Aller au contenu. | Aller à la navigation

Outils personnels

Plateforme - ACCES
Navigation
Vous êtes ici : Accueil / Thématiques / Microbes, Immunité et Vaccination / Dossiers thématiques / Microbiote et pathogènes / Activité pédagogique sur l’apparition et la propagation de nouveaux variants du SARS-CoV-2

Activité pédagogique sur l’apparition et la propagation de nouveaux variants du SARS-CoV-2

Par Laure Willhelm — Dernière modification 01/03/2021 13:58
Activité permettant d'identifier les mutations apparues chez les variants du coronavirus et de modéliser la propagation d'un variant dans une population humaine, afin de comprendre pourquoi les variants du SARS-CoV-2 se propagent rapidement.

 

L’apparition et la propagation de nouveaux variants du SARS-CoV-2

Le gouvernement britannique a annoncé, à six jours de Noël, que des chercheurs avaient identifié un nouveau variant du coronavirus SARS-CoV-2. Le génome de ce variant comporte un nombre de mutations plus important que la plupart des autres variants. Le nombre des cas d’infections par ce nouveau variant, de même que le nombre de régions concernées, augmente rapidement. Ce nouveau variant est nommé VUI 202012/01 et appartient à un lignage, autrement dit à un sous-groupe de virus apparentés génétiquement, baptisé B.1.1.7. Par ailleurs, sur la base de modélisations, le gouvernement britannique a déclaré que le nouveau variant se transmettait d'individu à individu avec une efficacité jusqu'à 40 à 70% plus élevée que le virus d'origine.

Proportion des variants VUI-202012/01 parmi tous les isolats récemment séquencés au Royaume-Uni entre la 38ème et 47ème semaine de 2020. Base de données GISAID EpiCoV, cité par ECDC. 

.

D’autres variants se propageant rapidement ont également été découverts et sont originaire du Brésil (variant P.1, appartenant au lignage B.1.1.28) et d’Afrique du Sud (variant baptisé 501Y.V2 appartenant au lignage B.1.351).

Marc Gozlan, Royaume-Uni : un variant du coronavirus SARS-CoV-2 porteur de nombreuses mutations. Le Monde. Décembre 2020

Marc Gozlan, Covid-19 : le défi des nouveaux variants. Le Monde. Janvier 2021.

 

Problématique : Pourquoi ces nouveaux variants se propagent-ils rapidement dans la population ?

Document 1 : Sélection naturelle et effet fondateur chez les virus à ARN tels que le SARS-CoV-2
Les virus à ARN ont généralement des taux de mutation plus élevés que les virus à ADN.  Dans la plupart des cas, le sort d'une mutation nouvellement apparue est déterminé par la sélection naturelle. Les mutations qui confèrent un avantage compétitif en ce qui concerne la réplication virale, la transmission ou l’échappement à l'immunité augmenteront en fréquence, et celles qui réduisent la capacité virale ont tendance à être éliminées de la population de virus en circulation. Cependant, les mutations peuvent également augmenter et diminuer en fréquence en raison d'événements fortuits. Par exemple, un «effet fondateur» se produit lorsqu'un nombre limité de virus individuels établit une nouvelle population virale puis que l’évolution de la fréquence des variants dans la population virale se fait par dérive génétique.
Les virus dont le génome présente une séquence différente sont appelés variants. Deux variants peuvent différer par une mutation ou plusieurs. 
Lorsqu’un variant se répand dans la population humaine alors que le nombre de cas de SARS-CoV-2 sont déjà importants et qu’il devient dominant au sein de la population virale, alors ceci suggère fortement la sélection naturelle d'un variant qui a un avantage compétitif. 
 
Adam S. Lauring, MD, PhD1; Emma B. Hodcroft, PhD. Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean? JAMA. 2021.

A partir de l’exploitation du document 1, proposez une hypothèse à la problématique.

 

Étape 1 : Identification des mutations de la protéine de surface Spike chez les variants du SARS-CoV-2

1- Ouvrir le fichier suivant sur Anagène « Protéine Spike Variants SARS-CoV-2.edi »

 
2- Identifier les différences entre les séquences protéiques de la protéine Spike (protéine de surface du virus) entre les variants et la séquence de référence.
 
3- Identifier les mutations communes aux variants étudiés.

 

4- Déterminer à l’aide du logiciel Rastop et du fichier « RBDproteinS-ACE2 » si les  acides aminés modifiés par ces mutations sur la protéine Spike  font partie du domaine de liaison de la protéine Spike du virus avec ACE2. L’interaction de la protéine Spike de surface du virus avec le récepteur membranaire ACE2 permet un changement de conformation de la structure spatiale de la protéine Spike nécessaire à l’entrée du virus dans les cellules.
 
  Un aperçu du domaine de liaison de la protéine Spike avec son récepteur ACE2 est visible ci contre.
 
 
5-A l’aide de l’exploitation des résultats précédents et du document 2 ci-dessous, proposer une explication à la propagation rapide des variants du SARS-CoV-2. 
                                          
 
 
Document 2 : Conséquence de la mutation identifiée chez les variants, sur l’infection chez la souris
 
Des expérimentations ont été menées chez la souris. Un séquençage du génome d’un variant du coronavirus ayant infecté un des lots de souris a révélé un panel de mutations potentiellement associées à un avantage compétitif, favorisant en particulier sa capacité d’infection. 
Comparé à la souche d’origine du SARS-CoV-2, le variant ayant été détecté dans ce lot de souris contient cinq mutations nucléotidiques. Une de ces mutations a entraîné une substitution du 501ème acide aminé asparagine (N) en tyrosine (Y) dans le domaine de liaison de la protéine Spike, qui est supposée être responsable de la reconnaissance du récepteur ACE-2.
Une modélisation structurale a également suggéré que cette substitution dans le domaine de la protéine Spike a augmenté la force d’interaction de cette protéine  au récepteur ACE2 de la souris (figure ci-dessous).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Modélisation d’ACE2 (rose) en complexe avec le domaine de liaison de la protéine Spike du SARS-CoV-2 (vert) avec l’asparagine N501 (à gauche) ou la tyrosine Y501 (à droite).
La valeur indiquée correspond à l’énergie de la liaison entre le résidu (l’acide aminé) et ACE2 ce qui peut se traduire en force d’interaction. 
 

Étape 2 : pour vérifier votre hypothèse, modélisez à partir du logiciel l’évolution de la population virale selon l’hypothèse proposée.

Aller sur le logiciel en ligne Edu’modèles : https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/index.htm?expert=0

1- Modifier les paramètres de l’environnement : 50 lignes et 50 colonnes

2- Ajouter des nouveaux agents correspondant aux individus sains immunisés ou non et aux individus infectés par le coronavirus initial ou par un nouveau variant.
Les différents agents :
Sain non immunisé : probabilité de déplacement de 100 %, demi-vie de 0 (infinie), nombre au départ de 200 pour la première modélisation.
Sain immunisé : probabilité de déplacement de 100 %, demi-vie de 0 (infinie), nombre au départ de 0 pour la première modélisation.
Infecté coronavirus initial: probabilité de déplacement de 100 %, demi-vie de 0 (infinie), nombre au départ de 1.
Infecté nouveau variant : probabilité de déplacement de 100 %, demi-vie de 0 (infinie), nombre au départ de 0.

 

 

3- Puis ajouter les règles du modèle :
Règle de transmission du coronavirus initial : Établir un âge minimal (nombre de tours du modèle) de 50 et une probabilité de réaction de 25 % : le contact entre les 2  réactifs « sain non immunisé » et « infecté coronavirus initial » conduira à la production d’un produit «  infecté coronavirus initial » dans une probabilité de 25 %. Cocher les cases permettant au produit « infecté coronavirus initial » de se trouver à la même case que le réactif initial  « infecté coronavirus initial » et d’hériter de son « âge » puis cocher la case permettant au produit « infecté coronavirus initial » de se retrouver à la place du « sain non immunisé ».

 

Procéder de façon comparable pour ajouter la nouvelle règle de transmission du nouveau variant sauf qu’on considère que ce variant se transmet 60 % plus (il faut donc modifier la probabilité de transmission).

 

 

Puis ajouter une règle de guérison pour le coronavirus initial: l’individu « infecté coronavirus initial » va donner un individu « sain immunisé » avec une probabilité de 2 % à chaque tour, on ajoute une durée nécessaire à la guérison, soit 700 tours. Ne pas oublier de cocher la case permettant au « sain immunisé » de prendre la même place que l’individu « infecté coronavirus initial ».
On ajoute, avec les mêmes paramètres, une règle de guérison pour le variant du coronavirus.

4- Faire tourner le modèle pendant 1000 tours et observer l’évolution des différents agents sur les courbes obtenues. Puis faites une seconde modélisation en remplaçant l’individu infecté par le coronavirus initial par un individu infecté par un nouveau variant. Et enfin faites une troisième modélisation en mettant un individu infecté par le coronavirus initial et un individu infecté par le nouveau variant. Plusieurs modélisations successives peuvent être faites pour les mêmes paramètres de départ.

5 -Exploiter et comparer les résultats obtenus pour décrire et expliquer la propagation du coronavirus initial et du nouveau variant dans la population. 

 

Aides et exemples de résultats obtenus.