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 ja Gary R. Bauchan

Tämän ICTV-raportin luvun viittaus on tiivistelmä, joka on julkaistu nimellä Harrison et al., (2019):
ICTV Virus Taxonomy Profile: Baculoviridae, Journal of General Virology, 99: 1185-1186.

Corresponding author: Robert L. Harrison ([email protected])
Toimittanut: Balázs Harrach ja Andrew J. Davison
Postitettu: Kesäkuu 2018
PDF: ICTV_Baculoviridae.pdf

Tiivistelmä

Baculoviridae on suurten, hyönteispesifisten virusten suku, jonka ympyränmuotoiset dsDNA-genomit vaihtelevat 80-180 kbp:n välillä (taulukko 1. Baculoviridae). Virukset koostuvat kuorellisista, sauvamaisista nukleokapsideista, ja ne ovat upotettuina 0,15-5 µm:n kokoisiin erottuviin okkluusiokappaleisiin. Okkluusiokappaleet koostuvat matriisista, joka koostuu yhdestä ainoasta virusproteiinista, joka ilmentyy suurina määrinä infektion aikana. Tämän perheen jäsenet infektoivat yksinomaan hyönteisjärjestöjen Lepidoptera, Hymenoptera ja Diptera toukkia. Joitakin jäseniä on kehitetty biotorjunta-aineiksi hyönteistuholaisten torjuntaan ja vektoreiksi rekombinanttiproteiinien ilmentämiseen.

Taulukko 1.Baculoviridae. Baculoviridae-heimon jäsenten ominaisuudet.

Virus

Morfologia

Baculovirus-infektioihin osallistuu yhtä tai kahta virionin fenotyyppiä. Infektio käynnistyy suolen epiteelissä kiteisen proteiinipitoisen okkluusiokappaleen (OB) sisältämien virionien avulla, jotka voivat olla muodoltaan polyedrisiä ja sisältää monia virioneja (Alphabaculovirus, Gammabaculovirus ja Deltabaculovirus-sukujen jäsenet); tai ovosylinterimäisiä ja sisältää vain yhden tai harvoin kaksi tai useampia virioneja (Betabaculovirus-suvun jäsenet). Okluusiovirukset, joita kutsutaan okluusioviruksiksi (ODV), koostuvat yhdestä tai useammasta sauvamaisesta nukleokapsidista, joilla on selvä rakenteellinen polariteetti ja jotka on suljettu kuoren sisään (kuva 1. Baculoviridae). ODV:n osalta nukleokapsidien koteloituminen tapahtuu ytimen sisällä (Alphabaculovirus-suvun jäsenet) tai ydin-sytoplasmamiljöössä ydinkalvon menetyksen jälkeen (Betabaculovirus-suvun jäsenet). Nukleokapsidien halkaisija on keskimäärin 30-60 nm ja pituus 250-300 nm. ODV:n kuorissa ei ole raportoitu piikkimäisiä rakenteita (peplomereja). Toisen fenotyypin virukset (joita kutsutaan nuppuviruksiksi tai BV:ksi; kuva 1. Baculoviridae) syntyvät, kun nukleokapsidit nuppuvat plasmakalvon läpi tartunnan saaneiden solujen pinnalla. BV:t sisältävät tyypillisesti yhden nukleokapsidin. Niiden kuoret ovat peräisin solun plasmakalvosta, ja niille on ominaista, että ne ovat löysästi istuva kalvo, joka sisältää kuoren fuusioglykoproteiinia (EFP), joka muodostaa peplomereja, jotka tavallisesti havaitaan virionin toisessa päässä (ks. ”Proteiinit” jäljempänä).

Fysikaalis-kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

ODV:n kelluvuustiheys CsCl:ssä on 1,18-1,25 g cm-3, ja nukleokapsidin tiheys on 1,47 g cm-3. BV:n kelluvuus sakkaroosissa on 1,17-1,18 g cm-3 (Summers ja Volkman 1976). Molempien fenotyyppien virionit ovat herkkiä orgaanisille liuottimille ja pesuaineille. ODV ja BV ovat marginaalisesti herkkiä kuumuudelle ja inaktivoituvat äärimmäisissä pH-arvoissa (Gudauskas ja Canerday 1968, Knittel ja Fairbrother 1987).

Nukleiinihappo

Nukleokapsidit sisältävät yhden molekyylin ympyränmuotoista, superkierrettyä dsDNA:ta, jonka koko on 80-180 kbp (kuva 1.Baculoviridae, kuva 2.Baculoviridae).

Proteiinit

Genomianalyysit viittaavat siihen, että bakulovirukset koodaavat noin 100-200 proteiinia. Tähän mennessä tehdyt proteomiikka-analyysit osoittavat, että virionit voivat sisältää vain 23 ja jopa 73 erilaista polypeptidiä (Deng ym., 2007, Zhang ym., 2015). Molempien virionien fenotyyppien (ODV ja BV) nukleokapsidit sisältävät tärkeimmän kapsidiproteiinin (VP39), DNA:ta sitovan perusproteiinin (P6.9), joka on kompleksoitunut viruksen genomin kanssa, ja ainakin 2-3 muuta proteiinia. Tähän mennessä on tunnistettu kaksi erilaista EFP:tä. EFP GP64 esiintyy alfabakulovirusten ryhmässä, johon kuuluvat Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) ja sen lähisukulaiset (Blissard ja Wenz 1992). Useimmat alfabakulovirukset ja betabakulovirukset koodaavat ja näyttävät käyttävän F-proteiineiksi kutsuttuja EFP:itä, jotka ovat Lymantria dispar multiple nucleopolyhedroviruksen (LdMNPV) Ld130-proteiinin (Pearson ym. 2001) ja Spodoptera exigua multiple nucleopolyhedroviruksen (SeMNPV) Se8-proteiinin (IJkel ym. 2000) homologeja. Deltabaculovirus Culex nigripalpus -nukleopolyhedrovirus koodaa myös EFP:tä, jolla on fusogeeninen aktiivisuus (Wang ym., 2017). Useita ODV:n kuoriproteiineja on tunnistettu. Kahdeksan ODV-proteiinia, mukaan lukien 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 ym., 2010), AC68 (PIF-6) (Nie ym., 2012), AC110 (PIF-7) (Jiantao ym., 2016) ja AC83 (PIF-8) (Javed ym., 2017) ovat välttämättömiä ODV:n oraalisen infektiivisyyden kannalta. OB-matriisin tärkein proteiini on viruksen koodaama polypeptidi, jonka koko on 25-33 kDa. Tätä proteiinia kutsutaan nukleopolyhedrovirusten osalta polyhedriiniksi (alfa-, delta- ja gammabakulovirusten yhteinen nimi) ja granuliiniksi granulovirusten (betabakulovirusten) osalta (Rohrmann 1986). OB:tä ympäröi usein kuori, joka sisältää ainakin yhden pääproteiinin (Whitt ja Manning 1988). Deltabakulovirusten polyhedriiniproteiini ei ole serologisesti ja geneettisesti sukua alfa-, beta- ja gammabakulovirusten OB-proteiineille (Perera ym. 2006).

Lipidit

Lipidejä on ODV:n ja BV:n kuorissa. 1980, Carstens et al., 1980). Kolmekymmentäkahdeksan geenihomologia, niin sanotut bakuloviruksen ydingeenit, ovat yhteisiä alfa-, beta-, gamma- ja deltabakuloviruksille (Javed ym., 2017, Garavaglia ym., 2012) (Kuva 2. Baculovirukset). Nämä konservoituneet geenit osallistuvat erilaisiin toimintoihin, kuten DNA:n replikaatioon, myöhäisten geenien transkriptioon ja virionin rakenteeseen. Joissakin tapauksissa suurempi genomin koko voi johtua toistuvien geeniperheiden läsnäolosta (Hayakawa et al., 1999). Baculoviruksen geenien transkriptio on ajallisesti säänneltyä, ja tunnistetaan kaksi pääluokkaa: varhaiset ja myöhäiset geenit. Myöhäiset geenit voidaan jakaa edelleen myöhäisiin ja hyvin myöhäisiin geeneihin. Geeniluokat (varhainen, myöhäinen ja hyvin myöhäinen) eivät ole klusteroituneet bakuloviruksen genomissa, ja genomin molemmat säikeet osallistuvat koodaustoimintoihin. Varhaiset geenit transkriboituvat isännän RNA-polymeraasi II:n avulla, kun taas myöhäiset ja hyvin myöhäiset geenit transkriboituvat alfa-amanitinille resistentin viruksen RNA-polymeraasin avulla (Huh ja Weaver 1990). RNA:n splikointia tapahtuu, mutta se näyttää olevan harvinaista (Chisholm ja Henner 1988, Pearson ja Rohrmann 1997). Transienttisen varhaisen ja myöhäisen geenin transkription ja DNA:n replikaation tutkimukset viittaavat siihen, että ainakin kolme viruksen koodaamaa proteiinia säätelee varhaisen geenin transkriptiota (Guarino ja Summers 1986, Kovacs ym. 1991, Lu ja Carstens 1993, Yoo ja Guarino 1994), kun taas myöhäisen geenin transkriptioon tarvitaan noin 20 viruksen koodaamaa proteiinia, joita kutsutaan myöhäisiksi ekspressiotekijöiksi (late expression factors, LEF) (Rapp ym. 1998, Huijskens ym. 2004). Noin 20 LEF:stä puolet näyttää osallistuvan DNA:n replikaatioon (Lu ja Miller 1995). Myöhäisen geenin transkriptio käynnistyy konservoidun 5′-TAAG-3′-promoottorimotiivin toisesta adeniinista, joka on baculoviruksen myöhäisen promoottorin olennainen ydinelementti (Chen ym., 2013). Putatiiviset replikaatioperustat koostuvat toistuvista sekvensseistä, joita esiintyy useissa paikoissa bakuloviruksen genomissa (Pearson ym., 1992, Hilton ja Winstanley 2007). Nämä sekvenssit, joita kutsutaan homologisiksi toistuviksi (hr) alueiksi, eivät näytä olevan kovin konservoituneita eri bakuloviruslajien välillä. On myös tunnistettu yksittäiskopioivia, ei-hr-putatiivisia replikaatioperustoja (Kool et al., 1994). DNA:n replikaatiota tarvitaan myöhäisen geenin transkriptioon. Useimmat virionin rakenneproteiinit ovat myöhäisten geenien koodaamia. Vaikka myöhäisten ja hyvin myöhäisten geenien transkriptio näyttää alkavan välittömästi DNA:n replikaation jälkeen, jotkin hyvin myöhäiset geenit, jotka koodaavat okkluusiorunkospesifisiä proteiineja, transkriboituvat erittäin suurina määrinä myöhemmin (Thiem ja Miller 1990). BV:n tuotanto tapahtuu pääasiassa myöhäisen vaiheen aikana, ja okkluusiokappaleen tuotanto tapahtuu hyvin myöhäisen vaiheen aikana.

Infektoituneissa eläimissä viruksen replikaatio alkaa hyönteisten keskisuolista. Nielemisen jälkeen OB:t liukenevat suolen luumenissa vapauttaen ODV:t, joiden ajatellaan pääsevän kohde-epiteelisoluihin fuusioitumalla solun pinnalla olevan plasmakalvon kanssa (Kawanishi ym., 1972). Lepidopterahyönteisillä viruksen pääsy välikarsinan soluihin tapahtuu emäksisessä ympäristössä, jopa pH:ssa 12. Välikarsinan infektio on välttämätön, jotta infektio käynnistyy eläimessä. Vaikka viruksen uskotaan käyvän läpi yhden replikaatiokierroksen välikarsinan epiteelissä ennen infektion siirtymistä sekundaarisiin kudoksiin verisuonessa, on ehdotettu myös mekanismia, jonka avulla virus voi siirtyä suoraan välikarsinasta verisuonessa (Granados ja Lawler 1981, Washburn ym. 1999, Washburn ym. 2003).

DNA:n replikaatio tapahtuu ytimessä. Betabakulovirusinfektoituneissa soluissa ydinkalvon eheys menetetään replikaatioprosessin aikana (Walker ym., 1982, Federici ja Stern 1990). Joillakin bakuloviruksilla replikaatio rajoittuu suolen epiteeliin, ja jälkeläisvirionit verhoutuvat ja sulkeutuvat näihin soluihin, ja ne voivat irrota suolen luumeniin irtoavan epiteelin mukana tai vapautua isännän kuollessa (Federici ja Stern 1990). Muissa bakuloviruksissa tartunta siirtyy sisäelimiin ja kudoksiin (Keddie ym. 1989). Toista virionin fenotyyppiä, BV:tä, joka irtoaa infektoituneiden suolistosolujen basolateraalisesta kalvosta, tarvitaan infektion siirtymiseen hemokokkeliin. Tartunnan saaneet rasvarunkosolut ovat lepidopterahyönteisten ensisijainen okkludoidun virustuotannon paikka. Okkludoitunut virus kypsyy alfa-, gamma- ja deltabakulovirusten osalta infektoituneiden solujen ytimissä ja betabakulovirusten osalta ydin-sytoplasmisessa ympäristössä. Tarttuvia ODV-virioneja sisältävät OB:t vapautuvat isännän kuollessa ja yleensä nesteytyessä.

Biologia

Bakuloviruksia on eristetty vain hyönteisistä – ensisijaisesti Lepidoptera-järjestön hyönteisistä, mutta myös Hymenoptera- ja Diptera-järjestöjen hyönteisistä. Tartunta tapahtuu luonnollisesti i) horisontaalisesti elintarvikkeiden, munien pintojen jne. kontaminaation kautta OB:n kanssa. (Hamm ja Young 1974, Young ja Yearian 1986); ii) vertikaalisesti munan sisällä joko tartunnan saaneista naaras- tai urosyksilöistä (Doane 1969); tai kokeellisesti; iii) injektoimalla ehjiin isäntäkasveihin bakteeribakteereita; tai iv) infektoimalla soluviljelmiä tai transfektoimalla niitä. Tyypillisesti infektioprosessi sallivassa hyönteisisännässä kestää noin viikon, ja lopputuloksena sairastunut hyönteinen nesteytyy, jolloin ympäristöön vapautuu tartuntavaarallisia okkluusiokappaleita. OB:t edustavat ympäristön kannalta vakaata viruksen muotoa, joka kestää paremmin kemiallista ja fysikaalista hajoamista sekä UV-valon aiheuttamaa inaktivointia. Myös pysyviä, oireettomia infektioita on dokumentoitu (Myers ja Cory 2016).

Antigeenisyys

Virion proteiineissa ja OB:n tärkeimmässä polypeptidissä: polyhedriinissä tai granuliinissa on antigeenisiä determinantteja, jotka reagoivat ristiin eri bakulovirusten välillä (Summers ym. 1978, Volkman 1983). Neutraloivat vasta-aineet reagoivat BV:n tärkeimmän pintaglykoproteiinin kanssa (Volkman et al., 1984).

Nimien derivointi

Alpha, Beta, Gamma, Delta: Kreikan kirjaimet α, β, γ ja δ, kreikkalaisten aakkosten neljä ensimmäistä kirjainta.

Baculo-: baculumista, joka tarkoittaa latinaksi ”sauvaa” ja viittaa nukleokapsidin morfologiaan.

Granulo-: sanoista ”granule” ja ”granulosis”, viittaa OB:iden suhteellisen pieneen kokoon ja niiden rakeiseen ulkonäköön betabakuloviruksen infektoimissa soluissa.

Nucleopolyhedro-: sanoista ”nuclear polyhedrosis” ja ”polyhedron”, viitaten OB:iden monimuotoiseen ulkonäköön infektoituneiden solujen ytimissä.

Sukujakoperusteet

Baculoviridae-suvun suvut erotetaan toisistaan fylogenian, genomin ominaisuuksien (erityisesti geenipitoisuuden), isäntäalueen ja OB-morfologian perusteella (Jehle et al., 2006a).

Suhteet suvun sisällä

Phylogeneettinen analyysi, joka perustuu 38 bakuloviruksen ydingeeniin, osoittaa, että suku koostuu neljästä monofyleettisestä ryhmästä (kuva 3. Baculoviridae), jotka voidaan erottaa toisistaan myös niiden hyönteis-isäntäjärjestyksen ja morfologian perusteella. Baculovirukset luokitellaan neljään sukuun Alphabaculovirus, Betabaculovirus, Gammabaculovirus ja Deltabaculovirus.

Suhteet muihin taksoneihin

Baculoviridae-heimon jäsenillä on yhteisiä rakenteellisia, geneettisiä ja biologisia piirteitä Nudiviridae-heimoon kuuluvien virusten kanssa, jotka aiemmin luokiteltiin ”ei-okkuloituneiksi” baculoviruksiksi. Nudivirukset jakavat ainakin 20 ydingeeniä bakulovirusten kanssa (Wang et al., 2011). Baculovirukset muistuttavat myös Hytrosaviridae-heimoon kuuluvia sylkirauhasen hypertrofiaa aiheuttavia viruksia, ja niillä on ainakin 12 yhteistä ydingeeniä tämän perheen jäsenten kanssa (Jehle ym., 2013).

Jäsentaksonit

• Alphabaculovirus
• Betabaculovirus
• Deltabaculovirus
• Gammabaculovirus