Bakuloviirused

Bakuloviirused (Baculoviridae) on viiruste sugukond, kelle looduslikud peremeesorganismid kuuluvad lülijalgsete, liblikaliste, kiletiivaliste, kahetiivaliste ja kümnejalaliste hulka.^[1]^[2]

On uuritud 600 selgrootute liiki, keda bakuloviirused nakatavad. Kõige tüüpilisemad kandjad on ööliblikate vastsed, kuid bakuloviirused nakatavad ka pidevkehalisi, pistesääsklasi ja krevette. Bakuloviirused suudavad siseneda ka imetajate ^[3] või teiste selgroogsete loomade rakkudesse, kuid ei suuda seal paljuneda.

Tuntakse 55 liiki bakuloviirusi, kes jagunevad nelja perekonda.^[4]

1940. aastatel hakati uurima võimalusi kasutada bakuloviirusi biopestitsiididena viljapõldudel. Tänapäeval on neile leitud mitmeid biotehnoloogilisi rakendusi ja nende põhja on arendatud välja BacMam-süsteem.

Bakuloviiruste genoom on ligikaudu 80 000 – 180 000 aluspaari suurune tsirkulaarne DNA kaksikahel.

Ajalugu

Bakuloviirusi on kirjanduses esimest korda mainitud 16. sajandil seoses siidiussidel esineva närbumistõvega. Alates 1940. aastatest on bakuloviirusi laialdaselt uuritud ja kasutatud biopestitsiididena. Alates 1990. aastatest on neid kasutatud keeruliste eukarüootsete valkude tootmiseks putukarakukultuurides. Nõnda toodetud rekombinantseid valke on kasutatud nii teaduses kui ka vaktsiinidena inimeste ja loomade raviks. Näiteks on levinuim H5N1 linnugripi tüve vaktsiin kanadele toodetud bakuloviiruste ekspressioonivektorit kasutades. Hiljuti on avastatud, et bakuloviirusi kasutades saab imetajarakkudesse viia sobivaid promootoreid.^[5] Need potentsiaalselt kliinilised kasutusalad on alates 1995. aastast viinud bakuloviiruste intensiivsema uurimiseni.

Bakuloviiruse paljunemistsükkel

Bakuloviiruse paljunemistsükkel koosneb kahest viiruse vormist. Oklusioonikehaga viirused on kaitstud valgulise kestaga, mis koosneb polühedriinist või granuliinist. Oklusioonikehaga viirused vastutavad esmase nakatamise eest, samas kui pungunud bakuloviirused vabanevad peremeesrakust hiljem sekundaarse nakatamise käigus. Bakuloviirustel on väga liigispetsiifilised nakatamismehhanismid. Kirjeldatud on üle 600 liigi peremeesorganisme. Ööliblikate vastsed on kõige tüüpilisemad peremeesorganismid, kuid bakuloviirused nakatavad ka pidevkehalisi, pistesääsklasi ja krevette.

Looduses toimub esmane nakatamine üldiselt siis, kui putukas sööb taime, mis on saastunud bakuloviiruse oklusioonikehaga vormiga. Valguline kest laguneb peremeesorganismi kõhu aluselises keskkonnas. Vabaneb viirusosake, mis liitub soolestikus epiteelraku membraaniga ning siseneb rakku endosoomis. Nukleokapsiidid lahkuvad endosoomidest ning transporditakse rakutuuma. Seda etappi aitavad läbi viia tõenäoliselt aktiinifilamendid.

Rakutuumas toimub bakuloviiruse transkriptsioon ja replikatsioon ning uued bakuloviirused punguvad läbi basolateraalse membraanidomeeni ja levitavad nakkust edasi. Pungumise käigus jääb viirusosakest ümbritsema peremeesraku membraan, millel on ekspresseeritud viiruse glükoproteiinid. Bakuloviiruse nakatumise saab jagada kolme selgelt eristuvasse faasi:

varajane faas (0–6 h pärast nakatumist),
hiline faas (6–24 h pärast nakatumist),
väga hiline faas (18–24 h kuni 72 h pärast nakatumist).

Hilise faasi jooksul vabanevad rakkudest pungunud bakuloviirused, samas kui oklusioonikehaga viirusi toodetakse väga hilises faasis. Oklusioonikehaga viirused saavad rakutuumast kaasa membraani ja koos sellega sisestatakse need valkudest koosnevasse oklusioonikeha maatriksisse. Oklusioonikehaga viirused vabanevad rakkude purunemisel ning nakatavad järgmisi peremeesorganisme. Nakkuse tõttu puruneb samal ajal suur hulk rakke, mis viib terve organismi lagunemisele. Terved oklusioonikeha-polühedriin viirusosakesed on vastupidavad ning ei kaota aktiivsust temperatuuri ja valguse mõjul. Pungunud bakuloviirused võivad keskkonnategurite toimel kaotada nakkusvõimelisuse palju kergemini.

Viirusosakese struktuur

Enim uuritud bakuloviirus on Autographa californica multikapsiidne nukleopolühedroviirus (AcMNPV). See viirus eraldati esmakordselt tähtöölaste perekonda kuuluvast liigist Autographa californica. Viiruse genoom koosneb 134 tuhandest aluspaarist. Viiruse nukleokapsiid koosneb peamiselt valgust VP39 ning mõningatest väiksematest valkudest. Nukleokapsiidi pikkus on 260 nm ja diameeter on 21 nm. Bakuloviirus saab oma membraani rakumembraani osana ning sellel peab olema ekspresseeritud glükoproteiin gp64, et viirusosake oleks nakatamisvõimeline. See valk moodustab peplomeerideks kutsutud struktuure pungunud bakuloviiruse ühte otsa, kuid neid ei moodustu oklusioonikehaga viiruse pinnale. Oklusioonikehaga viirusega seostatakse aga mõningaid teisi valke. Kummagi viiruse vormi membraanid erinevad veidi ka lipiidse koostise poolest. Pungunud bakuloviiruste membraan koosneb fosfatitüülseriinist, kuid oklusioonikehaga viiruste membraanis esinevad fosfatitüülkoliin ning fosfatitüületanoolamiin.

Evolutsiooni käigus on bakuloviiruse membraani glükoproteiinid muutunud. Arvatakse, et ld130 on membraanvalk, mis on gp64 eellane ning mille on funktsionaalselt asendanud mitteortogonaalse geeniasenduse käigus gp64, kuid ld130 kodeeriv geen on viiruse genoomis endiselt olemas. Gp64 on homotrimeerne membraani glükoproteiin, mis esineb pulgakujulises viirusosakeses polaarselt. See valk koosneb 512 aminohappejäägist. Valk on glükosüleeritud nelja asparagiini jäägi juurest, sellel on 20 aminohappejäägi pikkune signaaljärjestus N-terminaalses otsas, oligomerisatsiooni-ja liitumisdomeen ja hüdrofoobne transmembraanne seitsmest aminohappejäägist koosnev domeen C-terminali lähedal. Seda valku toodetakse kogu nakatumistsükli jooksul, kusjuures kõige rohkem toodetakse seda 24–26 tundi pärast nakatumist. Trimeriseerumine molekulidevaheliste tsüsteiinijääkide vaheliste disulfiidsildade kaudu on võtmeetapp selleks, et valk jõuaks membraanile. Ainult 33% toodetud valgust jõuab membraanile, samas kui monomeerne gp64 lagundatakse. Gp64 on hädavajalik, et viirus saaks punguda, jõuda järgmise rakuni ning sellesse endosoomi kaudu siseneda. Gp64 põhjustab pH mõjul viiruse membraani liitumise endosoomiga. Kuigi gp64-l on palju tähtsaid omadusi, on avastatud, et gp64 asendamisel mõne teise viirustele omase glükoproteiiniga, näiteks Ld130-ga, jääb viirusosake endiselt toimivaks.

Kasutusvaldkonnad

Putukakultuurides on bakuloviiruste abil on võimalik toota rekombinantseid glükoproteiine.^[6]^[7] Sel viisil toodetud valke uuritakse, eesmärgiga kasutada neid vähivastaste vaktsiinidena ning neil on mitmeid eeliseid võrreldes imetajarakukultuurides toodetud valkudega.^[8] Bakuloviirusi võib kasutada ka imetajarakkudes valkude ekspresseerimiseks BacMam-süsteemi kasutades. Nii saab bakuloviiruste abil panna rakud tootma nii retseptoreid, biosensoreid kui ka muid valke.

Bakuloviiruste efektiivseks kasutamiseks on vajalik teada viirusosakeste hulka ruumalaühikus. Arvulise hinnangu andmiseks kasutatakse mitut ühikut: nakatamisvõimelisi viirusosakesi milliliitris ehk ivp/ml ja viiruslaiku moodustavaid viirusosakesi milliliitris ehk pfu/ml.

Pfu/ml määratakse viiruslaigu meetodil. Huvipakkuvast proovist valmistatakse sobiv lahjendus, nakatatakse sellega viirusele sobiva rakuliini monokihti, eemaldatakse teatud aja möödudes viirus ning kaetakse rakud agaroos geeliga. Nakatumisel rakud purunevad ja neist moodustuvad laigud loendatakse.^[9]^[10] Ivp/ml määramiseks kasutatakse eri meetodeid, mille eesmärgiks on määrata, milline viiruse kogus tapab peremeesorganismidest 50% või tekitab tsütopaatilise muutuse.

Bioohutus

Bakuloviirused võivad siseneda ka imetajarakkudesse, sealhulgas inimese rakkudesse ning viia sinna oma DNA, kuid ei ole seal võimelised paljunema ja nakkust levitama.^[11] Bakuloviirused saavad nakatada ja paljuneda vaid väikese hulga sarnaste liikide organismides. Kuna bakuloviirused ei kujuta endast inimesele ohtu, peetakse neid ohutuks kasutada.

Taksonoomia

Bakuloviirusi on neli perekonda: alfabakuloviirused (liblikaliste-spetsiifilised nukleopolühedroviirused), beetabakuloviirused (liblikaliste-spetsiifilised granuloviirused), gammabakuloviirused ja deltabakuloviirused.^[12]

Evolutsioon

Arvatakse, et bakuloviirused arenesid nudiviiruste perekonnast 310 miljonit aastat tagasi.^[13]

Viited

↑ "Baculoviridae". ExPASy. Vaadatud 23. november 2015.
↑ ICTV. "Virus Taxonomy: 2014 Release". Vaadatud 23. november 2015.
↑ Hofmann, C.; Sandig, V.; Jennings, G.; Rudolph, M.; Schlag, P.; Strauss, M. (1995). "Efficient Gene Transfer into Human Hepatocytes by Baculovirus Vectors". Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (22): 10099. DOI:10.1073/pnas.92.22.10099.
↑ Virus Taxonomy: 2015 Release ICTV (vaadatud 18. septembril 2016)
↑ Lackner, A; Genta, K; Koppensteiner, H; Herbacek, I; Holzmann, K; Spiegl-Kreinecker, S; Berger, W; Grusch, M (2008). "A bicistronic baculovirus vector for transient and stable protein expression in mammalian cells". Analytical Biochemistry. 380 (1): 146–8. DOI:10.1016/j.ab.2008.05.020. PMID 18541133.
↑ Altmann, Friedrich; Staudacher, E; Wilson, IB; März, L (1999). "Insect cells as hosts for the expression of recombinant glycoproteins". Glycoconjugate Journal. 16 (2): 109–23. DOI:10.1023/A:1026488408951. PMID 10612411.
↑ Kost, T; Condreay, JP (1999). "Recombinant baculoviruses as expression vectors for insect and mammalian cells". Current Opinion in Biotechnology. 10 (5): 428–33. DOI:10.1016/S0958-1669(99)00005-1. PMID 10508635.
↑ Betting, David J.; Mu, Xi Y.; Kafi, Kamran; McDonnel, Desmond; Rosas, Francisco; Gold, Daniel P.; Timmerman, John M. (2009). "Enhanced immune stimulation by a therapeutic lymphoma tumor antigen vaccine produced in insect cells involves mannose receptor targeting to antigen presenting cells". Vaccine. 27 (2): 250–9. DOI:10.1016/j.vaccine.2008.10.055. PMC 2683685. PMID 19000731.
↑ Kaufmann, S.H.; Kabelitz, D. (2002). Methods in Microbiology Vol.32:Immunology of Infection. Academic Press. ISBN 0-12-521532-0.
↑ Martin, S.J. (1978). The Biochemistry of Viruses. Cambridge University Press. ISBN 0-12-402033-X.
↑ Ignoffo CM. (1975) Baculoviruses for Insect Pest Control: Safety Considerations, Summers M, Engler R, Falcon LA, Vail PV (eds.) American Society for Microbiology, Washington DC, p52
↑ Jehle, JA; Blissard, GW; Bonning, BC; Cory, JS; Herniou, EA; Rohrmann, GF; Theilmann, DA; Thiem, SM; Vlak, JM; et al. (2006). "On the classification and nomenclature of baculoviruses: a proposal for revision". Arch Virol. 151 (7): 1257–1266. DOI:10.1007/s00705-006-0763-6. PMID 16648963.
↑ Theze, J.; Bezier, A.; Periquet, G.; Drezen, J.-M.; Herniou, E. A. (2011). "Paleozoic origin of insect large dsDNA viruses". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (38): 15931–5. DOI:10.1073/pnas.1105580108. PMC 3179036. PMID 21911395.

[Baculoviridae-1] "Baculoviridae". ExPASy. Vaadatud 23. november 2015.

[ICTV-2] ICTV. "Virus Taxonomy: 2014 Release". Vaadatud 23. november 2015.

[qEYw6-3] Hofmann, C.; Sandig, V.; Jennings, G.; Rudolph, M.; Schlag, P.; Strauss, M. (1995). "Efficient Gene Transfer into Human Hepatocytes by Baculovirus Vectors". Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (22): 10099. DOI:10.1073/pnas.92.22.10099.

[aGfPr-4] Virus Taxonomy: 2015 Release ICTV (vaadatud 18. septembril 2016)

[FG6HH-5] Lackner, A; Genta, K; Koppensteiner, H; Herbacek, I; Holzmann, K; Spiegl-Kreinecker, S; Berger, W; Grusch, M (2008). "A bicistronic baculovirus vector for transient and stable protein expression in mammalian cells". Analytical Biochemistry. 380 (1): 146–8. DOI:10.1016/j.ab.2008.05.020. PMID 18541133.

[qN3Sa-6] Altmann, Friedrich; Staudacher, E; Wilson, IB; März, L (1999). "Insect cells as hosts for the expression of recombinant glycoproteins". Glycoconjugate Journal. 16 (2): 109–23. DOI:10.1023/A:1026488408951. PMID 10612411.

[zxSpZ-7] Kost, T; Condreay, JP (1999). "Recombinant baculoviruses as expression vectors for insect and mammalian cells". Current Opinion in Biotechnology. 10 (5): 428–33. DOI:10.1016/S0958-1669(99)00005-1. PMID 10508635.

[hkDud-8] Betting, David J.; Mu, Xi Y.; Kafi, Kamran; McDonnel, Desmond; Rosas, Francisco; Gold, Daniel P.; Timmerman, John M. (2009). "Enhanced immune stimulation by a therapeutic lymphoma tumor antigen vaccine produced in insect cells involves mannose receptor targeting to antigen presenting cells". Vaccine. 27 (2): 250–9. DOI:10.1016/j.vaccine.2008.10.055. PMC 2683685. PMID 19000731.

[b3yJl-9] Kaufmann, S.H.; Kabelitz, D. (2002). Methods in Microbiology Vol.32:Immunology of Infection. Academic Press. ISBN 0-12-521532-0.

[OIEeM-10] Martin, S.J. (1978). The Biochemistry of Viruses. Cambridge University Press. ISBN 0-12-402033-X.

[d8Yyl-11] Ignoffo CM. (1975) Baculoviruses for Insect Pest Control: Safety Considerations, Summers M, Engler R, Falcon LA, Vail PV (eds.) American Society for Microbiology, Washington DC, p52

[Jehle2006-12] Jehle, JA; Blissard, GW; Bonning, BC; Cory, JS; Herniou, EA; Rohrmann, GF; Theilmann, DA; Thiem, SM; Vlak, JM; et al. (2006). "On the classification and nomenclature of baculoviruses: a proposal for revision". Arch Virol. 151 (7): 1257–1266. DOI:10.1007/s00705-006-0763-6. PMID 16648963.

[Thézé2011-13] Theze, J.; Bezier, A.; Periquet, G.; Drezen, J.-M.; Herniou, E. A. (2011). "Paleozoic origin of insect large dsDNA viruses". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (38): 15931–5. DOI:10.1073/pnas.1105580108. PMC 3179036. PMID 21911395.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]