Life on the Edge : Structural Studies of the Extremophilic Viruses P23-77 and STIV2

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8002-9
Title: Life on the Edge : Structural Studies of the Extremophilic Viruses P23-77 and STIV2
Author: Happonen, Lotta
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
University of Helsinki, Institute of Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2012-06-08
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8002-9
http://hdl.handle.net/10138/33204
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Viruses are the most abundant replicating entities on Earth, and they infect cells from all three domains of life - where there are cells, there are viruses. Extremophilic organisms and viruses thrive in hostile environments including hot, acidic springs, oceanic hydrothermal vents, and salt lakes. Due to their adaptation to extreme environments, these organisms and their viruses have been exploited for enzymes useful for industrial and biotechnological applications. Such enzymes include starch processing, cellulose degrading, proteolytic and DNA-processing enzymes. The latter ones are used in molecular biology applications such as polymerase chain reactions and DNA-sequencing. The aim of this study was to characterize novel, extremophilic viruses living in hot springs. I solved the three dimensional structure of two such viruses using electron cryo-microscopy and three dimensional image reconstruction, and explored the presence of extremophilic enzymes based on their genome sequence. One of the viruses characterized in this study is P23-77 that infects the thermophilic bacterium Thermus thermophilus living in alkaline hot springs. P23-77 has been proposed to belong to the Tectiviridae family of viruses characterized by an internal lipid bilayer surrounded by an icosahedral protein capsid. The structure of the icosahedral P23-77 was initially solved to 1.4 nm resolution, and subsequently to 1.0 nm resolution. The reconstruction, together with thin-layer chromatography, confirmed the presence of an internal lipid bilayer composed of neutral lipids. Analysis of the P23-77 protein profile revealed it to have 10 structural proteins, two of which were major ones based on their abundance in SDS-PAGE gels. These proteins were suggested to form the capsomers with hexameric bases of the P23-77 T = 28d capsid lattice. Surprisingly, P23-77 closely resembles the haloarchaeal virus SH1, both of which are suggested to have single β-barrel major capsid proteins, and together forming a novel viral lineage. The other virus characterized in this study is the Sulfolobus turreted icosahedral virus 2 (STIV2) infecting the crenarchaeon Sulfolobus islandicus that lives in acidic hot springs. The genome of STIV2 was sequenced, and some of its structural proteins were determined by mass-peptide fingerprinting. The structure of STIV2 was solved to 2.0 nm resolution. The genome sequence and the structure of STIV2 revealed it to resemble most closely STIV, infecting S. solfataricus. Like P23-77, both STIV and STIV2 have an outer protein capsid surrounding the internal lipid bilayer and the double-stranded (ds) DNA genome. The most striking difference between STIV and STIV2 resides in the host-cell recognition and attachments structures, which in STIV2 lacks the petal-like appendages present in STIV. Based on difference imaging, homology modeling and comparison to STIV, a model for the organization of the STIV2 virion was proposed. Furthermore, based on sequence data and homology modeling I identified the postulated genome packaging NTPase B204 of STIV2. I expressed and purified B204, and studied the nucleotide hydrolysis catalyzed by it. I furthermore solved four structures of B204 more precisely, in complex with a sulphate ion, adenosine monosphosphate, the product adenosine diphosphate, and the substrate analogue adenylylmethylenediphosphonate. B204 is the first genome packaging NTPase of a membrane-containing virus for which the structure has been solved. Based on the structure of B204, comparison to other known DNA-translocating enzymes, and other genome packaging NTPases of dsDNA and dsRNA viruses, I propose a model for the genome packaging of STIV2.Virus är de vanligaste replikerande enheter på jorden, och uppfattas vanligtvis som patogener som orsakar sjukdom hos djur och växter. Typiska sjukdomar hos människor som orsakas av virus är förkylning, influensa, munsår, vattkoppor, polio och mässling. Utöver att infektera eukaryoter, såsom människan, djur och växter, infekterar virus även bakterier och arkéer. Syftet med denna studie var att karakterisera strukturen på nya extremofila virus. Extremofila organismer och virus lever i exceptionella miljöer, såsom sura heta källor, hydrotermiska skorstenar på havsbottnen och saltsjöar. Varianter av extremofili är bland annat termo- och hypertermofili egenskapen att tåla hetta (över 60°C och över 80°C). En genomgående frågeställningar i denna studie var hur virus och organismer överlever i dessa extrema miljöer. Vad krävs det för att proteiner och fetter viktiga byggstenar så i virus såsom i människan inte förstörs i dessa heta källor? Genom att undersöka strukturen på virus och de proteiner som bidrar till deras uppbyggnad kan man få en inblick i de faktorer som stabiliserar strukturerna av dessa mikroskopiska enheter. Utöver detta var frågan om evolutionen av virus en viktig fråga i denna studie. Genom att jämföra strukturen på olika virus och deras proteiner kan vi få en inblick i evolutionen av dessa. För att besvara dessa frågor undersökte och löste jag i denna studie den tredimensionella strukturen på två extremofila virus P23-77 och STIV2 med hjälp elektron kryo-mikroskopi och tredimensionell bild rekonstruktion. Fortsättningsvis identifierade jag och löste strukturen för STIV2 virusets genomförpacknings protein B204 med hjälp av röntgenkristallografi. Protein från organismer och virus som härstammar från heta källor har många tillämpningar inom industrin, såsom i behandlingen av cellulosa inom pappersindustrin, i behandlingen av förorenad mark och avfall, och som enzymer i bakning och bryggeriverksamhet. De virus som undersökts i denna studie föreslås tillhöra Tectiviridae familjen av virus, som kännetecknas av ett inre lipidmembran omgivet av ett ikosahedralt proteinskal. P23-77 viruset härstammar från heta alkaliska källor och infekterar den termofila bakterien Thermus thermophilus. Det andra viruset i denna studie STIV2 härstammar från sura heta källor och infekterar arkéen Sulfolobus islandicus. I studien sekvenserades STIV2 virusets genom, dess strukturella proteiner identifierades med hjälp av masspektrometri och virusets tredimensionella struktur löstes. Sammanfattningsvis föreslås en modell för organisationen av STIV2 viruset och dess proteiner. Denna studie bidrar med viktig information om släktskapen och evolutionen av dessa två virus. Vidare identifierade jag proteinet B204 som sannolikt förpackar STIV2 genomet i det ikosahedrala proteinskalet. I studien analyserade jag proteinets funktion med hjälp av biokemiska metoder, samt löste den tredimensionella strukturen med hjälp av röntgenkristallografi. Strukturen av B204 och jämförelse med andra kända proteiner som förpackar virus genom tillät mig att föreslå en modell för förpackningen av virusets genom. Denna modell kan även tillämpas för andra virus med ett inre lipidmembran.
Subject: perinnöllisyystiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
lifeonth.pdf 3.119Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record