Analyse des relations phylogénétiques entre les groupes : nodavirus, tetravirus, tetra-like virus et birnavirus s'appuyant sur les structures 3D d'une protéine de capside et de l'ARN polymérase

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Analyse des relations phylogénétiques entre les groupes : nodavirus, tetravirus, tetra-like virus et birnavirus s’appuyant sur les structures 3D d’une protéine de

capside et de l’ARN polymérase

Jean-François Gibrat

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Jean-François Gibrat. Analyse des relations phylogénétiques entre les groupes : nodavirus, tetravirus, tetra-like virus et birnavirus s’appuyant sur les structures 3D d’une protéine de capside et de l’ARN polymérase. Evol3D, Apr 2009, Orsay, France. 35p. �hal-02812809�

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Analyse des relations phylogénétiques entre les groupes : nodavirus, tetravirus, tetra-like virus et birnavirus s’appuyant sur les structures 3D d’une

protéine de capside et de l’ARN polymérase

J-F Gibrat

Unité Mathématique, Informatique et Génome, INRA, Jouy-en-Josas

Evol3D, Orsay, 17 avril 2009

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Birnavirus et autres virus...

Structure d’une protéine (VP2) de la capside d’un birnavirus aviaire (Coulibaly et al. Cell, 2005)

Unité de Virologie et Immunologie Moléculaires, INRA, Jouy.

Laboratoire de Virologie Moléculaire et Structurale, CNRS, Gif.

Principal résultat : homologie entre cette protéine et

celle de virus (+)ssRNA (nodavirus T = 3) ^Fig celle de virus dsRNA (famille des Reoviridae T = 13)

birnavirus ont des propriétés différentes des autres virus dsRNA et partagent des propriétés avec les virus (+)ssRNA

ils possèdent une simple capside icosaèdrique T = 13.

leur génome est composé de 2 segments distincts absence de queue poly-A pour les ARN messagers stratégie de réplication du génome similaire

virus tetra-like et birna partagent un motif particulier sur la

polymerase (RdRp). ^Fig

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Questions

Essayer de mieux comprendre les relations entre les birnavirus, tetravirus, nodavirus et tetra-like virus.

Tester si la phylogénie des birnavirus reproduit la phylogénie des hôtes.

Nouveaux birnavirus séquencés infectant de nouveaux invertébrés (mollusque, rotifère).

Analyse des protéines de capside (VP2) et des ARN polymérases (VP1).

Utiliser les structures 3D disponibles pour « ancrer » les alignements de séquences.

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Questions

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Questions

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Protéines de capside VP2

Protéines de capside VP2 birnavirus : truite arc en ciel (aquabirnavirus)

«blotched snakehead fish» (aquabirnavirus) poulet (avibirnavirus)

drosophile

mollusque (lamellibranche) rotifère

Autres protéines de capside VP2 disponibles : nodavirus : «black beetle virus»

tetravirus : Nudaurelia capensisΩvirus (insecte)

tetra-like virus : Thosea asigna, Euprosterna elaeasa (lépidoptères) Structures 3D disponibles :

birnavirus :1wcd nodavirus :2bbv tetravirus :1ohf

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Architecture des virus

virus icosaèdrique ^Fig

6 axes d’ordre 5 10 axes d’ordre 3 15 axes d’ordre 2

symétries 5 :3 :2 requiert un multiple de 60 unités pour couvrir la surface.

capside (l’enveloppe protéiques) et capsomère (les unités

constituant la capside) ^Fig

les capsomères (symétriques) sont bâtis à partir de sous-unités asymétriques

Nombre de triangulation T de Caspar & Klug Nombre total de sous-unités est un multiple de 60.

Tout nombre de sous-unités identiques peut-il se loger dans une unité asymétrique en préservant la spécificité des interactions d’un assemblahe icosaèdrique ?

T = (1,3,4,7,..). T= 3=⇒180 sous-unités dans la capside. ^Fig

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Superposition des structures de VP2

tetravirus

birnavirusVP2

VP2 nodavirusVP2

8 / 35

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Projection des zones conservées sur la structure 3D

VP2 birnavirus

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Parties conservées

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Alignement multiple de séquences

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Alignement multiple de séquences et phylogénie

Alignement des séquences de birnavirus avec la séquence d’avibirnavirus (1wcdJ).

Alignement des séquences de tetra-like avec la séquence de tetravirus (1ohfA)

10 espèces, 208 positions sans insertion/délétion Méthode de parsimonie

Méthodes basées sur les distances UPGMA (horloge moléculaire) NJ

KITCH (horloge moléculaire) FITCH

Methodes basées sur le maximum de vraisemblance proml

promlk (horloge moléculaire) phyml

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Arbre obtenu avec PHYML

1.18 0.81

0.78 1.30

2.25

100

d=1.0 ==> 100 PAMs

nodavirus

tetravirus

tetra−like virus

birnavirus

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Arbres obtenus pour les birnavirus

truite rotifère drosophile mollusque blotched

aviaire

truite blotched

aviaire blotched truite

truite blotched mollusque drosophile rotifère

Distance : FITCH

Max. vraisemblance : PROML, PROMLK, PHYML Distance : UPGMA, KITSCH

Parsimonie

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Arbre obtenu pour les birnavirus avec PHYML

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VP1 : ARN polymérases dépendant de l’ARN

Template-dependent (ADN et ARN) polynucleotide polymerases (TDPP)

seul enzyme conservé dans tous les virus connus (sauf satellites) utilisé pour la phylogénie des virus

Bonne conservation structurale (main droite) ^Fig domaine doigts (fingers)

domaine paume (palm) domaine pouce (thumb)

« Palm domain » seul domaine bien conservé plusieurs motifs caractéristiques.

motifs A, B, C sont indispensables

motif B contient une résidu (Asn) qui contribue à la discrimination dNTP, NTP et determine si ADN ou ARN est synthétisé.

chez les birnavirus et tetra-like virus l’ordre des motifs est C, A, B.

Fig

(18)

VP1 : ARN polymérases dépendant de l’ARN

Fig

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VP1 : ARN polymérases dépendant de l’ARN

Fig

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ARN polymérases dépendant de l’ARN disponibles

RdRp de birnavirus

truite arc en ciel (aquabirnavirus), «blotched snakehead fish»

(aquabirnavirus), poulet (avibirnavirus), drosophile, mollusque, rotifère

Autres RdRp disponibles :

nodavirus : «black beetle virus»

tetravirus : Nudaurelia capensis omega virus (insecte) tetra-like virus : T. asigna, E. elaeasa (lépidoptère) Structure 3D disponible :

2pgg: birnavirus (avibirnavirus)

Autres structures 3D de RdRp disponibles : 2ijf: Poliovirus, (+)ssRNA

1sh0: Norwalk virus (gastroenteritis), (+)ssRNA 1xr7: Human rhinovirus serotype 14, (+)ssRNA 2giq: Hepatitis C virus NS5B, (+)ssRNA 2ec0: Foot and mouth disease virus, (+)ssRNA 1s48: Bovine viral diarrhea virus, (+)ssRNA

1khv: Rabbit haemorrhagic disease virus, (+)ssRNA 1uvj: BacteriophageΦ6, dsRNA

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ARN polymérases dépendant de l’ARN disponibles

RdRp de birnavirus

truite arc en ciel (aquabirnavirus), «blotched snakehead fish»

(aquabirnavirus), poulet (avibirnavirus), drosophile, mollusque, rotifère

Autres RdRp disponibles :

nodavirus : «black beetle virus»

tetravirus : Nudaurelia capensis omega virus (insecte) tetra-like virus : T. asigna, E. elaeasa (lépidoptère) Structure 3D disponible :

2pgg: birnavirus (avibirnavirus)

Autres structures 3D de RdRp disponibles : 2ijf: Poliovirus, (+)ssRNA

1sh0: Norwalk virus (gastroenteritis), (+)ssRNA 1xr7: Human rhinovirus serotype 14, (+)ssRNA 2giq: Hepatitis C virus NS5B, (+)ssRNA 2ec0: Foot and mouth disease virus, (+)ssRNA 1s48: Bovine viral diarrhea virus, (+)ssRNA

1khv: Rabbit haemorrhagic disease virus, (+)ssRNA 1uvj: BacteriophageΦ6, dsRNA

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Stratégie pour aligner les RdRp

Alignements des structures 3D des 9 RdRp connues

17 régions conservées, 259 résidus alignés ^Fig

Alignement multiple de séquences ^Fig

Difficulté : aligner les tetravirus, tetra-like virus et nodavirus avec les birnavirus.

1 PSI-BLAST en partant d’un alignement multiple « maître-esclave ».

2 RPS-BLAST recherche une séquence contre une banque de profils.

3 « Projeter » les alignements sur les régions conservées en 3D.

On obtient 4 jeux d’alignements multiples pour construire des arbres

1 6 séquences birnavirus, 352 résidus alignés

2 9 séquences de structure 3D connue, 259 résidus alignés

3 5 séquences birna, tetra, tetra-like, noda, 109 résidus alignés

4 13 séquences (toutes), 109 résidus alignés.

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Arbres obtenus

1.64 1.71

1.76

1.27 1.27

100

VP1

1.18 0.81

0.78 1.30

2.25

100

VP2

distance noda−tetra: 3.3 VP2 et 3.4 VP1

nodavirus tetravirus

tetra−like virus birnavirus

nodavirus

tetravirus

tetra−like virus

birnavirus

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Arbres obtenus pour les birnavirus

aviaire

blotched

truite

blotched

aviaire truite

invertébrés

vertébrés

vertébrés drosophile

rotifère mollusque

rotifère drosophile mollusque

1b 2b

1a 2a

2∆l =2(l₁−l₀)comparé avecχ²à s-1 degrés de liberté.

Parcimonie PROTPARS 1a 2a

Distances KITSCH 1b 2b UPGMA 1b 2b

FITCH 1a 2a

NJ 1a 2a

Max. vraisemblance PROMLK 1b 2a

PROML 1a 2a

PHYML 1a 2a

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Arbre des birnavirus avec PHYML

59

0.68 0.69 0.91

0.26

0.38 0.21

0.08 0.18 0.24 78 94

blotched aviaire

truite

drosophile

mollusque

rotifère

^{24 / 35}

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Arbre des birnavirus avec PHYML pour VP2

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Conclusion (provisoire)

Refaire arbre pour VP2 des birnavirus avec des alignements plus longs

Faire un test de rapport de vraisemblance pour tester l’hypothèse de l’horloge moléculaire

Tester d’autres modèles d’évolution, entre autres modèle rtREV (rt ==> reverse transcriptase).

Essayer les méthodes Bayesiennes Estimation des temps de divergence.

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Classification de Baltimore

ssDNA dsDNA

ssRNA−RT dsDNA−RT

ssRNA (−)ssRNA

DNA/RNA dsDNA

mRNA dsDNA

(+)ssRNA (−)ssRNA

dsRNA

Group V

Group I

Group III Group IV

Group II

Group VI Group VII

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virus +sRNA et dsRNA

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Icosaèdre et symétries

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Symétries d’un icosaèdre

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(32)

Nombre de triangulation = 3

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Structure RdRp birnavirus

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Motif C

2pgg : RdRp birnavirus (motif C, A, B) 2giq : RdRp virus hépatite (motif A, B, C)

GADD DN

orange : parties superposées 2pgg rouge : parties non superposées 2pgg bleu : parties non superposées 2giq cyan : parties superposées 2giq

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Structure RdRp birnavirus

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