Analysis of susceptibility to human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) by comparative genetics

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Summary [résumé français voir ci-dessous] From the beginning of the 20th century the world population has been confronted with the human immune deficiency virus 1 (HIV-1). This virus has the particularity to mutate fast, and could thus evade and adapt to the human host. Our closest evolutionary related organisms, the non-human primates, are less susceptible to HIV-1. In a broader sense, primates are differentially susceptible to various retrovirus. Species specificity may be due to genetic differences among primates. In the present study we applied evolutionary and comparative genetic techniques to characterize the evolutionary pattern of host cellular determinants of HIV-1 pathogenesis. The study of the evolution of genes coding for proteins participating to the restriction or pathogenesis of HIV-1 may help understanding the genetic basis of modern human susceptibility to infection. To perform comparative genetics analysis, we constituted a collection of primate DNA and RNA to allow generation of de novo sequence of gene orthologs. More recently, release to the public domain of two new primate complete genomes (bornean orang-utan and common marmoset) in addition of the three previously available genomes (human, chimpanzee and Rhesus monkey) help scaling up the evolutionary and comparative genome analysis. Sequence analysis used phylogenetic and statistical methods for detecting molecular adaptation. We identified different selective pressures acting on host proteins involved in HIV-1 pathogenesis. Proteins with HIV-1 restriction properties in non-human primates were under strong positive selection, in particular in regions of interaction with viral proteins. These regions carried key residues for the antiviral activity. Proteins of the innate immunity presented an evolutionary pattern of conservation (purifying selection) but with signals of relaxed constrain if we compared them to the average profile of purifying selection of the primate genomes. Large scale analysis resulted in patterns of evolutionary pressures according to molecular function, biological process and cellular distribution. The data generated by various analyses served to guide the ancestral reconstruction of TRIM5a a potent antiviral host factor. The resurrected TRIM5a from the common ancestor of Old world monkeys was effective against HIV-1 and the recent resurrected hominoid variants were more effective against other retrovirus. Thus, as the result of trade-offs in the ability to restrict different retrovirus, human might have been exposed to HIV-1 at a time when TRIM5a lacked the appropriate specific restriction activity. The application of evolutionary and comparative genetic tools should be considered for the systematical assessment of host proteins relevant in viral pathogenesis, and to guide biological and functional studies. Résumé La population mondiale est confrontée depuis le début du vingtième siècle au virus de l'immunodéficience humaine 1 (VIH-1). Ce virus a un taux de mutation particulièrement élevé, il peut donc s'évader et s'adapter très efficacement à son hôte. Les organismes évolutivement le plus proches de l'homme les primates nonhumains sont moins susceptibles au VIH-1. De façon générale, les primates répondent différemment aux rétrovirus. Cette spécificité entre espèces doit résider dans les différences génétiques entre primates. Dans cette étude nous avons appliqué des techniques d'évolution et de génétique comparative pour caractériser le modèle évolutif des déterminants cellulaires impliqués dans la pathogenèse du VIH- 1. L'étude de l'évolution des gènes, codant pour des protéines impliquées dans la restriction ou la pathogenèse du VIH-1, aidera à la compréhension des bases génétiques ayant récemment rendu l'homme susceptible. Pour les analyses de génétique comparative, nous avons constitué une collection d'ADN et d'ARN de primates dans le but d'obtenir des nouvelles séquences de gènes orthologues. Récemment deux nouveaux génomes complets ont été publiés (l'orang-outan du Bornéo et Marmoset commun) en plus des trois génomes déjà disponibles (humain, chimpanzé, macaque rhésus). Ceci a permis d'améliorer considérablement l'étendue de l'analyse. Pour détecter l'adaptation moléculaire nous avons analysé les séquences à l'aide de méthodes phylogénétiques et statistiques. Nous avons identifié différentes pressions de sélection agissant sur les protéines impliquées dans la pathogenèse du VIH-1. Des protéines avec des propriétés de restriction du VIH-1 dans les primates non-humains présentent un taux particulièrement haut de remplacement d'acides aminés (sélection positive). En particulier dans les régions d'interaction avec les protéines virales. Ces régions incluent des acides aminés clé pour l'activité de restriction. Les protéines appartenant à l'immunité inné présentent un modèle d'évolution de conservation (sélection purifiante) mais avec des traces de "relaxation" comparé au profil général de sélection purifiante du génome des primates. Une analyse à grande échelle a permis de classifier les modèles de pression évolutive selon leur fonction moléculaire, processus biologique et distribution cellulaire. Les données générées par les différentes analyses ont permis la reconstruction ancestrale de TRIM5a, un puissant facteur antiretroviral. Le TRIM5a ressuscité, correspondant à l'ancêtre commun entre les grands singes et les groupe des catarrhiniens, est efficace contre le VIH-1 moderne. Les TRIM5a ressuscités plus récents, correspondant aux ancêtres des grands singes, sont plus efficaces contre d'autres rétrovirus. Ainsi, trouver un compromis dans la capacité de restreindre différents rétrovirus, l'homme aurait été exposé au VIH-1 à une période où TRIM5a manquait d'activité de restriction spécifique contre celui-ci. L'application de techniques d'évolution et de génétique comparative devraient être considérées pour l'évaluation systématique de protéines impliquées dans la pathogenèse virale, ainsi que pour guider des études biologiques et fonctionnelles