Characterization of an archaeal virus-host system reveals massive genomic rearrangements in a laboratory strain

Halophilic archaea (haloarchaea) are known to exhibit multiple chromosomes, with one main chromosome and one or several smaller secondary chromosomes or megaplasmids. Halorubrum lacusprofundi, a model organism for studying cold adaptation, exhibits one secondary chromosome and one megaplasmid that include a large arsenal of virus defense mechanisms. We isolated a virus (Halorubrum tailed virus DL1, HRTV-DL1) infecting Hrr. lacusprofundi, and present an in-depth characterization of the virus and its interactions with Hrr. lacusprofundi. While studying virus-host interactions between Hrr. lacusprofundi and HRTV-DL1, we uncover that the strain in use (ACAM34_UNSW) lost the entire megaplasmid and about 38% of the secondary chromosome. The loss included the majority of virus defense mechanisms, making the strain sensitive to HRTV-DL1 infection, while the type strain (ACAM34_DSMZ) appears to prevent virus replication. Comparing infection of the type strain ACAM34_DSMZ with infection of the laboratory derived strain ACAM34_UNSW allowed us to identify host responses to virus infection that were only activated in ACAM34_UNSW upon the loss of virus defense mechanisms. We identify one of two S-layer proteins as primary receptor for HRTV-DL1 and conclude that the presence of two different S-layer proteins in one strain provides a strong advantage in the arms race with viruses. Additionally, we identify archaeal homologs to eukaryotic proteins potentially being involved in the defense against virus infection

New host-virus systems from deep sea hydrothermal vents

Nos connaissances sur la diversité virale associée aux micro-organismes présents dans les sources hydrothermales océaniques profondes restent encore limitées. Seules quelques études concernant l’abondance virale et l’impact de ceux-ci sur la mortalité microbienne dans ces écosystèmes sont disponibles. En effet, seuls 6 bactériovirus et 2 archéovirus provenant de ces écosystèmes ont été caractérisés à l’heure actuelle. Les deux archéovirus infectent des archées anaérobies hyperthermophiles appartenant à l’ordre des Thermococcales et ont été décrits au laboratoire.Afin d’étendre nos connaissances sur la diversité virale associée aux micro-organismes colonisant ces environnements, il a été décidé d’élargir les recherches à l’ordre bactérien des Thermotogales. Cet ordre bactérien est composé de bactéries chimio-organotrophes anaérobies en majorité thermophiles ou hyperthermophiles. De nombreux transferts latéraux de gènes ont contribué à l’histoire évolutive des Thermotogales supposant une forte implication des virus dans celle-ci. Ces travaux de thèse ont permis la caractérisation fonctionnelle et génomique de deux nouveaux siphovirus, MCV1 et MCV2, infectant deux souches de Marinitoga camini. Ces souches ont été isolées de deux sites hydrothermaux profonds (Menez Gwen et Lucky Strike) au niveau de la dorsale médio-atlantique. Ces virus mettent en oeuvre un cycle lysogénique avec une production basale sans induction relativement haute (>107 virions/ml). Une comparaison de ces deux génomes viraux à celui de MPV1, virus précédemment isolé de Marinitoga piezophila, a été réalisée, révélant la présence de nombreuses similarités. Un core genome de 35 ORFs partagé par ces trois génomes a été identifié, incluant des protéines impliquées dans le métabolisme de l’ADN, l’assemblage des virions et le cycle lysogénique. Des protéines hypothétiques ont aussi été identifiées parmi ces gènes communs, elles portent donc probablement des fonctions importantes pour ces bactériovirus. Par ailleurs, 60% des gènes de ces virus ayant une correspondance dans les bases de données, après exclusion des Thermotogales, partagent des similarités avec lesFirmicutes et les bactériovirus qui leurs sont associés. Le génome d’une autre Thermotogales, Thermosipho sp. AT1244-VC14 a été étudié ainsi que son système CRISPR-cas. Ces résultats indiquent que cette souche, qui porte un système CRISPR-cas qui semble complet et fonctionnel, a probablement déjà été infectée par MCV1, MCV2 ou un virus similaire. Ces travaux permettent d’étendre nos connaissances sur les virus portés par les bactéries du phylum Thermotogae, encore peu décrits à ce jour. Les éléments génétiques mobiles associés à ce phylum sont particulièrement intéressants car ils ont probablement eu un impact important dans l’évolution de ces communautés microbiennes ainsi que dans leur adaptation aux conditions physico-chimiques extrêmes et fluctuantes présentes dans les écosystèmes qu’elles colonisent.Our knowledge of the viral diversity associated to microorganisms inhabiting the deep-sea hydrothermal vents is still limited. Only a few studies have focused on viral abundance and impact on microbial mortality within these ecosystems. A limited number of viruses (6 bacterioviruses and 2 archaeoviruses) were isolated from these environments and characterized. Two viruses associated to hyperthermophilic anaerobic Archaea, from the Thermococcales order, have been described in our laboratory. In order to deepen our knowledge on the viral diversity of these extreme environments, we have extended our investigation to the bacterial order of Thermotogales. This order is composed of anaerobic chemoorganotrophic bacteria that are, for the most part, hyper/thermophilic. Numerous lateral gene transfers have contributed to the evolutionary history of the Thermotogales, implying the potential involvement of viruses. Here, we will report the characterization of two new siphoviruses MCV1 and MCV2 that infect two strains of Marinitoga camini. Those bacterial strains were isolated from two deep-sea hydrothermal vents sites (Menez Gwen and Lucky strike) in the Mid Atlantic Ridge. These viruses are temperate with a high basal production of virions (>107 virions/mL). Comparative genomics with MPV1, a virus isolated from M. piezophila, was performed and show that those bacterioviruses share numerous similarities. A set of “core genes” shared by all these three viruses was identified and includes proteins involved in DNA metabolism, head and tail assembly and lysogenic cycle. Shared hypothetical proteins were also identified, suggesting that these unknown proteins probably provide important functions for these viruses. Interestingly, for genes with blastp matches in Genbank, over 60% have their top matches, outside the Thermotoga, to genes from Firmicutes and bacterioviruses associated to Firmicutes. We also analyzed the genome of Thermosipho sp. 1244 and studied his CRISPR-cas system. Our results indicated that thisThermosipho strain, with a complete and functional CRISPR-cas system, had already been infected by MCV1, MCV2 or a similar virus. The analyses presented here extend our knowledges about these newly discovered viruses in the deeply branching bacterial phylum Thermotogae. This bacterial order and associated mobile genetic elements are significant for addressing long-term evolutionary adaptation to fluctuant and extreme physicochemical conditions

De nouveaux systèmes hôtes-virus associés aux sources hydrothermales océaniques profondes

Our knowledge of the viral diversity associated to microorganisms inhabiting the deep-sea hydrothermal vents is still limited. Only a few studies have focused on viral abundance and impact on microbial mortality within these ecosystems. A limited number of viruses (6 bacterioviruses and 2 archaeoviruses) were isolated from these environments and characterized. Two viruses associated to hyperthermophilic anaerobic Archaea, from the Thermococcales order, have been described in our laboratory. In order to deepen our knowledge on the viral diversity of these extreme environments, we have extended our investigation to the bacterial order of Thermotogales. This order is composed of anaerobic chemoorganotrophic bacteria that are, for the most part, hyper/thermophilic. Numerous lateral gene transfers have contributed to the evolutionary history of the Thermotogales, implying the potential involvement of viruses. Here, we will report the characterization of two new siphoviruses MCV1 and MCV2 that infect two strains of Marinitoga camini. Those bacterial strains were isolated from two deep-sea hydrothermal vents sites (Menez Gwen and Lucky strike) in the Mid Atlantic Ridge. These viruses are temperate with a high basal production of virions (>107 virions/mL). Comparative genomics with MPV1, a virus isolated from M. piezophila, was performed and show that those bacterioviruses share numerous similarities. A set of “core genes” shared by all these three viruses was identified and includes proteins involved in DNA metabolism, head and tail assembly and lysogenic cycle. Shared hypothetical proteins were also identified, suggesting that these unknown proteins probably provide important functions for these viruses. Interestingly, for genes with blastp matches in Genbank, over 60% have their top matches, outside the Thermotoga, to genes from Firmicutes and bacterioviruses associated to Firmicutes. We also analyzed the genome of Thermosipho sp. 1244 and studied his CRISPR-cas system. Our results indicated that thisThermosipho strain, with a complete and functional CRISPR-cas system, had already been infected by MCV1, MCV2 or a similar virus. The analyses presented here extend our knowledges about these newly discovered viruses in the deeply branching bacterial phylum Thermotogae. This bacterial order and associated mobile genetic elements are significant for addressing long-term evolutionary adaptation to fluctuant and extreme physicochemical conditions.Nos connaissances sur la diversité virale associée aux micro-organismes présents dans les sources hydrothermales océaniques profondes restent encore limitées. Seules quelques études concernant l’abondance virale et l’impact de ceux-ci sur la mortalité microbienne dans ces écosystèmes sont disponibles. En effet, seuls 6 bactériovirus et 2 archéovirus provenant de ces écosystèmes ont été caractérisés à l’heure actuelle. Les deux archéovirus infectent des archées anaérobies hyperthermophiles appartenant à l’ordre des Thermococcales et ont été décrits au laboratoire.Afin d’étendre nos connaissances sur la diversité virale associée aux micro-organismes colonisant ces environnements, il a été décidé d’élargir les recherches à l’ordre bactérien des Thermotogales. Cet ordre bactérien est composé de bactéries chimio-organotrophes anaérobies en majorité thermophiles ou hyperthermophiles. De nombreux transferts latéraux de gènes ont contribué à l’histoire évolutive des Thermotogales supposant une forte implication des virus dans celle-ci. Ces travaux de thèse ont permis la caractérisation fonctionnelle et génomique de deux nouveaux siphovirus, MCV1 et MCV2, infectant deux souches de Marinitoga camini. Ces souches ont été isolées de deux sites hydrothermaux profonds (Menez Gwen et Lucky Strike) au niveau de la dorsale médio-atlantique. Ces virus mettent en oeuvre un cycle lysogénique avec une production basale sans induction relativement haute (>107 virions/ml). Une comparaison de ces deux génomes viraux à celui de MPV1, virus précédemment isolé de Marinitoga piezophila, a été réalisée, révélant la présence de nombreuses similarités. Un core genome de 35 ORFs partagé par ces trois génomes a été identifié, incluant des protéines impliquées dans le métabolisme de l’ADN, l’assemblage des virions et le cycle lysogénique. Des protéines hypothétiques ont aussi été identifiées parmi ces gènes communs, elles portent donc probablement des fonctions importantes pour ces bactériovirus. Par ailleurs, 60% des gènes de ces virus ayant une correspondance dans les bases de données, après exclusion des Thermotogales, partagent des similarités avec lesFirmicutes et les bactériovirus qui leurs sont associés. Le génome d’une autre Thermotogales, Thermosipho sp. AT1244-VC14 a été étudié ainsi que son système CRISPR-cas. Ces résultats indiquent que cette souche, qui porte un système CRISPR-cas qui semble complet et fonctionnel, a probablement déjà été infectée par MCV1, MCV2 ou un virus similaire. Ces travaux permettent d’étendre nos connaissances sur les virus portés par les bactéries du phylum Thermotogae, encore peu décrits à ce jour. Les éléments génétiques mobiles associés à ce phylum sont particulièrement intéressants car ils ont probablement eu un impact important dans l’évolution de ces communautés microbiennes ainsi que dans leur adaptation aux conditions physico-chimiques extrêmes et fluctuantes présentes dans les écosystèmes qu’elles colonisent

An abyssal mobilome: Viruses, plasmids and vesicles from deep-sea hydrothermal vents

Mobile genetic elements (MGEs) such as viruses, plasmids, vesicles, gene transfer agents (GTAs), transposons and transpovirions, which collectively represent the mobilome, interact with cellular organisms from all three domains of life, including those thriving in the most extreme environments. While efforts have been made to better understand deep-sea vent microbial ecology, our knowledge of the mobilome associated with prokaryotes inhabiting deep-sea hydrothermal vents remains limited. Here we focus on the abyssal mobilome by reviewing accumulating data on viruses, plasmids and vesicles associated with thermophilic and hyperthermophilic Bacteria and Archaea present in deep-sea hydrothermal vents

Draft Genome Sequences of Two Marinitoga camini Isolates Producing Bacterioviruses

Here, we present the draft genome sequences of two thermophilic Marinitoga strain members of the Thermotogales order, Marinitoga camini DV1155 and Marinitoga camini DV1197. These strains were isolated from deep-sea hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge