Isolation and characterization of hyperthermophilic archaeal viruses
Isolation et caractérisation des virus des archées hyperthermophiles
Résumé
Extreme geothermal environments are inhabited by archaeal viruses with unique genome contents and remarkable morphologies, many of which have not been described among viruses infecting bacteria or eukaryotes. However, the number of known species of viruses infecting archaea remains low compared to the eukaryotic or bacterial viruses. Moreover, the lack of relationships to other known viruses and distinctiveness of their genomes suggest that the mechanisms of virus-host interaction are likely to be also novel. Therefore, in the framework of my studies, I have focused on two major lines of research: (i) isolation and characterization of new hyperthermophilic archaeal viruses and (ii) molecular mechanisms of virus-host interactions in Archaea. We investigated the virus diversity in the sulfurous fields of the Campi Flegrei volcano in Pozzuoli, Italy. Five new archaeal viruses infecting neutrophilic hyperthermophiles of the genus Pyrobaculum and acidophilic hyperthermophiles belonging to three different genera of the order Sulfolobales, namely, Saccharolobus, Acidianus, and Metallosphaera were isolated. The newly characterized viruses belong to the families Rudiviridae, Globuloviridae and Tristromaviridae. Notably, phylogenomic analysis of the newly isolated and previously sequenced rudiviruses revealed a clear biogeographic pattern, with all Italian rudiviruses forming a monophyletic clade, suggesting geographical structuring of virus communities in extreme geothermal environments. One of the non-enveloped rudiviruses isolated in Pozzuoli, namely, Saccharolobus solfataricus rod-shaped virus 1 (SSRV1), and the enveloped Sulfolobus islandicus filamentous virus (SIFV) were structurally and biochemically characterized. The study has revealed conserved structural features shared by these viruses and clarified the evolutionary relationship between non-enveloped and enveloped filamentous viruses. The second line of research focused on understanding the mechanisms of virion assembly and release on the example of the enveloped filamentous virus SIFV, which infects the hyperthermophilic and acidophilic archaeon Sulfolobus islandicus. Our results showed that SIFV is a lytic virus, which is released through pyramidal portals formed in the host cell membrane, a highly unexpected egress mechanism for an enveloped virus. Interestingly, dual-axis electron tomography revealed that SIFV virions acquire their lipid envelopes inside the host through an unknown mechanism, involving either de novo membrane formation or trafficking of lipids from the cytoplasmic membrane to virion assembly centers.
Les environnements géothermiques extrêmes représentent un habitat pour les virus d’archées qui ont un contenu génomique unique et des morphologies remarquables, dont la plupart n’ont pas été décrites chez les virus infectent les bactéries et les eucaryotes. Cependant, notre connaissance de ces virus reste insuffisante. En effet, le nombre d'espèces de virus connu infectant les archées est faible par rapport aux virus eucaryotes ou bactériens connus. De plus, l'absence de relations avec d'autres virus connus et le caractère distinctif de leurs génomes suggèrent que les mécanismes d'interaction virus-hôte sont également susceptibles d'être nouveaux. Par conséquent, dans le cadre de mes études, je me suis concentré sur deux axes de recherche: (i) l'isolation de nouveaux virus d’archées hyperthermophiles et (ii) la caractérisation des mécanismes d'assemblage et de libération des virions chez les archées. Nous avons étudié la diversité des virus dans les champs sulfureux du volcan Campi Flegrei à Pozzuoli, en Italie. Cinq nouveaux virus infectant des hyperthermophiles neutrophiles du genre Pyrobaculum et des acidophiles hyperthermophiles appartenant à trois genres différents de l'ordre des Sulfolobales, à savoir, Saccharolobus, Acidianus et Metallosphaera, ont été isolés. Les virus caractérisés appartiennent aux familles Rudiviridae, Globuloviridae et Tristromaviridae. Remarquablement, l'analyse phylogénomique des rudivirus nouvellement isolés et précédemment séquencés a révélé un schéma biogéographique clair, dans lequel tous les rudivirus italiens forment un clade monophylétique, suggérant une structuration géographique des communautés virales dans les environnements géothermiques extrêmes. L'un des virus filamenteux non enveloppés isolés à Pozzuoli, à savoir Saccharolobus solfataricus rod-shaped virus 1 (SSRV1), et le virus enveloppé Sulfolobus islandicus filamentous virus (SIFV) ont été caractérisés structurellement et biochimiquement. L'étude a permis de révéler des caractéristiques structurelles conservées dans les virus d’archées filamenteux et de clarifié la relation évolutive entre les virus filamenteux non enveloppés et enveloppés. Le deuxième axe de recherche s'est orienté autour de la compréhension des mécanismes d'assemblage et de libération du virus filamenteux enveloppé SIFV. Celui-ci infecte l'archéon hyperthermophile et acidophile Sulfolobus islandicus. Nos résultats montrent que SIFV est lytique et libéré par des portails pyramidaux formés dans la membrane de la cellule hôte, ce qui est inattendu pour des virus enveloppés. La tomographie électronique à deux axes a révélé que les virions de SIFV acquièrent leurs enveloppes à l'intérieur de l'hôte, soit par la formation de membrane de novo, soit par le trafic de lipides de la membrane cytoplasmique vers les centres d'assemblage des virions. Collectivement, nos résultats montrent que les systèmes hydrothermaux continentaux à haute température abritent un virome très diversifié et nous éclairent sur l'évolution des virus d’archées. De plus, nos données contribuent aux connaissances sur les interactions virus-hôte dans les environnements géothermiques extrêmes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)