DNA mapping in the capsid of giant bacteriophage phiEL (Caudovirales: Myoviridae: Elvirus) by analytical electron microscopy

Cover Image

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Giant phiKZ-like bacteriophages have a unique protein formation inside the capsid, an inner body (IB) with supercoiled DNA molecule wrapped around it. Standard cryo-electron microscopy (cryo-EM) approaches do not allow to distinguish this structure from the surrounding nucleic acid of the phage. We previously developed an analytical approach to visualize protein-DNA complexes on Escherichia coli bacterial cell slices using the chemical element phosphorus as a marker. In the study presented, we adapted this technique for much smaller objects, namely the capsids of phiKZ-like bacteriophages.

Material and methods. Following electron microscopy techniques were used in the study: analytical (AEM) (electron energy loss spectroscopy, EELS), and cryo-EM (images of samples subjected to low and high dose of electron irradiation were compared).

Results. We studied DNA packaging inside the capsids of giant bacteriophages phiEL from the Myoviridae family that infect Pseudomonas aeruginosa. Phosphorus distribution maps were obtained, showing an asymmetrical arrangement of DNA inside the capsid.

Discussion. We developed and applied an IB imaging technique using a high angle dark-field detector (HAADF) and the STEM-EELS analytical approach. Phosphorus mapping by EELS and cryo-electron microscopy revealed a protein formation as IB within the phage phiEL capsid. The size of IB was estimated using theoretical calculations.

Conclusion. The developed technique can be applied to study the distribution of phosphorus in other DNA- or RNA-containing viruses at relatively low concentrations of the element sought.

About the authors

T. S. Trifonova

FSAEI HE «People’s Friendship University of Russia», Physical, Mathematical, and Natural Sciences Department; FSBEI HE «Lomonosov Moscow State University», Bioengineering Department, Biological Faculty

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-2042-5244

115419, Moscow, Russia

119234, Moscow, Russia

Russian Federation

A. V. Moiseenko

FSBEI HE «Lomonosov Moscow State University», Bioengineering Department, Biological Faculty; FSBIS «N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-1112-2356

119234, Moscow, Russia

119234, Moscow, Russia

Russian Federation

M. V. Bourkaltseva

FSBRI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-3793-1354

105064, Moscow, Russia

Russian Federation

O. V. Shaburova

FSBRI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-0368-3794

105064, Moscow, Russia

Russian Federation

A. K. Shaytan

FSBEI HE «Lomonosov Moscow State University», Bioengineering Department, Biological Faculty

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-0312-938X

119234, Moscow, Russia

Russian Federation

V. N. Krylov

FSBRI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-5775-5146

105064, Moscow, Russia

Russian Federation

O. S. Sokolova

FSBEI HE «Lomonosov Moscow State University», Bioengineering Department, Biological Faculty

Author for correspondence.
Email: sokolova@mail.bio.msu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4678-232X

Olga S. Sokolova, D.Sci. (Biol.), RAS Professor, Professor of Bioengineering Department, Biological Faculty

119234, Moscow, Russia

Russian Federation

References

  1. Ochman H., Lawrence J., Groisman E. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature. 2000; 405(6784): 299–304. https://doi.org/10.1038/35012500
  2. Duplessis C.A., Biswas B. A review of topical phage therapy for chronically infected wounds and preparations for a randomized adaptive clinical trial evaluating topical phage therapy in chronically infected diabetic foot ulcers. Antibiotics. 2020; 9(7): 377. https://doi.org/10.3390/antibiotics9070377
  3. Sharma R., Pielstick B., Bell K., Nieman T., Stubbs O., Yeates E., et al. A Novel, Highly Related Jumbo Family of Bacteriophages That Were Isolated Against Erwinia. Front. Microbiol. 2019; 10: 1533. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01533
  4. Fokine A., Kostyuchenko V.A., Efimov A.V., Kurochkina L.P., Sykilinda N.N., Robben J., et al. A three-dimensional cryo-electron microscopy structure of the bacteriophage ϕKZ head. J. Mol. Biol. 2005; 352(1): 117–24. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2005.07.018
  5. Sokolova O.S., Shaburova O.V., Pechnikova E.V., Shaytan A.K., Krylov S.V., Kiselev N.A., et al. Genome packaging in EL and Lin68, two giant phiKZ-like bacteriophages of P. aeruginosa. Virology. 2014; 468–470: 472–8. https://doi.org/10.1016/j.virol.2014.09.002
  6. Hertveldt K., Lavigne R., Pleteneva E., Sernova N., Kurochkina L., Korchevskii R., et al. Genome comparison of Pseudomonas aeruginosa large phages. J. Mol. Biol. 2005; 354(3): 536–45. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2005.08.075
  7. Mesyanzhinov V.V., Robben J., Grymonprez B., Kostyuchenko V.A., Bourkaltseva M.V., Sykilinda N.N., et al. The genome of bacteriophage phiKZ of Pseudomonas aeruginosa. J. Mol. Biol. 2002; 317(1): 1–19. https://doi.org/10.1006/jmbi.2001.5396
  8. Thomas J.A., Rolando M.R., Carroll C.A., Shen P.S., Belnap D.M., Weintraub S.T., et al. Characterization of Pseudomonas chlororaphis myovirus 201ϕ2-1 via genomic sequencing, mass spectrometry, and electron microscopy. Virology. 2008; 376(2): 330–8. https://doi.org/10.1016/j.virol.2008.04.004
  9. Krylov V.N., Smirnova T.A., Minenkova I.B., Plotnikova T.G., Zhazikov I.Z., Khrenova E.A. Pseudomonas bacteriophage contains an inner body in its capsid. Can. J. Microbiol. 1984; 30(6): 758–62. https://doi.org/10.1139/m84-116
  10. Wu W., Thomas J., Naiqian C., Black L., Steven A.C. Bubblegrams reveal the inner body of bacteriophage phiKZ. Science. 2012; 335(6065): 182. https://doi.org/10.1126/science.1214120
  11. Yakunina M., Artamonova T., Borukhov S., Makarova K.S., Severinov K., Minakhin L. A non-canonical multisubunit RNA polymerase encoded by a giant bacteriophage. Nucleic Acids res. 2015; 43(21): 10411–20. https://doi.org/10.1093/nar/gkv1095
  12. Danilova Y.A., Belousova V.V., Moiseenko A.V., Vishnyakov I.E., Yakunina M.V., Sokolova O.S. Maturation of Pseudo-Nucleus Compartment in P. aeruginosa, Infected with Giant phiKZ Phage. Viruses. 2020; 12(10): 1197. https://doi.org/10.3390/v12101197
  13. Matsko N., Klinov D., Manykin A., Demin V., Klimenko S. Atomic force microscopy analysis of bacteriophages phiKZ and T4. J. Electron. Microsc. (Tokyo). 2001; 50(5): 417–22. https://doi.org/10.1093/jmicro/50.5.417
  14. Fontana J., Jurado K.A., Cheng N., Ly N.L., Fuchs J.R., Gorelick R.J., et al. Distribution and Redistribution of HIV-1 Nucleocapsid Protein in Immature, Mature, and Integrase-Inhibited Virions: a Role for Integrase in Maturation. J. Virol. 2015; 89(19): 9765–80. https://doi.org/10.1128/JVI.01522-15
  15. Wu W., Leavitt J.C., Cheng N., Gilcrease E.B., Motwani T., Teschke C.M., et al. Localization of the houdinisome (Ejection Proteins) inside the bacteriophage P22 virion by bubblegram imaging. mBio. 2016; 7(4): e01152–16. https://doi.org/10.1128/mBio.01152-16
  16. Wu W., Newcomb W.W., Cheng N., Aksyuk A., Winkler D.C., Steven A.C. Internal Proteins of the Procapsid and Mature Capsids of Herpes Simplex Virus 1 Mapped by Bubblegram Imaging. J. Virol. 2016; 90(10): 5176–86. https://doi.org/10.1128/JVI.03224-15
  17. Shebanova A., Ismagulova T., Solovchenko A., Baulina O., Lobakova E., Ivanova A., et al. Versatility of the green microalga cell vacuole function as revealed by analytical transmission electron microscopy. Protoplasma. 2017; 254(3): 1323–40. https://doi.org/10.1007/s00709-016-1024-5
  18. Scotuzzi M., Kuipers J., Wensveen D.I., De Boer P., Hagen K.C.W., Hoogenboom J.P., et al. Multi-color electron microscopy by element- guided identification of cells, organelles and molecules. Sci. Rep. 2017; 7: 45970. https://doi.org/10.1038/srep45970
  19. Allard-Vannier E., Hervé-Aubert K., Kaaki K., Blondy T., Shebanova A., Shaitan K.V., et al. Folic acid-capped PEGylated magnetic nanoparticles enter cancer cells mostly via clathrin-dependent endocytosis. Biochim. Biophys. Acta Gen. Subj. 2017; 1861(6): 1578–86. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2016.11.045
  20. Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A., Kovalenko V., Tereshkina K., Tutukina M., et al. Morphological peculiarities of the DNA-protein complexes in starved Escherichia coli cells. PLoS One. 2020; 15(10): e0231562. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231562
  21. Bazett-Jones D.P., Ottensmeyer F.P. Phosphorus distribution in the nucleosome. Science. 1981; 211(4478): 169–70. https://doi.org/10.1126/science.7444457
  22. Ottensmeyer F.P., Andrew J.W. High-resolution microanalysis of biological specimens by electron energy loss spectroscopy and by electron spectroscopic imaging. J. Ultrastruct. Res. 1980; 72(3):336–48. https://doi.org/10.1016/s0022-5320(80)90069-6
  23. Aronova M.A., Kim Y.C., Harmon R., Sousa A.A., Zhang G., Leapman R.D. Three-dimensional elemental mapping of phosphorus by quantitative electron spectroscopic tomography (QuEST). J. Struct. Biol. 2007; 160(1): 35–48. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2007.06.008
  24. Nevsten P., Evilevitch A., Wallenberg R. Chemical mapping of DNA and counter-ion content inside phage by energy-filtered TEM. J. Biol. Phys. 2012; 38(2): 229–40. https://doi.org/10.1007/s10867-011-9234-8
  25. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning: a Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press; 1989.
  26. Печникова Е.В., Кирпичников М.П., Соколова О.С. Радиационные повреждения в криомикроскопии: всегда ли во вред? Природа. 2015; (3): 25–9.
  27. Mishyna M., Volokh O., Danilova Ya., Gerasimova N., Pechnikova E., Sokolova O.S. Effects of radiation damage in studies of protein-DNA complexes by cryo-EM. Micron. 2017; 96: 57–64. https://doi.org/10.1016/j.micron.2017.02.004
  28. Petrov A.S., Harvey S.C. Packaging double-helical DNA into viral capsids: structures, forces, and energetics. Biophys. J. 2008; 95(2):497–502. https://doi.org/10.1529/biophysj.108.131797
  29. Буркальцева М.В., Крылов В.Н., Плетенева Е.А., Шабурова О.В., Крылов С.В., Волкарт Г., и др. Феногенетическая характеристика группы гигантских φKZ-подобных бактериофагов Pseudomonas aeruginosa. Генетика. 2002; 38(11): 1470–9.
  30. Bagrov D.V., Glukhov G.S., Moiseenko A.V., Karlova M.G., Litvinov D.S., Zaitsev P.А., et al. Structural characterization of β-propiolactone inactivated severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) particles. Microsc. Res. Tech. 2021. https://doi.org/10.1002/jemt.23931

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Trifonova T.S., Moiseenko A.V., Bourkaltseva M.V., Shaburova O.V., Shaytan A.K., Krylov V.N., Sokolova O.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».