Adaptation à l’habitat chez les punaises hématophages responsables de la maladie de Chagas : évolution des gènes chimiosensoriels

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Evolution Génome Comportement Ecologie
Université Paris Sud Master AMI2B

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Rapport de stage
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Introduction

L’équipe

L’UMR Evolution, Génomes, Comportement, Ecologie (EGCE, CNRS-IRD-Université Paris Sud) est localisée sur le campus du CNRS de Gif-sur-Yvette et est dirigé par une équipe de direction composée d’une directrice Catherine Montchamp-Moreau (DR. CNRS) et de deux co-directrices Myriam Harry (PR, Univ. Paris Sud) et Dominique Joly (DR. CNRS). Cette unité comporte environ 70 personnes, dont 53 permanents (33 chercheurs et enseignants-chercheurs, 20 techniciens et ingénieurs). La ligne directrice du projet de l’unité est l’évolution, avec comme objectif fédérateur la compréhension des processus évolutifs et le rôle que jouent ceux-ci tant dans les processus développementaux qu’écologiques. Indispensable au progrès des connaissances dans tous les champs de la biologie, cette compréhension est également nécessaire pour appréhender de multiples questions sociétales touchant en particulier à la conservation et à la gestion de la biodiversité, ainsi qu’à l’agronomie et la santé. J’ai évolué au sein de l’équipe ”Diversité, écologie et évolution des insectes tropicaux” (DEEIT) animée par Laure Kaiser-Arnaud qui comporte 8 chercheurs et enseignants chercheurs, 2 ingénieurs, un technicien, 4 thésards, 4 stagiaires de M2. Cette équipe s’intéresse aux réponses des insectes tropicaux suite aux changements globaux, notamment anthropiques.

J’ai effectué mon stage sous la direction de Myriam Harry. Son groupe travaille sur la réponse adaptative des vecteurs de la maladie de Chagas et sur le processus de domiciliation. La domiciliation décrit l’adaptation aux habitations humaines d’espèces vivant jusqu’alors dans un milieu sauvage (sylvatiques). Depuis quelques années, l’équipe s’intéresse au système chimiosensoriel des insectes, car il permet aux insectes d’interagir avec leur environnement, pour la reconnaissance de leur habitat, de leurs hôtes, de leurs partenaires sexuels. Les gènes intervenant dans ce système appartiennent à des familles multigéniques et évoluent rapidement. Ceci en fait de bons candidats dans l’optique de la recherche de gènes impliqués dans les processus adaptatifs liés à des pressions de sélection. Ce type d’étude nécessite des données de séquençage à haut débit chez des différentes espèces d’habitat domicilié / non domicilié ou en voie de domiciliation. Des données génomiques permettent de retracer l’évolution de ces gènes (gain de gènes par événement de duplication/ perte de gènes) et des données transcriptomiques permettent d’appréhender les gènes exprimés, la diversité des protéines produites (isoformes), ou la différence d’expression des gènes selon l’origine des insectes. Cependant, pour des insectes non modèles comme les vecteurs de la maladie de Chagas, un génome ou des transcriptomes de référence sont requis pour l’annotation des gènes et des transcrits. Myriam Harry et son groupe ont participé à l’annotation des gènes chimiosensoriels du génome de référence de Rhodnius prolixus (Mesquita 2015), un transcriptome de référence a été publié pour deux espèces, Triatoma brasiliensis (Marchant 2015) et Rhodnius prolixus (Marchant 2016). De plus, deux catégories de protéines chimiosensorielles (Odorant Binding Proteins, Chemosensory Proteins) ont été annotées chez huit espèces de Rhodnius (Marchant 2016a). Ces travaux ont été financés par le projet ADAPANTHROP, deux projet IDEEV et un projet BASC.

L’objectif de mon stage était - à partir de données transcriptomiques i) d’annoter les autres protéines chemosensorielles chez ces différentes espèces de Rhodnius, ii) de regarder les variants protéiques (isoformes), iii) de regarder si les séquences des transcrits portaient des traces de sélection - à partir de la comparaison des données transcriptomiques et génomiques iv) de confirmer les variants protéiques, v) de regarder l’évolution des gènes (paralogues/orthologues), - à partir des données génomiques vi) de regarder si les gènes chimiosensoriels portaient des traces de sélection. Le nombre restreint d’espèces étudiées durant mon stage ne permet pas de faire des corrélations statistiquement fiables entre le nombre de gènes ou de transcrits et le processus de domiciliation mais constitue un jeu de données initiales. Le but appliqué sur le long terme de telles études est de mettre au point un brouillage sensoriel afin de protéger les habitations de la colonisation des vecteurs et/ou de perturber la reconnaissance des partenaires sexuels et faire décliner les effectifs des populations.

La maladie de Chagas

La maladie de Chagas est une maladie parasitaire touchant près de 7 millions de personnes, selon l’OMS (WHO, 2016), endémique en Amérique Latine. Cette maladie présente deux phases :

  • une phase aigüe (peu après l’infection), le plus souvent asymptomatique (95% des cas), mais pouvant se présenter sous diverses formes : fièvre, vomissement, diarrhée, anorexie, signe de Romaña (œdème péri-orbitaire) conduisant à la mort dans 5-10% des cas symptomatiques suites à des infections cardiaques et/ou mémingées notamment chez les jeunes enfants;

  • une phase chronique, qui se déclenche après plusieurs années, et entraîne dans 40 à 80% des cas des problèmes digestifs et/ou cardiaques pouvant entraîner la mort du patient.

La maladie est causée par le parasite Trypanosoma cruzi(Kinetoplastidae, Trypanosomatidae). Ce parasite est rejeté avec les fécès de l’insecte vecteur, près du point de piqûre infligé par l’insecte, lorsque celui-ci se nourrit. Cela permet au parasite d’infecter son futur hôte en passant par la blessure (Clayton 2010).

Il existe d’autres modes de transmission non vectorielle, par transfusion sanguine, par voie transplacentaire, ou par voie orale. Dans ce dernier mode de contamination fulgurant causant la mort des personnes contaminées, des jus de palme sont contaminés par des insectes infectés broyés lors de la fabrication artisanale des jus. Du fait de ces différents modes de contamination et de la mondialisation permettant le déplacement des populations, depuis plusieurs décennies la maladie de Chagas est aussi rencontrée chez des patients vivant en zone non-endémique, dans le reste du monde. En France, des cas sont retrouvés en Guyanne française (qui fait partie de la zone endémique) mais aussi en métropole notamment en région parisienne du fait de l’émigration.

Les vecteurs de la maladie sont des punaises hématophages (ordre des Hémiptères) de la famille des Reduviidae et de la sous-famille des Triatominae. Tous les stades de punaises sont hématophages et sont susceptibles de transmettre le parasite. Plusieurs espèces sont particulièrement impliquées dans la transmission de ce parasite (Figure  \ref{fig:vecteur}), notamment chez le genre Triatoma : l’espèce Triatoma brasiliensis (située principalement à l’est du Brésil), T. infestans (au nord de l’Argentine et au sud du Pérou), T. dimidiata (au nord de l’Amérique Centrale), Panstrongylus megistus (au sud du Brésil) et chez le genre Rhodnius : principalement l’espèce prolixus (en Amérique Centrale), mais d’autres espèces de ce genre sont aussi domiciliées comme R. pallescens ou en voie de domiciliation telles que : R. nasutus et R. neglectus.

Figure 1: Distribution des 20 principaux vecteurs de la maladie de Chagas en Amérique du Sud, d’après —(Gourbiere 2012)

Les vecteurs de la maladie de Chagas

En absence de vaccin, de chimioprophylaxie ou de moyens curatifs à large échelle (la prise en charge de la maladie demande une hospitalisation et une surveillance étroite), le seul moyen de lutter efficacement contre la maladie consiste en l’éradication des vecteurs en utilisant des insecticides chimiques (Dias 2002). Les campagnes de lutte vectorielle ont permis de diviser par deux la prévalence de la maladie en cinquante ans, et d’éliminer de certains pays R. prolixus et T. infestans, deux vecteurs principaux de la maladie de Chagas. Cependant, le problème persiste du fait de la recolonisation des habitations après traitement par d’autres vecteurs venant du milieu sylvatique. Certaines espèces ne font que des visites sporadiques mais ne s’établissent pas alors que d’autres se domicilient. Il est donc important de comprendre les mécanismes de l’adaptation de ces punaises aux environnements anthropiques.

Je me suis particulièrement intéressé à différentes espèces du genre Rhodnius. Ce genre comporte 21 espèces regroupées en 3 complexes majeurs d’espèces définis d’après différents caractères (morphologiques, écologiques, génétiques). Le complexe prolixus que nous avons particulièrement étudié regroupe les espèces : R. prolixus, R. robustus, R. nasutus, R. neglectus, ainsi que deux espèces nouvellement décrites proches de R. robustus, R. montenegrensis et R. barretti. Le complexe pallescens comporte les espèces R. pallescens, R. colombiensis et R. ecuadoriensis. Le complexe pictipes comporte quatre espèces dont R. pictipes. Les autres espèces ne sont pas regroupées dans des complexes. La figure \ref{fig:arbre_parcimonie} présente une phylogénie des principales espèces de Rhodnius d’après des données mitochondriales (Monteiro 2000).

Figure 2: Arbre réalisé par la méthode du maximum de parcimonie, basé sur des jeux de données de trois fragments de gènes (un fragment du cytochrome b mitochondrial, un fragment de l’ARN de la grande sous-unité ribosomique et la région nucléaire D2 de l’ARN ribosomique 28S) pour 10 espèces de Rhodnius et Psammolestes tertius. Triatoma infestans a été utilisé comme groupe externe. Les nombres en gras au dessus des lignes sont les valeurs de bootstrap (seul les valeurs supérieures à 50 sont affichées). Les nombres sous les lignes sont les nombres de pas évolutifs.

On distingue trois habitats pour ces vecteurs de la maladie de Chagas : (i) sylvatique, où les punaises vivent dans un environnement sauvage, (ii) péri-domicilié, où les punaises vivent au contact des animaux domestiques, dans des poulaillers ou d’autres bâtiments situés en dehors des habitations humaines, et (iii) domicilié, où les punaises vivent au sein même des habitations humaines. Il est donc important de comprendre les mécanismes de l’adaptation de ces punaises aux environnements anthropiques. Ces punaises suivent un rythme circadien : leur taux d’activité est au plus haut à l’aube et au crépuscule, moment où elles se mettent en quête d’un repas (Lazzari 1992). Elles possèdent plusieurs façons de détecter les mammifères : par différents composés volatiles (en particulier le \(CO_{2}\)), par la chaleur et par le taux d’humidité. Leur vision est très peu sollicitée (Lazzari 201