2009 Symposium Program Book

36 Pages·2009·0.63 MB·English

HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE
Science Education Alliance
Janelia Farm Research Campus
Ashburn, Virginia
June 21, 2009
© 2009 HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE.  All rights reserved. 

Office of Grants and Special Programs 
Peter J. Bruns, Ph.D. 
Vice President 

Science Education Alliance 
Tuajuanda C. Jordan, Ph.D. 
Director 

Lucia P. Barker, Ph.D. 
Program Officer 

Kevin W. Bradley 
Research Technician 

Razi Khaja 
Bioinformatics Specialist 

Melvina F. Lewis 
Program Assistant 

Credits 
Electron Micrograph on the cover:   
Richard Fetter, Ph.D. 
Shared Resource Manager, Electron Microscopy 
HHMI’s Janelia Farm Research Campus 

Aaron Best, Ph.D. 
Hope College 

HHMI Science Education Alliance ii NGRI First Annual Symposium
HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE | Science Education Alliance
National Genomics Research Initiative FIRST ANNUAL SYMPOSIUM
Janelia Farm Research Campus | Ashburn, Virginia

Student Talks

A Survey of Mycobacteriophages at Oregon State University 
  Anjali R. Menon, Oregon State University ........................................................................................... 3 

Characterization of Island‐3 and its Relatives in Mycobacteriophage Cluster I  
  Lianne B. Cohen, Carnegie Mellon University ...................................................................................... 4 

Genomic and Morphologic Characterization of the Mycobacterium smegmatis Bacteriophage Eagle 
  Katherine L. Belfield, University of Mary Washington ......................................................................... 5 

Genomics of Mycobacteriophages Found in the Environs of UC Santa Cruz 
  Trevor P. Sughrue, University of California, Santa Cruz ....................................................................... 6 

The Isolation and Characterization of Mycobacteriophages J‐Gladiator, Uncle Howie, and Angelica 
  Suchita Rastogi, Washington University in St. Louis ............................................................................ 7 

Isolation and Genome Sequencing of a Novel Mycobacteriophage, Pumpkin 
  Anne Georges, Hope College ................................................................................................................ 8 

Isolation and Genomic Analysis of Six Novel Soil Bacteriophages 
  Kathryn M. Sinclair, James Madison University ................................................................................... 9 

Isolation and Genomic Characterization of Mycobacteriophage sp. Hope 
  Shalaina Griffin, Spelman College ......................................................................................................10 

Isolation and Genomic Sequence Characterization of Mycobacteriophage sp. Peaches from a Soil Sample 
in Northeast Louisiana 
  John Robert Warner, University of Louisiana at Monroe ...................................................................11 

Isolation, Characterization and Genome Sequence of a Novel Bacteriophage Infecting Mycobacterium 
smegmatis 
  Jillian Walton, College of William & Mary .........................................................................................12 

Phinding Phage:  Isolation and Characterization of Novel Mycobacteriophages in San Diego 
  Hanna Wang, University of California, San Diego .............................................................................13 

Puhltoniophage Isolation, Annotation & Phamily Identification 
  Rebecca Goldstein, University of Maryland, Baltimore County .........................................................14 

HHMI Science Education Alliance iii NGRI First Annual Symposium
Faculty Posters

Analysis of Mycobacteriophage Genome Sequences as Part of the NGRI Genome Research Initiative at 
Washington University in St. Louis 
  Washington University in St. Louis .....................................................................................................17 

Biology 125‐126:  Phage Hunters at the University of Mary Washington (or How You Too Can Teach This 
Course with 40+ Students) 
  University of Mary Washington .........................................................................................................18 

Dissecting the Tools of Bioinformatics:  Building SpelFinder, a Primer Identification Tool in Python 
  Spelman College .................................................................................................................................19 

eBiology I & II ‐ Hunting Phages at UMBC 
  University of Maryland, Baltimore County.........................................................................................20 

Hope College Phage Genomics Research Course: First‐year Implementation and Results 
  Hope College ......................................................................................................................................21 

Implementation of the NGRI Research Course at University of California, San Diego 
  University of California, San Diego.....................................................................................................22 

Implementation of SEA Bacteriophage Genomics Laboratory Course at Carnegie Mellon University 
  Carnegie Mellon University ................................................................................................................23 

Implementing a Freshman Honors Lab in Phage Genomics at UC Santa Cruz 
  University of California, Santa Cruz ...................................................................................................24 

Initial Implementation of the NGRI Genome Research Initiative at Washington University in St. Louis 
  Washington University in St. Louis .....................................................................................................25 

Learning by Doing: A Year in the Phage Genomics Laboratory at Oregon State University 
  Oregon State University .....................................................................................................................26 

The Phage Genome Research Initiative at the College of William and Mary:  Assessment of Year 1 
  College of William & Mary .................................................................................................................27 

Phage Genome Sequence Phailure Results in Creative Use of Local Collaborations 
  James Madison University .................................................................................................................28 

Use of Supplemental Instructional Material for the ULM‐HHMI NGRI Laboratory Class 
  University of Louisiana at Monroe .....................................................................................................29 

HHMI Science Education Alliance iv NGRI First Annual Symposium
HHMI Science Education Alliance 1 NGRI First Annual Symposium
HHMI Science Education Alliance 2 NGRI First Annual Symposium
A SURVEY OF MYCOBACTERIOPHAGES AT OREGON STATE UNIVERSITY 

Anjali R. Menon1, Andrew Woodall1, Christine E. Schnitzler2, Dr. Barbara J. Taylor2, Dr. Dee R. Denver2, Robert B.
Bloom1, Alyssa B. Carey1, Lauren W. Forbes1, Roberto A. Garcia1, Shannon E. Goff1, Daryl M. Khaw1, Junghee Kim1,
Nick C. Lowery1, Rachel A. Miller1, Elvis T. Nguyen1, Tamsen M. Polley1, Erica J. Puopolo1, Jonathan W. Shepardson1.

1BI211-213 Principles of Biology Course, 2Zoology Department, Oregon State University, Corvallis, OR 97331

Bacteriophages are estimated to be among the most numerous and diverse entities in the biosphere. 
There  has  been  increasing  interest  in  Mycobacteriophage  species,  as  the  Mycobacterium  genus  of 
Actinobacteria includes pathogens known to cause mammalian tuberculosis and leprosy. To approach the 
questions of morphological and genetic diversity, fourteen students in the Phage Genomics laboratory in 
the BI211‐213 Principles of Biology course conducted a survey of mycobacteriophage species from sites 
within two compost recycling centers at Oregon State University. After enrichment, we isolated and 
plaque purified different phages from 10 isolates. Eleven of the phages were lytic, producing clear 
plaques, and three were lysogenic, producing turbid or bulls‐eye plaque morphology. The DNA from high‐
titer lysates was restricted with six different restriction enzymes and subsequently run on an agarose gel, 
revealing fourteen genetically distinct phage genomes.  The morphology of the phage was determined by 
staining phage samples with phosphotungstic acid and viewing with an electron microscope. All phages 
were Siphoviridae, with an average capsid diameter of 75 nm, and an average tail length of 171 nm. Both 
DNA and high‐titer lysate were archived for future reference. Genomic DNA from three different phage 
samples were sent to the Joint Genome Institute for consideration and one, Colbert, was selected for 
sequencing and assembly.  Using Glimmer and GeneMark programs to identify putative genes, and Apollo 
to call genes, we found that the 67 kbp Colbert genome has 99 called genes. Once the genome had been 
annotated, the genes and genomes were compared using Phamerator analysis.   Based on the similarity of 
the Colbert genome to other sequenced phage genomes, we have tentatively concluded that Colbert 
belongs to the “B” cluster of phages. In summary, we found that all phages were Siphoviridae, regardless 
of whether the individual phages were lytic or lysogenic, had distinct restriction digest patterns and that 
Colbert was likely a new member of the B cluster of mycobacteriophages. 

HHMI Science Education Alliance 3 NGRI First Annual Symposium
CHARACTERIZATION OF ISLAND‐3 AND ITS RELATIVES  
IN MYCOBACTERIOPHAGE CLUSTER I 

Turi A. Alcoser, Lisa M. Alexander, Ian M. Bayles, Keshav Budwal, Ian W. Campbell, Lianne B. Cohen, Belle E.V.
English, Laura Z. Filliger, Tyler M. Fox, Stephanie L. Guerra, Siping He, Kaitlin E. Healy, Paul G. Jasinto, Andrew J.
Medenbach, Rachel E. Pferdehirt, Michael J. Reiss, Judith Savitskaya, Madhav K. Shroff, Jasper Thompson, Hannah S.
Wirtshafter, David A. Zaidins, Kathryn E. Sheldon, Jonathan W. Jarvik, A. Javier Lopez.

Department of Biological Sciences, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA 15213
[email protected]

Mycobacteriophage Island‐3 was isolated from a soil sample taken on the campus of Carnegie Mellon 
University in September 2008. It is a syphovirus with a prolate ellipsoid head morphology shared with two 
other mycobacteriophages, Brujita and Che9c, which previously defined phage Cluster I. Sequencing 
confirmed the relationship among the three phages. Island‐3 and Brujita are almost identical except for 
two blocks of approximately 300 bp on the right arm. All three phages contain integrase and excisase 
genes but they differ at the putative attachment site. Island 3 and Brujita contain identical palindromes 
downstream of their integrase genes that are likely attP sites. This sequence is present in the genomes of 
several Lactobacilli but not in any sequenced Mycobacterium, calling into question whether these phages 
integrate into the Mycobacterium genome or even lysogenize at all. To investigate this issue, we isolated 
candidate lysogens of Island‐3 in M. smegmatis by screening for surviving colonies after infection at high 
m.o.i. We confirmed that these are lysogens by three tests: immunity to infection by the parent phage, 
behavior as infectious centers on lawns of M. smegmatis, and detection of phage DNA in the cells by PCR. 
However, inverse PCR assays designed to test integration via the putative attP site failed to detect 
insertion in the bacterial genome. In contrast to Island‐3 and Brujita, Che9c contains a complete tyrosine 
tRNA sequence immediately downstream of its integrase gene. A homologous tRNA gene is present in the 
M.  smegmatis  genome,  raising  the  possibility  that  Che9c  uses  this  sequence  for  integration.  This 
hypothesis was tested by isolating Che9c lysogens and verifying that the prophage had inserted within the 
bacterial tRNA gene. The three phages of Cluster I exhibit complex immunity relationships: whereas 
Island‐3 lysogens are resistant only to Island‐3 and the closely related Brujita, Che9c lysogens are resistant 
to infection by all three members of Cluster I. The basis for this difference is not understood but may 
indicate  that  Che9c  has  a  phage  exclusion  system  that  is  not  based  on  classical  (repressor‐based) 
immunity. 

HHMI Science Education Alliance 4 NGRI First Annual Symposium
GENOMIC AND MORPHOLOGIC CHARACTERIZATION  
OF THE MYCOBACTERIUM SMEGMATIS BACTERIOPHAGE EAGLE 

Katherine L. Belfield, Jillian C. Trent, Zein Al-Atrache, Lynn O. Lewis and Kathryn E. Loesser-Casey.
Department of Biology, University of Mary Washington, Fredericksburg, VA 22401

Background:  The University of Mary Washington participated in a new program funded and sponsored by 
the HHMI Science Education Alliance (SEA) where first year students isolated and characterized novel 
bacteriophages from the environment using Mycobacterium smegmatis as a host.   
Methods:  Bacteriophages were isolated by 40 students from soil samples collected on the campus of the 
University of Mary Washington using an enrichment protocol.  Each student picked and purified plaques 
until a single phage was isolated.  Each student then isolated DNA digested the DNA with restriction 
endonucleases and compared digestion patterns.  Several phage DNA samples were submitted to JGI for 
approval, and Mycobacteriophage Eagle was chosen, by JGI, for sequencing.  Sequencing of Eagle was 
difficult because of the GC rich regions and “hard stops”, which led to difficulty in generating a single 
contig.  Therefore annotation began late in the second semester.  While  waiting for the JGI finished 
sequence, students designed primers for an ambiguous region of the Eagle genome, and sequencing of 
the ambiguous region was attempted on the UMW campus.    
Results:  Mycobacteriophage Eagle has a hexagonal capsid, approximately 44 nm in diameter, and a long, 
flexible tail approximately 350 nm long.  The genome is approximately 52 kbp long and apparently linear 
(though the ends are being re‐sequenced).  Using Apollo, 42 genes were called and annotated (using an E 
value cut off of 10‐25).  Annotated gene products included putative major and minor tail proteins, a 
putative tape measure protein, and putative enzymes DNA polymerase and integrase, among others.  
After  annotation,  the  order  of  gene  products  appears  to  be  the  reverse  of  most  other  published 
Mycobacteriophages.  The first half of the genome appears to be oriented in one direction, while the 
second half is oriented in the opposite direction.   
Conclusion:  The matches found with other mycobacteriophages using BLASTx were almost exclusively 
those in the A2 cluster, leading us to believe that Mycobacteriophage Eagle should be classified in the A2 
cluster. 

HHMI Science Education Alliance 5 NGRI First Annual Symposium
GENOMICS OF MYCOBACTERIOPHAGES FOUND  
IN THE ENVIRONS OF UC SANTA CRUZ 

Trevor P. Sughrue, Agustin Borjon, Kimberly R. Davis, Garrett V. Hagopian, Nathan A. Holz, Tomas Kasza, Victor
Mac, Kaylee M. Nicholson, Lauren R. Rodriguez, Jeffrey D. Rubin, Jessica A. Ruby, Erica M. Shepard, Clark L. Straub,
Brandon C. Yee, Janine Ilagan, John Paul Donohue, Melissa Jurica, Lourdes Valenzuela, Manuel Ares, Jr., Grant A.
Hartzog.

Department of Molecular, Cell & Developmental Biology, University of California, Santa Cruz, CA 95064

Sampling forest soil, gardens, fountains and compost piles on or near the UCSC campus, we isolated 14 
bacteriophages that infect the benign soil bacterium Mycobacterium smegmatis. Both lytic and lysogenic 
bacteriophages  were  purified,  and  they  exhibited  a  range  of  plaque  morphologies  and  growth 
characteristics.  DNA restriction analyses of their genomes indicates that they represent at least 12 
genetically nonidentical viruses.  Electron microscopy of the viral particles shows that they vary in their 
size and structure.  In collaboration with the HHMI and the Joint Genome Institute, we sequenced the 
genome of one bacteriophage, LRRHood, which exhibits the contractile tail and large capsid morphology 
of the myovirus class. LRRHood has a circular double‐stranded DNA genome of 154,349 basepairs. 
LRRHood  is  a  member  of  the  C1  subgroup  of  mycobacteriophages  and  is  most  closely  related  to 
mycobacteriophage Cali. We annotated 221 protein encoding genes, 32 tRNAs and one tmRNA gene in 
the LRRHood genome.  To facilitate study of LRRHood, we created a Phage Genome Browser.  Using this 
browser and Phamerator, we identified insertions and deletions in the LRRHood genome relative to other 
mycobacteriophages.  The largest is 1327 bp and contains 4 genes, including one encoding an apparent 
transcriptional  repressor  protein.    The  inserted  sequences  are  absent  from  other  group  C1 
mycobacteriophages, but are present in group A1 and A2 mycophages, at 96‐98% identity. The insert in 
LRRHood is similar to 985 bp of Fruitloop and Ms6 and a total of 820 bp from two nearby regions of KBG, 
with an overlapping segment of 585 bp found in both that encodes the repressor . The entire inserted 
region in LRRHood is bounded by a 29 bp direct repeat present in a single copy in the other C1 phages, 
suggesting that insertion proceeded through repair of a staggered break in the DNA. LRRHood is unusual 
in possessing such a large segment of group A phage genes. We speculate that to the inserted segment 
may confer immunity to infection by group A1 and A2 mycobacteriophages. 

HHMI Science Education Alliance 6 NGRI First Annual Symposium