Des scientifiques israéliens et tchèques ont recréé le parcours évolutif du coronavirus en laboratoire

Des scientifiques israéliens et tchèques ont recréé l’évolution du coronavirus en laboratoire, révélant les conditions propices à l’émergence de variants hautement contagieux. Une étape clé dans l’apparition de nombreuses pandémies se produit lorsqu’un virus d’origine animale infecte l’homme, puis évolue pour se propager plus efficacement d’une personne à l’autre. C’est pourquoi les scientifiques et les médecins surveillent de près les virus susceptibles de passer de l’animal à l’homme, tels que les souches émergentes de grippe aviaire et les coronavirus de chauve-souris, ainsi que les virus qui ont déjà infecté l’homme mais qui, pour l’instant, se transmettent peu entre humains, comme le hantavirus et Ebola. Des chercheurs ont désormais recréé en laboratoire, en quelques mois seulement, le parcours évolutif du coronavirus durant la pandémie de COVID-19, de la souche originale de Wuhan à l’émergence des variants Omicron hautement contagieux.

Cette avancée majeure est le fruit d’une nouvelle collaboration entre les laboratoires du Pr Gideon Schreiber de l’Institut Weizmann des Sciences et du Dr Jiří Zahradník de la Première Faculté de Médecine de l’Université Charles de Prague, ainsi que le Centre BIOCEV. Les résultats laissent entrevoir la possibilité, pour les scientifiques, de prédire l’évolution probable des virus et les conditions d’émergence de nouvelles vagues d’infection.

En août 2021, Gideon Schreiber et ses collègues ont publié les résultats d’une expérience d’évolution in vitro ayant identifié deux mutations dans le site de liaison du coronavirus. Ces mutations rendent le virus hautement contagieux en améliorant sa capacité à se lier aux récepteurs des voies respiratoires humaines. Environ trois mois plus tard, le variant Omicron a été identifié pour la première fois en Afrique du Sud et, après séquençage, les chercheurs ont découvert exactement les mêmes deux mutations. C’est à ce moment que Gideon Schreiber a compris que la méthode d’évolution in vitro développée dans son laboratoire pourrait potentiellement prédire des tournants majeurs dans le cours des pandémies.

L’évolution se déroule par mutations et sélection naturelle. Pour survivre et se propager, les virus se répliquent à grande vitesse, ce qui peut souvent entraîner des erreurs génétiques qui s’accumulent et produisent de nouveaux variants. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont répliqué le gène codant pour le site de liaison du coronavirus à l’aide d’un mécanisme délibérément sujet aux erreurs, simulant ainsi, en accéléré, l’apparition de mutations. À l’aide de cellules de levure de boulanger génétiquement modifiées, ils ont exposé des millions de variants obtenus à des récepteurs humains et, imitant la sélection naturelle, n’ont conservé que ceux qui se liaient encore avec succès. En répétant les cycles de mutation et de sélection, les scientifiques ont reconstitué l’évolution de l’interaction virus-humain tout au long d’une pandémie.

Au départ de cette course évolutive en éprouvette se trouvaient la souche originale de Wuhan et plusieurs variants apparus pendant la pandémie, notamment Alpha, Beta et Omicron. Les chercheurs ont examiné comment leurs sites de liaison ont évolué sous deux scénarios : une forte pression de sélection et une faible pression de sélection. Une forte pression de sélection correspond à une situation où seul un petit nombre de virus survit à chaque étape évolutive, permettant aux mutations avantageuses de devenir rapidement dominantes. L’expérience simulant ce scénario, menée à l’Institut Weizmann, était dirigée par Aviv Shoshany, membre de l’équipe du Pr Schreiber. En revanche, sous une faible pression de sélection, de nombreuses variantes virales survivent et les mutations avantageuses s’enrichissent sans pour autant dominer complètement le virus.

Ce scénario a été simulé par Ruojin Tian, ​​le Dr Miguel Padilla-Blanco et le Dr Martin Mokrejš, membres de l’équipe de Zahradník en République tchèque. « Quelle que soit la variante virale initiale, sous une forte pression de sélection, une variante remarquablement similaire à Omicron et à ses sous-variantes a émergé très tôt et a rapidement envahi toute la population», explique Gideon Schreiber. « La même trajectoire a été observée lors de la pandémie de coronavirus, qui n’a pas connu d’autre bouleversement majeur depuis l’apparition et la domination d’Omicron fin 2021. De fait, nous sommes parvenus à recréer fidèlement l’évolution du coronavirus chez des milliards de personnes sur une période de trois ans, le tout grâce à des expériences en laboratoire qui n’ont duré que quelques mois. »

« Certaines futures pandémies transmises des animaux aux humains pourraient suivre un chemin similaire : une évolution accélérée aboutissant à la dominance d’un variant viral hautement contagieux et spécifiquement adapté pour se lier aux récepteurs humains », prédit le Pr Schreiber. « Nous avons examiné si cela pouvait se produire avec le virus du SRAS (SARS-CoV-1), dont l’épidémie du début des années 2000 est restée limitée. Soumis à une évolution in vitro sous forte pression de sélection, un variant se liant très efficacement aux récepteurs des voies respiratoires a rapidement pris le dessus. La bonne nouvelle est que, grâce à sa similarité avec le coronavirus responsable de la pandémie, nous possédons probablement déjà une immunité partielle. »

Le processus évolutif menant à la dominance d’Omicron n’a pas été observé sous une faible pression de sélection, et des simulations informatiques ont permis d’en expliquer la raison. Lors du processus de mutation, plusieurs mutations peuvent parfois survenir simultanément. Si une mutation confère à un nouveau variant viral un avantage de survie et l’aide à dominer la population, d’autres mutations – neutres, voire délétères – peuvent se propager en même temps. Les simulations ont montré que sous une forte pression de sélection, les mutations avantageuses deviennent dominantes avant que les mutations associées n’aient le temps de s’accumuler. Sous une faible pression de sélection, en revanche, les mutations bénéfiques entraînent avec elles de nombreuses autres mutations, réduisant ainsi leur propre avantage de dissémination.

À ce jour, l’origine d’Omicron demeure un mystère, car il est génétiquement très différent des autres variants de coronavirus. Chez les individus sains, le système immunitaire élimine rapidement le virus, lui laissant peu de temps pour accumuler un grand nombre de mutations. Les chercheurs ont donc émis l’hypothèse qu’Omicron pourrait avoir émergé chez des individus immunodéprimés, dont l’infection peut persister pendant des mois. « Pour survivre dans leur organisme, le virus devait lutter sans cesse contre leur activité immunitaire résiduelle et infecter à plusieurs reprises les récepteurs des voies respiratoires », explique Gideon Schreiber.

« Ce sont précisément les conditions d’une forte pression de sélection, et notre étude montre qu’elles sont essentielles à l’émergence d’Omicron, confortant ainsi l’hypothèse selon laquelle ce virus est apparu chez des personnes immunodéprimées. Fait intéressant, lorsque nous avons initié la sélection à partir d’Omicron, des pressions de sélection fortes et faibles ont suffi à maintenir les séquences d’Omicron, expliquant ainsi la persistance de ce variant dans la population générale. Cela souligne l’importance de traiter correctement les affections immunodéprimantes telles que le SIDA avant qu’une nouvelle pandémie mondiale ne survienne, et de protéger les personnes immunodéprimées contre les infections et les maladies chroniques. »

Se lier ou échapper

Trois facteurs majeurs déterminent la survie d’un virus chez l’humain : l’infectiosité, la stabilité structurale et la capacité à échapper au système immunitaire. L’équilibre entre ces facteurs restait cependant inconnu. « Dans notre expérience d’évolution, à chaque étape, nous avons sélectionné les variants présentant la plus forte affinité pour le récepteur humain, et, sous une forte pression de sélection, nous avons également exigé leur stabilité à haute température », explique Gideon Schreiber. « Même si les virus n’avaient pas à affronter le système immunitaire, la plupart des mutations caractéristiques d’Omicron sont apparues. Cela montre que l’évolution du coronavirus a été principalement motivée par une infectiosité accrue. Néanmoins, l’analyse des bases de données a révélé qu’à mesure que l’immunité de la population augmentait, le virus commençait à accumuler des mutations de compromis, c’est-à-dire des mutations qui équilibrent l’infectiosité et l’échappement immunitaire. »

« La méthode d’évolution in vitro que nous avons développée pourrait être appliquée à l’avenir à d’autres virus préoccupants », ajoute-t-il. « Nous pourrons isoler les protéines virales et étudier leur évolution probable dans différents contextes. Notre approche permet d’identifier les variants dangereux avant qu’ils ne deviennent dominants, contribuant ainsi à concentrer les efforts sur la prévention des conditions propices à leur prolifération et à une préparation adéquate. »

Publication dans Nature Communications, 25 avril 2026

Ont également participé à cette étude Adam Hruška, Aditi Konar et la Dre Katarina Baxova de l’Université Charles de Prague (République tchèque), ainsi que le Dr Eyal Zoler du Département des sciences biomoléculaires de l’Université Weizmann. Les travaux du Professeur Gideon Schreiber sont financés par le Centre Abisch-Frenkel de thérapie par l’ARN, l’Institut Dr Barry Sherman de chimie médicinale et la Fondation Jack, Joseph et Morton Mandel.