Coronavirus SARS-CoV-2 : quelle importance revêt la mutation génétique D614G ?

Particules virales (en rouge) de coronavirus SARS-CoV-2 à la surface de cellules infectées. NIAID © Flickr

C’est l’histoire d’une mutation génétique qui a déjà beaucoup fait parler d’elle sur les réseaux sociaux et certains sites Internet depuis quelques temps. Surtout depuis le 30 avril dernier, date à laquelle un article posté sur le site de prépublication bioRxiv et émanant d’un laboratoire de recherche très connu a rapporté la présence d’une mutation dans le génome d’un très grand nombre de souches du coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la pandémie Covid-19. Ce preprint a été publié le 3 juillet dans la revue Cell.

Des chercheurs du Los Alamos National Laboratory (Nouveau-Mexique, Etats-Unis), en association avec une équipe britannique de l’université de Sheffield, ont détecté l’existence dans un nombre croissant de souches de coronavirus SARS-CoV-2 d’un changement d’un acide aminé au sein de la protéine spike (spicule) présente à la surface de l’enveloppe du SARS-CoV-2. Cette structure a tendance à se regrouper avec ses semblables pour former au niveau de l’enveloppe virale un ensemble composé de trois protéines S ou trimères. Ce sont ces trimères, ancrés à la surface de l’enveloppe des coronavirus qui leur donnent cet aspect caractéristique en forme de couronne en microscopie électronique. Ce changement d’acide aminé est la conséquence d’une mutation dans la région du génome qui code pour la protéine S. Cette mutation a été trouvée fin janvier 2020 en Chine et en Allemagne et le 20 février en Italie.*

Or cette protéine spike (S) joue un rôle clé dans l’infection virale. C’est elle qui permet au coronavirus de se fixer, via un domaine de liaison (receptor-binding domain, RBD), à un récepteur membranaire présent à la surface des cellules cibles. Ce récepteur est désigné sous le nom d’ACE2. En d’autres termes, la protéine virale S est la clé qui s’adapte à la serrure ACE2 présente sur les cellules hôtes. Après liaison au récepteur cellulaire ACE2, c’est encore la protéine S qui intervient dans la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane cellulaire, une étape cruciale puisqu’elle permet au virus d’entrer dans la cellule hôte pour ensuite s’y reproduire.

Dès lors, on comprend que toute mutation génétique se traduisant par une modification de la composition en acides aminés de la protéine S puisse potentiellement avoir d’importantes conséquences, tant sur le plan épidémiologique (en termes de transmission interhumaine) que sur le plan clinique en termes de sévérité de la maladie. Mais également en termes de recherche thérapeutique et vaccinale dans la mesure où la protéine S constitue la cible sur laquelle se concentre l’immense majorité des vaccins, anticorps et antiviraux en cours de développement contre le SARS-CoV-2.

Or on sait que le remplacement d’un seul acide aminé, conséquence du changement d’une lettre unique dans la séquence génétique d’un virus, peut conférer une résistance à des anticorps neutralisants, normalement capables d’empêcher l’infection virale des cellules cibles. Cela été déjà été observé avec les coronavirus MERS-CoV, responsable du syndrome respiratoire du Moyen-Orient, et le SARS-CoV-1, à l’origine du syndrome respiratoire aigu sévère.

Localisation de l’acide aminé D614 dans la configuration tridimensionnelle de la protéine S (spike) du coronavirus SARS-CoV-2. A : vue globale du repliement de la protéine. Korber B, et al. Cell. 2020.

Mutation D614G

Les biologistes moléculaires traquent donc depuis le début de la pandémie de Covid-19 l’apparition de variants génétiques à travers le monde en analysant les données de la banque GISAID qui réunit aujourd’hui plus de 30 000 séquences génétiques du SARS-CoV-2, virus à ARN.

C’est ainsi qu’ils ont détecté début avril 2020 l’apparition croissante de variants porteurs d’une mutation ponctuelle, baptisée D614G dans laquelle la lettre A est remplacée par la lettre G en position 23403 au sein de la séquence génétique du SARS-CoV-2 de la souche de référence de Wuhan. On rappelle que le génome, composé d’ARN, du SARS-CoV-2 renferme 29903 lettres ou nucléotides. La mutation D614G s’est produite dans la région codant pour la protéine spike (S). Dans cette protéine, cette mutation ponctuelle a provoqué le remplacement de l’acide aminé D614 (acide aspartique) par l’acide aminé G614 (glycine).*

Le variant porteur de la mutation D614G a émergé en Europe fin février 2020. Korber B, et al. Cell. 2020.

Variant le plus répandu dans le monde

Il se trouve que le variant SARS-CoV-2 porteur de la mutation D614G dans la région codant pour la protéine spike est devenu depuis avril 2020 la souche dominante de la pandémie Covid-19.

Il reste que l’on ne connaît toujours pas ce qui a mené ce variant (encore appelé clade) à s’imposer par rapport aux deux autres qui circulent dans le monde. « Ce variant porteur de la mutation D614G, ou clade G, représente aujourd’hui plus de 95 % des souches de SARS-CoV-2 qui circulent en France. C’est d’ailleurs également très rapidement devenu le clade dominant en Europe », déclare Étienne Simon-Lorière, directeur du groupe Génomique Evolutive des virus à ARN à l’Institut Pasteur (Paris). C’est le même variant, parti d’Europe, qui a ensuite gagné les continents nord et sud-américain. Il s’agit donc d’un variant différent de celui qui a circulé au tout début de l’épidémie de  SARS-CoV-2 en Chine. En fait, « à Wuhan, les trois variants ont circulé mais c’est le variant porteur de la mutation D614G qui s’est diffusé avec le plus de succès hors de Chine par la suite, en particulier en Europe et dans les Amériques », précise Étienne Simon-Lorière.

Quels mécanismes à l’œuvre dans l’émergence de ce variant prépondérant ?

Il reste à répondre à la question cruciale de savoir quels sont les facteurs ayant présidé à l’émergence de cette mutation D614G qui a finalement fini par s’imposer sous la forme de l’émergence d’un nouveau variant.

Comme pour tout virus à ARN, des erreurs surviennent à chaque cycle de réplication virale. Ces mutations, qui ne sont pas toutes corrigées, ont d’autant plus de chance de se produire que le génome des coronavirus est extrêmement long. Celui du SARS-CoV-2 comporte environ 30 000 bases, ce qui en fait le plus long des génomes des virus à ARN connus.

Après avoir largement diffusé dans la population humaine, les souches virales porteuses de la mutation D614G ont-elles fini par prédominer car cette dernière les rendait plus apte à survivre ou se transmettre ? Ce nouveau variant a-t-il émergé car ce virus a le mieux réussi à s’adapter à la pression exercée sur lui par le système immunitaire humain ? En d’autres termes, ce variant doit-il finalement sa diffusion à la sélection naturelle ?

Autre possibilité, après apparition aléatoire de la mutation D614G, celle-ci a-t-elle réussi à largement diffuser du fait que des personnes infectées par ces souches virales ont voyagé loin de l’épicentre de l’épidémie et contribué à propager ces souches dans de nouvelles populations ? Dans un tel cas, les virologues et généticiens parlent de « dérive génétique » pour désigner ce phénomène par lequel une mutation parvient à se diffuser par hasard au fil des générations.

Dans cette hypothèse, des facteurs épidémiologiques auraient donc grandement favorisé la diffusion des  souches virales porteuses de la mutation, ce variant parvenant finalement à s’implanter et s’imposer dans de nouvelles populations humaines d’autant plus facilement qu’il a été introduit à de nombreuses reprises dans des populations hors de Chine. Cela pourrait expliquer la plus grande diffusion de ce variant par rapport aux autres en Europe, son implantation préférentielle sur le continent européen, et de là sa prédominance sur les continents américains.

Comme le font remarquer des chercheurs de l’École de santé publique de l’université de Yale (Connecticut) dans un éditorial associé à l’article, il est souvent difficile de savoir, lorsqu’une mutation devient fréquente, si cela tient à une meilleure capacité réplicative du virus (fitness, dans le jargon de virologistes moléculaires) ou cela est simplement dû au hasard. Selon eux, il est donc encore plus compliqué de déterminer si une mutation est, à elle seule, capable modifier le cours d’une infection, a fortiori d’une pandémie. C’est pourtant la question qui se pose avec cette mutation D614G dans la pandémie Covid-19.

Les chercheurs du laboratoire national de Los Alamos émettent l’hypothèse que la diffusion rapide de la mutation G614 tient au fait qu’elle confèrerait au coronavirus SARS-CoV-2 une plus grande infectivité par rapport aux autres. Bette Korber et ses collègues montrent en effet que les échantillons biologiques de patients infectés par ce variant hébergent une charge virale plus élevée. Des résultats assez comparables ont été rapportés ces dernières semaines par des équipes américaines, chinoises et japonaises. 


Pseudo-particules porteuses de la protéine S du coronavirus

Les chercheurs ont également réalisé une expérience consistant à fabriquer des particules virales ressemblant à celles du coronavirus SARS-CoV-2 afin de savoir si elles avaient une plus grande capacité à infecter des cellules cibles. Pour ce faire, ils ont utilisé ce que l’on appelle des pseudo-particules virales. Il s’agit d’un autre virus que le coronavirus dans lequel on a remplacé la protéine d’enveloppe par l’un ou l’autre des variants de la protéine S du SARS-CoV-2. Pour le dire plus simplement,  les chercheurs ont « déguisé » des virus en coronavirus pour ce qui est de leur enveloppe.

Dans un système expérimental basé sur l’utilisation de pseudo-particules virales, le variant (à droite, porteur de l’acide aminé G614 dans la protéine S) se montre plus infectieux que la souche initiale porteuse de l’acide aminé D614 (à gauche). Korber B, et al. Cell. 2020.

Le but des chercheurs était de savoir si ces pseudo-particules virales dotées de la mutation D614G, et exprimant à leur surface une protéine S où G614 a remplacé D614, étaient plus infectieuses une fois mises en présence de cellules cibles. Cela est effectivement le cas. Les chercheurs ont dénombré 2 à 9 fois plus de pseudo-particules virales dans les cultures cellulaires après infection par des pseudovirus porteurs de l’acide aminé G614 dans leur protéine S que ceux dotés de l’acide aminé D614. Les particules porteuses de la mutation D614G sont donc plus capables que les autres d’entrer dans les cellules cibles dans ce modèle in vitro.

Des résultats similaires ont été rapportés par deux autres équipes, chinoise et japonaise, dans des articles postés les 12 et 15 juin derniers sur le site de prépublication bioRxiv. Enfin, une équipe du Scripps Research Institute (La Jolla, Californie) a également mis en ligne sur son serveur un article montrant que la présence de la mutation D614G s’accompagne d’une plus grande infectivité des pseudo-particules virales vis-à-vis de cellules cibles. Selon ces chercheurs, la mutation D614G contribuerait à une meilleure stabilité de la protéine S à la surface du virus. Ces protéines S auraient alors plus de facilité à se regrouper entre elles. L’ensemble de trois protéines S (trimères) adopterait une conformation stable à la surface du virus, plus apte à se lier au récepteur ACE2. Au total, la mutation D614G augmenterait donc la capacité du virus à infecter les cellules cibles.

La raison pour laquelle les chercheurs ont utilisé des pseudo-particules virales porteuses de la protéine S du SARS-CoV-2 tient au fait qu’il est extrêmement difficile de construire des coronavirus dont le génome, déjà extrêmement long, ne diffère que par une seule lettre. Ces technologies de clonage moléculaire, très lourdes et sophistiquées, n’ont été développées que dans de très rares laboratoires. Il est donc plus simple d’utiliser des virus dont le génome a été manipulé de telle façon qu’ils portent à leur surface des protéines S porteuses de l’acide aminé D614 ou G614 (correspondant à la mutation). Nul doute cependant que des équipes de recherche ont déjà entrepris de construire des clones infectieux de SARS-CoV-2 dont le génome extrêmement long ne diffère qu’au niveau de cette seule lettre.

Les limites inhérentes à un système in vitro

À ce jour, les données in vitro obtenues sur des cellules en culture et en utilisant un système expérimental ne reposant pas sur de véritables particules de coronavirus ne prouvent pas indubitablement que le variant SARS-CoV-2 porteur de la mutation G614 soit plus infectieux in vivo chez l’animal ou chez l’homme.

En effet, par définition, ces systèmes in vitro ne peuvent tenir compte des interactions qui se produisent dans un organisme entre le virus et son hôte, en particulier avec le système immunitaire, et dont dépend finalement la capacité d’infection et de transmission de l’agent infectieux. « Le nombre des protéines S à la surface de ces pseudo-particules virales, qui ne ressemblent aux coronavirus qu’au niveau de leur enveloppe, est cependant moins important que ce que l’on observe dans les vraies particules de SARS-CoV-2. Cela représente donc une des limites de cette approche expérimentale », fait remarquer Étienne Simon-Lorière. Ce système ne reproduit donc pas fidèlement l’infection naturelle par le SARS-CoV-2 dans des cellules cibles du système respiratoire.

Un précédent avec le virus Ebola

De fait, des expériences avec un autre virus épidémique, en l’occurrence le virus Ebola, avaient déjà identifié des mutations ponctuelles dont les systèmes in vitro semblaient montrer qu’elles renforcent le pouvoir infectieux du redoutable agent pathogène. Là encore, des mutations, notamment dans la protéine d’enveloppe (glycoprotéine GP), avaient émergé à un stade précoce de l’épidémie et s’étaient stabilisées. Là encore, il avait été montré que ces mutations étaient associées à une meilleure capacité réplicative (fitness) dans les cultures cellulaires, autrement dit à une réplication plus intense.

Par la suite, des expériences avaient été menées sur des souris et des singes macaques rhésus infectés par des virus Ebola porteurs ou non de ces mutations. À la grande surprise des chercheurs, ces mutations supposées conférer une plus grande pathogénicité au vu des données obtenues in vitro ne modifiaient finalement en rien le pouvoir infectieux du virus in vivo.

Comme le souligne un commentaire associé à l’article, « il est impossible de conclure qu’une unique mutation suffise à elle seule à avoir un impact majeur dans une population humaine importante et diverse sur la base de données d’infectivité et de fitness in vitro ». Et Nathan Grubaugh et ses collègues d’ajouter « S’il s’avère que le G614 est vraiment plus transmissible (…), alors oui, le virus sera plus difficile à contrôler. Mais nous ne pouvons pas répondre définitivement à cette question pour le moment ».

Illustration du coronavirus SARS-CoV-2. En vert, ancrée à la surface de l’enveloppe virale, la protéine Spike (S) qui s’assemble sous forme de trimères (groupements de trois protéines). © Fusion Medical Animation on Unsplash

Quel impact clinique ?

Cela dit, qu’en est-il des conséquences de l’émergence de la mutation D614G en termes de sévérité de la maladie ? En d’autres termes, le variant porteur de cette mutation provoque-t-il des infections plus sévères que les autres variants ? À ce jour, on ne dispose pas d’éléments allant dans ce sens. Certes, les chercheurs de Los Alamos ont trouvé que les patients infectés avec des SARS-CoV-2 contenant l’acide aminé G614 avaient une charge virale plus élevée mais ils soulignent ne pas observer pour autant de différence en termes de sévérité de la maladie Covid-19 chez les patients hospitalisés.

Ces observations vont dans le sens d’études montrant qu’il n’y a pas de corrélation entre charge virale et sévérité de la maladie. Les données disponibles montrent ainsi que d’autres facteurs, en particulier l’âge et l’existence de pathologies associées (comorbidités), comptent plus que la présence d’un variant SARS-CoV-2 porteur de la mutation D614G.

Quelles conséquences pour la recherche vaccinale ?

Si la présence d’un tel variant n’entraînait pas une plus grande transmission ou sévérité de la maladie, pourrait-elle cependant avoir des conséquences concernant la conception des médicaments et des vaccins actuellement en cours de développement ? Là encore, il semble que cela ne soit pas le cas dans la mesure où la mutation D614G ne se situe pas dans la protéine S au niveau du domaine de liaison (RBD), région indispensable à la reconnaissance par le virus de la porte d’entrée dans les cellules cibles.

La mutation D614G pourrait-elle avoir un impact sur la production des anticorps neutralisants, autrement dit sur la survenue de la réponse immunitaire ? La question est d’importance sachant que le but d’un vaccin contre le SARS-CoV-2 est principalement d’induire la production d’anticorps contre le virus.

Les chercheurs de Los Alamos rapportent que l’emplacement de l’acide aminé qui se trouve modifié par la mutation D614G ne semble pas influer sur la réponse immunitaire en anticorps. En effet, ils indiquent que les anticorps produits par des patients infectés par des variants dotés d’une protéine S avec acide aminé G614 reconnaissent également les variants dotés de l’acide aminé D614. En d’autres termes, le remplacement de l’acide aminé en position 614 dans la protéine S du fait de la mutation ne semble pas modifier la capacité d’un système immunitaire à produire des anticorps neutralisants. « Il est donc peu probable que la mutation D614G ait un impact majeur sur l’efficacité des vaccins actuellement en cours de développement », soulignent les auteurs de l’éditorial.

Part respective des coronavirus SARS-CoV-2 porteurs de l’acide aminé D614 ou G614 en Europe entre le 1er mars et fin mars 2020. Korber B, et al. Cell. 2020.

Traquer l’évolution moléculaire du virus

Que la mutation D614G soit le résultat d’une sélection naturelle ou d’une dérive génétique aléatoire, une chose est sûre : ce variant représente actuellement la grande majorité de la pandémie, insistent les auteurs du commentaire. Il est certes différent d’autres variants quant à certaines caractéristiques observées in vitro, mais il n’est pas clair que cela se traduise par une augmentation de sa transmission ou de son pouvoir infectieux.

« On ne sait donc pas aujourd’hui si cette mutation D614G confère ou non au SARS-CoV-2 la possibilité de garder plus longtemps une conformation des protéines S qui lui permettrait de se fixer plus facilement sur les cellules cibles et de les infecter. Cela dit, ce variant est d’ores et déjà celui qui est prédominant dans le monde entier. Ce variant s’est rapidement diffusé en l’espace d’un mois, entre début mars et début avril dernier. Cela ne change donc pas la donne aujourd’hui. Même si ce variant devait s’avérer un peu plus transmissible que les deux autres variants minoritaires, c’est avec ce virus qu’il faut compter aujourd’hui et l’on sait que les gestes barrières sont efficaces », commente Etienne Simon-Lorière.

Pour conclure, le grand mérite des travaux des chercheurs de Los Alamos, et d’autres équipes travaillant sur ce variant D614G, est de traquer, au plus près et en temps réel, l’évolution moléculaire du SARS-CoV-2, en particulier au niveau de la séquence génétique codant la protéine S de son enveloppe. Les données aujourd’hui disponibles ne peuvent qu’inciter à poursuivre les travaux en laboratoire et à conduire des expériences avec des modèles animaux afin de mieux évaluer l’impact potentiel de cette mutation (ou d’autres) sur la biologie de ce virus pandémique. Mais également à poursuivre, dans le même objectif, la recherche épidémiologique et clinique. La vigilance s’impose donc.

Marc Gozlan (Suivez-moi sur Twittersur Facebook

* La mutation D614G, en position 23403 dans le génome du SARS-CoV-2 qui compte 29903 nucléotides (souche de référence de Wuhan), s’accompagne presque toujours de trois autres situées à d’autres emplacements sur le génome. L’ensemble de ces quatre mutations génétiquement liées forment ce que l’on appelle un haplotype. Celui-ci était présent le 1er mars dans 10 % des 997 séquences génétiques analysées, dans 67% de plus de 14900 séquences entre le 1er et le 31 mars, et dans 78 % de plus de 12000 séquences analysées entre le 1er avril et le 18 mai. La première fois que cette combinaison de quatre mutations a été détectée remonte au 20 février dernier en Italie. Quelques jours tard, cet haplotype était repéré dans de nombreux pays européens.    
 

Pour en savoir plus :

Korber B, Fischer WM, Gnanakaran S, Yoon H, Theiler J, Abfalterer W, Hengartner N, Giorgi EE, Bhattacharya T, Foley B, et al. Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus. Cell. 2020.

Grubaugh ND, Hanage WP, Rasmussen AL. Making sense of mutation: what D614G means for the COVID-19 pandemic remains unclear. Cell. 2020. doi: 10.1016/j.cell.2020.06.040

Hu J, He CL, Gao QZ, Zhang GJ, Cao XX, Long QX, Deng HJ, Huang LY, Chen J, Wang K, et al. The D614G mutation of SARS-CoV-2 spike protein enhances viral infectivity and decreases neutralization sensitivity to individual convalescent sera. bioRxiv. Posted June 20, 2020.

Lorenzo-Redondo R, Nam HH, Roberts SC, Simons LM, Jennings LJ, Qi C, Achenbach CJ, Hauser AR, Ison MG, Hultquist JF, et al. A Unique Clade of SARS-CoV-2 Viruses is Associated with Lower Viral Loads in Patient Upper Airways. medRxiv. Posted June 21, 2020.

Marzi A, Chadinah S, Haddock E, et al. Recently Identified Mutations in the Ebola Virus-Makona Genome Do Not Alter Pathogenicity in Animal Models. Cell Rep. 2018;23(6):1806-1816. doi:10.1016/j.celrep.2018.04.027

Ozono S, Zhang Y, Ode H, Seng TT, Imai K, Miyoshi K, Kishigami S, Ueno T, Iwatani Y, Suzuki T, et al. Naturally mutated spike proteins of SARS-CoV-2 variants show differential levels of cell entry. bioRxiv. Posted June 15, 2020.

Wagner C, Roychoudhury P, Hadfield J, Hodcroft EB, Lee J, Moncla LH, Müller NF, Behrens C, Huang ML, Mathias P, et al. Comparing viral load and clinical outcomes in Washington State across D614G mutation in spike protein of SARS-CoV-2.  



Zhang L, Jackson CB, Mou H, Ojha A, Rangarajan ES, Izard T, Farzan M, Choe H. The D614G mutation in the SARS-CoV-2 spike protein reduces S1 shedding and increases infectivity. bioRxiv. Posted June 12, 2020.

Sur le web :

Origine et évolution du SARS-Cov-2 (Académie des Sciences, 11 juin 2020)