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L'épidémie au Covid-19

Prélèvement de sang positif au Covid-19. Ce nouveau coronavirus apparu en Chine a tué un million de personnes en 9 mois et on craint le double en 2021 si aucun vaccin ou antidote n'est disponible. Illustration adaptée par l'auteur.

Le jour où la Terre s'arrêta (I)

En décembre 2019, nous avons appris l'existence d'un nouveau coronavirus, le Covid-19. Pendant quelques semaines, les autorités l'ont considéré avec dédain comme le vecteur d'une infection qui ferait peu de vagues et dont elles pourraient facilement maîtriser la propagation. Or à l'image d"un tsunami qui à bonne distance ressemble à une vaguelette innocente incapable de vous affecter, il s'est avéré que ce virus alors inconnu était plus dangereux qu'on l'imaginait et se propageait rapidement faisant fi des distances et des mesures de protection. Partout où il sévit il contamina une fraction de la population et tua des innocents comme une vague indomptable parcourant la terre, réclamant son tribut.

A défaut d'être proactifs quand ils en avaient encore le temps, les pouvoirs publics ont dû réagir sur le vif et souvent seuls et sans expérience avec toutes les conséquences qu'une telle attitude parfois irréfléchie et irresponsable put avoir sur la population, avec son lot de contradictions, de mensonges, d'angoisse, de panique et parfois de souffrance que cela entraîna. Il faudra en tirer les leçons. On y reviendra.

Nous allons décrire dans cet article l'histoire de cette pandémie sans précédent, non pas ex cathedra mais en analysant et expliquant les évènements. Nous décrirons les caractéristiques du virus et de la maladie avant d'analyser la réponse du monde politique et des scientifiques jusqu'à la découverte d'un remède ou d'un vaccin. Nous analyserons l'impact des mesures sur l'économie et sur la population tout en révélant les négligeances et les erreurs des autorités comme de la population.

Nous nous intéresserons en priorité aux conséquences de la pandémie en Europe, en particulier en Belgique, en France et dans les pays limitrophes. Nous décrirons également l'évolution de l'épidémie en Chine, premier foyer de la pandémie, ce que nous apprennent les modèles épidémiques et quels sont nos moyens pour éliminer le virus. Enfin nous ferons le bilan des connaissances acquises et tirerons les leçons de cette pénible expérience.

Tant que la pandémie est présente, cet article est tenu à jour sur base des communiqués officiels, de la littérature scientifique et de certains articles de presse quand il s'agit de faits touchant la population. L'actualité étant très abondante et diversifiée, il a fallut travailler comme un enquêteur qui recherche des preuves. Il a donc d'abord fallut comprendre les sujets (et au besoin apprendre ou relire des notes de cours) et les interpréter correctement avant d'en extraire les données essentielles et parfois retrouver les sources et questionner l'auteur pour obtenir plus de détails. La période de confinement fut une aubaine pour rédiger la trame de cet article tout en m'offrant l'avantage d'en apprendre plus sur ce virus.

Le premier article scientifique sur le Covid-19 fut publié le 21 janvier 2020. Le 8 avril 2020, on dénombrait 2987 articles. Le 7 mai 2020, on dépassait les 10000 articles et début septembre on dépassait les 50000 articles sur PubMed (et arXiv, bioRxiv et medRxiv). A présent, toutes les 8 heures, un article est publié. Leur nombre double tous les 14 jours. Leur croissance est exponentielle mais pas encore aussi rapide que la propagation de ce virus.

Malgré ce nombre impressionnant d'articles, en avril 2020 on comptait sur les doigts d'une main les études ayant été lues et validées par leurs pairs (peer review), les referees, c'est-à-dire des spécialistes du domaine attestant la qualité de l'étude et donc son objectivité et sa fiabilité (cf. Science, Nature, IOP). Depuis la situation a peu changé. Mais ce n'est pas surprenant puisque personne ne connaît ce virus par coeur et presque tous les jours on découvre avec effroi de nouveaux symptômes et parfois encore une nouvelle molécule-clé de la contamination. Nous verrons que c'est justement en raison de l'urgence sanitaire et du manque de recul des spécialistes que plusieurs revues de médecine manquèrent de sens critique dont la prestigieuse "The Lancet" ou que des éditeurs sans scrupules continuent de profiter de ce business très lucratif pour publier des articles pseudoscientifiques (cf. la fraude en science).

Le sujet étant complexe et l'actualité abondante, l'article a été ventilé sur plusieurs pages (et plus tard il sera subdivisé en autant d'articles qu'il y a de sujets) dont voici le sommaire :

- Microbiologie (virologie, structure et fonction des protéines clés, la protéine S, les protéases, la neuropiline-1 (NRP1), ORF3d un gène dissimulé, cycle de vie du virus, effets des particules virales sur l'organisme, taux de mutation, stabilité du virus, virulence des souches, activité et durée de vie de la charge virale, origine du Covid-19), cette page ci

- Voies de transmission (définitions médicales), Transmission du virus (la transmission aérienne, la transmission par contact, autres modes de transmission, les conditions météos), Contagiosité (évolution de la contagiosité, les clusters et les foyers d'infection), L'immunité (l'immunité croisée un leurre, le prix de l'immunité collective, une immunité limitée à 3 mois et quelques, les primo-infectés immunisés pendant 6 mois, l'efficacité inégale des anticorps, influence du genre sur les réactions immunitaires), Les zoonoses (la zoonose inverse), p2

- Épidémiologie (les rumeurs, Wuhan foyer de la pandémie, un foyer viral plus ancien : info ou intox ?, un coronavirus RaTG13 envoyé à Wuhan en 2013, réaction des autorités, premières contaminations en Europe, la pandémie, le Covid en Afrique, le Covid en Amérique du Nord, le Covid en Amérique du Sud, la vérité dissimulée, contamination sur les navires, l'aide aux sans-abris, les réfugiés), Populations contaminées, Les facteurs de risque, Le rôle des gènes (effet du groupe sérologique), p3

- Pathologie (les cas asymptomatiques, période infectieuse, première réaction immunitaire, tous inégaux face au Covid-19, premiers symptômes, symptômes secondaires, examens médicaux, évolution de la maladie, la maladie de Parkinson résultant de la Covid-19 ?, un lien possible avec la SAVI), Guérison et séquelles post-Covid, La résistance des centenaires, Les cas de recontamination, Des prédispositions héritées des Néandertaliens, Taux de létalité, p4

- Modélisation des épidémies (modèles et simulations, Ro le taux de reproduction de base, la précision des prévisions, comment interpréter les courbes ?), p5

- Plan de lutte contre l'épidémie, Gérer la crise (le plan de crise et son impact, prendre les bonnes décisions au bon moment, la communication), L'insouciance et l'égoïsme des politiciens (la sous-estimation des risques, l'insouciance des Etats-Unis de Trump, l'irresponsabilité criminelle du président brésilien Jair Bolsonaro, l'égoïsme européen), L'état d'urgence sanitaire, Le coût de la crise (impacts socio-économiques), p6

- L'état de guerre sanitaire, La médecine de guerre (le tri inavoué des patients, la pénurie de masques, etc., des distributeurs de masques), La désinfection des lieux publics, Stress dans les hôpitaux et séquelles post-traumatiques (amplitudes horaires du personnel hospitalier, anxiété, dépression et stress post-traumatique, troubles post-traumatiques chez les patients, troubles post-traumatiques chez les enfants), p7

- La capacité du système de santé, Isolement des patients (la roulette russe suédoise), Distanciation sociale et confinement, Les impacts du confinement (impacts psychologiques, les ruptures et divorces en augmentation, les abus et les délits, surmortalité des cancers, effet positif du confinement sur l'épidémie, opportunités à saisir, La résilience psychologique face au virus, les mesures de confinement en question, le principe du confinement, conditions du déconfinement), Respect de l'éthique et devoir civique, Le déconfinement (déconfinement en étapes, ouverture des frontières, un plan européen de déconfinement ?), La deuxième vague épidémique (rebond épidémique en Asie, deuxième vague épidémique en Europe), Psychologie des personnes réfractaires aux mesures anti-Covid-19, p8

- Le dépistage (les tests de détection d'ARN viral, les tests sérologiques, abondance des anticorps, le dépistage massif, le test rapide antigénique, la réponse en anticorps), Le suivi numérique, Préparer la sortie de crise (le prix de la relance), p9

- Élimination du Covid-19 (réponse de l'organisme, recherche appliquée, les essais cliniques, l'affaire de l'hydroxychloroquine, le programme Discovery), Les vaccins (adaptation des vaccins existants, le vaccin recombinant, le vaccin à ARN, le vaccin à vecteur adénoviral, développement d'un vaccin, la méthode scientifique d'essais et d'erreurs, comment accélérer le développement d'un vaccin ?, évaluation des vaccins, les effets secondaires, le rapport bénéfice/risque, le marché des vaccins, les candidats vaccin), Les limites des vaccins, Commandes et vaccinations, Refuser la vaccination ? Surtout pas !), p10

- Le bilan (Sur le plan scientifique, la Covid, une maladie endémique ?, Sur le plan politique), Les leçons à tirer (les opportunités, Pas de pitié en état de guerre saintaire, payer et reconnaître ses fautes, revoir les priorités sociétales), Théorie du complot, mensonges et obscurantisme (Vers une loi européenne contre la désinformation), p11.

Microbiologie

Comprendre la nature et le fonctionnement d'un virus apparemment simple comme le Covid-19 et ses effets sur l'organisme font appel à des compétences multidisciplinaires très spécialisées et très techniques touchant à la fois la microbiologie, la génétique et la médecine et des spécialités aussi diverses que l'anatomie, l'imagerie, la pharmacologie et la psychiatrie. Mais faisons le pari d'expliquer avec des mots simples le mode opératoire de ce virus et de découvrir ses vulnérabilités.

Virologie

Le coronavirus Covid-19 (pour Coronavirus disease 2019) alias SARS-CoV-2 ou 2019-nCoV est vecteur chez l'être humain d'une pneumonie virale (cf. Jie Wu et al., 2020; OMS) qui peut également affecter d'autres organes comme les reins, le coeur et même le système nerveux central et déclencher des troubles neurologiques. On reviendra en détails sur les symptômes et la pathologie de la maladie (cf. page 4).

Sur le plan virologique, l'organisation génomique du Covid-19 est typique de la lignée B des Bêtacoronavirus, c'est-à-dire les Sarbecovirus, le même sous-genre que le SARS (ou SRAS, Syndrome Respiratoire Aigu Sévère) et le MERS (ou SRMO, Syndrome Respiratoire du Moyen-Orient).

C'est une information très utile quand on découvre un nouveau virus car sur base de ce que l'on connaît du SARS par exemple, les virologues et les biochimistes parmi d'autres spécialistes peuvent faire des hypothèses raisonnables sur le fonctionnement du Covid-19 et les infectiologues peuvent prédire ses voies de transmission et proposer des moyens pour s'en protéger. Les études ultérieures du virus préciseront ce qui le différencie des autres coronavirus, y compris au niveau pathologique. Il est donc très important de connaître très tôt son génome et en corollaire le fonctionnement des protéines qu'il fabrique. On y reviendra.

Le Covid-19 est un virus naturel qui parasite les animaux. Comme tous les coronavirus, il est zoonotique, c'est-à-dire qu'il se transmet entre animaux et donc d'homme à homme également. On reviendra plus bas sur la zoonose et les voies de transmission.

A consulter : Graphen - Genomic epidemiology of novel coronavirus, Nextstrain

L'arbre phylogénétique du Covid-19

Photographie (à gauche) et structure (à droite) du Covid-19. Documents Scripps et Scientific Animations adapté par l'auteur.

Le Covid-19 est un virus à ARN mesurant entre 60 et 140 nm (0.06 à 0.14 micron) de diamètre comprenant 29903 bases ou nucléotides formant 15 gènes (cf. N.Zhu et al., 2020).  C'est une taille déjà importante sachant que la majorité des virus à ARN contiennent entre 10 et 20 kb (par comparaison les virus humains contiennent entre 3 et 250 kbp (cf. les virus).

C'est un virus dont le génome est linéaire, monocaténaire, c'est-à-dire qu'il comprend une seule chaîne nucléique ou simple brin (ss pour single strand). Il est à polarité positive (+) appelé "brin sens", ce qui signifie que son génome contient des séquences codantes servant directement d'ARN messager (ARNm) dans la cellule infectée.

Comme tous les virus, l'ARN du Covid-19 est protégé par une capside. Elle est constituée de protéines virales et contient l'ARN génomique. A l'inverse d'autres groupes de virus, il existe une relation étroite entre les protéines de la capside et l'acide nucléique, d'où son nom de nucléocapside.

La capside comprend des sous-unités appelées capsomères constitués de chaînes polypeptidiques. Cette capside est organisée spatialement sous la forme d'une cavité sphérique.

La capside virale remplit plusieurs fonctions essentielles. Outre son rôle protecteur de l'ARN viral, elle intervient à différentes étapes de l’infection de la cellule hôte.

Structure et fonction des protéines clés

Comment Covid-19 infecte-t-il une cellule ? Une étude croisée conduite par 200 chercheurs internationaux sur la fonction des protéines des coronavirus confirme que "le Covid-19 est très proche des virus plus mortels comme le SARS et le MERS" (cf. N.J. Krogan et al., 2020), ce qui donne une idée de sa dangerosité.

L'étude du cycle viral du Covid-19 permet de comprendre de quelle manière il infecte une cellule, se réplique, transcrit son information génétique et forme des virions qui émergent ensuite de la cellule infectée. Cela permet également de comprendre la pathogenèse, la manière dont se déclenche la maladie. 

Mais l'analyse de l'arrangement de son génome est tout aussi importante sinon plus importante encore car elle permet de comprendre quels sont les gènes et les protéines clés impliqués dans la reconnaissance des cellules-hôtes afin de mettre au point un remède pour les neutraliser (cf. S.Jiang et al., 2020; D.Guo et al., S.Khan et al., 2020; M.G.Han et al., 2020; Z.Song et al., 2019; I.Tratner, 2003).

Comparaison entre les génomes des coronavirus et structure virale schématique du Covid-19. Document S.Jiang et al. (2020) adapté par l'auteur.

Comme illustré à gauche et ci-dessus à droite, le génome du Covid-19 comprend 29 protéines divisées en plusieurs types.

Il y a 4 glycoprotéines structurales (elles participent à l'édification du virus) qui sont codées par des transcrits indépendants :

- la protéine S (spike signifiant épine), un trimère assurant la liaison au récepteur de la cellule hôte

- la protéine E (enveloppe), gérant l'assemblage et la libération du virus

- la protéine M (membrane), composée de trois domaines transmembranaires gérant la courbure et la forme du virus

- la protéine N (nucléocapside), une ribonucléoprotéine qui protège le génome ARN.

En complément, un grand transcrit unique composé de 2 polyprotéines (ORF1a et ORF1b) code 16 protéines non structurales ("nsp" pour non structural protein), c'est-à-dire qui n'interviennent pas dans l'édification du virus. Elles sont maturées par protéase (voir plus bas) en deux parties, l'une constituée de 11 protéines nsp, l'autre de 5 protéines snp qui participent au cycle de réplication du virus.

Enfin, il y a 9 facteurs ou protéines accessoires situées sur le génome viral entre les protéines structurales S et E et conservées entre les coronavirus. Ces protéines accessoires sont codées de ORF3a et ORF9b. Leurs fonctions chez le Covid-19 sont en grande partie inconnues.

Toute l'activité du virus étant basée sur ces protéines, il est essentiel de les caractériser, ce qui est du ressort de la protéomique. Nous verrons plus bas qu'on peut modéliser ces protéines pour analyser leurs différentes structures (cf. l'anatomie des cellules) afin de comprendre la manière dont sont assemblés leurs acides aminés et les autres molécules, comment elles s'activent et interagissent avec les autres protéines parmi d'autres sujets qui font appel à la chimie analytique.

Ces protéines sont également classifiées en fonction de leur structure (cf. les bases PDB, UniProt, CATH, etc) ou de leur expression (cf. Expression Atlas), ce qui permet également de tracer leur évolution. On y reviendra à propos des mutations.

Les études in vitro ont déjà permis de produire chacune des 29 protéines virales par des cellules humaines afin d'identifier leurs interactions dans ces cellules. Aidés par l'intelligence artificielle, les chercheurs ont découvert que le Covid-19 détournerait à son profit 332 protéines humaines pendant son cycle de vie. Si les chercheurs confirment les interactions entre les protéines virales et les protéines cellulaires humaines, ils ignorent encore si ces interactions ont un effet sur le processus contrôlé par la protéine de la cellule humaine. Ce sujet fait encore l'objet d'études. On y reviendra à propos de l'impact des protéines virales sur l'organisme (voir plus bas).

La protéine S

Le Covid-19 est un virus envelopppé. Cette membrane appelée péplos est constituée de lipides. Elle est très fragile et représente l'un des points faibles de ce virus d'où l'intérêt de se laver régulièrement les mains au savon ou, à défaut, d'utiliser un produit assainissant à base d'alcool. On y reviendra à propos de l'élimination des virus.

La protéine S (spike) d'un coronavirus (en rouge) établissant une liaison avec le récepteur ACE2 (en bleu) d'une cellule afin que le virus puisse l'infecter et s'y répliquer. Voir aussi PDB. Document Shutterstock.

Le péplos porte différents types "d'épines" ou spicules. Il s'agit de glycoprotéines que le virus utilise pour infecter la cellule. Les glycoprotéines sont des molécules liées entre elles par glycosylation, une réaction liant la protéine à de petites chaînes de sucres appelés oligosaccharides.

Comparée à la protéine S recombinante (modifiée par recombinaison génétique), la protéine S du Covid-19 est plus fortement glycosylée, elle se présente principalement dans la conformation de préfusion fermée et grâce à trois charnières, sa tête présente plus de liberté d'orientation. On suppose que ces charnières permettent à la protéine S de scanner la surface de la cellule hôte à l'abri des anticorps grâce à une épaisse couche de glycane (cf. G.Hummer et al., 2020).

La protéine S contient environ 1300 acides aminés. Grâce à cette protéine de surface, le virus établit un pont ou lien moléculaire avec les cellules disposant des récepteurs ACE2 (enzyme de conversion de l'angiotensine 2), formant ensemble un trimère, c'est-à-dire trois molécules.

L'ACE2 est une protéine de clairance de l'angiotensine 2, c'est-à-dire qu'elle peut se débarrasser de cette substance en la convertissant en angiotensine dont l'effet est opposé à celle de l'angiotensine 2. Cette enzyme a des effets anti-fibrosante, anti-inflammatoire et provoque une vasodilatation parmi d'autres effets (cf. UniProt; Anne Claire N./SFPT, 2020; S.Jiang et al., 2020; M.& J.Smith, 2020). Des études sur des rats ont montré une corrélation positive entre le niveau d'expression d'ACE2 et le risque de déclarer une infection au Covid-19 (cf. D.C. Coutinho et al., 2014).

Du fait que le Covid-19 se fixe sur l'ACE2, le virus entraine une diminution de l'activité de l'ACE2 qui est un facteur aggravant les lésions inflammatoires, en particulier pulmonaires (cf. K.Kuba et al., 2006).

Malheureusement, pratiquement toutes les cellules de tous les organes du corps humain contiennent des récepteurs ACE2. Autrement dit, le Covid-19 peut les infecter et nous verrons à propos des pathologies que des milliers de patients ont souffert d'inflammations multi-organiques (cf. page 4).

Pour éviter ces pathologies et donc les infections, les chercheurs doivent trouver des stratégies thérapeutiques pour empêcher le virus de se lier à l'ACE2, par exemple en développant une forme soluble de la protéine ACE2 qui se fixerait que le virus et qui agirait comme un leurre soit en modifiant l'expression de l'ACE2. On reviendra sur les remèdes et les vaccins (cf. page 10).

La protéine S comprend également des sucres dont le rôle reste en partie inconnu mais qui lui confèrent probablement la capacité de s'adapter et par exemple échapper aux défenses du système immunitaire. Il est donc essentiel de caractériser très finement cette protéine et si possible in vivo, dans les conditions réelles de son activité, d'où les 4780 articles scientifiques consacrés à la protéine S du Covid-19 (ou SARS-CoV-2) répertoriés dans Google Scholar au 1 mai 2020.

Gros-plan sur la liaison entre la protéine Spike (en rouge) d'un Covid-19 et le récepteur ACE2 (en jaune) d'une cellule. Document Kateryna Kon/Shutterstock.

En analysant aux rayons X la liaison moléculaire établie par la protéine S, Fang Li de l'Université du Minnesota et ses collègues ont découvert que par rapport au virus du SARS qui sévit en 2002-2003, le Covid-19 n'a subi que quelques mutations qui rendent le pont moléculaire plus compact que celui du SARS. Ces changements évolutifs bien qu'aléatoires ont permis au Covid-19 de se fixer plus facilement et plus fortement au récepteur, et par conséquent de mieux infecter les cellules humaines et se propager plus rapidement.

Selon Li, leurs travaux pourraient aboutir au "développement d'anticorps monoclonaux qui agiraient comme un médicament pour reconnaître et neutraliser cette liaison entre la protéine S et le récepteur". (cf. F.Li et al., 2020). Une partie de la protéine S pourrait donc être une base pharmacologique et thérapeutique idéale, y compris pour développer un vaccin. On y reviendra à propos des pathologies et des vaccins (cf. page 4, page 10).

Des chercheurs ont découvert qu'un coronavirus de chauve-souris reconnaît le même récepteur humain que le Covid-19, mais le virus de la chauve-souris ne s'attache pas très bien au récepteur humain. Cependant, quelques mutations dans la protéine S ont pu améliorer la capacité du virus de la chauve-souris à se fixer au récepteur humain, ce qui a permis au virus de la chauve-souris de se transmettre aux humains et d'évoluer pour devenir le Covid-19 (cf. X.Li et al., 2020).

Des travaux antérieurs de Fang Li et d'autres chercheurs ont montré qu'une mutation particulière permettait au virus du SARS de contaminer la population humaine. Par la suite, il apparut qu'un certain nombre de mutations seraient nécessaires pour que le SARS passe des chauves-souris aux humains.

En outre, deux coronavirus ont été isolés chez les pangolins en Chine (cf. Z.Zhang et al., 2020; Y.Guan et al., 2020) et six nouveaux coronavirus chez des chauves-souris en Birmanie (cf. M.T Valitutto et al., 2020). En analysant les structures de leurs protéines S, les chercheurs ont découvert que l'un des virus du pangolin pouvait reconnaître le récepteur ACE2 humain, ce qui implique que les pangolins auraient pu servir de vecteur pour aider le virus à passer de la chauve-souris à l'homme en agissant comme des hôtes intermédiaires, bien que cette hypothèse n'ait pas encore été confirmée (cf. F.Gao et al., 2020). On y reviendra un peu plus bas.

Les protéases

Pour que la protéine S puisse s'attacher au récepteur ACE2 de la cellule hôte, elle doit d'abord être activée ou primée, ce qu'on appelle le "priming". Pour cela, une enzyme de notre organisme, c'est-à-dire une protéine catalytique appelée la protéase coupe la protéine S afin de la rendre fonctionnelle et infectieuse.

Les chercheurs ont découvert que la protéine S peut être activée par la protéase transmembranaire à sérine 2, TMPRSS2 présente à la surface de la cellule hôte (cf. A.K.Shalek et al., 2020; D.Brann et al., 2020; S.Lukassen et al., 2020; F.Qi et al., 2020; C.Wu et al., 2020; H.Zhang et al., 2020) ou par la furine, une autre protéase à sérine (cf. M.Hoffmann et al., 202; L.Cantuti-Castelvetri et al., 2020). Ces protéases jouent un rôle essentiel dans la coupure des polyprotéines en ces différents éléments fonctionnels. Chez le Covid-19, la principale protéase se nomme Mpro ou 3CLpro et assure la plupart des coupures.

Comme on le voit ci-dessous, la principale protéase Mpro est un dimère, c'est-à-dire un polymère formé de deux sous-unités identiques qui forment ensemble deux sites actifs (comme la saccharose est formée des dimères glucose et fructose). Le repli protéique est similaire aux sérines protéases comme la trypsine, mais c'est un acide aminé cystéine et une histidine proche qui effectuent la réaction de coupure protéique tandis qu'un domaine supplémentaire stabilise le dimère. Cette structure dispose d'un inhibiteur de type peptide lié dans le site actif.

A voir : Quel est le rôle des protéines dans l'infection au Covid-19 ?, CNRS

A lire : Bad News Wrapped in Protein: Inside the Coronavirus Genome, The New York Times, 2020

Différentes vues 3D de la structure de la principale protéase (Mpro), une enzyme de la cellule hôte. C'est au moment où cette protéase coupe la protéine S afin de la rendre fonctionnelle et qu'elle puisse s'attacher au récepteur ACE2 que le Covid-19 devient infectieux. A gauche et au centre, deux vues de la structure tertiaire (crystal) de Mpro. Au centre, la molécule est tournée de 90° vers la droite et le curseur est placé sur l'acide aminé ASP153 (en rouge au centre). A droite, l'aspect réel du dimère avec l'inhibiteur de type peptide lié au site actif indiqué en turquoise. Documents Protein DataBase (PDB) et PDB-101.

La coupure moléculaire de la protéine S ne peut se réaliser qu'à certains endroits précis appelés les sites de clivage. A ce jour, les biochimistes ont identifé pas moins de 11 sites de clivage sur la polyprotéine 1ab (replicase 1 ab) dans lesquels la principale protéase Mpro peut opérer (cf. R.Hilgenfeld et al., 2020). Notons que la réplicase 1ab est régulée par le gène ORF 1ab qui est le plus long gène connu chez les coronavirus avec une longueur qui dépasse 20 kb, soit les deux-tiers du génome viral ! (voir schéma plus haut).

Chez le Covid-19, le site de clivage contient un insert, c'est-à-dire un fragment supplémentaire de peptide comprenant 4 acides aminés qui est absent chez les protéines S du SARS par exemple et des coronavirus proches qu'on retrouve chez les autres mammifères comme la chauves-souris ou le pangolin (voir plus bas). Ce site de clivage ressemble à une boucle que peuvent exploiter les protéases cellulaires. Cette particularité semble jouer un rôle important dans l'évolution du virus et sa transmission à l'homme (cf. R. Hilgenfeld et al., 2020; B.Robson, 2020; J.A.Jaimes et al., 2020).

Lorsque la protéase transmembranaire a "primé" (coupé) la protéine S, celle-ci peut s'attacher au récepteur ACE2. Ensuite, le Covid-19 doit fusionner son enveloppe virale avec la membrane cellulaire ou des compartiments cellulaires (des organites cellulaires assurant la même fonction et réunies dans une membrane comme le noyau ou le réticulum endoplasmique), ce qu'on appelle l'endocytose. Cette étape fait également appel à une protéase, une enzyme codée par le gène TMPRSS2 ou par la furine.

La neuropiline 1 (NRP1)

Une première étape critique de l'infection au Covid-19 est l'interaction du virus avec les récepteurs des cellules hôtes. Cette liaison au récepteur se produit par l'intermédiaire de la protéine S qui se lie à l'enzyme ACE2 des cellules humaines. 

L'enzyme ACE2 est largement considérée comme le principal point d'entrée du Covid-19 dans les cellules. Mais ce n'est pas la seule molécule que le virus peut exploiter pour infecter les cellules. En effet, l'ACE2 est exprimée à des niveaux très bas dans la plupart des cellules. Il n'est donc pas facile pour le virus de trouver des "portes d'entrée" cellulaires. Or nous savons d'expérience que le virus se propage rapidement. En fait, les différences observées dans les tissus infectés par les coronavirus suggèrent que des facteurs hôtes supplémentaires sont impliqués. Les chercheurs ont découvert un deuxième porte d'entrée : la neuropiline 1 (NRP1). Cette protéine transmembranaire est connue pour se lier aux substrats clivés par la furine évoquée plus haut et semble également participer au pouvoir infectieux du Covid-19.

A voir : Neuropilin-1 drives SARS-CoV-2 infectivity

A gauche, le Covid-19 peut infecter les cellules par le biais de l'enzyme ACE2 (en vert foncé en bas de l'image) mais également de la neuropiline 1 (la protéine NRP1, en vert clair sur la gauche), grâce à la protéine S (en rouge) qui donne au virus sa forme en couronne caractéristique. A droite, (A) coloration de la protéine S (marron) et de la NRP1 (lilas) dans l'épithélium olfactif apical (OE) chez un patient Covid et un témoin non infecté (LP = lamina propria, HB = cellules basales horizontales). (B) localisation de NRP1 (magenta) et de la protéine S (jaune) dans les cellules OE chez un patient Covid. La coloration de l'OLIG-2 (magenta) et de la protéine S (jaune) révèle une infection des progéniteurs neuronaux olfactifs tardifs/neurones olfactifs nouvellement différenciés. Les barres d'échelle = 10 μm. Documents Second Bay Studios pour G.Balistreri et al. et G.Balistreri et al. (2020).

Comment se réalise cette liaison ? La séquence identifiée contient les acides aminés RRAR (Arg-Arg-Ala-Arg) qui sont reconnus par les furines. Ces enzymes clivent la protéine S en deux sous-unités, S1 et S2. La sous-unité S1 présente une séquence d'acides aminés CendR (Règle C-end ou C-end-Rule). Les peptides de ce type se fixent à la partie extracellulaire de NRP1 et NRP2. Ces molécules sont des récepteurs transmembranaires qui affectent de nombreux processus dans le corps humain. En effet, NRP1 joue un rôle important dans l'angiogenèse, c'est-à-dire la formation de nouveaux vaisseaux sanguins et dans la croissance des axones longs des neurones (cf. The Human Protein Atlas).

On comprendra que les opérations de clivage et de fusion sont indispensables pour que le virus pénètre dans la cellule hôte et l'infecte. En l'absence de site de clivage à furine dans la protéine S, celle-ci ne peut pas se lier à NRP1 et le virus ne peut pas pénétrer dans la cellule.

Dans un article publié dans la revue "Pain" le 1 octobre 2020, le neurologue Rajesh Khanna, spécialiste de la douleur à l'Université d'Arizona et ses collègues ont testé si la protéine S pouvait bloquer la signalisation de NRP1 et d'une autre protéine nommée VEGF, un facteur de croissance très connu de l'endothélium vasculaire qui intervient dans la signalisation de la douleur et qui se lie également à NRP1. Ils ont découvert qu'on peut utiliser un anticorps monoclonal bloquant contre NRP1 : "le déclenchement neuronal sensoriel déclenché par le VEGF-A a été bloqué par la protéine Spike et l'inhibiteur de NRP-1 EG00229".

Leurs résultats furent confirmés par deux autres études publiées dans la revue "Science" le 20 octobre 2020 (G.Balistreri et al., 2020; B.Simonetti et al., 2020). Les deux groupes de chercheurs ont étudié des cellules humaines infectées par le Covid-19 et ont constaté que NRP1 interagit avec la fameuse protéine S du virus qu'elle utilise pour infecter les cellules. Selon Balistreri, "Nous avons prouvé qu'elle se lie à la neuropiline et que le récepteur a un potentiel infectieux". Selon Simonetti et ses collègues, "La neuropiline 1 facilite l'entrée du Covid-19 et l'infectiosité des cellules".

Il semble que NRP1 agisse comme un cofacteur avec ACE2 pour faciliter l'entrée du virus dans les cellules et potentiellement vers le système nerveux central, les deux récepteurs contribuant à aggraver l'infection.

Selon Khanna, "Nous avons mis du VEGF dans l'animal [dans la patte d'un rat], et observé une douleur intense au cours de 24 heures. Puis vint l'expérience vraiment cool: nous avons mis VEGF et Spike en même temps, et devinez quoi ? La douleur est partie."

Selon Balistreri, cette étude a montré "ce qui arrive à la signalisation du neurone lorsque le virus chatouille le récepteur NRP1". Les "résultats sont solides", démontrant que l'activité des neurones a été modifiée "par le contact de la protéine S du virus à travers NRP1".

A gauche, modèle de traitement et d’entrée du Covid-19 et du SRAS dans la cellule. Le traitement protéolytique des protéines (leur segmentation) facilite l'entrée du virus. Le Covid-19 comme le SARS se lient à l’ACE2 dans une région de la sous-unité S1. Le clivage de la furine à la jonction S1-S2 expose le peptide CendR (C-end-Rule) sur S1 et permet la liaison à NRP1. Un traitement ultérieur par les cathepsines et la protéase TMPRSS2 permet l'insertion de membrane médiée par le peptide de fusion S2 et la fusion des membranes. L'absence de site de clivage de la furine dans la sous-unité S1 du virus empêche la liaison à NRP1 et limite l'entrée du virus et l'infection. A droite, l'action conjuguée du facteur de croissance VEGF et de NRP1. La protéine VEGF 165 interagit avec VEGFR-2 et la neuropiline 1 dans les cellules endothéliales. VEGF 165 fonctionne comme un dimère (une molécule composée de deux sous-unités) et sa liaison favorise la dimérisation du récepteur qui permet l'activation ultérieure de domaines spécialisés et la transduction du signal conduisant aux effets rapportés dans les cercles colorés. Sans NRP1 il n'y a pas de signalisation et moins de risque d'avoir un effet dommageable dans une cellule. Documents V.Altounian/Science (2020) et M.Amadio et al. (2016) adaptés par l'auteur.

Dans une expérience faite sur des rats présentant une lésion nerveuse pour modéliser la douleur chronique, l'administration de la protéine S seule a atténué les comportements de douleur des animaux. Cette découverte suggère qu'un médicament ressemblant à la protéine S qui se lie à NRP1 pourrait agir potentiellement comme analgésique. De telles molécules sont d'ailleurs déjà en développement pour soulager les patients cancéreux (l'angiogénèse participe aussi au développement des gliomes et autres tumeurs en formant de nouveaux vaisseaux sanguins pour répondre aux besoins métaboliques des cellules cancéreuses).

Dans deux autres études publiées dans la revue "Science" le 13 novembre 2020, les équipes de James L. Daly de l'Université de Bristol et de Ludovico Cantuti-Castelvetri de l'Université Technique de Munich ont montré que NRP1 favorise l'entrée du Covid-19 dans les cellules et expliquent comment NRP1 interagit avec la protéine S. Les résultats suggèrent l'interaction protéine S-NRP1 comme cible antivirale potentielle comme illustré dans le schéma présenté ci-dessus à gauche.

ORF3d, un gène dissimulé

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le bioinformaticien Chase W. Nelson du Musée Américain d'Histoire Naturelle (AMNH) a découvert un gène mystérieux dans le code génétique du Covid-19, un segment pratiquement caché dans le génome du virus et largement négligé jusqu'à présent. Les détails de cette découverte furent publiés dans la revue "eLife" le 1er octobre 2020.

Le gène en question appelé ORF3d est ce qu'on appelle un gène chevauchant (overlapping) que les chercheurs considèrent comme une sorte de "gène dans un gène". En effet, du fait qu'il chevauche les séquences codées des gènes ORF3c et ORF3d-2, il se dissimule dans la chaîne de nucléotides.

Selon Nelson, "en raison de leur grande taille, le génome du Covid-19 comme celui de ses parents sont peut-être plus enclins à la supercherie génomique que les autres virus à ARN".

Ce chevauchement de gènes n'est pas une découverte en soi. Il en existe chez les bactéries, les virus et les cellules eucaryotes, y compris chez l'homme où ils représentent environ 10% du génome (cf. L.Zhang et al., 2008).

A gauche, position du gène ORF3d chevauchant (jaune) dans le génome du Covid-19. A droite, les relations génétiques évolutionnaires des différences souches virales apparentées au Covid-19 et au SARS et position des gènes chevauchants. Documents C.W. Nelson et al. (2020).

La question est de savoir si ORF3d représente vraiment une "couverture" génomique pour le virus bien qu'il sera difficile de le confirmer. En effet, les gènes chevauchants sont par définition difficiles à identifier dans les séquences génétiques, car les systèmes de balayage génomique peuvent facilement les manquer quand ils parcourent les chaînes de code génétique. Ils sont en effet programmés pour identifier des gènes individuels et non pas (encore) des instructions globales partagées entre les nucléotides des gènes adjacents dans une séquence.

Pour les chercheurs, le fait que ce gène se cache en quelque sorte pose un grave problème pour compendre comment fonctionne ce virus, bien que certains aspects de sa constitution génétique ont déjà été élucidés. Selon Nelson, "L'absence de gènes chevauchants nous met en danger de négliger des aspects importants de la biologie virale. Les gènes qui se chevauchent peuvent être l'un des nombreux moyens par lesquels les coronavirus ont évolué pour se répliquer efficacement, contrecarrer l'immunité de l'hôte ou se transmettre".

Il faut donc a tout prix que les spécialistes comprennent la raison pour laquelle ORF3d existe sous cette forme, pourquoi il est caché dans le génome, chevauchant d'autres gènes.

En parcourant les bases de données génomiques, les chercheurs ont découvert que le gène avait déjà été identifié chez un coronavirus mais qui affecte uniquement les pangolins vivant dans le Guangxi, en Chine. Il a également été classé à tort comme un gène non apparent, ORF3b présent chez d'autres coronavirus, y compris le SARS. Ces deux gènes codent pour des protéines totalement différentes et on ne peut donc pas appliquer nos connaisances à l'ORF3d du Covid-19.

En revanche, en se basant sur des analyses sanguines antérieures faites sur des patients Covid, les chercheurs ont déjà découvert que ORF3d provoque une forte réponse en anticorps.

Quant à savoir si les lymphocytes T seraient également sollicités ou quels autres objectifs viraux l'ORF3d chevauchant pourrait cibler, c'est toujours la grande inconnue; cela peut-être relativement bénin ou ne pas l'être.

Nelson avoue méconnaître ce gène : "Nous ne connaissons pas encore sa fonction ou s'il y a une signification clinique. Mais nous prédisons que ce gène a relativement peu de chance d'être détecté par une réponse des lymphocytes T, contrairement à la réponse des anticorps. Et peut-être que cela a quelque chose à voir avec la façon dont le gène est apparu".

En résumé, ce gène ORF3d chevauchant s'ajoute aux15 gènes déjà connus du Covid-19, ce qui représente un progrès important. Quant à savoir jusqu'à quel point, c'est tout l'enjeu des recherches en cours.

Cycle de vie du virus

Comme l'illustrent les deux schémas du cycle de vie du Covid-19 présentés ci-dessous, lorsque le virus a pénétré dans la cellule, l'endosome qui contient la charge virale se dissout. L'ARN viral ainsi libéré peut alors être décodé par le ribosome afin que les gènes puissent exprimer leurs protéines spécifiques. L'une des 16 protéines virales est une enzyme appelée l'ARN polymérase qui va synthétiser un ARN messager qui agit exactement comme l'ARNm cellulaire. Il va exploiter la machinerie cellulaire pour répliquer de nouveaux virions contenant des copies de l'ARN viral.

A consulter : Biorender (logiciel de DAO)

Descriptions du cycle de vie du Covid-19 depuis son attachement à la cellule hôte et l'endocytose jusqu'à l'exocytose. Notez en particulier le réticulum endoplasmique (ER) où le processus de traduction de l'ARN viral va fabriquer les protéines structurales et les éléments de la capside des futurs virions. Documents R.Di Napoli et al. (2020) et Lucerna-Chem.

L'ARN messager du virus va synthétiser deux longues polyprotéines. Ces protéines comprennent un complexe de réplication/transcription (RCT) qui produit de nouveaux ARN, des protéines structurales et deux protéases.

Pendant la réplication, des copies complètes de l'ARN viral (pleine longueur de polarité négative) sont produites et utilisées comme modèle pour fabriquer de nouveaux brins d'ARN (pleine longueur de polarité positive).

Pendant la transcription, un sous-ensemble de 7 à 9 ARN génomiques, y compris ceux codant pour toutes les protéines structurales, sont produites par transcription discontinue et coupées grâce à une protéase.

Enfin, les nucléocapsides virales sont combinées dans le cytoplasme à partir de l'ARN génomique et des protéines structurales puis bourgeonnent dans la lumière du réticulum endoplasmique. Après la synthèse de ces protéines, des macromolécules et des substances annexes, ces produits sont transférés vers l'appareil de Golgi situé près de la membrane cellulaire (le système endomembranaire). Lorsque les nouveaux virions matures sont assemblés, ils émergent de la surface de la cellule par exocytose et cherchent d'autres cellules à infecter.

Quelle est la durée du cycle de vie du Covid-19 et combien de virus peut-on détecter chez une personne contaminée ? Si on se base sur des cas cliniques, des prélèvements effectués à l'écouvillon sur des patients hospitalisés depuis 1 à 3 jours en Chine entre le 1 janvier et le 17 février 2020 montrent qu'au cours d'un cycle viral supérieur à 30 jours, le nombre moyen de virus ne dépasse pas 26000 copies d'ARN viraux/mL à l'exception du nez où le cycle viral est de 24.3 jours et le nombre de virus est 53 fois supérieur, atteignant 1.4 million de copies d'ARN viraux/mL (cf. W.Tan et al., 2020).

Au niveau de la gorge, au cours des 5 premiers jours des symptômes, l'excrétion virale au niveau du pharynx est très élevée avec des quantités variant entre 676000 et 700 millions de copies d'ARN viraux/mL au 4e jour (cf. R.Woelfel et al., 2020; C.Drosten et al., 2020).

C'est à ce stade que l'infection se propage dans l'organisme et que la personne présente les premiers symptômes et peut éventuellement devenir malade si son système immunitaire est trop faible pour répondre efficacement à l'attaque virale. On y reviendra (cf. page 4).

Pour le lecteur intéressé, voici le mode de réplication des virus Influenza de la grippe.

Notons que si la cellule est fortement infectée par des virus, elle peut s'autodétruire, ce qu'on appelle l'apoptose (cf. la mort cellulaire).

Nous verrons à la fin de cet article que les chercheurs disposent de nombreuses stratégies thérapeutiques pour combattre le virus dont un assortiment de 316 traitements et de 100 molécules capables de neutraliser la charge virale du Covid-19 et donc l'expression des gènes (cf. page 10).

Effets des protéines virales sur l'organisme

Les principaux constituants cellulaires affectés par les protéines virales. Document LadyofHats.

Des études ont montré que les différentes protéines du Covid-19 influenceraient le fonctionnement des cellules ainsi que les réponses du système immunitaire. Bien que le sujet soit très vaste et en partie inexploré, en voici un bref apperçu.

La protéine M influencerait la morphologie du réticulum endoplasmique tandis que la protéine nsp13 agirait sur l'organisation de l'appareil de Golgi.

La protéine nsp6 et la protéine accessoire 9C interagiraient avec les récepteurs Sigma 1 et 2 impliqués dans le métabolisme des lipides et l'adaptation du réticulum endoplasmique au stress cellulaire.

La principale protéase Mpro affecterait la circulation à l'intérieur du réticulum endoplasmique.

Plusieurs protéines virales cibleraient également des protéines cellulaires impliquées dans l'immunité innée dont les voies de l'interféron (protéines nsp13, nsp15…) qui favorise la production de protéines antivirales, et la voie du NF-kappaB (protéine nsp13) qui active les cellules phagocytaires.

Des protéines virales comme la nsp9 entraveraient également des enzymes comme l'ubiquitine ligase E3 participant à l'activité antivirale de l'immunité.

D'autres protéines virales interféreraient également avec la machinerie de traduction des ARNm en protéines cellulaires, etc.

Taux de mutation

Le fait que le Covid-19 soit un virus à ARN monocaténaire (simple brin) le rend plus sujet aux mutations car les ARN polymérases qui assurent la réplication du génome n'ont pas les fonctions de correction d'erreurs des ADN polymérases. De ce fait, bien que son génome compte déjà parmi les plus grands génomes ssARN (cf. A.Becerra et al., 2015), sa taille et ses fonctions génétiques sont limitées. En revanche, grâce à ces mutations et la sélection naturelle, les virus à ARN ont une grande capacité d'adaptation.

Les coronavirus sont les seuls virus à ARN disposant d'un système de correction d'erreurs. Il s'effectue grâce à l'exonucléase, une enzyme qui détruit la plupart des analogues de nucléotides, y compris des antiviraux comme la Ribavirine, rendant ces virus résistants à ce médicament. Néanmoins, ce mécanisme n'est pas aussi efficace que celui des cellules eucaryotes. Par conséquent, le génome des coronavirus peut subir de légers changements, ce sont des mutations.

Historique abrégé des mutations du Covid-19

La première mutation du Covid-19 fut observée le 8 janvier 2020 chez un patient de Wuhan (génome WH-09, mutation de la base C en U sur la 186e position de son ARN) . En dehors de Wuhan, la même mutation fut trouvée le 27 février 2020 sur un autre patient à 1000 km de là, à Guangzhou (génome GZMU0030). Cet échantillon pourrait être un descendant direct de celui de Wuhan ou il peut s'agit d'une autre souche partageant un ancêtre commun.

Au cours des semaines qui suivirent la souche de Guagzhou subit 2 autres mutations non silencieuses : la première sur la protéine non structurale ORF1a où un acide aminé muta en isoleucine (I), la seconde sur la protéine E où une acide aminé fut également modifié.

Ensuite, lorsque le virus se propagea dans toute la Chine puis sur les autres continents, des souches spécifiques se développèrent dans certaines régions ou villes (Shanghai, Beijing, Lombardie, Haute-Savoie, New York, Washington, Californie, Victoria en Australie, etc). Parmi ces souches, le génome BavPat1 découvert à Munich provenait de Wuhan via Shanghai, un génome quasi identique au BJ2460 de Beijing fut découvert en Belgique, le génome WA1 de Seattle et UC4 de Californie provenaient de personnes ayant visité Wuhan. D'autres souches comme celles de New York avaient transité par l'Iran (génome NY1-PV08001) ou par l'Europe.

Enfin, les souches européennes et américaines sont devenues de nouveaux foyers infectieux qui exportèrent le virus en Amérique du Sud et le réinduisirent en Asie.

Schéma du génome ARN simple brin du Covid-19. Son ARN contient environ 30000 bases ou nucléotides codant 4 protéines de structure (en rouge, S, E, M et N), 9 facteurs ou protéines accessoires (en vert) et 2 polyprotéines (en jaune, ORF1a et ORF1b) contenant 16 protéines (en bleu) non structurales (NSP). Document The New York Times adapté par l'auteur.

Au fil des mois, certaines parties du génome du Covid-19 subirent de nombreuses mutations. Certaines protéines furent peu modifiées et d'autres pas du tout. Entre décembre 2019 et avril 2020, quelque 4400 acides aminés du génome du Covid-19 furent substitués, certains emplacements du génome qu'on appelle des "hot spots" étant plus tolérants aux mutations, d'autres ne tolérant aucune mutation et étant critique pour le virus. 185 mutations sont apparues de façon récurrente.

Au total, jusqu'en novembre 2020 les virologues ont recensé plus de 12000 mutations du Covid-19. Si c'est impressionnant, en les analysant on constate qu'elles n'ont pas amélioré sa transmissibilité (cf. L.von dorps et al., 2020). Ouf !

Pour les virologues et les biochimistes, ces différentes mutations et leurs répétitions peuvent révéler des indices importants sur la biologie du virus.

Biostatistiques

En général, un virus à ARN mute 1 million de fois par cycle viral soit environ toutes les 6 heures. Si dans l'absolu cela paraît élevé et très fréquent, il faut examiner ce que cela représente concrètement et avec quel effet.

Pour comprendre l'origine du Covid-19 et surtout pour mettre au point un remède, les chercheurs doivent absolument savoir si son génome est stable et quand il va muter. Pour cela, il faut le décoder.

Rappelons que l'ARN est une molécule similaire à l'ADN, et c'est pour l'essentiel une copie temporaire d'un court segment d'ADN. Plus précisément, selon les théories actuelles, l'ADN est transcrit en ARN. Le Covid-19 étant un virus à ARN, nos technologies de séquençage d'ADN ne peuvent pas décoder directement sa séquence génétique. Cependant, les scientifiques peuvent transcrire l'ARN du virus en ADN complémentaire (ou ADNc), qui peut ensuite être séquencé.

Les modèles d'évolution des séquences nucléaires ou d'évolution phylogénétiques existent depuis plus d'un demi-siècle (cf. M.Forster et al., 2020; S.Pompei et al., 2012; S.Tavaré, 1986; W.M. Fitch, 1971; Cavalli‐Sforza et Edwards, 1967; Zuckerkandl et Pauling, 1965). On peut donc analyser statistiquement les divergences qui apparaissent sur les nucléotides au fil du temps. À partir de ces modèles d'évolution on peut prédire l'histoire du virus et l'utiliser pour essayer de calculer à quel taux les mutations se produisent, sur quelle partie du génome, quels gènes mutent fréquemment, autant d'informations utiles pour concevoir des médicaments et en particulier un vaccin.

L'arbre phylogénétique du Covid-19 révélant ses divergences et les mutations de ses nucléotides entre décembre 2019 et juin 2020. Documents Nextstrain adaptés par l'auteur et Scientific American.

Aujourd'hui, pour mener ces recherches digne d'un enquêteur, les chercheurs font appel à la puissance de calcul des ordinateurs. Les bioinformaticiens parmi d'autres spécialistes recourent à l'intelligence artificielle (IA), en particulier à la méthode d'apprentissage automatique (learning machine) qui permet à partir des mégadonnées (Big Data), des réseaux neuronaux et d'autres technologies informatiques de classifier très rapidement et avec une précision de 100% les séquences génomiques virales, et éventuellement de découvrir en quelques minutes les relations les plus pertinentes entre plus de 5000 génomes viraux enregistrés à ce jour.

Grâce à cette méthode, on peut obtenir les diagrammes présentés ci-dessus montrant la phylogénie du Covid-19 obtenue dans le cadre du projet open source Nextstrain qui analyse les génomes de virus du monde entier. On constate que le Covid-19 a subi plusieurs divergences ou mutations depuis décembre 2019.

Précisons qu'il faut interpréter ces arborescences avec prudence. En effet, tant que la population n'est pas massivement dépistée et les données disponibles, ce dont on dispose sera toujours basé sur un sous-ensemble et donc biaisé de la population mondiale. Par conséquent, il ne faut pas généraliser ces résultats et par exemple conclure que le virus évolue en passant d'un continent ou d'un groupe de population à l'autre comme semble l'indiquer les différentes couleurs. C'est une interprétation possible, mais elle est prématurée.

En fait, l'analyse statistique permet seulement de dire que les écarts importants qu'on voit entre les groupes sont plus probablement dus à un sous-échantillonnage (des liens manqueraient le long de l'arbre) plutôt qu'à des mutations importantes du virus lorsqu'il se déplace d'un pays à l'autre.

Une analyse détaillée des séquences de l'ARN du Covid-19 réalisée par le bioinformaticien Niema Moshiri de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) montre que le virus a déjà subi de nombreuses mutations sur ses nucléotides (cf. N.Moshiri, 2020).

Dans son rapport d'analyse mis à jour le 20 septembre 2020, le diagramme "Alignement Position Entropies" présenté ci-dessous à droite indique le niveau de désordre des positions de l'alignement des séquences d'ARN (la séquence des bases A, G, C, U). Certaines positions affichent une entropie élevée (jusqu'au rapport 1.0) signifiant qu'elles sont très variables mais heureusement elles sont peu nombreuses et la plupart de ces mutations sont "silencieuses" car sans conséquence. En effet, les bases ou nucléotides sont prises par 3 pour être traduites en acides aminés et un changement chez l'une d'elles n'est pas toujours accompagné d'un changement de la fonction de la protéine (cf. la synthèse des protéines).

On a également identifié sur le Covid-19 des substitutions de 380 acides aminés du SARS, incluant des différences dans cinq des six acides aminés qui composent le domaine de liaison de la protéine S aux récepteurs ACE2 (cf. X.Li et al., 2020; F.Li et al., 2005).

A gauche, fréquence des mutations du Covid-19 distribuées dans 4 zones géographiques. Au total, 14 souches (13 dans ce graphique établi le 22 avril 2020) ont été répertoriées en avril 2020. A droite, le niveau de désordre des positions de l'alignement des séquences d'ARN du Covid-19 en septembre 2020. Documents D.Zella et al. (2020) et N.Moshiri (2020) adaptés par l'auteur.

Comme on le voit ci-dessus à gauche, en avril 2020 on avait déjà identifié 14 souches du Covid-19 (13 sont présentées dans le graphique) présentant des mutations récurrentes de points chauds. Ces changements concernent notamment des mutations sur la protéine S dans la souche D614 qui s'est propagée en Europe puis aux Etats-Unis (voir plus bas) et d'autres sur la protéine hélicase nsp13 (nonstructural protein) qui catalyse l'ouverture des brins appariés d'acides nucléiques qui n'affecte que la souche présente en Amérique du Nord (cf. D.Zella et al. 2020).

Enfin, concernant la distribution des différentes souches du Covid-19 dans le monde, une étude publiée dans les "PNAS" le 30 mars 2020 par des chercheurs de l'Université de Cambridge montre qu'il existe trois types de coronavirus associés au Covid-19. Le type A a été identifié chez les pangolins et les chauves-souris. Il est présent en Chine et s'est propagé jusqu'en Australie, aux États-Unis, au Chili et en Espagne. Le type B est dominant à Wuhan. Il dérive du type A et aurait subi deux mutations. Il s'est ensuite rapidement propagé en-dehors de la Chine. Il est présent en Europe (Belgique, France, Allemagne, Suisse, Pays-Bas, Royaume-Uni, Danemark et Finlande), au Brésil et au Canada. Enfin, le type C serait la "soeur" du type B mais aurait subi une mutation différente. Il est présent à Hong Kong et s'est répandu jusqu'en Europe (Italie) à partir de Singapour.

Stabilité du virus

Selon Moshiri précité, le Covid-19 évolue beaucoup plus lentement que les autres coronavirus. Selon les données de Nextstrain, en juillet 2020 le Covid-19 présentait un taux de mutation d'environ 23.2 mutations par an qui diminua à 21.8 mutations par an début novembre 2020 contre ~50 mutations par an pour les virus de la grippe saisonnière. Ce taux 2 fois plus lent s'explique en partie par la taille deux fois plus longue du génome du Covid-19 par rapport à ceux de l'Influenza A de la grippe saisonnière (~30 kb contre 13.5 kb).

Une opératrice prépare les échantillons des tests RT-PCR pour le Covid-19 dans un laboratoire de Berlin, le 26 mars 2020. Document Axel Schmidt/Reuters.

Même si certains éléments des nucléotides de la protéine S ont muté, la plupart du temps elle peut continuer à remplir sa fonction, même avec un acide aminé différent. Autrement dit, malgré cette entropie sur certaines positions de son ARN, ces mutations aussi nombreuses soient-elles, aboutissent très rarement à un changement du phénotype et de la fonction virale. C'est ce qu'on appelle la dérive ou le glissement antigénique qu'on observe également chez les virus de la grippe saisonnière par opposition à la cassure antigénique où deux souches du même virus produisent un nouveau sous-type de virus portant les antigènes des deux souches originales. C'est par exemple le cas des virus de la grippe. Ceci explique pourquoi le vaccin fonctionne sur une grippe sur deux selon les souches en circulation.

Le fait que les virus de la grippe saisonnière mutent si rapidement est précisément la raison pour laquelle on ne peut pas élaborer de vaccins efficaces plus d'une saison.

Le taux de mutation beaucoup plus lent du Covid-19 donne de l'espoir aux chercheurs pour le développement potentiel de vaccins efficaces et durables contre le virus. Mais on ne pourra pas le certifier avant 2021 et les résultats des premières vaccinations.

Virulence des souches

Nous avons constaté que le Covid-19 fut particulièrement meurtrier en Italie, au Brésil et à New-York. En Italie, il y eut 919 décès le 27 mars 2020, 615 décès au Brésil le 6 mai 2020 et 574 décès rien qu'à New York le 4 avril 2020 (et 2624 décès aux Etats-Unis le 21 avril 2020). Si la raison de cette hécatombe très localisée n'est pas encore établie, quelques pistes ont été explorées. Même si elles ne sont pas encore convaincantes, elles suggèrent qu'il existerait des souches virales très virulentes.

Dans une étude publiée dans la revue "National Science Review" le 3 mars 2020, Jian Lu et ses collègues ont analysé 103 génomes complets prélevés sur des patients chinois, australiens et coréens et sont arrivés à la conclusion qu'il existerait deux souches distinctes du Covid-19 : la souche L et la souche S. La souche L aurait muté à partir de la souche S et serait plus agressive puisqu'elle serait responsable de 70% des contaminations contre 30% pour la souche S.

Mais l'étude de Tang fut en partie remise en question par des membres de son équipe pour les raisons évoquées plus haut concernant l'incomplétude des données.

Phylogénie du Covid-19 établi à partir de 94 patients traités en Chine. Les cas ayant des antécédents de contact dans le marché de Wuhan sont indiqués. Document H.Lu et al. (2020).

Une autre étude réalisée sur 11 patients comprenant 8 hommes et 3 femmes publiée en avril 2020 suggère également l'existence de plusieurs souches dont certaines présentent une charge virale 270 fois plus importante que d'autres. Certaines souches ont subi 33 mutations dont 19 sont nouvelles. Sur base des analyses faites par GISAID, les chercheurs concluent que les souches du Covid-19 circulant en Europe et à New York seraient les plus virulentes tandis que celles circulant ailleurs dans les États-Unis seraient les plus modérées (cf. M.Zheng et al., 2020).

Mais les conclusions de Zheng et ses collègues furent également critiquées compte tenu du très faible échantillonnage et du séquençage simple (chaque gène n'est lu qu'une fois) introduisant potentiellement un taux élevé d'erreurs.

Néanmoins, cette hypothèse confirme une étude de l'Université Northeastern qui avait déjà montré que le Covid-19 présent à New York provenait d'Europe, probablement via l'Italie, où il fit énormement de victimes.

Dans une autre étude publiée dans la revue "Nature" le 20 mai 2020, Hongzhou Lu de l'Université Fudan de Shanghai et ses collègues ont analysé les données cliniques, moléculaires et immunologiques de 326 patients Covid hospitalisés à Shanghai. Comme on le voit sur le cladogramme à gauche, les séquences génomiques virales de 94 patients Covid furent analysées et ont montré une évolution stable des souches virales.

Dans l'échantillonnage, il y avait deux lignées majeures (Clade I et II) avec un historique d'exposition différentiel pendant la phase précoce de l'épidémie à Wuhan. Néanmoins, ils ont montré une virulence et des résultats cliniques similaires, en particulier dans la progression de la maladie. Selon les chercheurs, "Les déterminants de la gravité de la maladie semblaient provenir principalement de facteurs de l'hôte tels que l'âge et la lymphocytopénie (et sa tempête de cytokines associée), alors que la variation génétique virale n'affectait pas de manière significative les résultats". Ceci est une très bonne nouvelle pour le développement d'un vaccin.

La souche D614G

Dans un article publié dans la revue "Cell" le 2 juillet 2020 par la biologiste Bette Korber du Laboratoire National de Los Alamos (LANL) et ses collègues, les chercheurs ont constaté que le Covid-19 est devenu plus contagieux avec le temps. La souche virale dominante depuis mars 2020 est une souche européenne qui s'est ensuite installée aux Etats-Unis, nommée D614G (ou G614).

Dans une étude publiée un mois plus tôt sur "bioXrev" (non validée), les chercheurs avaient montré que cette souche ne diffère de la précédente que par une seule lettre de l'ARN caractérisant la protéine S. Dans ce premier article, Korber qui est spécialisée en biologie moléculaire et génétique des populations virales avait affirmé à propos de D614G que "lorsqu'elle est introduite dans de nouvelles régions, elle devient rapidement la forme dominante".

Cette conclusion fut critiquée par leurs confrères car les chercheurs n'avaient pas prouvé que la mutation elle-même avait provoqué sa domination. En effet, c'est peut-être le résultat d'autres facteurs ou l'effet du hasard.

Document Cell publié sur Twitter et adapté par l'auteur.

Les chercheurs ont donc réalisé des analyses et des expériences complémentaires, notamment à la demande des éditeurs de la revue "Cell". Il ressort de cette étude que sur les 999 patients examinés, ceux porteurs de cette mutation virale produisaient plus de virions mais sans que cela ne change la gravité de leur maladie, ce qui est rassurant. Quant aux expériences en laboratoire, elles ont montré que la nouvelle mutation pouvait contaminer 3 à 6 fois plus plus de cellules humaines.

Korber affirma que "La variante du SARS-CoV-2 qui domine aujourd’hui dans le monde infecte plus facilement les cellules que celle qui est apparue à l'origine en Chine, ce qui la rend probablement plus contagieuse entre humains bien que cela reste à confirmer". Une autre étude publiée le 30 juin 2020 montra que la nouvelle souche n'augmentait pas le taux de transmission du virus.

Interrogé le 2 juillet 2020 par un chroniqueur du journal "Jama" (cf. la vidéo sur YouTube), l'immunologue Anthony Fauci, directeur de l'Institut des maladies infectieuses américain (NIAID) et responsable de la Task Force Covid-19 auprès de la Maison Blanche (mais le président Trump ne l'écoute pas, on y reviendra) déclara : "Nous ne savons pas encore si une personne s'en sort moins bien ou non [avec la nouvelle souche D614G]. Il semble que le virus se réplique mieux et puisse être plus transmissible, mais nous en sommes toujours au stade d’essayer de le confirmer. Mais il y a de très bons généticiens des virus qui travaillent là-dessus".

En résumé, les chercheurs concluaient en juillet 2020 que si la souche D614G du Covid-19 est sans doute plus infectieuse que la souche originale de Wuhan, le virus n'est pas forcément plus transmissible entre humains. Mais deux nouvelles études corrigent cette dernière affirmation.

Dans une étude publiée dans la revue "Nature" le 26 octobre 2020, soit en ayant plus de 8 mois de recul par rapport aux premières études sur la nouvelle souche, le microbiologiste Kenneth S. Plante de la Branche Médicale de l'Université du Texas (UTMB) et ses collègues ont examiné la mutation D614G (USA-WA1/2020) de la protéine S du Covid-19 et caractérisé son effet.

Selon les auteurs, la souche "D614G accroît la réplication sur les cellules épithéliales pulmonaires et les tissus des voies respiratoires humaines primaires grâce à une amélioration du pouvoir infectieux des virions". Les chercheurs ont infecté des hamsters par la variante G614 qui a produit des titres infectieux plus élevés dans les échantillons nasaux et de la trachée, mais pas dans les poumons, "confirmant les preuves cliniques que la mutation D614G augmente les charges virales dans les voies respiratoires supérieures des patients Covid et peut augmenter la transmission". De plus, ils ont constaté que les sérums de hamsters infectés par la D614 présentent des titres de neutralisation légèrement plus élevés contre la souche G614 que contre la souche D614, indiquant que "la mutation ne réduit peut-être pas la capacité des vaccins dans les essais cliniques contre le Covid-19 et que les anticorps thérapeutiques doivent être testés contre le virus G614 en circulation". Ils soulignent enfin l'importance de la mutation virale D614G dans la propagation de l'épidémie, l'efficacité des vaccins et de la thérapie par anticorps.

Une autre étude publiée dans la revue "Science" le 12 novembre 2020 par Yoshihiro Kawaoka des universités du Wisconsin et de Tokyo et ses collègues confirme que la souche D614G présente une réplication ex vivo et une transmission in vivo plus efficaces.

Selon les chercheurs, "La variante D614G présente une infectiosité, une réplication et une aptitude compétitive plus efficaces dans les cellules épithéliales des voies respiratoires humaines primaires, mais conserve une morphologie et des propriétés de neutralisation in vitro similaires, par rapport au virus ancestral sauvage." En d'autres termes, la souche D614G du Covid-19 s'est adaptée. Pour une charge virale similaire dans les tissus respiratoires, elle infecte beaucoup plus rapidement les cellules.

Les infectiologues sont d'avis que cela ne change rien dans les mesures de protection à respecter pour ralentir l'épidémie.

Les souches 20A.EU1 et 20A.EU2

Dans un article publié sur "medRxiv" (non validée) le 28 octobre 2020, Emma B. Hodcroft de l'Université de Bâle en Suisse et ses collègues ont annoncé la découverte d'une nouvelle souche du Covid-19 au début de l'été 2020, vraisemblablement en Espagne, qui s'est ensuite propagée à plusieurs pays européens.

En juillet 2020, la variante nommée 20A.EU1 représentait plus de 40% des cas de contamination en Espagne. En dehors de l'Espagne, de fréquences très faibles avant le 15 juillet, elle passa en septembre à 40-70% en Suisse, en Irlande et au Royaume-Uni. Cette mutation est également répandue en Norvège, en Lettonie, aux Pays-Bas et en France. Elle s'est ensuite propagée en Nouvelle Zélande et à Hong Kong et probablement dans d'autres pays.

Une autre souche nommée 20A.EU2 est présente en France et en Slovaquie et émerge en Belgique, aux Pays-Bas, en Allemagne, en Norvège et en Suède. En novembre 2020, les chercheurs ne disposaient pas de suffisamment de données de séquençages pour évaluer leurs fréquences dans d'autres pays.

Il est actuellement difficile de savoir si ces variantes se propagent en raison d'un avantage de transmission du virus ou si une incidence élevée en Espagne suivie d'une diffusion par les touristes est suffisante pour expliquer l'augmentation rapide dans plusieurs pays.

A gauche, aperçu phylogénétique du Covid-19 en Europe. L'arbre montre un échantillon représentatif d'isolats d'Europe colorés par l'acide aminé aux positions 222, 477 et 614 de la protéine S. Une nouvelle souche à propagation rapide (20A.EU1, en bleu) avec la mutation S:A222V sur un fond S:D614G est apparu au début de l'été 2020 et est présente dans la plupart des pays avec des séquences récentes. Une variante distincte (20A.EU2) avec la mutation S:477N est répandue en France et quelques autres pays. A droite, la proportion de séquences appartenant à chaque souche (sur la durée de la pandémie) dans chaque pays. Document E.B. Hodcroft et al. (2020) basé sur Nextstrain.

Les chercheurs confirment que la souche 20A.EU1 serait apparue chez des travailleurs agricoles espagnols provenant de deux foyers connus situés dans le nord-est du pays. Le virus contamina ensuite des travailleurs en Aragon et en Catalogne avant de se propager dans la région de Valence et dans le reste du pays.

Selon les chercheurs, "La souche 20A.EU1 diffère des séquences ancestrales d'au moins 6 positions, dont la mutation A222V dans la protéine S et A220V dans la nucléoprotéine [...]. La souche 20A.EU2 présente une mutation S447N sur la protéine S".

Selon la situation d'octobre 2020, selon les pays il existe donc plusieurs souches du Covid-19 en Europe dont 20A.EU1 et 20AEU2 minoritaires et D614G qui est dominante.

Le virus mute donc toujours et par conséquent il est probable que les vaccins devront être adaptés à mesure que le virus subit des mutations significatives.

Activité et durée de vie de la charge virale

Comme nous l'avons expliqué, le Covid-19 ne peut répliquer son ARN que dans le cytoplasme d'une cellule hôte infectée dont il utilise la machinerie génétique à son profit. Autrement dit, même en faisant ses courses et en imaginant que le virus se poserait sur notre peau, il serait inoffensif. On y reviendra car le sujet a suscité beaucoup de craintes et de malentendus.

Modèles du coronavirus Covid-19 révélant les spicules sur l'enveloppe et la capside protégeant le brin d'ARN. Documents Andriy Onufriyenko/GettyImages.

Comme tous les coronavirus, étant enveloppé, pour que sa charge virale reste active (on ne parle pas de survie dans le cas d'un virus), le Covid-19 doit rester dans un milieu humide et idéalement à une température inférieure à 25°C, l'air chaud et sec ayant tendance à fragiliser son enveloppe. En effet, si le milieu est trop sec, le virus sera détruit au bout de quelques heures (cf. page 2). La période estivale n'est donc pas sa meilleure saison, d'autant moins que le nombre de contact qu'il peut établir diminue puisque la population à tendance à se disperser.

Enfin, le Covid-19 perd sa charge virale et sa capacité infectieuse lorsqu'il est exposé au moins une demi-heure à 56°C ou 1 seconde à 100°C, d'où l'intérêt de bien cuire les aliments et de nettoyer le linge susceptible d'être contaminé (y compris les masques de protection en tissu) à au moins 60°C pendant au moins une demi-heure.

Origine du Covid-19

Grâce à l'apprentisssage automatique, les bioinformaticiens ont classifié et analysé plus de 5000 séquences génomiques virales dont les 29 séquences du Covid-19 disponibles dès le 27 janvier 2020. Au total plus de 61 millions de paires de bases furent examinées et des comparaisons entre les différents coronavirus furent réalisées.

Des résultats intéressants sur l'étude du génome du Covid-19 furent publiés dans la revue "PLoS One" le 24 avril 2020 par le bioinformaticien Gurjit S. Randhawa de l'Université de Western Ontario au Canada et ses collègues. Leur étude complète l'analyse réalisée par Davide Zella de l'Université de Maryland et ses collègues portant sur le taux de mutation du Covid-19 publiée dans le "Jounal of Transactional Medicine" le 22 avril 2020 et l'analyse génomique publiée par Kristian G.Andersen de l'insitut de recherche Scripps et ses collègues dans la revue "Nature" le 17 mars 2020 dont un extrait est présenté ci-dessous à gauche.

A gauche, comparaison de la séquence génomique de la protéine S du Covid-19 avec celle d'autres coronavirus dont celles de chauves-souris Rhinolophus et du pangolin. A droite, l'arbre phylogénique du Covid-19 (SARS-CoV-2). 49 génomes ont été identifiés au 1 novembre 2020 dont 7 souches du Covid-19. Documents K.Andersen et al. (2020) et Nextstrain.

L'analyse phylogénétique de la protéine RdRp (dont l'enzyme catalyse la réplication de l'ARN), des protéines de pointe S et de l'alignement complet du génome du Covid-19 ainsi que leur comparaison avec d'autres coronavirus ont montré qu'elles présentent seulement 51.8% d'homologie avec le MERS. En revanche, elles présentent 87.7% d'homologie avec deux protéines du coronavirus du SARS, bat-SL-CoVZXC21 et bat-SL-CoVZC45, qu'on retrouve chez les chauves-souris chinoises en fer à cheval Rhinolophus sinicus. Ces résultats suggèrent clairement que le virus provient de chauves-souris.

Le plus proche parent connu du Covid-19 avec 96.2% d'homologie génomique est un coronavirus de chauve-souris chinoise Rhinolophus affinis nommé BetaCoV/bat/Yunnan/RaTG13/2013, RaTG13 en abrégé, qui a été étudié à l'Institut de virologie de Wuhan dès 2013 (cf. Y.Li et al., 2020; X.Li et al., 2020; Z-L.Shi et al., 2020). On reviendra sur cette souche (cf. page 3). Notons que le pangolin évoqué précédemment est la deuxième source possible avec 91% d'homologie (cf. Z.Zhang et al., 2020).

Dans les séquences du Covid-19, il y a plus de 99% de similarité avec celles du virus apparu à Wuhan et un manque de diversité entre les souches suggérant l'existence d'une lignée et d'une source communes, y compris pour la souche humaine, chez les chauves-souris du genre Rhinolophus qui représenteraient les réservoirs naturels du Covid-19.

A gauche, le plus proche parent connu du Covid-19 avec 96% d'homologie génomique est le coronavirus BetaCoV/bat/Yunnan/RaTG13/2013, RaTG13 en abrégé, que porte la chauve-souris chinoise Rhinolophus affinis. Notons que cette espèce est menacée d'extinction et figure sur la liste rouge de l'IUCN depuis 2008. A droite, la chauve-souris chinoises en fer à cheval Rhinolophus sinicus porteuse des coronavirus bat-SL-CoVZXC21 et bat-SL-CoVZC45.

Un débat est toujours ouvert pour savoir si le Covid-19 est apparu après la recombinaison avec des chauves-souris et des coronavirus inconnus ou est apparu indépendamment comme une nouvelle lignée qui contamina les humains. Si on combine l'identification de la protéine ACE2 qui est un récepteur du Covid-19, du SARS et d'autres souches de Sarbecovirus, l'hypothèse selon laquelle le Covid-19 est issu des chauves-souris est jugé très probable par les chercheurs.

Il apparaît également que les chauves-souris et les oiseaux, tous deux des vertébrés volants à sang chaud, sont des hôtes idéaux et facilitent l'évolution et la dissémination des coronavirus. On retrouve les chauves-souris comme source des Alphacoronavirus et Bêtacoronavirus, et les oiseaux pour les Gammacoronavirus et Deltacoronavirus.

On reviendra à la fin de la page suivante sur la transmission du virus de l'animal à l'homme et vice versa, ce qu'on appelle la zoonose.

Grâce à l'apprentissage automatique (machine learning), des ordinateurs peuvent rapidement analyser le génome des virus et établir des regroupements à travers des cartes des distances moléculaires tridimensionnelles ou MoDMap3D ((Three dimensional Molecular Distance Maps). Grâce à cet outil des chercheurs ont obtenu les cartes ci-dessus. (a) 3273 séquences virales représentant 11 familles virales et du domaine Riboviria, (b) 2779 séquences virales classant 12 familles virales du domaine Riboviria, (c) 208 séquences de Coronaviridae classées par genre. Document G.S.Randhawa et al. (2020).

Enfin, quand serait apparu le premier coronavirus ? Selon une étude publiée en 2012 par l'équipe du microbiologiste P.C. Woo de l'Université de Hong Kong, l'analyse de l'horloge moléculaire a montré que l'ancêtre commun le plus récent de tous les coronavirus remonte à environ 8100 ans avant notre ère. Ceux des Alphacoronavirus, Bêtacoronavirus, Gammacoronavirus et Deltacoronavirus datent respectivement d'environ 2400, 3300, 2800 et 3000 ans avant notre ère.

Voyons à présent ce qui nous préoccupe tous le plus à savoir les voies de transmission du Covid-19 et comment y échapper.

Prochain chapitre

Voies de transmission

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