Structure génétique des populations de Plasmodium falciparum, agent de la forme grave du

282 Pages·2007·4.86 MB·French

by  Annan, Zeinab

UNIVERSITE MONTPELLIER II
SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

THESE
pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE MONTPELLIER II

Discipline : Biologie des Populations et Ecologie
Formation doctorale : Parasitologie
Ecole doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences,
Hydrosciences, Environnement
présentée et soutenue publiquement
par
Zeinab ANNAN
le 12 décembre 2007
Structure génétique des populations de Plasmodium falciparum, agent de la
forme grave du paludisme, chez l'homme et les anophèles vecteurs en
Afrique
JURY
M. Richard PAUL Directeur de Recherche Rapporteur
Institut Pasteur, Paris
M. Christophe ROGIER Professeur Rapporteur
IMTSSA, Marseille-Armées
M. Carlo SEVERINI Directeur de Recherche Examinateur
Istituto Superiore di Sanità, Rome
M. Bernard GODELLE Professeur Examinateur
Université Montpellier II
M. Didier FONTENILLE Directeur de Recherche Directeur
IRD, Montpellier
M. Patrick DURAND Ingénieur de Recherche Co-directeur
CNRS, Montpellier
Remerciements
Je remercie Didier Fontenille, mon directeur de thèse, pour m’avoir accueillie en
DEA puis en thèse au sein de l’UR016 à l’IRD, pour avoir patiemment suivi ce travail au
cours de ces années de thèse, et pour m’avoir permis de découvrir l’Afrique. Je ne
connaissais ni ce continent, ni les moustiques, ni le paludisme, avant de venir à Montpellier,
et je lui dois ces découvertes passionnantes.
Je remercie François Renaud, directeur du GEMI, pour m’avoir accueillie au sein de
son équipe pour y effectuer ma thèse, pour les discussions qui ont été sources de réflexions
utiles et m’ont aidé à cadrer ce sujet, et pour toute l’aide qu’il a apportée dans la valorisation
de ce travail de thèse.
Je remercie Patrick Durand, mon co-directeur de thèse, pour sa présence et sa
disponibilité quotidienne dans l’élaboration et la conduite de ce travail de thèse, pour les
discussions toujours éclairantes, pour son aide et pour son soutien fournis à chaque étape de
ce long travail. Merci à lui.
Je suis reconnaissante aux membres du jury, et parmi eux, à Rick Paul et à Bernard
Godelle, pour leur patience et leur disponibilité renouvelée. J’adresse également mes
remerciements à Christophe Rogier, pour sa disponibilité à revoir ce travail comme
rapporteur, et à Carlo Severini pour sa disponibilité.
Ma thèse, avant que d’évoluer vers un long travail de rédaction, a aussi été une
aventure sur le terrain au Cameroun. Je remercie toute l’équipe de l’OCEAC à Yaoundé, les
Frédéric Simard, les Parfait, les Antonio, les Charles Wondji, les J-P, les Sylvie, les Isaac, les
Elysée, les Rose, les Serge, les Toto, les Roger. Ils m’ont accueilli au Cameroun, m’ont
accompagné dans mes missions et initié aux pratiques du terrain. Ils savent l’art de la
causerie joyeuse, qui fait passer plus vite les longues heures de dissection.
Un grand merci également aux habitants du village de Simbock, en pays Ewondo, et à
ceux du village de Tibati, chef-lieu de la province de l’Adamaoua. Je distingue parmi eux
François Enyégué et Al-Kassoum, merci à vous en leur nom à tous.
Je remercie enfin tous les membres et amis des laboratoires du LIN, du GEMI, et de
l’IRD à Montpellier, ceux qui en font partie ou qui y sont passés au cours de ces années de
thèse. Je ne m’aventurerai pas à citer de noms ici, ils sont nombreux. Mais je pense à chacun
de ceux qui m’ont apporté leur soutien et leur amitié dans la réalisation de ce travail, sous
forme d’une aide technique, de discussions éclairantes, ou de bons moments partagés : Soyez
tous remerciés.
À mes parents,
À mes frères et sœurs,
À mes proches,
Merci pour votre soutien : Ce travail n’aurait pu se faire sans vous.
Sommaire
SOMMAIRE

GÉNÉRALITÉS.......................................................................................................................6
1 Le paludisme, une endémie africaine.............................................................................7
1.1 Le paludisme dans le monde et en Afrique............................................................7
1.2 L’effort de maîtrise du paludisme..........................................................................8
2 Le paludisme est une interaction hôte-parasite...........................................................11
3 Structure génétique des populations de parasite.........................................................12
LE SYSTÈME BIOLOGIQUE PALUSTRE.......................................................................14
1 Les parasites Plasmodium humains.............................................................................15
1.1 Systématique du genre Plasmodium....................................................................15
1.2 Brève phylogénie du genre Plasmodium..............................................................15
1.3 Distribution...........................................................................................................16
1.4 Hôtes vertébrés.....................................................................................................17
2 Les Anophèles vecteurs................................................................................................17
2.1 Systématique du genre Anopheles.......................................................................17
2.2 Relations phylogénétiques entre les anophèles vecteurs......................................18
2.3 Cycle de vie des anophèles...................................................................................19
3 Fonctionnement de l’interaction entre le parasite et ses deux hôtes...........................20
3.1 Cycle de vie chez l’homme..................................................................................20
3.2 Cycle de vie chez le vecteur.................................................................................23
OBJECTIFS ET CONDUITE DE LA THÈSE...................................................................25
INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE..........................................................................30
PARTIE 1 : INFECTION A PLASMODIUM FALCIPARUM ET TRANSMISSION DU PARASITE
EN AFRIQUE.......................................................................................................................................31
1 Les vecteurs anophèles dans les contextes africains de la transmission.....................32
1.1 Les espèces anophèles vecteurs majeurs en Afrique............................................32
1.2 Mesures de la transmission..................................................................................35
1.3 Les déterminants de la capacité vectorielle des anophèles..................................38
1.4 Les profils africains de la transmission................................................................55
2 L’infection à P. falciparum dans les contextes africains de la transmission...............57
SOMMAIRE

2.1 La multiplicité de l’infection à P. falciparum......................................................57
2.2 Acquisition de l’immunité et multiplicité de l’infection......................................61
2.3 Multiplicité de l’infection et évolution de la virulence........................................65
2.4 Relation entre le taux d’inoculation entomologique (h) et l’infection à P.
falciparum.........................................................................................................................67
2.5 Les infections mixtes : interactions et dynamiques chez les deux hôtes humain et
vecteur 72
2.6 Transmission de P. falciparum de l’homme vers le vecteur : les gamétocytes....74
3 Conclusion....................................................................................................................76
PARTIE 2 : STRUCTURATION GÉNÉTIQUE DE PLASMODIUM FALCIPARUM EN AFRIQUE
...............................................................................................................................................................78
1 Bases théoriques générales de l’étude de la structure des populations parasitaires..78
1.1 Distribution de la variabilité génétique entre les différents niveaux de structure
d’une population...............................................................................................................78
1.2 Les F-statistiques..................................................................................................84
2 Le régime de reproduction de P. falciparum...............................................................85
2.1 La reproduction asexuée dans les populations de pathogènes.............................85
2.2 La théorie clonale de P. falciparum......................................................................88
2.3 Etudes du taux de clonalité / recombinaison dans les populations naturelles de P.
falciparum.........................................................................................................................89
3 Structuration spatiale du parasite P. falciparum en Afrique.......................................99
4 L’impact de l’hôte vecteur: la spécificité dans le système anophèle/Plasmodium....100
4.1 Spécificité des interactions Anopheles/Plasmodium : facteurs intrinsèques.....101
4.2 Eléments extrinsèques de la spécificité anophèles/Plasmodium........................105
4.3 Conclusion..........................................................................................................107
MATÉRIELS ET MÉTHODES.........................................................................................108
1 Site d’étude : le Cameroun.........................................................................................109
1.1 Diversité biogéographique camerounaise..........................................................109
1.2 Description des deux sites camerounais.............................................................111
2 Echantillonnage du parasite chez les deux hôtes homme et anophèle.......................114
2.1 Stades sanguins : collecte et traitement des échantillons...................................114
2.2 Stades chez le vecteur : collecte et traitement des moustiques..........................115
SOMMAIRE

2.3 Identification morphologique et moléculaire.....................................................117
2.4 Dissection des moustiques et recherche des stades infectants du parasite.........117
2.5 Dissection et isolement des oocystes.................................................................117
3 Caractérisation moléculaire des stades sanguins et vectoriels.................................118
3.1 Extraction de l’ADN..........................................................................................118
3.2 Génotypage : les marqueurs microsatellites.......................................................118
4 Analyses statistiques...................................................................................................121
4.1 Logiciels de génétique des populations..............................................................121
4.2 Autres outils d’analyses statistiques utilisés......................................................125
RÉSULTATS........................................................................................................................126
1 Structuration génétique de P. falciparum en Afrique : l’impact de l’hôte vecteur....127
1.1 Echelles locale, régionale et continentale : le rôle des vecteurs Anopheles
gambiae s.s. et Anopheles funestus................................................................................127
Article 1..........................................................................................................131
1.2 Echelle locale en zone de forêt africaine : le rôle des vecteurs Anopheles nili et
Anopheles moucheti.......................................................................................................138
Article 2..........................................................................................................140
2 Comparaison de la structure génétique de P. falciparum chez l’homme et le vecteur au
Cameroun...........................................................................................................................171
Article 3..........................................................................................................172
3 Résultats complémentaires.........................................................................................196
3.1 Le système vectoriel dans les deux sites camerounais.......................................196
3.2 L’effet des clones sur l’estimation des paramètres de génétique des populations
203
DISCUSSION GÉNÉRALE................................................................................................212
1 Distribution de P. falciparum dans ses hôtes homme et anophèles vecteurs en Afrique
213
1.1 Impact de l’espèce vectrice sur la distribution de P. falciparum........................213
1.2 Distribution de l’infection à P. falciparum chez l’homme.................................218
2 Structuration génétique de P. falciparum en zone endémique africaine...................219
2.1 Régime de reproduction et structure haplotypique de P. falciparum.................219
2.2 Différentiation géographique entre sous-populations........................................224
SOMMAIRE

2.3 Impact de l’espèce anophèle vecteur sur la structuration génétique de P.
falciparum.......................................................................................................................227
2.4 Un modèle pour la structuration globale des populations de P. falciparum chez
ses hôtes vecteurs...........................................................................................................230
3 Conclusion..................................................................................................................233
PERSPECTIVES..................................................................................................................235
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES...........................................................................239
ANNEXES.............................................................................................................................259
Annexe 1 Position GPS des sites échantillonnés sur la carte du Cameroun........260
Annexe 2 Informations complémentaires à l’Article 1........................................262
Annexe 3 Article 4...............................................................................................274
Généralités
GENERALITES

1 Le paludisme, une endémie africaine
1.1 Le paludisme dans le monde et en Afrique
Le paludisme ou malaria est la plus fréquente des infections parasitaires observées
dans le monde. Il se manifeste chez l’homme par de fortes poussées de fièvre survenant à
intervalles réguliers, dues à l’infection des globules rouges par un pathogène parasite
protozoaire appartenant au genre Plasmodium. Quatre espèces du genre Plasmodium infectent
l’homme : Plasmodium falciparum, P. vivax, P. malariae et P. ovale. L’infection à P.
falciparum est la seule potentiellement mortelle pour l’homme. La transmission de ce parasite
d’un hôte humain vers un autre hôte se fait via la piqûre des moustiques femelles du genre
Anopheles en quête de leur repas de sang. La capacité des parasites Plasmodium de se
développer aussi bien chez l’homme que chez le moustique leur permet d’utiliser cet insecte
comme un vecteur pour être transmis d’hôte en hôte.
On pense que l’espèce humaine a été la victime de ce fléau depuis son origine. Les
premiers témoignages écrits en font mention. Hippocrate rapporte l’observation de fièvres
particulières spécialement fréquentes dans les zones marécageuses, et décrit les premiers
moyens mis en place pour s’en prémunir. Il faut attendre l’invention du microscope au 19ème
siècle pour permettre l’identification de l’agent pathogène en 1880 par Alphonse Laveran.
L’implication des moustiques dans l’acquisition de l’affection avait été pressentie des le 18ème
siècle, mais la démonstration de leur rôle vecteur n’est obtenue qu’en 1895 par Ronald Ross
qui observe des oocystes de Plasmodium sur l’estomac d’un moustique Anopheles.
Plus d’un siècle après la compréhension du cycle de l’agent pathogène parasite, le
paludisme reste de nos jours un fléau majeur. Le tribut humain, social et économique payé à
la maladie est très lourd. Selon le rapport 2005 de l’initiative Faire Reculer le Paludisme (Roll
Back Malaria), 107 pays et territoires comptaient des zones exposées au risque de
transmission palustre fin 2004 ce qui représente quelques 3,2 milliards de personnes (40% de
la population mondiale). Ces zones sont réparties sur l’ensemble de la zone intertropicale
chaude et humide, à l’exception de certains pays et îles (Tahiti, Antilles françaises, Ile de la
Réunion et Nouvelle-Calédonie), ainsi que les grandes agglomérations d’Asie et d’Amérique
du Sud (l’anophèle y étant absent). On estime que 350 à 500 millions d’épisodes palustres
cliniques se produisent chaque année, la plupart dus à P. falciparum et P. vivax (Figure 1).
Entre 1,5 et 2,5 millions de personnes par an décèdent du paludisme à P. falciparum (WHO-
UNICEF 2005).
Actuellement, 90% des décès et épisodes cliniques ont lieu en Afrique sub-saharienne
où c'est la première cause de mortalité des enfants de moins de cinq ans, les femmes enceintes
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