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 und Gary R. Bauchan

Das Zitat für dieses Kapitel des ICTV-Berichts ist die Zusammenfassung, die als Harrison et al, (2019):
ICTV Virus Taxonomy Profile: Baculoviridae, Journal of General Virology, 99: 1185-1186.

Korrespondierender Autor: Robert L. Harrison ([email protected])
Bearbeitet von: Balázs Harrach und Andrew J. Davison
Posted: Juni 2018
PDF: ICTV_Baculoviridae.pdf

Zusammenfassung

Die Baculoviridae sind eine Familie großer, insektenspezifischer Viren mit zirkulären dsDNA-Genomen von 80 bis 180 kbp (Tabelle 1.Baculoviridae). Die Viren bestehen aus umhüllten, stäbchenförmigen Nukleokapsiden und sind in charakteristische, 0,15-5 µm große Okklusionskörper eingebettet. Die Okklusionskörper bestehen aus einer Matrix, die sich aus einem einzigen viralen Protein zusammensetzt, das während der Infektion in hohem Maße exprimiert wird. Die Mitglieder dieser Familie infizieren ausschließlich Larven der Insektenordnungen Lepidoptera, Hymenoptera und Diptera. Einige Mitglieder wurden als Biopestizide zur Bekämpfung von Insektenschädlingen und als Vektoren für die rekombinante Proteinexpression entwickelt.

Tabelle 1.Baculoviridae. Merkmale der Mitglieder der Familie der Baculoviridae.

Virus

Morphologie

Ein oder zwei Virion-Phänotypen sind an der Baculovirus-Infektion beteiligt. Die Infektion wird im Darmepithel durch Virionen eingeleitet, die in einem kristallinen Protein-Okklusionskörper (OB) enthalten sind, der polyedrisch geformt sein und viele Virionen enthalten kann (Mitglieder der Gattungen Alphabaculovirus, Gammabaculovirus und Deltabaculovirus) oder ovozylindrisch ist und nur ein oder selten zwei oder mehr Virionen enthält (Mitglieder der Gattung Betabaculovirus). Virionen innerhalb von Okklusionen, die als okklusionsabgeleitete Viren (ODV) bezeichnet werden, bestehen aus einem oder mehreren stäbchenförmigen Nukleokapsiden, die eine ausgeprägte strukturelle Polarität aufweisen und von einer Hülle umgeben sind (Abbildung 1.Baculoviridae). Bei ODV findet die Nukleokapsidhülle innerhalb des Kerns (Mitglieder der Gattung Alphabaculovirus) oder im Kern-Cytoplasma-Milieu nach Verlust der Kernmembran (Mitglieder der Gattung Betabaculovirus) statt. Die Nukleokapsiden haben einen durchschnittlichen Durchmesser von 30-60 nm und eine Länge von 250-300 nm. Spike-ähnliche Strukturen (Peplomere) wurden auf den Hüllen von ODV nicht gefunden. Virionen des zweiten Phänotyps (so genannte Knospenviren oder BV; Abbildung 1.Baculoviridae) entstehen, wenn Nukleokapside durch die Plasmamembran an der Oberfläche infizierter Zellen knospen. BVs enthalten in der Regel ein einziges Nukleokapsid. Ihre Hüllen leiten sich von der zellulären Plasmamembran ab und bestehen typischerweise aus einer locker sitzenden Membran, die ein Hüllfusionsglykoprotein (EFP) enthält, das Peplomere bildet, die gewöhnlich an einem Ende des Virions zu beobachten sind (siehe „Proteine“, unten).

Physikochemische und physikalische Eigenschaften

ODV-Schwimmdichte in CsCl ist 1,18-1,25 g cm-3, und die des Nukleokapsids ist 1,47 g cm-3. Die Auftriebsdichte von BV in Saccharose beträgt 1,17-1,18 g cm-3 (Summers und Volkman 1976). Die Virionen beider Phänotypen sind empfindlich gegenüber organischen Lösungsmitteln und Detergenzien. ODV und BV sind geringfügig hitzeempfindlich und werden bei extremen pH-Werten inaktiviert (Gudauskas und Canerday 1968, Knittel und Fairbrother 1987).

Nukleinsäure

Nukleokapsiden enthalten ein Molekül zirkulärer, supergewickelter dsDNA von 80-180 kbp (Abbildung 1.Baculoviridae, Abbildung 2.Baculoviridae).

Proteine

Genomische Analysen lassen vermuten, dass Baculoviren für etwa 100-200 Proteine kodieren. Bisherige Proteomics-Analysen deuten darauf hin, dass Virionen zwischen 23 und 73 verschiedene Polypeptide enthalten können (Deng et al., 2007, Zhang et al., 2015). Die Nukleokapside beider Virion-Phänotypen (ODV und BV) enthalten ein Hauptkapsidprotein (VP39), ein grundlegendes DNA-bindendes Protein (P6.9), das mit dem viralen Genom komplexiert ist, und mindestens 2-3 weitere Proteine. Bislang wurden zwei verschiedene EFPs identifiziert. Das EFP GP64 kommt in einer Gruppe von Alphabaculoviren vor, zu der auch das multiple Nukleopolyhedrovirus von Autographa californica (AcMNPV) und nahe Verwandte gehören (Blissard und Wenz 1992). Die meisten Alphabaculoviren und Betabaculoviren kodieren für EFPs, die als F-Proteine bekannt sind, und scheinen diese auch zu nutzen. Dabei handelt es sich um Homologe des Ld130-Proteins von Lymantria dispar multiple nucleopolyhedrovirus (LdMNPV) (Pearson et al., 2001) und des Se8-Proteins von Spodoptera exigua multiple nucleopolyhedrovirus (SeMNPV) (IJkel et al., 2000). Das Deltabaculovirus Culex nigripalpus nucleopolyhedrovirus kodiert ebenfalls für ein EFP mit fusogener Aktivität (Wang et al., 2017). Es wurden mehrere ODV-Hüllproteine identifiziert. Acht ODV-Proteine, darunter 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) und AC83 (PIF-8) (Javed et al., 2017) sind wesentlich für die orale Infektiosität von ODV. Das Hauptprotein der OB-Matrix ist ein vom Virus kodiertes Polypeptid von 25-33 kDa. Dieses Protein wird bei Nukleopolyhedroviren als Polyhedrin bezeichnet (der gebräuchliche Name für die Alpha-, Delta- und Gammabaculoviren) und bei Granuloviren (Betabaculoviren) als Granulin (Rohrmann 1986). Der OB ist oft von einer Hülle umgeben, die mindestens ein Hauptprotein enthält (Whitt und Manning 1988). Das Polyhedrin-Protein der Deltabaculoviren ist serologisch und genetisch nicht mit den OB-Proteinen der Alpha-, Beta- und Gammabaculoviren verwandt (Perera et al., 2006).

Lipide

Lipide sind in den Hüllen von ODV und BV vorhanden. Die Lipidzusammensetzung unterscheidet sich zwischen den beiden Virion-Phänotypen (Braunagel und Summers 1994).

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind in Form von Glykoproteinen und Glykolipiden vorhanden.

Genomorganisation und Replikation

Zirkuläre genomische DNA ist infektiös, was darauf hindeutet, dass nach dem Eindringen in die Zelle und der Entschalung keine Virion-assoziierten Proteine für die Infektion erforderlich sind (Burand et al., 1980, Carstens et al., 1980). Achtunddreißig Gen-Homologe, die sogenannten Baculovirus-Kerngene, werden von Alpha-, Beta-, Gamma- und Deltabaculoviren gemeinsam genutzt (Javed et al., 2017, Garavaglia et al., 2012) (Abbildung 2.Baculoviridae). Diese konservierten Gene sind an verschiedenen Funktionen beteiligt, darunter DNA-Replikation, späte Gentranskription und Virionstruktur. In einigen Fällen können größere Genomgrößen aus dem Vorhandensein von Familien mit wiederholten Genen resultieren (Hayakawa et al., 1999). Die Transkription von Baculovirus-Genen wird zeitlich reguliert, und es werden zwei Hauptklassen von Genen unterschieden: frühe und späte Gene. Späte Gene können weiter in späte und sehr späte Gene unterteilt werden. Die Genklassen (frühe, späte und sehr späte Gene) sind auf dem Baculovirus-Genom nicht geclustert, und beide Stränge des Genoms sind an den kodierenden Funktionen beteiligt. Frühe Gene werden von der Wirts-RNA-Polymerase II transkribiert, während späte und sehr späte Gene von einer Alpha-Amanitin-resistenten viralen RNA-Polymerase transkribiert werden (Huh und Weaver 1990). RNA-Spleißen kommt vor, scheint aber selten zu sein (Chisholm und Henner 1988, Pearson und Rohrmann 1997). Transiente frühe und späte Gentranskription und DNA-Replikationsstudien deuten darauf hin, dass mindestens drei viruskodierte Proteine die frühe Gentranskription regulieren (Guarino und Summers 1986, Kovacs et al., 1991, Lu und Carstens 1993, Yoo und Guarino 1994), während etwa 20 viralkodierte Proteine, die als späte Expressionsfaktoren (LEFs) bekannt sind, für die späte Gentranskription notwendig sind (Rapp et al., 1998, Huijskens et al., 2004). Von den etwa 20 LEFs scheint die Hälfte an der DNA-Replikation beteiligt zu sein (Lu und Miller 1995). Die späte Gentranskription beginnt am zweiten Adenin eines konservierten 5′-TAAG-3′-Promotormotivs, das ein wesentliches Kernelement des späten Baculovirus-Promotors ist (Chen et al., 2013). Mutmaßliche Replikationsursprünge bestehen aus wiederholten Sequenzen, die an mehreren Stellen im Baculovirus-Genom zu finden sind (Pearson et al., 1992, Hilton und Winstanley 2007). Diese Sequenzen, die als homologe Repeat-Regionen (hr) bezeichnet werden, scheinen zwischen verschiedenen Baculovirus-Spezies nicht sehr konserviert zu sein. Es wurden auch putative Replikationsursprünge mit nur einer Kopie identifiziert (Kool et al., 1994), die keine hr sind. Die DNA-Replikation ist für die späte Gentranskription erforderlich. Die meisten Strukturproteine des Virions werden von späten Genen kodiert. Während die Transkription von späten und sehr späten Genen unmittelbar nach der DNA-Replikation zu beginnen scheint, werden einige sehr späte Gene, die für okklusionskörperspezifische Proteine kodieren, zu einem späteren Zeitpunkt in extrem hohen Mengen transkribiert (Thiem und Miller 1990). Die BV-Produktion findet hauptsächlich während der späten Phase statt, und die Produktion der Okklusionskörper erfolgt in der sehr späten Phase.

In infizierten Tieren beginnt die virale Replikation im Mitteldarm der Insekten. Nach der Nahrungsaufnahme werden die OBs im Darmlumen aufgelöst und setzen die ODVs frei, von denen man annimmt, dass sie durch Fusion mit der Plasmamembran an der Zelloberfläche in die Zielepithelzellen gelangen (Kawanishi et al., 1972). Bei Lepidopteren erfolgt der Eintritt des Virus in die Mitteldarmzellen in einem alkalischen Milieu bis zu einem pH-Wert von 12. Die Infektion des Mitteldarms ist Voraussetzung für den Beginn der Infektion im Tier. Obwohl angenommen wird, dass das Virus eine Replikationsrunde im Mitteldarmepithel durchläuft, bevor die Infektion auf sekundäre Gewebe innerhalb des Hämocoels übertragen wird, wurde auch ein Mechanismus für die direkte Bewegung vom Mitteldarm zum Hämocoel vorgeschlagen (Granados und Lawler 1981, Washburn et al., 1999, Washburn et al., 2003).

DNA-Replikation findet im Zellkern statt. In Betabaculovirus-infizierten Zellen geht die Integrität der Kernmembran während des Replikationsprozesses verloren (Walker et al., 1982, Federici und Stern 1990). Bei einigen Baculoviren ist die Replikation auf das Darmepithel beschränkt, und die Virionen der Nachkommenschaft werden von diesen Zellen umhüllt und eingeschlossen und können mit dem abgeschilferten Epithel in das Darmlumen abgegeben oder beim Tod des Wirts freigesetzt werden (Federici und Stern 1990). Bei anderen Baculoviren wird die Infektion auf innere Organe und Gewebe übertragen (Keddie et al., 1989). Der zweite Virion-Phänotyp, BV, der aus der basolateralen Membran infizierter Darmzellen austritt, ist für die Übertragung der Infektion in das Hemocoel erforderlich. Infizierte Fettkörperzellen sind der primäre Ort der Produktion von okkludierten Viren bei Lepidopteren. Bei Alpha-, Gamma- und Deltabaculoviren reift das okkludierte Virus in den Kernen der infizierten Zellen, bei Betabaculoviren im Kern-Zytoplasma-Milieu. OBs, die infektiöse ODV-Virionen enthalten, werden nach dem Tod des Wirts und in der Regel nach dessen Verflüssigung freigesetzt.

Biologie

Baculoviren wurden bisher nur aus Insekten isoliert – hauptsächlich aus Insekten der Ordnung Lepidoptera, aber auch aus den Ordnungen Hymenoptera und Diptera. Die Übertragung erfolgt auf natürliche Weise (i) horizontal durch Kontamination von Nahrungsmitteln, Eioberflächen usw. mit OBs. (Hamm und Young 1974, Young und Yearian 1986); (ii) vertikal innerhalb des Eies entweder von infizierten weiblichen oder männlichen Erwachsenen (Doane 1969); oder experimentell; (iii) durch Injektion intakter Wirte mit BVs; oder (iv) durch Infektion oder Transfektion von Zellkulturen. In der Regel dauert der Infektionsprozess in einem permissiven Insektenwirt etwa eine Woche, und als Endergebnis verflüssigt sich das kranke Insekt und setzt infektiöse Bisskörper in die Umwelt frei. OBs stellen eine umweltstabile Form des Virus mit erhöhter Resistenz gegen chemischen und physikalischen Zerfall sowie Inaktivierung durch UV-Licht dar. Es wurden auch persistierende, asymptomatische Infektionen dokumentiert (Myers und Cory 2016).

Antigenität

Antigene Determinanten, die zwischen verschiedenen Baculoviren kreuzreagieren, existieren auf Virionproteinen und auf dem Haupt-OB-Polypeptid: Polyhedrin oder Granulin (Summers et al., 1978, Volkman 1983). Neutralisierende Antikörper reagieren mit dem wichtigsten Oberflächenglykoprotein der BVs (Volkman et al., 1984).

Ableitung der Namen

Alpha, Beta, Gamma, Delta: Griechische Buchstaben α, β, γ, und δ, die ersten vier Buchstaben des griechischen Alphabets.

Baculo-:

Granulo-: von „granule“ und „granulosis“, bezogen auf die relativ kleine Größe der OBs und ihr körniges Aussehen in Betabaculovirus-infizierten Zellen.

Nucleopolyhedro-: von „nuclear polyhedrosis“ und „polyhedron“, bezieht sich auf das vielgestaltige Erscheinungsbild der OBs in den Kernen infizierter Zellen.

Gattungsabgrenzungskriterien

Die Gattungen der Baculoviridae werden auf der Grundlage von Phylogenie, Genomcharakteristika (insbesondere Gengehalt), Wirtsspektrum und OB-Morphologie unterschieden (Jehle et al., 2006a).

Beziehungen innerhalb der Familie

Die phylogenetische Analyse auf der Grundlage der 38 Baculovirus-Kerngene zeigt, dass die Familie vier monophyletische Gruppen umfasst (Abbildung 3.Baculoviridae), die auch auf der Grundlage der Ordnungen ihrer Insektenwirte und ihrer Morphologie unterschieden werden können. Baculoviren werden in die vier Gattungen Alphabaculovirus, Betabaculovirus, Gammabaculovirus und Deltabaculovirus unterteilt.

Beziehungen zu anderen Taxa

Mitglieder der Familie Baculoviridae teilen strukturelle, genetische und biologische Merkmale mit Viren der Familie Nudiviridae, die früher als „nicht-verschlossene“ Baculoviren klassifiziert wurden. Die Nudiviren haben mindestens 20 Kerngene mit Baculoviren gemeinsam (Wang et al., 2011). Baculoviren ähneln auch den Speicheldrüsen-Hypertrophieviren der Hytrosaviridae und teilen mindestens 12 Kerngene mit Mitgliedern dieser Familie (Jehle et al., 2013).

Mitgliedstaxa

• Alphabaculovirus
• Betabaculovirus
• Deltabaculovirus
• Gammabaculovirus