Life in extreme environments : Physiological changes in host cells during the infection of halophilic archaeal viruses

Archaea were discovered only 4-5 decades ago. The majority of archaea and their viruses originate from extreme environments many of which are characterized by thriving in extreme salinities. The number of isolated archaeal viruses is just a small fraction of the known viruses. Such a lack of knowledge warrants further studies on archaeal viruses and their life cycles. The exit of mature progeny viruses from the archaeal cell is the focus of this study. The viruses used in this study represent all known haloarchaeal virus morphotypes: icosahedral-tailed (HHTV-1), icosahedral-tailless (SH1, HCIV-1), spindle-shaped (His1) and pleomorphic (His2). To describe the virion and its life cycle (by using cell culture turbidity and external virus concentration measurements) are established technologies. Factors associated with membrane integrity, the binding of lipophilic anion phenyldicarbaunundecaborane (PCB), oxygen consumption and adenosine triphosphate (ATP) levels were used to extend the traditional methods for the life cycle studies. These technologies were then utilized in the life cycle studies of HCIV-1 a recently isolated haloarchaeal virus with 12 virion structural proteins and an inner membrane. The internal membrane vesicle encloses a linear double-stranded DNA (dsDNA) genome of 31,314 bp. The genome sequence and its organization express a high similarity to the genomes of archaeal viruses in the Sphaerolipoviridae family. A rapid cell culture turbidity drop and increase of virus concentration in the cell culture medium took place when SH1, HHTV-1 and HCIV-1 exited the cell. The data also demonstrated the simultaneously binding of lipophilic PCB anions to cell debris, a lethal decrease in respiration and ATP leakage. All the measured properties support the conclusion that these three viruses have a lytic life cycle. However, His1 and His2 virus release did not affect significantly cell physiology suggesting that these haloarchaeal viruses cross the plasma membrane without depolarizing the cell. These results provide insights into the enigmatic and unique release mechanisms of haloarchaeal viruses and highlights the step forward in our understanding of archaeal viruses and their interactions with their host cell.Eliökuntamme jakautuu kolmeen domeeniin, joista domeeni Archaea on löydetty 1970-luvulla. Suurin osa tähän päivään mennessä kuvatuista arkeoneista ja niiden viruksista on eristetty ääriolosuhteista, joista yhtenä esimerkkinä on korkean suolapitoisuusden ympäristöt. Korkean suolapitoisuuden ympäristössä elävät organismit ovat halofiileja eli suolaa rakastavia . Kuvatut arkeoninen virukset edustavat hyvin pientä vähemmistöä tunnetuista viruksista, minkä seurauksena tietämyksemme arkeoniviruksista ja niiden elinkierroista on rajallinen. Virusten elinkierron voi pääpiirteittäin jakaa kolmeen tapahtumaan: soluun sisään pääsemiseen, uusien viruspartikkeleiden muodostumiseen ja solusta vapautumiseen. Tässä työssä on tutkittu arkeonivirusten solusta vapautumista käyttäen malliorganismeina neljää virusta, jotka edustavat neljää eri virusrakennetta, joita on kuvattu halofiilisten arkeonivirusten keskuudessa. Nämä virukset käyttävät isäntäsolunaan Halorcula hispanica kantaa. HHTV-1 -virus on morfologialtaan ikosahedraalinen virus, jolla on häntärakenne, kun taas SH1 ja HCIV-1 -virukset ovat hännättömiä sisäkalvollisia ikosahedraalisia viruksia. His1 on ainoa tunnettu halofiilinen värttinänmuotoinen virus ja His2 kuuluu pleomorfisten virusten ryhmään, joiden virionit ovat membraanivesikkeleitä. Tutkittaessa virusten elinkiertoja olemassa olevilla tekniikoilla voidaan mitata arkeonikasvatusten sameutta ja vapautuvien virusten lukumäärää. Tämän lisäksi työssä hyödynnettiin menetelmiä, joilla voidaan tarkastella arkeonisolukalvon eheyttä ja virusten vapautumista soluista. Virusinfektion edetessä spesifisen lipofiilisen indikaattorianionin sitoutumista kalvorakenteisiin voidaan pitää osoituksena solukalvon vaurioitumista viruksen vapautumisen seurauksena. Lisäksi infektion aikana tarkasteltiin solun hapen kulutusta sekä solun energiatasapainoa mittaamalla hapen ja adenosiinitrifosfaatin eli ATP:n määriä. Työssä kuvataan uusi halofiilinen sisäkalvollinen ikosahedraalinen virus HCIV-1, jonka viruspartikkeli koostuu uloimmasta proteiinikuoresta, sisemmästä kaksoiskalvorakenteesta, jonka sisällä on viruksen perimäaines. Viruksen genomi on lineaarinen kaksijuosteinen DNA-molekyyli, joka on 313114 bp pitkä. Viruspartikkelista identifioitiin 12 erilaista proteiinityyppiä. Osoittautui, että HCIV-1:n genomisekvenssi on hyvin samankaltainen Sphaerolipoviridae-heimoon kuuluvien virusten genomisekvenssien kanssa. Tarkasteltaessa virusinfektoita huomattiin, että kun SH1, HHTV-1 ja HCIV-1 virukset vapautuivat solusta, solukasvatuksen sameus väheni merkittävästi. Samanaikaisesti todettiin, että lipofiilinen indikaattorianioni sitoutui vaurioituneisiin kalvorakenteisiin, solujen hapen käyttö väheni ja ATP vapautui solusta. Näiden havaintojen perustella voidaan päätellä, että nämä virukset vapautuivat solusta solun hajoamisen seurauksena. Tarkasteltaessa His1 tai His2 viruksilla infektoituja soluja huomattiin, että näiden virusten vapautuminen ei merkittävästi vaikuttanut solun fysiologiseen tilaan. Näiden virusten vapautuminen solusta tapahtuu todennäköisesti plasmamembraanin läpi silmikoitumalla, jolloin kalvorakenne säilyy eheänä. Nämä havainnot valottavat halofiilisten arkeonivirusten arvoituksellisia ja erikoislaatuisia solusta vapautumismekanismeja sekä lisäävät tietämystämme arkeonivirusten ja niiden isäntäsolujen välisistä vuorovaikutuksista