Balancing mutation rates always comes with trade-offs. Often deleterious or even lethal, mutations also produce the necessary genetic diversity to fuel evolution by natural selection. Many factors influence viral mutation rates; however, replicative polymerases play an essential role. Large dsDNA viruses, like herpesviruses, encode a DNA-polymerase with intrinsic 3’-5’ exonuclease (Exo) activity, increasing replication fidelity by orders of magnitude. Abolishing this proofreading consequently yields viral populations with increased mutation rates. Here we described the first successful reconstitution of proofreading deficient herpes simplex type 1 viruses. Although those viruses are initially viable, we found that after a few passages they accumulate huge mutational loads that interfere with productive viral replication. Especially deleterious mutations in major variants map specifically to essential gene sets important for nucleic acid metabolism, structural proteins and others. Notably, mild effects on proofreading conferred by Exo III mutant Y557S (YS) did increase mutation rates but yielded populations with wild type (wt) like replication kinetics. To follow up on the adaptability of mild hypermutators we passaged both wt and YS under antiviral pressure to screen for resistance mutations. We observed faster resistance development in YS by about 5-10 passages. This increase in adaptability is due to 2-3 times more mutations occurring in YS populations compared to wt. Importantly, we could detect no general differences in the underlying evolutionary processes. Furthermore, changing selection pressures shed light on the importance of standing genetic variation, especially in populations that already plateaued in their phenotypes. Finally, within population diversity on a phenotypic and genetic level is vastly increased in YS populations. Taken together we managed to explore the limits of hypermutation in herpes simplex type 1. Marginal increases in their mutation rates lead to greater adaptability which in turn can be employed to speed up evolutionary processes for experimental applications without compromising the underlying mechanism. However, increases beyond that, mediated by abolishing proofreading completely, lead to lethal mutagenesis and suicidal phenotypes. So far lethal mutagenesis is a process exclusively described for RNA virus populations. Defining the circumstances for lethal mutagenesis in herpes simplex virus type 1 might be interesting for future antiviral developments. Especially combination of replicative in concert with Exo inhibitors might yield promising antiviral therapies.
Jede Mutation gleicht einer Runde am Roulette Tisch. Obwohl eine geringe Chance besteht den großen Gewinn abzuräumen, verliert man meist doch. Genauso verhält es sich mit Mutationen, der überwiegende Teil ist schädlich oder sogar letal, dennoch besteht die Möglichkeit mit hilfreichen Änderungen einen Vorteil zu erlangen und den Rest der Population abzuhängen. Mutationsraten werden durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, jedoch spielen replikative Polymerasen eine entscheidende Rolle. Doppelstrang DNA Viren mit relativ großen Genomen, wie Herpesviren, codieren eine eigene DNA-Polymerase mit eingebauter 3‘-5‘ Exonuklease (Exo) welche jede eingebaute Base korrekturliest um Mutationsraten um Größenordnungen zu verringern. Ein Verlust der Korrekturlesefunktion erhöht folglich die Mutationsrate. In dieser Arbeit beschreiben wir erstmals die erfolgreiche Herstellung von Korrekturlese defizienten Herpes Simplex Typ 1 Viren. Obwohl anfangs lebensfähig, konnten wir zeigen, dass wenige Zellkultur Passagen zur Ansammlung von enorm vielen Mutationen in diesen Populationen führte. Diese wiederum, verhindern eine produktive Virusreplikation. Auffällig waren dabei vor allem schädliche Mutationen in essentiellen Gengruppen, die in der Population überhandnahmen. Diese Gene sind wichtig für die Struktur des viralen Partikels, für den Nukleinsäure Stoffwechsel als auch für weitere Prozesse. Eine mildere Reduktion der Exo Funktion war hingegen gut verträglich und resultierte in einen Hypermutator der Wildtyp (wt) ähnliche Replikationskinetik aufwies. Dieser milde Hypermutator (YS) wurde verwendet um die Evolution von Virostatika Resistenz zu untersuchen. YS wies schnellere Resistenzentwicklung auf, was auf 2-3-mal mehr Mutationen in diesen Populationen zurückgeführt werden konnte. Beeindruckender Weise konnten wir keine generellen Unterschiede in den zu Grunde liegenden evolutionären Prozessen sehen, außer die zuvor erwähnte höhere Mutationsrate. Des Weiteren, konnten wir diese Ergebnisse auf klonaler Ebene bestätigen und auch die Bedeutung von genetischer Variabilität hervorheben, besonders wenn Änderungen in den Selektionsdrücken stattfinden. Zusammenfassend behandelt diese Arbeit die Vor- und Nachteile von Mutationen in Herpes Simplex Virus Typ 1. Erhöhungen in der Mutationsrate sind möglich, in gewissem Umfang und unter bestimmten Bedingungen sogar hilfreich, sobald allerdings ein kritischer Punkt erreicht wird, wird aus erhöhter Anpassungsfähigkeit letale Mutagenese, welche wiederum zum Aussterben der Population führt. Bisher wurde letale Mutagenese nur in RNA Virus Populationen beschrieben, allerdings zeigt diese Arbeit, dass letale Mutagenese auch in Herpes Simplex Typ 1 stattfinden kann. Dies könnte unter anderem zu neuen antiviralen Therapien führen, welche beispielsweise replikative und Exo Inhibitoren kombinieren um Viren an zwei Fronten zu bekämpfen.
