Baculoviridae

Robert L. Harrison, Elisabeth A. Herniou, Johannes A. Jehle, David A. Theilmann4, John P. Burand, James J. Becnel, Peter J. Krell, Monique M. van Oers, Joseph D. Mowery e Gary R. Bauchan

La citazione di questo capitolo del rapporto ICTV è il riassunto pubblicato come Harrison et al, (2019):
Profilo della tassonomia dei virus ICTV: Baculoviridae, Journal of General Virology, 99: 1185-1186.

Autore corrispondente: Robert L. Harrison ([email protected])
Editore di: Balázs Harrach e Andrew J. Davison
Postata: Giugno 2018
PDF: ICTV_Baculoviridae.pdf

Riassunto

Il Baculoviridae è una famiglia di grandi virus specifici degli insetti con genomi circolari dsDNA che vanno da 80 a 180 kbp (Tabella 1.Baculoviridae). I virioni sono costituiti da nucleocapside avvolto, a forma di asta e sono incorporati in corpi di occlusione distintivi che misurano 0,15-5 µm. I corpi di occlusione consistono in una matrice composta da una singola proteina virale espressa ad alti livelli durante l’infezione. I membri di questa famiglia infettano esclusivamente le larve degli ordini di insetti Lepidoptera, Hymenoptera e Diptera. Alcuni membri sono stati sviluppati come biopesticidi per il controllo dei parassiti degli insetti e come vettori per l’espressione di proteine ricombinanti.

Tabella 1.Baculoviridae. Caratteristiche dei membri della famiglia Baculoviridae.

Virione

Morfologia

Uno o due fenotipi di virioni sono coinvolti nelle infezioni da baculovirus. L’infezione è iniziata nell’epitelio intestinale dai virioni contenuti all’interno di un corpo di occlusione (OB) proteico cristallino che può essere di forma poliedrica e contenere molti virioni (membri dei generi Alphabaculovirus, Gammabaculovirus e Deltabaculovirus); oppure ovocilindrico e contenente solo uno, o raramente due o più, virioni (membri del genere Betabaculovirus). I virioni all’interno delle occlusioni, indicati come virus derivati dall’occlusione (ODV), sono costituiti da uno o più nucleocapside a forma di asta che hanno una polarità strutturale distinta e sono racchiusi in un involucro (Figura 1.Baculoviridae). Per ODV, l’avvolgimento del nucleocapside avviene all’interno del nucleo (membri del genere Alphabaculovirus) o nel milieu nucleare-citoplasmatico dopo la perdita della membrana nucleare (membri del genere Betabaculovirus). I nucleocapside hanno un diametro medio di 30-60 nm e una lunghezza di 250-300 nm. Strutture simili a punte (peplomeri) non sono state riportate sugli involucri di ODV. I virioni del secondo fenotipo (chiamato virus gemmato o BV; Figura 1. Baculoviridae) sono generati quando i nucleocapside gemmano attraverso la membrana plasmatica sulla superficie delle cellule infettate. I BV contengono tipicamente un singolo nucleocapside. I loro involucri derivano dalla membrana plasmatica cellulare e si presentano come una membrana che si allenta e contiene una glicoproteina di fusione dell’involucro (EFP), che forma dei peplomeri che si osservano solitamente a un’estremità del virione (vedi “Proteine”, sotto).

Proprietà fisico-chimiche e fisiche

La densità di galleggiamento del BV in CsCl è 1,18-1,25 g cm-3, e quella del nucleocapside è 1,47 g cm-3. La densità di galleggiamento di BV nel saccarosio è di 1,17-1,18 g cm-3 (Summers e Volkman 1976). I virioni di entrambi i fenotipi sono sensibili ai solventi organici e ai detergenti. ODV e BV sono marginalmente sensibili al calore e inattivati a valori estremi di pH (Gudauskas e Canerday 1968, Knittel e Fairbrother 1987).

Acido nucleico

I nucleocapside contengono una molecola di dsDNA circolare e superavvolto di 80-180 kbp (Figura 1.Baculoviridae, Figura 2.Baculoviridae).

Proteine

Le analisi genomiche suggeriscono che i baculovirus codificano circa 100-200 proteine. Le analisi proteomiche effettuate finora indicano che i virioni possono contenere da un minimo di 23 a un massimo di 73 polipeptidi diversi (Deng et al., 2007, Zhang et al., 2015). I nucleocapside di entrambi i fenotipi virali (ODV e BV) contengono una proteina principale del capside (VP39), una proteina di base che lega il DNA (P6.9) complessata con il genoma virale, e almeno 2-3 proteine aggiuntive. Ad oggi sono state identificate due diverse EFP. L’EFP GP64 è presente in un gruppo di alphabaculovirus che includono Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) e parenti stretti (Blissard e Wenz 1992). La maggior parte degli alphabaculovirus e dei betabaculovirus codificano e sembrano utilizzare le EFP note come proteine F, che sono omologhe della proteina Ld130 del Lymantria dispar multiple nucleopolyhedrovirus (LdMNPV) (Pearson et al., 2001) e la proteina Se8 del Spodoptera exigua multiple nucleopolyhedrovirus (SeMNPV) (IJkel et al., 2000). Anche il nucleopolyhedrovirus deltabaculovirus Culex nigripalpus codifica una EFP con attività fusogena (Wang et al., 2017). Sono state identificate diverse proteine dell’involucro di ODV. Otto proteine ODV, tra cui P74 (Faulkner et al., 1997), PIF-1 (Kikhno et al., 2002), PIF-2 (Pijlman et al., 2003), PIF-3 (Ohkawa et al., 2005), AC96 (PIF-4) (Fang et al, 2009), ODV-E56 (PIF-5) (Harrison et al., 2010), AC68 (PIF-6) (Nie et al., 2012), AC110 (PIF-7) (Jiantao et al., 2016), e AC83 (PIF-8) (Javed et al., 2017) sono essenziali per l’infettività orale di ODV. La proteina principale della matrice OB è un polipeptide codificato dal virus di 25-33 kDa. Questa proteina è chiamata poliedrina per i nucleopoliedrovirus (il nome comune usato per gli alfa-, delta- e gammabaculovirus) e granulina per i granulovirus (betabaculovirus) (Rohrmann 1986). L’OB è spesso circondato da un involucro che contiene almeno una proteina principale (Whitt e Manning 1988). La proteina poliedrina dei deltabaculovirus è sierologicamente e geneticamente non correlata alle proteine OB degli alfa-, beta- e gammabaculovirus (Perera et al., 2006).

Lipidi

I lipidi sono presenti negli involucri di ODV e BV. La composizione lipidica differisce tra i due fenotipi di virione (Braunagel e Summers 1994).

Carboidrati

I carboidrati sono presenti come glicoproteine e glicolipidi.

Organizzazione e replicazione del genoma

Il DNA genomico circolare è infettivo, suggerendo che dopo l’ingresso cellulare e lo spianamento, nessuna proteina associata al virione è essenziale per l’infezione (Burand et al., 1980, Carstens et al., 1980). Trentotto omologhi genici, i cosiddetti geni del nucleo dei baculovirus, sono condivisi tra alfa-, beta-, gamma- e deltabaculovirus (Javed et al., 2017, Garavaglia et al., 2012) (Figura 2.Baculoviridae). Questi geni conservati sono coinvolti in varie funzioni, tra cui la replicazione del DNA, la trascrizione tardiva del gene e la struttura del virione. In alcuni casi, le dimensioni maggiori del genoma possono derivare dalla presenza di famiglie di geni ripetuti (Hayakawa et al., 1999). La trascrizione dei geni dei baculovirus è regolata temporalmente, e sono riconosciute due classi principali di geni: precoci e tardivi. I geni tardivi possono essere ulteriormente suddivisi in geni tardivi e molto tardivi. Le classi di geni (precoci, tardivi e molto tardivi) non sono raggruppate sul genoma del baculovirus, ed entrambi i filamenti del genoma sono coinvolti nelle funzioni di codifica. I geni precoci sono trascritti dalla RNA polimerasi II dell’ospite, mentre i geni tardivi e molto tardivi sono trascritti da una RNA polimerasi virale resistente all’alfa-amanitina (Huh e Weaver 1990). Si verifica lo splicing dell’RNA, ma sembra essere raro (Chisholm e Henner 1988, Pearson e Rohrmann 1997). Studi sulla trascrizione transitoria precoce e tardiva dei geni e sulla replicazione del DNA suggeriscono che almeno tre proteine codificate dal virus regolano la trascrizione precoce dei geni (Guarino e Summers 1986, Kovacs et al. 1991, Lu e Carstens 1993, Yoo e Guarino 1994), mentre circa 20 proteine codificate dal virus note come fattori di espressione tardiva (LEFs) sono necessarie per la trascrizione tardiva dei geni (Rapp et al., 1998, Huijskens et al., 2004). Dei circa 20 LEF, la metà sembra essere coinvolta nella replicazione del DNA (Lu e Miller 1995). La trascrizione del gene tardivo inizia alla seconda adenina di un motivo promotore conservato 5′-TAAG-3′, che è un elemento essenziale del promotore tardivo del baculovirus (Chen et al., 2013). Le origini di replicazione putative consistono in sequenze ripetute che si trovano in più punti del genoma di baculovirus (Pearson et al., 1992, Hilton e Winstanley 2007). Queste sequenze, chiamate regioni di ripetizione omologa (hr), non sembrano essere altamente conservate tra le diverse specie di baculovirus. Sono state identificate anche origini di replicazione putative non hr a copia singola (Kool et al., 1994). La replicazione del DNA è necessaria per la trascrizione tardiva dei geni. La maggior parte delle proteine strutturali del virione sono codificate da geni tardivi. Mentre la trascrizione dei geni tardivi e molto tardivi sembra iniziare immediatamente dopo la replicazione del DNA, alcuni geni molto tardivi che codificano le proteine specifiche del corpo di occlusione sono trascritti a livelli estremamente elevati in un momento successivo (Thiem e Miller 1990). La produzione di BV avviene principalmente durante la fase tardiva, e la produzione del corpo di occlusione avviene durante la fase molto tardiva.

Negli animali infetti, la replicazione virale inizia nel midgut dell’insetto. Dopo l’ingestione, gli OB vengono solubilizzati nel lume intestinale, rilasciando gli ODV, che si pensa entrino nelle cellule epiteliali bersaglio attraverso la fusione con la membrana plasmatica sulla superficie cellulare (Kawanishi et al., 1972). Negli insetti lepidotteri, l’ingresso virale nelle cellule del midgut avviene in un ambiente alcalino, fino a pH 12. L’infezione del midgut è necessaria per l’inizio dell’infezione nell’animale. Sebbene si creda che il virus subisca un ciclo di replicazione nell’epitelio dell’intestino medio prima della trasmissione dell’infezione ai tessuti secondari all’interno dell’emocellula, è stato anche proposto un meccanismo di movimento diretto dall’intestino medio all’emocellula (Granados e Lawler 1981, Washburn et al., 1999, Washburn et al., 2003).

La replicazione del DNA avviene nel nucleo. Nelle cellule infettate da betabaculovirus, l’integrità della membrana nucleare viene persa durante il processo di replicazione (Walker et al. 1982, Federici e Stern 1990). Con alcuni baculovirus, la replicazione è limitata all’epitelio intestinale e i virioni di progenie vengono avvolti e occlusi all’interno di queste cellule, e possono essere rilasciati nel lume intestinale con l’epitelio scorticato, o rilasciati alla morte dell’ospite (Federici e Stern 1990). In altri baculovirus, l’infezione è trasmessa agli organi interni e ai tessuti (Keddie et al., 1989). Il secondo fenotipo di virione, BV, che nasce dalla membrana basolaterale delle cellule intestinali infette, è richiesto per la trasmissione dell’infezione nell’emocellula. Le cellule del corpo adiposo infette sono il luogo primario di produzione del virus occluso negli insetti lepidotteri. Il virus occluso matura all’interno dei nuclei delle cellule infette per i virus alfa, gamma e deltabaculovirus, e nel milieu nucleare-citoplasmatico per i betabaculovirus. Gli OB contenenti i virioni ODV infettivi vengono rilasciati alla morte, e solitamente alla liquefazione, dell’ospite.

Biologia

I baculovirus sono stati isolati solo da insetti – principalmente da insetti dell’ordine Lepidoptera, ma anche dagli ordini Hymenoptera e Diptera. La trasmissione avviene naturalmente (i) orizzontalmente attraverso la contaminazione con OBs di cibo, superfici di uova, ecc. (Hamm e Young 1974, Young e Yearian 1986); (ii) verticalmente all’interno dell’uovo da adulti maschi o femmine infetti (Doane 1969); o sperimentalmente; (iii) mediante iniezione di BV in ospiti intatti; o (iv) mediante infezione o trasfezione di colture cellulari. Tipicamente, il processo di infezione in un ospite insetto permissivo richiede circa una settimana e, come risultato finale, l’insetto malato si liquefa, rilasciando corpi di occlusione infettivi nell’ambiente. Gli OB rappresentano una forma ambientalmente stabile del virus con una maggiore resistenza al decadimento chimico e fisico e all’inattivazione da parte dei raggi UV. Sono state documentate anche infezioni persistenti e asintomatiche (Myers e Cory 2016).

Antigenicità

I determinanti antigenici che reagiscono in modo incrociato tra diversi baculovirus esistono sulle proteine del virione e sul principale polipeptide OB: poliedrina o granulina (Summers et al., 1978, Volkman 1983). Gli anticorpi neutralizzanti reagiscono con la principale glicoproteina di superficie dei BV (Volkman et al., 1984).

Derivazione dei nomi

Alfa, Beta, Gamma, Delta: Lettere greche α, β, γ, e δ, le prime quattro lettere dell’alfabeto greco.

Baculo-: da baculum, che significa “asta” in latino, riferendosi alla morfologia del nucleocapside.

Granulo-: da “granulo” e “granulosi”, riferendosi alle dimensioni relativamente piccole degli OB e al loro aspetto granulare nelle cellule infettate da betabaculovirus.

Nucleopolyhedro-: da “nuclear polyhedrosis” e “polyhedron”, riferendosi all’aspetto multiforme degli OB nei nuclei delle cellule infettate.

Criteri di demarcazione del genere

I generi di Baculoviridae si distinguono sulla base della filogenesi, delle caratteristiche del genoma (specialmente il contenuto di geni), dell’intervallo di ospiti e della morfologia degli OB (Jehle et al., 2006a).

Relazioni all’interno della famiglia

L’analisi filogenetica basata sui 38 geni principali dei baculovirus mostra che la famiglia comprende quattro gruppi monofiletici (Figura 3.Baculoviridae), che possono anche essere discriminati in base agli ordini dei loro ospiti insetti e alla loro morfologia. I Baculovirus sono classificati nei quattro generi Alphabaculovirus, Betabaculovirus, Gammabaculovirus e Deltabaculovirus.

Relazioni con altri taxa

I membri della famiglia Baculoviridae condividono caratteri strutturali, genetici e biologici con i virus della famiglia Nudiviridae, che erano stati precedentemente classificati come baculovirus “non occlusi”. I nudivirus condividono almeno 20 geni fondamentali con i baculovirus (Wang et al., 2011). I baculovirus sono anche simili ai virus dell’ipertrofia delle ghiandole salivari degli Hytrosaviridae, e condividono almeno 12 geni core con i membri di questa famiglia (Jehle et al., 2013).

Tassi membri

• Alphabaculovirus
• Betabaculovirus
• Deltabaculovirus
• Gammabaculovirus