Phage-host interactions and the dynamic nature of tRNA modification during the infection cycle of a tailed bacteriophage and cold-active bacterium from Baltic Sea ice

Abstract

The infection mechanisms between cold-active bacteria and their respective bacteriophages are currently relatively unknown and undocumented. Shewanella sp. 4 is a cold-active bacterium that was recently isolated from Baltic Sea ice along with bacteriophage isolate 1/4. Little is known about this particular isolate, although many Shewanella species have important environmental roles incl. carbon cycling, and they have also been associated with the spoilage of fishery products and bioremediation. Previous studies have shown that an infection caused by bacteriophages may lead to significant changes in transfer RNA (tRNA) modifications in the host cell. Commonly, tRNA modification levels may be altered as a response to different stressors, to which viral infections belong as well. Bacteriophages may take advantage of tRNA modifications during the infection of their host, as changes in tRNA modifications lead to much faster response than affecting only the transcription and translation machineries. Here, the infection cycle and changes in tRNA modifications in Shewanella sp. 4 were investigated, along with using a more defined growth media and comparing it to previously conducted characterization. A multitude of methods were applied, such as transmission electron microscopy and mass spectrometry, to observe both the infection mechanisms and changes in tRNA modifications over the course of the infection. I found that the infection cycle of the phage-host pair is predictable and consistent with previously conducted research, lasting 3 hours until cell lysis. Plaque assay and SDS-PAGE showed the release of virions 2-3 h post-infection (p.i.), and the production of viral proteins within cells starting from 100 min p.i. An intriguing periodic change in cell turbidity was also observed already before cell lysis. Furthermore, the tRNA modifications m1A, m5U, m6t6A, and Cm undergo statistically significant changes or display high variance during the course of the infection when comparing infected and uninfected cells. These may affect tRNA structural stability, translational accuracy, and cleavage in the host cell, showing possible importance during the infection. Understanding the fundamentals of the infection mechanisms involved in this bacterium-bacteriophage pair gives further insight into their role in the Baltic Sea ecosystem. This is especially relevant for establishing Shewanella as a potential laboratory model for studying molecular mechanisms that further cold-active metabolism.

Infektionsmekanismerna mellan kallaktiva bakterier och deras respektive bakteriofager är för tillfället relativt okända och odokumenterade. Shewanella sp. 4 är en kallaktiv bakterie som nyligen isolerats tillsammans med bakteriofagisolat 1/4 från ett stycke is från Östersjön. Trots att många Shewanella-arter har viktiga miljörelaterade roller och deltar i biogeokemiska kretslopp, som t.ex. kolcykling, samt att de är associerade med förruttning av fiskeriprodukter och bioremediering, så vet vi mycket litet om detta isolat. Tidigare studier har visat att en infektion förorsakad av bakteriofager kan leda till signifikanta förändringar i transport-RNA (tRNA) modifikationer i värdcellen. Allmänt sett förändras tRNA modifikationernas nivåer som en respons till olika stressfaktorer, till vilket även en virusinfektion hör. Bakteriofager kan utnyttja tRNA modifikationer under infektionen av deras värd, eftersom förändringar i tRNA modifikationer kan leda till en mycket snabbare respons jämfört med en omfattande omprogrammering av transkriptions- och translationsmaskinerierna. I detta arbete har jag undersökt infektionscykeln och förändringar i tRNA modifikationer hos Shewanella sp. 4 samt utforskat användningen av ett definierat tillväxtmedia och jämfört detta med tidigare karakterisering. En mängd olika metoder tillämpades, som till exempel transmissionselektronmikroskopi och masspektrometri, för observation av både infektionsmekanismerna och förändringarna i tRNA modifikationer under infektionens förlopp. I enlighet med tidigare resultat så fastställde jag att bakteriofag-värdcellens infektionscykel är förutsägbar och konsistent med en varaktighet av 3 timmar tills cellys. Plackanalys och SDS-PAGE visade frilösning av virioner 2-3h post-infektion (p.i.), och produktionen av virusproteiner i celler kan skönjas från och med 100 min p.i. Utöver detta så observerades en intressant periodisk förändring i cellturbiditeten redan före cellys. Dessutom genomgår tRNA modifikationerna m1A, m5U, m6t6A och Cm statistiskt signifikanta förändringar, eller så uppvisar de en hög varians under infektionens lopp då man jämför infekterade och oinfekterade celler. Dessa modifikationer kan ha en betydande påverkan på tRNA-molekylens strukturella stabilitet, translationsnoggrannheten och tRNA klyvning i värdcellen, vilket kan vara av avsevärd betydelse under infektionsloppet. En grundläggande förståelse av infektionsmekanismerna i detta bakterie-bakteriofagpar kommer att ge ytterligare insikt till deras roll i Östersjöns ekosystem. Detta är relevant speciellt för att etablera Shewanella som en potentiell laboratoriemodell för att undersöka de molekylära mekanismer som möjliggör en kallaktiv metabolism.