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 och Gary R. Bauchan

Citatet till detta kapitel i ICTV-rapporten är den sammanfattning som publicerats som Harrison et al., (2019):
ICTV Virus Taxonomy Profile: Baculoviridae, Journal of General Virology, 99: 1185-1186.

Talande författare: Robert L. Harrison ([email protected])
Redigerad av: Robert L. Harrison ([email protected])
Redigerad av: Robert L. Harrison ([email protected]): Balázs Harrach och Andrew J. Davison
Publicerad: Balázs Harrach och Andrew J. Davison
Publicerad: Balázs Harrach: Juni 2018
PDF: ICTV_Baculoviridae.pdf

Sammanfattning

Baculoviridae är en familj av stora, insektsspecifika virus med cirkulära dsDNA-genom som sträcker sig från 80 till 180 kbp (tabell 1.Baculoviridae). Virusen består av omslutna, stavformade nukleokapsider och är inbäddade i distinkta ocklusionskroppar som mäter 0,15-5 µm. Ocklusionskropparna består av en matris som består av ett enda virusprotein som uttrycks i höga nivåer under infektionen. Medlemmar av denna familj infekterar uteslutande larver av insekterna Lepidoptera, Hymenoptera och Diptera. Vissa medlemmar har utvecklats som biopesticider för bekämpning av skadeinsekter och som vektorer för rekombinant proteinuttryck.

Tabell 1.Baculoviridae. Egenskaper hos medlemmarna i familjen Baculoviridae.

Virion

Morfologi

En eller två virionfenotyper är inblandade i baculovirusinfektioner. Infektionen inleds i tarmepitelet av virioner som ingår i en kristallin proteinkropp (OB) som kan vara polyederformad och innehålla många virioner (medlemmar av släktena Alphabaculovirus, Gammabaculovirus och Deltabaculovirus) eller äggcylindrisk och innehålla endast en, eller sällan två eller flera, virioner (medlemmar av släktet Betabaculovirus). Virioner inom ocklusioner, som kallas ocklusionsavledda virus (ODV), består av en eller flera stavformade nukleokapsider som har en distinkt strukturell polaritet och är inneslutna i ett hölje (figur 1.Baculoviridae). För ODV sker omslutningen av nukleokapsiden i kärnan (medlemmar av släktet Alphabaculovirus) eller i den nukleära-cytoplasmatiska miljön efter förlust av kärnmembranet (medlemmar av släktet Betabaculovirus). Nukleokapsiderna har en genomsnittlig diameter på 30-60 nm och en längd på 250-300 nm. Spikliknande strukturer (peplomerer) har inte rapporterats på ODV:s kuvert. Virus av den andra fenotypen (benämnt ”budded virus” eller BV; figur 1.Baculoviridae) bildas när nukleokapsiderna knoppar genom plasmamembranet på ytan av infekterade celler. BV:er innehåller vanligtvis en enda nukleokapsid. Deras kuvert härstammar från cellens plasmamembran och uppträder karakteristiskt som ett löst sittande membran som innehåller ett kuvertfusionsglykoprotein (EFP), som bildar peplomerer som vanligen observeras i ena änden av virionen (se ”Proteiner” nedan).

Fysikalisk-kemiska och fysikaliska egenskaper

ODV:s flytdensitet i CsCl är 1,18-1,25 g cm-3, och flytdensiteten för nukleokapsidet är 1,47 g cm-3. BV:s flytdensitet i sackaros är 1,17-1,18 g cm-3 (Summers och Volkman 1976). Virioner av båda fenotyperna är känsliga för organiska lösningsmedel och tvättmedel. ODV och BV är marginellt känsliga för värme och inaktiveras vid extrema pH-värden (Gudauskas och Canerday 1968, Knittel och Fairbrother 1987).

Nukleinsyra

Nukleokapsiderna innehåller en molekyl av cirkulärt, superlindat dsDNA med en längd på 80-180 kbp (Figur 1.Baculoviridae, Figur 2.Baculoviridae).

Proteiner

Genomiska analyser tyder på att baculovirus kodar för cirka 100-200 proteiner. Proteomikanalyser som hittills gjorts visar att virioner kan innehålla så få som 23 och så många som 73 olika polypeptider (Deng et al., 2007, Zhang et al., 2015). Nukleokapsider från båda virionfenotyperna (ODV och BV) innehåller ett större kapsidprotein (VP39), ett grundläggande DNA-bindande protein (P6.9) som är komplexerat med virusgenomet och minst 2-3 ytterligare proteiner. Två olika EFP har hittills identifierats. EFP GP64 finns i en grupp alphabaculovirus som omfattar Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) och nära släktingar (Blissard och Wenz 1992). De flesta alphabaculovirus och betabaculovirus kodar för och verkar använda EFP:er som kallas F-proteiner, vilka är homologer till Ld130-proteinet från Lymantria dispar multiple nucleopolyhedrovirus (LdMNPV) (Pearson et al., 2001) och Se8-proteinet från Spodoptera exigua multiple nucleopolyhedrovirus (SeMNPV) (IJkel et al., 2000). Deltabaculoviruset Culex nigripalpus nucleopolyhedrovirus kodar också för ett EFP med fusogen aktivitet (Wang et al., 2017). Flera ODV-höljeproteiner har identifierats. Åtta ODV-proteiner, inklusive 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) och AC83 (PIF-8) (Javed et al., 2017) är viktiga för ODV:s orala infektionsförmåga. Det viktigaste proteinet i OB-matrisen är en viruskodad polypeptid på 25-33 kDa. Detta protein kallas polyhedrin för nukleopolyhedrovirus (det gemensamma namnet som används för alfa-, delta- och gammabaculovirus) och granulin för granulovirus (betabaculovirus) (Rohrmann 1986). OB är ofta omgiven av ett hölje som innehåller minst ett större protein (Whitt och Manning 1988). Polyhedrinproteinet hos deltabaculovirus är serologiskt och genetiskt obesläktat med OB-proteiner hos alfa-, beta- och gammabaculovirus (Perera et al., 2006).

Lipider

Lipider finns i ODV:s och BV:s höljen. Lipidsammansättningen skiljer sig åt mellan de två virionfenotyperna (Braunagel och Summers 1994).

Kolhydrater

Kolhydrater finns i form av glykoproteiner och glykolipider.

Genomorganisation och replikation

Cirkulärt genomiskt DNA är infektiöst, vilket tyder på att efter cellulär inträde och avhöljning är inga virion-associerade proteiner nödvändiga för infektion (Burand et al, 1980, Carstens et al., 1980). Trettioåtta genhomologer, de så kallade baculovirus-kärngenerna, delas mellan alfa-, beta-, gamma- och deltabaculovirus (Javed et al., 2017, Garavaglia et al., 2012) (Figur 2. Baculoviridae). Dessa bevarade gener är involverade i olika funktioner, inklusive DNA-replikation, transkription av sena gener och virionstruktur. I vissa fall kan större genomstorlekar bero på att det finns familjer av upprepade gener (Hayakawa et al., 1999). Transkriptionen av baculovirusgener är tidsmässigt reglerad, och två huvudklasser av gener känns igen: tidig och sen. Sena gener kan ytterligare delas in i sena och mycket sena gener. Genklasserna (tidiga, sena och mycket sena) är inte klustrade på baculovirusgenomet, och båda strängarna av genomet är involverade i kodningsfunktioner. Tidiga gener transkriberas av värdets RNA-polymeras II, medan sena och mycket sena gener transkriberas av ett alfa-amanitinresistent viralt RNA-polymeras (Huh och Weaver 1990). RNA-splicing förekommer, men verkar vara sällsynt (Chisholm och Henner 1988, Pearson och Rohrmann 1997). Transienta studier av tidig och sen gentranskription och DNA-replikation tyder på att minst tre viruskodade proteiner reglerar tidig gentranskription (Guarino och Summers 1986, Kovacs et al., 1991, Lu och Carstens 1993, Yoo och Guarino 1994), medan cirka 20 viruskodade proteiner, som är kända som s.k. sena expressionsfaktorer (LEF), är nödvändiga för sen gentranskription (Rapp et al., 1998, Huijskens et al., 2004). Av de cirka 20 LEF:erna verkar hälften vara involverade i DNA-replikation (Lu och Miller 1995). Transkription av sena gener initieras vid det andra adeninet i ett konserverat 5′-TAAG-3′-promotormotiv, som är ett viktigt kärnelement i baculovirus sena promotor (Chen et al., 2013). Putativa replikationsursprung består av upprepade sekvenser som finns på flera ställen i baculovirusgenomet (Pearson et al., 1992, Hilton och Winstanley 2007). Dessa sekvenser, som kallas homologous repeat (hr)-regioner, verkar inte vara mycket konserverade bland olika baculovirusarter. Man har också identifierat putativa replikationsoriginaler med enstaka kopior som inte är hr-regioner (Kool et al., 1994). DNA-replikation krävs för sen gentranskription. De flesta virionstrukturproteiner kodas av sena gener. Transkriptionen av sena och mycket sena gener tycks börja omedelbart efter DNA-replikationen, men vissa mycket sena gener som kodar för ocklusionskroppsspecifika proteiner transkriberas på extremt höga nivåer vid en senare tidpunkt (Thiem och Miller 1990). Produktionen av BV sker främst under den sena fasen och produktionen av ocklusionskroppar sker under den mycket sena fasen.

I infekterade djur börjar virusreplikationen i insektens mellangärde. Efter intag löses OBs upp i tarmlumen och frigör ODVs, som tros komma in i målepitelcellerna via fusion med plasmamembranet på cellytan (Kawanishi et al., 1972). Hos lepidoptera-insekter sker virusets inträde i mellantarmcellerna i en alkalisk miljö, upp till pH 12. Infektion av mellantarmcellerna krävs för att infektionen ska kunna inledas hos djuret. Även om viruset tros genomgå en replikationsomgång i mellangärdesepitelet innan infektionen överförs till sekundära vävnader i hemocoelen, har en mekanism för direkt förflyttning från mellangärdet till hemocoelen också föreslagits (Granados och Lawler 1981, Washburn et al. 1999, Washburn et al. 2003).

DNA-replikation sker i cellkärnan. I betabaculovirusinfekterade celler förloras kärnmembranets integritet under replikationsprocessen (Walker et al., 1982, Federici och Stern 1990). För vissa baculovirus är replikationen begränsad till tarmepitelet och avkommavirioner blir omslutna och ockluderade i dessa celler och kan släppas ut i tarmlumen med avslaget epitel eller frigöras när värden dör (Federici och Stern 1990). Hos andra baculovirus överförs infektionen till inre organ och vävnader (Keddie et al., 1989). Den andra virionfenotypen, BV, som knoppas från det basolaterala membranet hos infekterade tarmceller, krävs för överföring av infektionen till hemocoel. Infekterade fettkroppsceller är den primära platsen för ockuperad virusproduktion hos lepidopteriska insekter. Ockluderat virus mognar i infekterade cellers kärnor när det gäller alfa-, gamma- och deltabaculovirus, och i den nukleära-cytoplasmatiska miljön när det gäller betabaculovirus. OB:er som innehåller infektiösa ODV-virioner frigörs när värden dör och vanligtvis blir flytande.

Biologi

Baculovirus har isolerats från enbart insekter – främst från insekter av ordningen Lepidoptera, men även från ordningarna Hymenoptera och Diptera. Överföring sker naturligt (i) horisontellt genom kontaminering med OBs av livsmedel, äggytor osv. (Hamm och Young 1974, Young och Yearian 1986), ii) vertikalt inom ägget, antingen från infekterade vuxna honor eller hanar (Doane 1969) eller experimentellt, iii) genom injektion av intakta värddjur med BVs eller iv) genom infektion eller transfektion av cellkulturer. Infektionsprocessen i en tillåtande insektsvärddjur tar vanligtvis ungefär en vecka, och som slutresultat blir den sjuka insekten flytande och släpper ut infektiösa ocklusionskroppar i miljön. OB:s utgör en miljömässigt stabil form av viruset med ökad motståndskraft mot kemisk och fysisk nedbrytning samt inaktivering genom UV-ljus. Persisterande, asymtomatiska infektioner har också dokumenterats (Myers och Cory 2016).

Antigenicitet

Antigena bestämningsfaktorer som korsreagerar mellan olika baculovirus finns på virionproteiner och på den viktigaste OB-polypeptiden: polyhedrin eller granulin (Summers et al., 1978, Volkman 1983). Neutraliserande antikroppar reagerar med det viktigaste ytglykoproteinet hos BVs (Volkman et al., 1984).

Derivation av namn

Alpha, Beta, Gamma, Delta: Grekiska bokstäverna α, β, γ och δ, de fyra första bokstäverna i det grekiska alfabetet.

Baculo-: från baculum, som betyder ”stav” på latin, och som hänvisar till morfologin hos nukleokapsiden.

Granulo-: från ”granule” och ”granulosis”, som hänvisar till den relativt lilla storleken på OBs och deras granulära utseende i betabaculovirus-infekterade celler.

Nucleopolyhedro-: från ”nuclear polyhedrosis” och ”polyhedron”, med hänvisning till OB:s mångfacetterade utseende i kärnorna i infekterade celler.

Kriterier för avgränsning av släkten

Släkten av Baculoviridae särskiljs på grundval av fylogeni, egenskaper hos arvsmassan (särskilt geninnehåll), värdområde och OB-morfologi (Jehle et al, 2006a).

Relationer inom familjen

Fylogenetisk analys baserad på de 38 kärngenerna för baculovirus visar att familjen består av fyra monofyletiska grupper (figur 3. Baculoviridae), som också kan särskiljas baserat på ordningarna av deras insektsvärdar och på deras morfologi. Baculovirus klassificeras i de fyra släktena Alphabaculovirus, Betabaculovirus, Gammabaculovirus och Deltabaculovirus.

Samband med andra taxa

Medlemmar av familjen Baculoviridae delar strukturella, genetiska och biologiska kännetecken med virus i familjen Nudiviridae, som tidigare hade klassificerats som ”icke-ocklusiva” baculovirus. Nudivirerna delar minst 20 kärngener med baculovirus (Wang et al., 2011). Baculovirusen liknar också spottkörtelns hypertrofivirus från Hytrosaviridae och delar minst 12 kärngener med medlemmar av denna familj (Jehle et al., 2013).

Medlemstaxa

• Alphabaculovirus
• Betabaculovirus
• Deltabaculovirus
• Gammabaculovirus