Évolution de la virulence des parasites : apports des modèles ...
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Évolutiondelavirulencedesparasites:apportsdesmodèlesemboîtés
ThèsededoctoratprésentéeparSamuelAlizonpourobtenirlegradededocteurdel’Université
Paris6–PierreetMarieCurie(spécialité:diversitéduvivant).
CettethèseaétédirigéeparMinusvanBaalen.
La soutenance a eu lieu le 24 octobre 2006 à l’Université Paris 6 devant un jury composé de
Sylvain Gandon, Sam P. Brown, Andrea L. Graham, Jean Baptiste André, Régis Ferrière et Minus
vanBaalen.
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Laboratoire« Fonctionnementetévolutiondessystèmesécologiques»
UnitéMixtedeRechercheCNRS,ENS,UPMC7625
eUniversitéParis6–PierreetMarieCurie,BâtimentA,7 étage,casecourrier237
7quaiSaint Bernard,75252PARISCedex05 Remerciements
Je tiens d’abord à remercier Minus van Baalen qui a accepté de m’encadrer en thèse bien que
m’ayant déjà supporté en DEA. Il m’a fait partager sa passion pour les questions d’évolution tout
en m’apportant les moyens de les aborder. Cette thèse doit énormément à ses connaissances ency
clopédiques sur tout ce qui a trait à l’écologie ou l’évolution, à son esprit d’analyse, son «flair»
scientifique,sapédagogieetsabonnehumeur.
Je tiens ensuite à remercier Sylvain Gandon, Sam P. Brown, Andrea L. Graham, Jean Baptiste
AndréetRégisFerrièrepouravoiracceptédeparticiperàmonjurydethèse.
FrançoisTaddeietOliverKaltzontacceptédeconstituermoncomitédethèse.Iln’yeutqu’une
seuleréunion,maisellefuttrèsfructueuse!
Le travail de thèse est un travail d’équipe. À ce titre, je salue d’abord Sébastien Lion qui a
partagé avec ...

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Langue Français
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Évolutiondelavirulencedesparasites:apportsdesmodèlesemboîtés ThèsededoctoratprésentéeparSamuelAlizonpourobtenirlegradededocteurdel’Université Paris6–PierreetMarieCurie(spécialité:diversitéduvivant). CettethèseaétédirigéeparMinusvanBaalen. La soutenance a eu lieu le 24 octobre 2006 à l’Université Paris 6 devant un jury composé de Sylvain Gandon, Sam P. Brown, Andrea L. Graham, Jean Baptiste André, Régis Ferrière et Minus vanBaalen. ————————————————————— Laboratoire« Fonctionnementetévolutiondessystèmesécologiques» UnitéMixtedeRechercheCNRS,ENS,UPMC7625 eUniversitéParis6–PierreetMarieCurie,BâtimentA,7 étage,casecourrier237 7quaiSaint Bernard,75252PARISCedex05 Remerciements Je tiens d’abord à remercier Minus van Baalen qui a accepté de m’encadrer en thèse bien que m’ayant déjà supporté en DEA. Il m’a fait partager sa passion pour les questions d’évolution tout en m’apportant les moyens de les aborder. Cette thèse doit énormément à ses connaissances ency clopédiques sur tout ce qui a trait à l’écologie ou l’évolution, à son esprit d’analyse, son «flair» scientifique,sapédagogieetsabonnehumeur. Je tiens ensuite à remercier Sylvain Gandon, Sam P. Brown, Andrea L. Graham, Jean Baptiste AndréetRégisFerrièrepouravoiracceptédeparticiperàmonjurydethèse. FrançoisTaddeietOliverKaltzontacceptédeconstituermoncomitédethèse.Iln’yeutqu’une seuleréunion,maisellefuttrèsfructueuse! Le travail de thèse est un travail d’équipe. À ce titre, je salue d’abord Sébastien Lion qui a partagé avec moi bon nombre d’heures de discussions, de programmation, de cours, de séminaires et de déjeuners. En ce qui concerne l’équipe au sens propre, je remercie toute l’équipe d’Éco ÉvolutionMathématiquedeRégisFerrièreetsurtoutnotre«G.O.»,AmauryLambert,quiapermis desréunionshebdomadaires(etdespiques niques)surbiendessujetspassionnants. Merci à Romain Gallet et à tout le réseau Pseudomonas fluorescens du laboratoire d’écologie quim’ontinitiéauxjoiesdelacollaborationavecdesexpérimentateursetm’ontmontréquemalgré desapprochesdifférentesnousavonsdesintérêtscommuns. Merci encore à Jacob Koella, Louis Lambrechts et Simon Fellous qui ont passé du temps pour m’expliquerlescomplexitésdupaludismeetsesaspectsépidémiologiques. JevoudraisaussiremercierFrançoisTaddeietArielLindner(ettouslesmembresd’AIV)pour m’avoirproposédeservirde«cobaye»pourleurformationdoctoraleinterdisciplinaire.Cefutune expériencescientifiqueethumainetrèsriche. Enfin, parmi les chercheurs que j’ai côtoyés pendant ces années de thèse je voudrais remercier Yannis Michalakis pour ses conseils, en belote comme en recherche, Rémy Froissart pour toutes cesdiscussions,scientifiquesetautres,Jean BaptisteAndrépoursesconseilsetsonenthousiasme, SylvainGandonpoursesavissurmesmanuscrits,OlivierTenaillonpoursesséminairesd’évolution sistimulantsetVincentJansenpouravoirpoursuiviunecollaborationdepuis5ansdéjà.Mercienfin àTroyDaypoursescommentairessurlechapitreV. La recherche ne saurait être selon moi dissociée de l’enseignement. Je tiens donc d’abord à remercier Amaury Lambert, cette fois en tant que tuteur pédagogique, pour m’avoir appris que ce quin’estpasrépétéaumoinstroisfoisencoursnesertàrien.MerciaussiàJoëlPothieretPhilippe Andreyquiontguidémespremierspasd’enseignanteninformatique. Grâce à Régis Ferrière, Florence Hulot, David Laloi et François Sarrazin, j’ai eu la chance d’enseigner l’écologie et l’évolution. Ce fut un gros travail, mais il m’a permis de faire le point 2 sur mes connaissance et d’apprendre bien des choses. Je salue aussi les autres compagnons d’en seignement qu’ont été Johanna Clémencet, Mathias Gauduchon, Sébastien Lion, Jérôme Mathieu, FlorenceNoel,GrégoryPauletXavierRaynaud. Je n’ai découvert les problématiques relatives à l’histoire de l’évolution de la virulence que tardivement et regrette de n’avoir eu le temps de les approfondir. Je souhaite toutefois remercier chaleureusement Michel Morange, bien que nos échanges soient récents. Il m’a rapidement fait connaître des articles éclairants sur le sujet, ce qui a donné un peu plus de consistance au versant «historique»decettethèse.Toujoursdanslesscienceshumaines,jeremercieaussiThomasPradeu quim’afaitdécouvrirtoutelarichessed’idéesquelesphilosophespeuventapporteràlarecherche enbiologie. Mener de front un travail scientifique tout en participant aux mobilisations pour défendre la recherche fut éreintant en 2003, mais ce fut aussi une expérience unique. Je tiens donc à saluer ici Amaury, Cathy, Diane, Dominique, Emmanuelle, Etienne, Florence, Florent, François, Georges, Guillaume,Isabelle,Julien,Marion,Mathieu,Medhi,Pierre,Philippe,Rémy,Seb,Stéphanie,Tho mas,Tristan,Yasmine,Wenceslasetbiend’autres... L’illustration de la couverture a été réalisée par Fanny. Grâce au travail de relecture d’Anne, Michel, Sébastien et surtout d’Hélène, j’ai pu clarifier des passages de la thèse et supprimer de nombreuse coquilles. De son coté, Minus a permis que la version anglaise ne soit pleine de «fren chisms». Jetermineraienremercianttou te slesmembresdeslaboratoiresd’écologieetdeparasitologie quiontfaitdecetteexpériencescientifiqueuneexpériencehumaine. Sommaire Sommaire 3 1 Introduction 4 1.1 L’hommeetsesparasites:uncombatcontrel’Hydre? . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Quesontlesparasites? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Lesparasitesévoluentvite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3 Lamédecinedarwinienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Modélisationdel’évolutiondelavirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Qu’estcequelavirulence? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 «Sagessetraditionnelle» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.3 Compromisévolutifentretransmissionetvirulence . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.4 Virulenceettyped’interactionhôte parasite . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.5 Gestiondelavirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.6 Évolutiondelaetsystèmeimmunitaire . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3 Modèlesemboîtésetévolutiondelavirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.1 Importanced’uneapprochemathématique . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.2 Modèlesintra hôtesetsystèmeimmunitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.3 Compromisévolutifentretransmissionetvirulence . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.4 Applicationdumodèlegénéralàdescasparticuliers . . . . . . . . . . . . 29 1.3.5 Infectionsmultiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2 Modélisationdusystèmeimmunitaire 31 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Importanced’unemodélisationexplicite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1 Prédireledevenird’uneinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2 Leslymphocytescommecible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.3 Immunologieécologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.4 Laréponseimmunitaire:unepressiondesélectionsurleparasite . . . . . 34 2.2.5 Coûtdelaréponseimmunitairepourl’hôte . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3 Différentescatégoriesdemodèlesintra hôtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1 Modèlesd’infectionsaiguës . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2persistantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.3 Versunmodèleunifiant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.4.1 Prédireledevenirdel’infection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 SOMMAIRE 4 2.4.2 Modéliserl’extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.3 Évolutiondusystèmeimmunitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.4.4 Comprendrelesinfectionsmultiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4.5 Lesmodèlesemboîtéscommenouvelleapprochedel’immunité . . . . . . 44 3 Émergenced’uncompromisévolutif 46 3.1 Étudesdel’évolutiondelavirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Présentationdumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Descriptiondusystème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Interactionsentreparasitesetlymphocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.3 Tauxdetransmissiondesparasitesetmortalitéinduite . . . . . . . . . . . 49 3.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.1 Compromisentretransmissionetvirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.2 Influencedesparamètressurlecompromis . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.3 Robustessedelaconvexitédescourbesdecompromis . . . . . . . . . . . 52 3.3.4 Variabilitéduniveauoptimaldevirulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.5 Conséquencesdesvaccinsimparfaitssurl’évolutiondelavirulence . . . . 56 3.3.6 Unerelationdecompromisbrouillée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4.1 Conséquencesdestraitementspourl’hôteetlapopulation . . . . . . . . . 59 3.4.2pourlesétudesexpérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4 Compromisévolutifsetparasitesàvecteur 62 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2 Lemodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Dynamiquesintra hôteduparasite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Modélisationdusystèmeimmunitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.3épidémiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.1 Unefonctiondetransmissionsigmo
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