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 and Gary R. Bauchan

Cytat dla tego rozdziału ICTV Report to streszczenie opublikowane jako Harrison et al., (2019):
ICTV Virus Taxonomy Profile: Baculoviridae, Journal of General Virology, 99: 1185-1186.

Autor prowadzący korespondencję: Robert L. Harrison ([email protected])
Edited by: Balázs Harrach and Andrew J. Davison
Posted: June 2018
PDF: ICTV_Baculoviridae.pdf

Summary

Baculoviridae to rodzina dużych, specyficznych dla owadów wirusów z kolistymi genomami dsDNA o długości od 80 do 180 kbp (Tabela 1.Baculoviridae). Wirusy składają się z otoczonych, pręcikowatych nukleokapsydów i są osadzone w charakterystycznych ciałkach okluzyjnych o wymiarach 0,15-5 µm. Ciała okluzyjne składają się z matrycy zbudowanej z pojedynczego białka wirusowego ulegającego ekspresji w wysokim stopniu podczas infekcji. Członkowie tej rodziny zakażają wyłącznie larwy owadów z rzędu Lepidoptera, Hymenoptera i Diptera. Niektórzy członkowie zostali opracowani jako biopestycydy do zwalczania szkodników owadzich i jako wektory do ekspresji białek rekombinowanych.

Tabela 1.Baculoviridae. Charakterystyka członków rodziny Baculoviridae.

Wirus

Morfologia

Jeden lub dwa fenotypy wirionów są zaangażowane w infekcje bakulowirusami. Infekcja jest inicjowana w nabłonku jelitowym przez wirusy zawarte w krystalicznym białkowym ciele okluzyjnym (OB), które może mieć kształt wielościanu i zawierać wiele wirusów (członkowie rodzajów Alphabaculovirus, Gammabaculovirus i Deltabaculovirus); lub jajowato-cylindryczny i zawierający tylko jeden, a rzadko dwa lub więcej wirusów (członkowie rodzaju Betabaculovirus). Wirusy w okluzjach, określane jako wirusy pochodzące z okluzji (ODV), składają się z jednego lub więcej prętokształtnych nukleokapsydów, które mają wyraźną polaryzację strukturalną i są zamknięte w otoczce (rysunek 1. Baculoviridae). W przypadku ODV, otoczka nukleokapsydu występuje w jądrze (członkowie rodzaju Alphabaculovirus) lub w środowisku jądrowo-cytoplazmatycznym po utracie błony jądrowej (członkowie rodzaju Betabaculovirus). Średnica nukleokapsydów wynosi średnio 30-60 nm, a długość 250-300 nm. Na otoczkach ODV nie odnotowano struktur przypominających kolce (peplomery). Wirusy o drugim fenotypie (określane jako wirusy pączkujące lub BV; rysunek 1. Baculoviridae) powstają, gdy nukleokapsyd pączkuje przez błonę plazmatyczną na powierzchni zakażonych komórek. BV zawierają zazwyczaj pojedynczy nukleokapsyd. Ich otoczki pochodzą z komórkowej błony plazmatycznej i charakteryzują się luźno przylegającą błoną zawierającą glikoproteinę fuzyjną otoczki (EFP), która tworzy peplomery obserwowane zwykle na jednym końcu wirionu (patrz „Białka”, poniżej).

Właściwości fizykochemiczne i fizyczne

Gęstość wyporuODV w CsCl wynosi 1,18-1,25 g cm-3, a gęstość wyporu nukleokapsydu 1,47 g cm-3. Gęstość wyporu BV w sacharozie wynosi 1,17-1,18 g cm-3 (Summers i Volkman 1976). Wirusy obu fenotypów są wrażliwe na rozpuszczalniki organiczne i detergenty. ODV i BV są marginalnie wrażliwe na ciepło i ulegają inaktywacji przy skrajnych wartościach pH (Gudauskas i Canerday 1968, Knittel i Fairbrother 1987).

Kwas nukleinowy

Nukleokapsyd zawiera jedną cząsteczkę kolistego, superzwiniętego dsDNA o długości 80-180 kbp (Rysunek 1.Baculoviridae, Rysunek 2.Baculoviridae).

Białka

Analizy genomiczne sugerują, że bakulowirusy kodują około 100-200 białek. Dotychczasowe analizy proteomiczne wskazują, że wiriony mogą zawierać zaledwie 23 i aż 73 różne polipeptydy (Deng i in., 2007, Zhang i in., 2015). Nukleokapsyd z obu fenotypów wirionów (ODV i BV) zawiera główne białko kapsydu (VP39), podstawowe białko wiążące DNA (P6.9) skompleksowane z genomem wirusowym oraz co najmniej 2-3 dodatkowe białka. Dotychczas zidentyfikowano dwa różne EFPs. EFP GP64 jest obecny w grupie alfabakulowirusów, do których należy Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) i jego bliscy krewni (Blissard i Wenz 1992). Większość alfabakulowirusów i betabakulowirusów koduje i wydaje się wykorzystywać EFP znane jako białka F, które są homologami białka Ld130 z Lymantria dispar multiple nucleopolyhedrovirus (LdMNPV) (Pearson et al., 2001) i białka Se8 z Spodoptera exigua multiple nucleopolyhedrovirus (SeMNPV) (IJkel et al., 2000). Deltabaculowirus Culex nigripalpus nucleopolyhedrovirus również koduje EFP o aktywności fuzogennej (Wang i in., 2017). Zidentyfikowano kilka białek otoczki ODV. Osiem białek ODV, w tym 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 i wsp., 2010), AC68 (PIF-6) (Nie i wsp., 2012), AC110 (PIF-7) (Jiantao i wsp., 2016) oraz AC83 (PIF-8) (Javed i wsp., 2017) są niezbędne dla doustnej zakaźności ODV. Głównym białkiem macierzy OB jest kodowany przez wirusa polipeptyd o masie 25-33 kDa. Białko to nazywane jest poliedryną w przypadku nukleopoliedrowirusów (wspólna nazwa stosowana dla alfa-, delta- i gammabakulowirusów) oraz granuliną w przypadku granulowirusów (betabakulowirusów) (Rohrmann 1986). OB jest często otoczony otoczką, która zawiera co najmniej jedno główne białko (Whitt i Manning 1988). Białko poliedrynowe deltabakulowirusów jest serologicznie i genetycznie niepowiązane z białkami OB alfa-, beta- i gammabakulowirusów (Perera i in., 2006).

Lipidy

Lipidy są obecne w otoczkach ODV i BV. Skład lipidów różni się pomiędzy dwoma fenotypami wirionów (Braunagel i Summers 1994).

Węglowodany

Węglowodany są obecne jako glikoproteiny i glikolipidy.

Organizacja genomu i replikacja

Okrągły genomowy DNA jest zakaźny, co sugeruje, że po wejściu do komórki i rozpakowaniu otoczki, żadne białka związane z wirusem nie są niezbędne do infekcji (Burand i wsp., 1980, Carstens et al., 1980). Trzydzieści osiem genów homologicznych, tzw. baculovirus core genes, jest wspólnych dla alfa-, beta-, gamma- i deltabaculovirusów (Javed i wsp., 2017, Garavaglia i wsp., 2012) (Rysunek 2.Baculoviridae). Te konserwowane geny są zaangażowane w różne funkcje, w tym replikację DNA, transkrypcję późnych genów i strukturę wirionów. W niektórych przypadkach większe rozmiary genomu mogą wynikać z obecności rodzin powtarzających się genów (Hayakawa i in., 1999). Transkrypcja genów bakulowirusów jest regulowana czasowo, przy czym wyróżnia się dwie główne klasy genów: wczesne i późne. Geny późne mogą być dalej podzielone na geny późne i bardzo późne. Klasy genów (wczesne, późne i bardzo późne) nie są zgrupowane na genomie bakulowirusa, a obie nici genomu są zaangażowane w funkcje kodujące. Wczesne geny są transkrybowane przez polimerazę RNA gospodarza II, podczas gdy geny późne i bardzo późne są transkrybowane przez wirusową polimerazę RNA odporną na alfa-amanitynę (Huh i Weaver 1990). Splicing RNA występuje, ale wydaje się być rzadki (Chisholm i Henner 1988, Pearson i Rohrmann 1997). Badania nad przejściową wczesną i późną transkrypcją genów i replikacją DNA sugerują, że co najmniej trzy białka kodowane przez wirus regulują wczesną transkrypcję genów (Guarino i Summers 1986, Kovacs i in., 1991, Lu i Carstens 1993, Yoo i Guarino 1994), podczas gdy około 20 białek kodowanych przez wirus, znanych jako czynniki późnej ekspresji (LEFs), jest niezbędnych do późnej transkrypcji genów (Rapp i in., 1998, Huijskens i in., 2004). Spośród około 20 LEFs, połowa wydaje się być zaangażowana w replikację DNA (Lu i Miller 1995). Transkrypcja późnych genów rozpoczyna się przy drugiej adeninie konserwowanego motywu promotorowego 5′-TAAG-3′, który jest istotnym elementem rdzeniowym późnego promotora bakulowirusa (Chen i in., 2013). Putative replication origins składają się z powtarzających się sekwencji znajdujących się w wielu miejscach genomu bakulowirusa (Pearson i in., 1992, Hilton i Winstanley 2007). Sekwencje te, określane jako regiony homologicznych powtórzeń (hr), nie wydają się być wysoce konserwowane wśród różnych gatunków bakulowirusów. Zidentyfikowano również jednokopijne, niehr putative replication origins (Kool i in., 1994). Replikacja DNA jest wymagana dla późnej transkrypcji genów. Większość białek strukturalnych wirionu jest kodowana przez późne geny. Podczas gdy transkrypcja późnych i bardzo późnych genów wydaje się rozpoczynać natychmiast po replikacji DNA, niektóre bardzo późne geny, które kodują białka specyficzne dla ciał okluzyjnych, są transkrybowane na bardzo wysokim poziomie w późniejszym czasie (Thiem i Miller 1990). Produkcja BV zachodzi głównie w fazie późnej, a produkcja ciałek okluzyjnych w fazie bardzo późnej.

W zakażonych zwierzętach, replikacja wirusa rozpoczyna się w jelicie środkowym owada. Po połknięciu OBs są rozpuszczane w świetle jelita, uwalniając ODVs, które dostają się do docelowych komórek nabłonka poprzez fuzję z błoną plazmatyczną na powierzchni komórki (Kawanishi i in., 1972). U owadów lepidoptera wejście wirusa do komórek jelita środkowego następuje w środowisku alkalicznym, do pH 12. Zakażenie jelita środkowego jest niezbędne do rozpoczęcia infekcji u zwierzęcia. Chociaż uważa się, że wirus przechodzi jedną rundę replikacji w nabłonku jelita środkowego przed przeniesieniem zakażenia do tkanek wtórnych w obrębie hemocelu, zaproponowano również mechanizm bezpośredniego przemieszczania się z jelita środkowego do hemocelu (Granados i Lawler 1981, Washburn i in., 1999, Washburn i in., 2003).

Replikacja DNA odbywa się w jądrze. W komórkach zakażonych betabaculowirusami dochodzi do utraty integralności błony jądrowej podczas procesu replikacji (Walker i in., 1982, Federici i Stern 1990). W przypadku niektórych bakulowirusów, replikacja jest ograniczona do nabłonka jelitowego, a potomne wirusy zostają otoczone i zamknięte w tych komórkach i mogą być wydalone do światła jelita wraz ze złuszczonym nabłonkiem lub uwolnione po śmierci gospodarza (Federici i Stern 1990). W przypadku innych bakulowirusów zakażenie przenoszone jest na narządy wewnętrzne i tkanki (Keddie i in., 1989). Drugi fenotyp wirionu, BV, który powstaje z błony podstawnej zakażonych komórek jelitowych, jest niezbędny do przeniesienia zakażenia do wnętrza jelita. Zainfekowane komórki ciała tłuszczowego są podstawowym miejscem wytwarzania wirusa okludalnego u owadów lepidoptera. Wirus okludalny dojrzewa w jądrach zakażonych komórek w przypadku alfa-, gamma- i deltabakulowirusów oraz w środowisku jądrowo-cytoplazmatycznym w przypadku betabakulowirusów. OBs zawierające zakaźne wirusy ODV są uwalniane po śmierci, a zwykle upłynnieniu, gospodarza.

Biologia

Baculowirusy zostały wyizolowane wyłącznie od owadów – głównie od owadów z rzędu Lepidoptera, ale także z rzędu Hymenoptera i Diptera. Do przenoszenia dochodzi w sposób naturalny (i) horyzontalnie poprzez zanieczyszczenie OB żywności, powierzchni jaj itp. (Hamm i Young 1974, Young i Yearian 1986); (ii) pionowo w obrębie jaja od zakażonych samic lub samców (Doane 1969); lub doświadczalnie; (iii) przez wstrzykiwanie BV nieuszkodzonym żywicielom; lub (iv) przez zakażenie lub transfekcję kultur komórkowych. Zazwyczaj proces zakażenia u owadów będących żywicielami permisywnymi trwa około tygodnia, a w efekcie końcowym chory owad upłynnia się, uwalniając do środowiska zakaźne ciała okluzyjne. OB stanowią stabilną środowiskowo formę wirusa o zwiększonej odporności na rozkład chemiczny i fizyczny, jak również na inaktywację przez promieniowanie UV. Udokumentowano również trwałe, bezobjawowe zakażenia (Myers i Cory 2016).

Antygeniczność

Determinanty antygenowe, które wchodzą w reakcje krzyżowe między różnymi bakulowirusami, występują na białkach wirionów oraz na głównym polipeptydzie OB: poliedrynie lub granulinie (Summers i in., 1978, Volkman 1983). Przeciwciała neutralizujące reagują z główną glikoproteiną powierzchniową BV (Volkman i in., 1984).

Definicja nazw

Alfa, Beta, Gamma, Delta: Greckie litery α, β, γ i δ, pierwsze cztery litery alfabetu greckiego.

Baculo-: od baculum, co oznacza „pręt” w łacinie, odnosząc się do morfologii nukleokapsydu.

Granulo-: od „granulek” i „granulosis”, odnosząc się do stosunkowo małych rozmiarów OB i ich ziarnistego wyglądu w komórkach zakażonych betabaculowirusem.

Nukleopolyhedro-: od „nuclear polyhedrosis” i „polyhedron”, odnoszące się do wielopłaszczyznowego wyglądu OBs w jądrach zakażonych komórek.

Kryteria wyodrębnienia rodzaju

Gatunki Baculoviridae są wyróżniane na podstawie filogenezy, cech genomu (zwłaszcza zawartości genów), zasięgu żywiciela i morfologii OB (Jehle i in., 2006a).

Relacje w obrębie rodziny

Analiza filogenetyczna oparta na 38 genach rdzeniowych bakulowirusów wskazuje, że rodzina obejmuje cztery monofiletyczne grupy (Rysunek 3.Baculoviridae), które mogą być również rozróżniane na podstawie rzędów ich owadzich gospodarzy oraz na podstawie ich morfologii. Baculowirusy klasyfikowane są do czterech rodzajów: Alphabaculovirus, Betabaculovirus, Gammabaculovirus i Deltabaculovirus.

Powiązania z innymi taksonami

Członkowie rodziny Baculoviridae mają wspólne cechy strukturalne, genetyczne i biologiczne z wirusami z rodziny Nudiviridae, które wcześniej były klasyfikowane jako „nieokluzyjne” bakulowirusy. Nudiwirusy dzielą z bakulowirusami co najmniej 20 genów rdzeniowych (Wang i in., 2011). Bakulowirusy są również podobne do wirusów przerostu gruczołów ślinowych z rodziny Hytrosaviridae i dzielą co najmniej 12 genów rdzeniowych z członkami tej rodziny (Jehle i in., 2013).

Taksa członkowskie

• Alphabaculovirus
• Betabaculovirus
• Deltabaculovirus
• Gammabaculovirus

.