key: cord-0039458-7uxqpenw
authors: van der Werf, Sylvie
title: Variabilité génétique des virus à ARN
date: 2002-05-14
journal: Ann Inst Pasteur Actual
DOI: 10.1016/s0924-4204(02)85002-8
sha: 03c022115910c33526d795718e139e500da79a3b
doc_id: 39458
cord_uid: 7uxqpenw

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Sylvie van der Werf D'une man&e generale, les virus a ARN se caracterisent par une population virale de grande taille, pouvant atteindre lo'* particules virales chez un organisme infecte, un taux de replication Pleve et un temps de generation court, permettant de produire en moyenne 100 000 copies d'ARN viral par particule infectieuse en 10 heures environ 181 

Les mutations se produisent pour de multiples raisons a la suite d'une mesincorporation lors du processus de replication, et se traduiront par des substitutions, des deletions ou des insertions 1231. Ces m&incorporations peuvent resulter de mesappariements aboutissant a des substitutions nucleotidiques, ou resulter d'un dysfonctionnement de I'ARN-polymerase aboutissant alors a des deletions ou des insertions. En I'absence de mecanismes de maintien et/au de restauration de I'integrite de I'information genetique portee par I'ARN, la frequence des mutations des virus a ARN, estimee apres un cycle unique de replication, est de I'ordre de 10v3 a 10m5 par site nucleotidique, alors que la frequence des mutations est de mille a un million de fois plus faible pour les genomes ADN. Cependant, en depit du fait que la synthese d'ARN est generalement entachee d'erreurs, assurant par la meme la grande diversite des virus a ARN, le taux d'erreur peut varier en fonction de differents facteurs. Ainsi, la nature de I'ARN-polymerase elle-meme et ses proprietes de fidelite et de processivite determinent le taux d'erreur au tours du processus de replication. Differentes approches biochimiques ou genetiques, fondees sur la frequence d'apparition d'une substitution nucleotidique conferant une resistance ou la reversion d'un caractere phenotypique, ont ete employees pour estimer le taux d'erreur de differentes polymerases (iableuu 7). Toutefois, ces taux d'erreurs constituent des valeurs moyennes susceptibles de varier : -en fonction des conditions de la synthese d'ARN (pool nucleotidique, pH, taux d'oxygene, etc.), comme cela a notamment ete montre pour la transcriptase inverse du VIH-1 (virus de I'immunodeficience humaine) [30] , -egalement, en fonction de la nature des substitutions nucleotidiques, -et de la sequence et/au la structure de la matrice.

Des genomes hypermutes du fait d'une frequence elevee d'un type de substitution nucleotidique ont ete observes lors d'infections in vivo. Des formes hypermutees du genome de la rougeole ou du virus respiratoire syncytial (RSV), dues a des hypermutations A -+ G ont ainsi ete d&rites [4, 35] . En conse- (de I'ordre de 5 a 30 kb), la frequence d'erreurs naturelles de la polymerase se traduit en moyenne par I'introduction d'au moins une mutation par genome et par cycle de replication. Une telle frequence de mutation est proche du seuil d'erreur au-dela duquel un taux d'erreur plus eleve se traduit par une perte irreversible d'information et conduit pour le genome 2 I'* erreur catastrophique )I. En effet, des expbriences de mutagen&se chimique de I'ARN viral du virus de la stomatite vPsiculeuse (VSV) ou du poliovirus ont montre que le taux de mutation ne peut @tre que IegPrement augment@, ce qui suggPre que le taux d'erreur nature1 de la polymPrase est proche du maximum tolerable [24] . Par consequent, la variabilite genetique est limitee par le seuil de variabilite phenotypique qui correspond aux contraintes structurales et fonctionnelles qui s'exercent tant au niveau de I'ARN qu'au niveau proteique. De telles contraintes au niveau de I'ARN sont notamment observPes pour certaines regions regulatrices sit&es dans les regions non codantes des ARN impli-q&es dans I'initiation de la traduction, comme les sequences de fixation interne des ribosomes (IRES), dans I'initiation de la replication ou de la transcription, ou dans I'encapsidation.

La fonctionnalite de telles sequences qui implique des interactions specifiques avec des proteines virales et/au cellulaires, depend en effet non seulement de la sequence primaire mais @galement de la structure secondaire, voire de la structure tertiaire de I'ARN. Ainsi, par exemple, un nombre tres limite de substitutions nucleotidiques est observe au niveau des IRES des picornavirus, et celles-ci s'accompagnent generalement de mutations compensatrices qui restaurent la structure fonctionnelle de TARN 131. Au niveau proteique, les contraintes structurales et fonctionnelles se traduisent notamment par des frequences differentes de mutations synonymes et non synonymes au niveau des phases de lecture ouvertes ainsi que par la conservation de la nature de certains residus. Les bases moleculaires de ces contraintes sont documentees pour de nombreuses proteines virales a la suite de I'etablissement des relations structure-fonction. Ainsi, de nombreuses proteines virales, notamment structurales, peuvent absorber un nombre considerable de mutations, qui en regle @n&ale n'alterent pas leurs structures secondaire et tertiaire, et sont localisees au niveau de boucles flexibles. Neanmoins, I'importance de la conservation de certains residus impliques dans des interactions fonctionnelles est illustree, par exemple, par la conservation au sein d'une boucle flexible de la proteine de capside VP1 du virus de la fievre aphteuse -cible des anticorps neutralisants -du motif Arg-Gly-Asp necessaire a la fixation de la particule virale a son recepteur, l'integrine avp3 1441.

Par comparaison de sequences, il a ete etabli que pour de nombreux virus a ARN plus de la moitie des sites nucleotidiques peuvent etre mutes. Cela signifie que le nombre de variants potentiels est astronomique et laisse entrevoir que seule une infime fraction des genomes correspondant a des virus viables a emerge aujourd'hui. La diversite genetique des genomes viraux est encore accrue par les mecanismes de recombinaison genetique et de reassortiment.

La recombinaison implique des echanges d'information genetique au sein de segments genomiques, alors que le reassortiment implique I'echange de segments genomiques entiers dans le cas des virus a genome segmente [50]. Bien que la recombinaison d'ARN ne semble pas ou rarement se produire pour les virus a ARN negatif, dans le cas de virus a ARN positif tels que les picornavirus et les coronavirus, la frequence des Pvenements de recombinaison est particulierement elevee et peut etre estimee a 1 o/o pour 1 500 nucleotides 1281. La recombinaison d'ARN se produirait par un mecanisme de choix de copie faisant intervenir un saut de la polymerase d'une matrice a une autre au tours de la replication de I'ARN viral. Toutefois, I'existence d'un mecanisme de type cassure puis ligature d'ARN -comme cela a ete mis en evidence in vitro dans le cas du coliphage 48 IS] -ne peut etre formellement exclue. Le phenomene de recombinaison a ete demontre in vitro comme in vivo lors d'infections experimentales ou naturelles. Ainsi, la recombinaison entre les genomes des trois types de poliovirus est observee avec une frequence elevee lors de la multiplication chez les vaccines 115, 321. De meme, des variants issus d'evenements de recombinaison sont frequemment isoles dans le cas du coronavirus [39] . Enfin, la possibilite de recombinaisons entre ARN viraux et ARN cellulaires a egalement Pte documentee comme dans les cas du virus de la diarrhee bovine (BVDV), un pestivirus 1311, ou du virus de la grippe A [27] . De facon remarquable, de fortes homologies de sequences sont retrouvees parmi des groupes de virus tres eloignes notamment pour des proteines non structurales telles que les ARN-replicases 111, ce qui traduit la structure modulaire des genomes a ARN, reflet de leurs origines et de la contribution des evenements de recombinaison au tours de I'evolution.

Pour les virus a ARN segmente, a savoir les Orthomyxoviridue, Bunyuviridue, Arenuviridue et Reoviridue, dont le genome se presente sous la forme de multiples segments d'ARN, des variations genetiques majeures peuvent se produire par reassortiment. Lors de ce processus, qui survient a la faveur d'une coinfection du meme h&e par differents virus, les segments genomiques des virus co-infectants sont redistribues de facon aleatoire au sein des virions produits. Logiquement, ce processus se produirait a T&ape de morphogenese virale lorsque les differents segments d'ARN genomique sont selectionnes a partir du pool intracellulaire pour I'empaquetage au sein des particules virales. Ce processus de reassortiment observe aussi bien in vitro que in vivo lors d'infections experimentales ou naturelles contribue de facon drastique a la diversite genetique des virus. II II implique que I'evolution de la population de variants depend de la facon dont chaque variant individuel entre en competition et subit les pressions de selection naturelle au tours de sa replication au sein de I'ensemble de la population de quasi-especes. Une population de quasi-especes consiste ainsi en un spectre de mutants domine par une * sequence directrice * correspondant au genome a la vitalite la plus elevee dans un environnement donne. Cette e sequence directrice s coi'ncide ou non avec la * sequence consensus * definie par le nucleotide le plus frequemment observe a une position donnee lorsque j'on sequence un ensemble de genomes de la population. Dans un environnement constant, la propagation de I'ensemble de la population de quasiespeces se traduit par un gain progressif de vitalite de I'ensemble et par une evolution vers un Ptat d'equilibre et une relative stase evolutive. Le gain global de vitalite sera d'autant plus eleve que la vitalite initiale de la population de quasi-especes est faible. Ce gain de vitalite traduit I'elimination progressive des variants non fonctionnels et la selection des variants les mieux adapt& a un environnement donne. En revanche, tout changement environnemental se traduira par un desequilibre et une perte de vitalite initiale de I'ensemble de la population de quasi-especes qui evoluera ensuite rapidement pour atteindre un nouvel equilibre correspondant a un niveau de vitalite Pleve 1231. Ainsi, la relative stase evolutive des virus grippaux de type A circulant chez les oiseaux sauvages traduit I'atteinte d'un Ptat d'equilibre et I'adaptation de longue date de ces virus a leur hate reservoir naturel, alors qu'une evolution rapide des virus grippaux de type A chez l'homme reflete leur introduction recente dans la population. En revanche, dans le cas de virus tels que les arbo-virus dont le cycle de multiplication fait necessairement intervenir I'alternance entre deux hates (insecte-vecteur et mammifere), un tel equilibre ne peut etre atteint.

A I'inverse de la propagation de I'ensemble de la population qui permet I'optimisation continue des quasi-especes, les evenements d'echantillonnage constituent des a goulets genetiques 0 et se traduisent par I'etablissement d'une nouvelle distribution de quasi-especes autour d'une nouvelle sequence directrice. Des evenements d'echantillonnage s'observent in vitro lors du clonage des virus de meme que in vivo, lorsqu'au sein d'un organisme de nouveaux organes ou tissus sont envahis par une ou quelques particules virales, ou encore, dans la nature, lorsque la transmission d'un individu a I'autre n'implique qu'une ou quelques particules virales infectieuses, comme c'est vraisemblablement le cas lors de la transmission par voie sexuelle, par voie materno-fcetale ou par aerosol. Les evenements de pression de selection positive peuvent Pgalement constituer des goulets genetiques lorsque du fait de modifications de I'environnement, seule une minorite de variants reste capable de se multiplier de facon efficace dans les nouvelles conditions. Les Pvenements d'echantillonnage se traduisent, surtout s'ils sont rep&es, par une perte de vitalite du fait d'une selection stochastique de mutants de vitalite reduite, en accord avec la theorie du * rochet de Muller *, traduisant I'irreversibilite d'un engrenage a cliquets. Cet effet est d'autant plus marque que la vitalite initiale de la population etait plus elevee [33] . Dans ce contexte, les evenements de recombinaison ou de reassortiment contribuent non seulement a la diversite genetique mais constituent un moyen de contrer les effets deleteres de goulets genetiques rep&es par I'introduction en bloc d'un ensemble de sequences susceptibles d'accroitre la vitalite. Une consequence potentielle de la selection qui Sop&e a I'occasion d'evenements d'echantillonnage est la coselection fortuite d'une ou plusieurs autres mutations susceptibles de conferer des proprietes nouvelles -telles qu'une virulence accrue -a la population de quasi-especes qui en derive. Enfin, I'existence d'une memoire moleculaire au sein des populations des quasi-especes a recemment Pte suggeree 1361. Celle-ci correspond a I'existence, au sein de la population de quasi-especes, de variants minoritaires porteurs de mutations selectionnees lors d'un precedent goulet genetique, et qui peuvent rapidement redevenir majoritaires lorsque le meme Pvenement d'echantillonnage survient a nouveau. En revanche, ces variants qui constituent la memoire moleculaire de la population de quasiespeces sont perdus lors d'evenements d'echantillonnage rep&es.

Lorsque I'on cherche a comprendre I'evolution des virus a ARN, I'issue de la competition entre populations virales doit etre prise en compte. Dans des experiences de competition entre clones viraux de vitalite differente, le clone dont la vitalite est la plus faible est rapidement elimine. Cependant, meme un variant de vitalite elevee peut se trouver elimine au sein d'une population complexe de quasi-especes de vitalite relative plus faible, lorsqu'il est present dans une proportion inferieure a un certain seuil. Dans des experiences de competition entre clones de vitalite comparable, il a ete observe qu'apres une periode de coexistence I'un des clones peut supplanter I'autre. Toutefois, au tours de la competition, les perdants comme les gagnants gagnent en vitalite. Ainsi, les populations de virus a ARN apparaissent gouvernees par deux importants principes de genetique des populations : le principe d's exclusion competitive * et I'* hypothese de la reine rouge * edictee par Lewis Carroll dans Alice au PaysdesMerveiiles, selon laquelle s . . . il faut courir au maximum de ses capacites pour rester a la meme place n (a . . . it fakes all the running you can da to keep in thesameplace * 161. 

Une des expressions les plus Pvidentes de la variabilite des virus a ARN est leur variation antigenique qui permet au virus d'echapper a la reponse immunitaire de I'hote. D'importantes variations de sequence des proteines de surface du virus au niveau des sites antigeniques, cibles des anticorps neutralisants, sont observees pour la plupart des virus a ARN, particulierement pour les virus a ARN enveloppes dont les glycoproteines de surface sont soumises a de moins fortes contraintes structurales que celles subies par les proteines structurales constituant la capside des virus non enveloppes. Pour les virus responsables d'infections aigues, cette variation antigenique serait le resultat d'une immunoselection a I'echelle de la population. Ainsi, par exemple, pour les virus de grippe A humains, I'analyse des sequences de I'hemagglutinine H3 a permis d'estimer que la sequence du polypeptide HA1 de I'hemagglutinine peut varier de -1 O/o par an, la plupart des substitutions fixees au tours du temps impliquant des residus localises au niveau du domaine distal et expose de I'hemaggutinine (13, 381. Des variations de sequence du meme ordre ont et6 d&rites pour le RSV, atteignant 12 o/o pour I'ectodomaine de la glycoproteine C des virus du groupe B isok entre 1977 et 1999 [40, 41] . Ainsi, du fait de leur circulation au sein d'une population humaine partiellement immune, les virus tels que les virus de grippe A humains, seraient des espPces a fugitives n contraintes ti une Evolution rapide pour pouvoir reinfecter la population humaine en s'affranchissant de I'immunite protectrice de I'h6te. Des variations antigeniques ayant pour consequence I'khappement B la reponse humorale sont egalement observ6es pour des virus responsables d'infections chroniques tels que le virus de I'hepatite C (VHC) [14] . L'Pmergence sequentielle de variants d'echappement aux anticorps circulants a ainsi PtP mise en &idence chez des patients atteints d'infection chronique par ce virus. De plus, I'analyse de I'&olution des quasi-especes pour la region hypervariable 1 de la proteine d'enveloppe E2 du VHC a montre que la diversite des quasi-espkes lors de la phase aigu@ de la maladie augmente chez les patients qui dPveloppent une hepatite chronique, alors qu'elle diminue chez les sujets capables d'eliminer le virus. L'observation selon laquelle, chez des sujets agammaglobulinemiques chroniquement infect& par le VHC, le taux annuel de mutations est significativement plus faible que chez les sujets immunocompktents renforce egalement la notion de ['existence d'une pression de selection lice aux anticorps. De la meme facon, la variation g&Gtique au niveau d'epitopes cibles de la rPponse lymphocytaire T-cytotoxique a et6 observee chez I'homme dans le cas des virus grippaux 1451 comme dans le cas du VHC [14] , et pourrait contribuer a I'echappement du virus a la reponse immunitaire de I'h6te et favoriser I'etablissement de la persistance virale.

La variation antigenique consecutive FI la pression de selection exercee par la reponse immunitaire, en particulier humorale, de I'h6te a des implications en mat&e de strategic vaccinale. De fa$on evidente, la derive antigenique constante, comme dans le cas des virus grippaux, impose la reactualisation annuelle de la composition du vaccin antigrippal. Non seulement la variation antigenique des virus peut @tre B I'origine des echecs de la vaccination, mais la reponse immunitaire induite par la vaccination peut en elle-m&me contribuer a la selection de nouveaux variants antigeniques. Par consequent, le potentiel de variabilitk g&-@tique des virus doit @tre pris en compte pour le d&eloppement et I'&aluation des strategies vaccinales.

L'extreme variabilite gPn&ique des virus d ARN a Ggalement pour cons6 quence I'emergence de variants Gsistants aux traitements antiviraux. Cela est observe non seulement dans le cas d'infections aigu@s comme lors du traitement de I'infection grippale par I'amantadine ou la rimantadine, mais surtout dans le cas d'infections chroniques comme pour le traitement de I'infection B VHC par I'interfPron. La frPquence d'emergence de variants resistants depend de la composition inltiale de la population de quasi-especes mais surtout de I'impact des mutations sur la vitalite du variant resistant et de sa competitivite vis-a-vis des autres variants composant la population de quasi-especes. II est ainsi remarquable que, dans le cas des virus grippaux, des variants resistants a I'amantadine et/au a la rimantadlne qui ciblent la proteine M2, emergent avec une frequence tres elevee aussi bien in vitro que in vivo (30 o/o des patients trait& 121 I), alors que I'emergence de variants resistants aux agents antiviraux tels que le zanamivir ou I'oseltamivir qui ciblent I'activite de la neuraminidase des virus grippaux, s'observe in vitro a une frequence tres nettement inferieure. Cette difference peut etre correlee au fait que les variants resistants a I'amantadine ou la rimantadine ne presentent aucun avantage, ni desavantage, selectif competitif [2], alors qu'une perte de vitalite par rapport au virus parental est observee pour les variants resistants aux produits antineuraminidase [18] . Un moyen de contrer I'emergence de variants resistants lice a la variabilite genetique des virus a ARN consiste done a appliquer une strategie de multitherapie ciblant differents genes viraux dont la mutation simultanee aura pour effet une reduction drastique de la vitalite des variants multiresistants susceptibles d'etre selectionnes. Une autre approche antivirale qui consisterait a augmenter le taux d'erreur de la replicase virale a egalement ete proposee et analysee dans le cas du VIH 1291. Une telle strategie qui aurait pour effet de pousser la variabilite genetique au-dela du seuil de 1'~ erreur catastrophique * avec pour consequences une perte irreversible d'information et done du pouvoir infectant viral, reste neanmoins a explorer [7].

De nombreux exemples illustrent le fait que des variations genetiques parfois minimes peuvent se traduire par des modifications drastiques de la pathoge-n&e virale. Ainsi, la substitution d'un seul nucleotide dans la region 5' non codante du genome du poliovirus Sabin de type 3, observee lors de la multiplication chez les vaccines est associee a la reversion du phenotype attenue 1321; la substitution d'un unique acide amine de la proteine C du virus rabique est associee a la virulence virale [43] ; et des deletions d'environ 100 nucleotides dans le genome d'un coronavirus enterique non pathogene du chat sont a I'origine des souches pathogenes de virus de la peritonite infectieuse feline (FIPV) [50] . La variation genetique peut Pgalement etre a l'origine de modifications du tropisme viral. Ainsi, pour les virus grippaux aviaires de sous-type H5 ou H7, I'acquisition par insertions successives dans le gene de I'hemagglutinine, d'un site multibasique rendant le clivage de I'hemagglutinine independante des proteases extracellulaires, confere au virus la capacite de se multiplier dans de multiples tissus et une virulence accrue 1251. De facon remarquable, une deletion dans le gene de la glycoproteine S distingue le virus de la gastroenterite transmissible du port (TGEV), 8 tropisme enterique, et le coronavirus respiratoire portin (PRCV), a tropisme respiratoire 1341. Enfin, comme dans le cas du virus de la rougeole pour lequel des formes hypermutees sont associees a la panencephalite sclerosante subaigue -une complication neurologique rare mais fatale qui survient plusieurs annees apres I'infection rougeoleuse -la variabilite genetique peut etre a I'origine de I'etablissement d'infections persistantes 141.

II est remarquable de constater que la grande majorite des virus dits * Pmergents * sont precisement les virus qui presentent une variabilite genetique elevee et en particulier les virus a ARN. Alors que I'analyse phylogenetique montre une correlation etroite entre sequence virale et espece h&e pour de nombreux virus tels que les virus rabiques, les bunyavirus ou encore les virus grippaux de type A, suggerant ['existence d'une coevolution du virus et de son hate, la possibilite occasionnelle de franchissement de la barriere d'espece et d'etablissement chez un nouvel hate est directement attribuable a la structure en quasi-especes des populations Wales et a la variabilite genetique des virus. En effet, en regle g&-r&ale, I'introduction chez un nouvel hate fait suite a un accroissement global de la taille de la population virale. Celle-ci peut resulter d'une augmentation de la population de I'hote nature1 qui I'heberge, comme dans le cas de la pullulation des rongeurs a I'origine de I'emergence de certains hantavirus. Elle peut egalement resulter d'une amplification virale accrue ou d'une augmentation du nombre de cellules cibles chez I'h6te d'origine consecutive a I'acquisition de nouvelles proprietes par le virus. L'accroissement de la taille globale de la population virale permet ainsi une augmentation de la diversite genetique selon les differents mecanismes evoques plus haut et par consequent la probabilite d'emergence de variants viraux capables d'infecter un nouvel hate, puis eventuellement de s'y adapter. Ainsi, dans le cas des virus grippaux, la multiplication concomitante de virus d'origine aviaire et humaine chez le port a donne lieu a des virus reassortants dont I'amplification et I'adaptation chez cet hate mammifere est vraisemblablement a I'origine des pandemies de 1957 et de 1968 chez I'homme (471. En ce qui concerne les virus grippaux aviaires H5N1, a I'origine de plusieurs cas de grippe chez I'homme a Hong-Kong en 1997, il semble que des Pvenements de reassortiment multiples a I'occasion d'une circulation intense de differents virus aviaires, ainsi que le caractere pantrope de ces virus capables de se multiplier dans differents tissus chez les volailles aboutissant ainsi a une forte amplification virale, aient constitue les preludes a I'emergence de variants capables d'infecter I'homme du fait notamment des caracteristiques de leurs genes internes, meme si, dans ce cas, I'adaptation complete a I'homme n'a pas ete observee 1221.

Ainsi, differents mecanismes contribuent a I'extreme diversite genetique des virus a ARN et a leur taux d'evolution rapide par rapport a leurs hates dont I'information genetique est a base d'ADN. L'evolution a long terme des virus a ARN resulte de la frequence des mutations, de la competition entre genomes variants et d'ev&rements d'echantillonnage aleatoires. Elle est de plus influentee par les pressions de selection positive, la taille globale de la population

Deux tendances opposkes operent pour I'&olution des virus B ARN : la necessite de rester constant pour @We fonctionnellement competent, et la n@cessit@ de varier pour pouvoir s'adapter aux modifications de I'environnement. Ainsi, I'&olution virale doit @tre consid&$e comme la rPsultante de desequilibres composites qu'il faut prendre en compte dans I'elaboration de nouvelles strategies de lutte antivirale et pour la comprehen

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