmistes (SZ3
  or SZ16) et chacune des CoV humain, le ratio des
  changements nonsynonymes vs synonymes (Ka/Ks)
  pour le gène S était toujours plus grand que 1,
  indiquant une pression de sélection positive. Les
  données indiquent que le gène S a subi des
  pressions de sélection positives plus fortes au
  début puis des sélections de purification avant
  de se stabiliser.

The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
35
Évolution du génome viral date de lintroduction
du virus chez lhomme

• Estimation de la date de lancêtre commun le plus
  récdent des souches virales disponibles
• Sur la base du taux de mutation neutres cette
  date peut être estimée vers la mi novembre 2002
  (IC 95 début juin 2002 fin décembre 2002).
• Ce résultat est cohérent avec la date de début de
  maladie le 16 novembre 2002 pour le cas index le
  plus précoce connu (Foshan)
• Ce résultat conforte les résultats obtenus sur
  les génotypes qui suggèrent que les génotypes des
  phases précoce, moyenne et tardive représentent
  différent stades de lévolution virale du même
  lignage.
• Il y a une remarquable corrélation entre les
  clusters trouvés sur les bases des analyses
  moléculaires et les groupements épidémiologiques
  des génotypes au travers de lépidémie.
• En retraçant lévolution moléculaire du CoV du
  SRAS en Chine, il semble que lépidémie a
  commencé et sest terminée par des évènements de
  délétion, accompagnées par une décélération des
  mutations non synonymes et par un génotype qui a
  prédominé pendant toute la phase tardive de
  lépidémie.

The Chinese SARS Molecular Epidemiology
Consortium, Molecular Evolution of the SARS
Coronavirus During the Course of the SARS
Epidemic in China SCIENCE VOL 303 12 MARCH 2004,
p 1666-1669
36
Origine du Coronavirus du SRAS

• Résultats des recherches virologiques et
  sérologiques pratiquées sur des animaux prélevés
  sur le marché de détail danimaux vivants de
  Shenzhen (Y. Guan et al., 2003)
• Animaux N25
• HPC, Civette palmiste de lHimalaya(Paguma
  larvata)-gt 6 (24) 6 / 100 / 86
• HB, Blaireau à collier (Arctonyx collaris) -gt 3
  (12) 1/ 33 /14
• RD, Chien viverrin (Nyctereutes procyonoides) -gt
  1 (4) - 0
• B, Castor (Castor fiber) -gt 3 (12) - 0
• CM, Muntjac chinois (Muntiacus reevesi) -gt 2 (8)
  - 0
• DC, Chat domestique (Felis catus) -gt 4 (16) - 0
• CH, Lièvre chinois (Lepus sinensis) -gt 4 (16) -
  0
• CFB, Blaireau furet chinois (Melogale moschata)
  -gt 2 (8) - 0

Y. Guan et al., Isolation and Characterization of
Viruses Related to the SARS Coronavirus from
Animals in Southern China, www.sciencexpress.org
/ 4 September 2003 / Page 1/ 10.1126/science.10871
39
37
Origine du coronavirus du SARS
Séquençage du génome viral des coronavirus
apparentés au SARS CoV détectés chez lhomme et
lanimal et comparaisons (Y. Guan et al., 2003)
Différence de 18 Nt sur tout le génome
Différence de 43 à 57 Nt sur tout le génome
Différence de 14 Nt sur tout le génome
Y. Guan et al., Isolation and Characterization of
Viruses Related to the SARS Coronavirus from
Animals in Southern China, www.sciencexpress.org
/ 4 September 2003 / Page 1/ 10.1126/science.10871
39
38
Origine du coronavirus du SARS
?

• Pas danticorps avant SARS
• Anticorps chez marchands danimaux sauvages sur
  les marchés de Canton (40), chez abatteurs de
  ces animaux (20). Peu ou pas chez vendeurs de
  fruits et légumes (5) ou chez autres (0)

Y. Guan et al., Isolation and Characterization of
Viruses Related to the SARS Coronavirus from
Animals in Southern China, www.sciencexpress.org
/ 4 September 2003 / Page 1/ 10.1126/science.10871
39
39
Nouvelle émergence fin 2003?

• Ville de Canton (Guangzhou , Province du
  Guangdong, Chine) 20 décembre 2003,
  hospitalisation dun patient index tombé malade
  le 16 du mois. Prélèvement le 22/12
• Détection du CoV du SRAS et séquençage du gène
  codant la protéine S
• Analyse phylogénique en comparaison avec les
  séquences de virus humains et animaux connus y
  compris des virus de civet détectés/isolés fin
  2003
• le virus de fin 2003 est plus proche des virus de
  civette que de nimporte quel virus humain connu
  jusque là et détectés au cours de lépidémie
  précédente. Ce nouveau cas et le virus associé
  offre un argument supplémentaire pour une origine
  animale du coronavirus du SRAS.

40
Phylogenetic analysis of chymotrypsin-like
protease (3CLpro), RNA-dependent RNA polymerase
(Pol), spike (S), and nucleocapsid (N) of
bat-SARS-CoV
Severe acute respiratory syndrome
coronavirus-like virus in Chinese horseshoe bats
Bootstrap values were calculated from 1,000
trees. Included for analysis were 306, 932, 1242,
and 421 amino acid positions in 3CLpro, Pol, S,
and N, respectively. The scale bar indicates the
estimated number of substitutions per 10 amino
acids. PEDV, porcine epidemic
PNAS, 2005 Susanna K. P. Lau, Patrick C. Y.
Woo, Kenneth S. M. Li, Yi Huang, Hoi-Wah
Tsoi, Beatrice H. L. Wong, Samson S. Y.
Wong, Suet-Yi Leung, Kwok-Hung Chan, and
Kwok-Yung Yuen
41
Evolutionary Insights into the Ecology of
Coronaviruses
J. Virol, 2007. D. Vijaykrishna, G. J. D.
Smith, J. X. Zhang, J. S. M. Peiris, H. Chen,
and Y. Guan
42
Evolutionary Insights into the Ecology of
Coronaviruses
J. Virol, 2007. D. Vijaykrishna, G. J. D.
Smith, J. X. Zhang, J. S. M. Peiris, H. Chen,
and Y. Guan