Genômica, evolução e caracterização funcional de genes de baculovírus

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2015.Orientador estrangeiro: Dr. Rollie J. ClemBaculovirus são vírus de DNA dupla-fita circular capazes de infectar oralmente o estágio larval de insetos. Atualmente, são usados para o controle biológico de insetos praga e como vetores de expressão de proteínas heterólogas. Pouco é sabido das bases moleculares da interação do vírus com o hospedeiro e de sua evolução. Os fatores limitantes estão associados ao número de genomas sequenciados bem como a restrição do cultivo in vitro de várias espécies virais. De fato, a base para o início de quaisquer estudos moleculares mais detalhados de novas espécies de baculovírus ou de isolados certamente se inicia com o sequenciamento do genoma completo e com o estudo de genes encontrados. Dessa forma, neste trabalho, vários genomas de baculovírus isolados no Brasil foram sequenciados e descritos. Sequenciamos e descrevemos baculovírus isolados do mandarová-da-mandicoca, da broca da cana-de-açúcar, do bicho da seda, da lagarta polífaga Helicoverpa armigera, do mandarová-do-mate entre outros. Concomitante à descrição do genoma, caracterizamos estruturalmente algumas espécies, avaliamos a taxa de mortalidade em situações controladas de infecção, bem como caracterizamos alguns genes que permitiram um entendimento evolutivo mais amplo das espécies descritas e de sua interação com o hospedeiro. Descrevemos o primeiro inibidor de serino protease de baculovírus capaz de bloquear a imunidade inata do inseto hospedeiro e causar proteção ao patógeno. Encontramos o primeiro betabaculovírus com uma proteína de fusão de envelope de alphabaculovírus, a gp64 e caracterizamos sua funcionalidade. Além disso, mostramos pela primeira vez o papel de genes envolvidos no metabolismo de nucleotídeo e sua capacidade de alterar o desempenho viral. Em conclusão, baculovírus apresentam plasticidade genômica com aquisições proeminentes de genes de vários organismos como outros vírus de insetos, bactérias e plantas. Além disso, perdas de genes ancestrais e duplicação são eventos recorrentes. Tanto a genômica quanto o estudo molecular básico de baculovírus tem contribuído para a compreensão de doenças associadas a humanos como câncer e doenças virais cujo agente etiológico apresenta genoma com DNA dupla-fita ou que infectam primariamente o intestino médio de insetos, como herpesvírus e arboviroses, respectivamente.Baculoviruses are circular double-stranded DNA viruses that are orally infectious to larval stages of insects. Nowadays, they are used as biological control agents of agricultural and forest pests and as vector for heterologous protein expression. The understanding of both the molecular basis and the evolution of the virus/host interaction is scarce due to the few numbers of sequenced genomes and the restriction in cultivating several virus species in vitro. In fact, the beginning of any molecular study of new baculovirus species or isolates certainly pervades the whole genome sequencing. Therefore, in this work, several genomes of baculoviruses isolated in Brazil were sequenced and described. We sequenced and described baculoviruses isolated from subject cadavers of the cassava hornworm (Erinnyis ello), the sugar cane borer (Diatraea saccharalis), the silkworm (Bombyx mori), the bollworm (Helicoverpa armigera), and the mate hornworm (Perigonia lusca). Together with the genome description, we characterized structurally some species, evaluated the mortality in controlled infections, and characterized as well some genes to better understand the novel species and their interaction with the host. We described the first baculoviral serine protease inhibitor capable of blocking the insect immunity response and causing pathogen protection. We found the first betabaculovirus harboring an alphabaculovirus envelope fusion protein, a gp64 and we characterized its functionality. Furthermore, we have shown for the first time a role of genes related to nucleotide metabolism and it ability of altering the virus fitness. In conclusion, baculoviruses present genomic plasticity with great and recurrent acquisition of genes from several organisms including other insect viruses, bacteria, and plant. Moreover, ancestral gene losses and duplication are common events in baculovirus evolution. Both genomics and molecular biology of baculovirus have contributed to the comprehension of human-associated diseases such as cancer and viral whereas the etiologic agent presents dsDNA genome or infects primarily the insect midgut like herpexviruses and arboviruses, respectively

A baculovirus-mediated strategy for full-length plant virus coat protein expression and purification

Background: Garlic production is severely affected by virus infection, causing a decrease in productivity and quality. There are no virus-free cultivars and garlic-infecting viruses are difficult to purify, which make specific antibody production very laborious. Since high quality antisera against plant viruses are important tools for serological detection, we have developed a method to express and purify full-length plant virus coat proteins using baculovirus expression system and insects as bioreactors. Results: In this work, we have fused the full-length coat protein (cp) gene from the Garlic Mite-borne Filamentous Virus (GarMbFV) to the 3′-end of the Polyhedrin (polh) gene of the baculovirus Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV). The recombinant baculovirus was amplified in insect cell culture and the virus was used to infect Spodoptera frugiperda larvae. Thus, the recombinant fused protein was easily purified from insect cadavers using sucrose gradient centrifugation and analyzed by Western Blotting. Interestingly, amorphous crystals were produced in the cytoplasm of cells infected with the recombinant virus containing the chimeric-protein gene but not in cells infected with the wild type and recombinant virus containing the hexa histidine tagged Polh. Moreover, the chimeric protein was used to immunize rats and generate antibodies against the target protein. The antiserum produced was able to detect plants infected with GarMbFV, which had been initially confirmed by RT-PCR. Conclusions: The expression of a plant virus full-length coat protein fused to the baculovirus Polyhedrin in recombinant baculovirus-infected insects was shown to produce high amounts of the recombinant protein which was easily purified and efficiently used to generate specific antibodies. Therefore, this strategy can potentially be used for the development of plant virus diagnostic kits for those viruses that are difficult to purify, are present in low titers or are present in mix infection in their plant hosts

EXPRESSÃO DA GLICOPROTEÍNA DO VÍRUS CHIKUNGUNYA EM CÉLULAS DE INSETOS VISANDO DESENVOLVIMENTO DE INSUMO PARA DIAGNÓSTICO E/OU VACINA

De acordo com o Ministério da Saúde, a saúde pública no Brasil tem retratado a alta incidência de doenças infecciosas emergentes e reemergentes, causadas por arbovírus, como por exemplo o vírus Chikungunya (CHIKV). Dados epidemiológicos associados ao CHIKV vem mostrando grandes preocupações tanto para a população como também para órgãos governamentais, por não apresentarem tratamento específico e vacina para a imunização da população. O CHIKV caracteriza-se por ser um vírus de RNA viral sentido positivo, cadeia simples e sua transmissão ocorre devido a picada do mosquito das espécies Aedes aegypti e Aedes albopictus. Sendo assim, o objetivo do presente trabalho foi expressar epítopos de proteínas específicas do vírus CHIKV fusionado a proteína poliedrina do baculovírus AcMNPV, cujo o modelo para expressão já é bem estabelecido por se tratar de um sistema eucarioto. Para isso, técnicas de dna recombinante foram utilizadas visando a construção de um baculovírus recombinante portador dos genes de interesse E2 e NSP3, e confirmado por sequenciamento. Além disso, a expressão da proteína do baculovírus recombinante R1 (genes E2 e NSP3) em células de inseto Tn5B foi bem-sucedida utilizando a estratégia bac-to-bac. Esta mesma proteína foi analisada por SDS-PAGE e detectada por western blot apresentando proteína de tamanho esperado 37 kDa. É sabido que as regiões gênicas dos epítopos E2 e NSP3 do CHIKV já foram expressos em trabalhos anteriores, entretanto, nenhum utilizou repetições das regiões antigênicas como as que foram descritas neste trabalho, a qual apresentou uma elevada expressão de proteínas com propriedades imunogênicas. Com bases nos resultados apresentados, foi possível construir uma estratégia promissora por meio de regiões imunogênicas do vírus CHIKV que visa o desenvolvimento de kit diagnóstico, bem como, servir como base para futuros estudos com a perspectiva de outras aplicações biotecnológicas, como a produção de vacina, podendo favorecer a saúde pública do Brasil e do mund

A nymphalid-infecting group I Alphabaculovirus isolated from the major passion fruit caterpillar pest Dione juno juno (Lepidoptera: Nymphalidae)

Baculoviruses are capable of infecting a wide diversity of insect pests. In the 1990s, the Dione juno nucleopolyhedrovirus (DijuNPV) was isolated from larvae of the major passionfruit defoliator pest Dione juno juno (Nymphalidae) and described at ultrastructural and pathological levels. In this study, the complete genome sequence of DijuNPV was determined and analyzed. The circular genome presents 122,075 bp with a G + C content of 50.9%. DijuNPV is the first alphabaculovirus completely sequenced that was isolated from a nymphalid host and may represent a divergent species. It appeared closely related to Orgyia pseudotsugata multiple nucleopolyhedrovirus (OpMNPV) and other Choristoneura-isolated group I alphabaculoviruses. We annotated 153 open reading frames (ORFs), including a set of 38 core genes, 26 ORFs identified as present in lepidopteran baculoviruses, 17 ORFs unique in baculovirus, and several auxiliary genes (e.g., bro, cathepsin, chitinase, iap-1, iap-2, and thymidylate kinase). The thymidylate kinase (tmk) gene was present fused to a dUTPase (dut) gene in other baculovirus genomes. DijuNPV likely lost the dut portion together with the iap-3 homolog. Overall, the genome sequencing of novel alphabaculoviruses enables a wide understanding of baculovirus evolution

Baculovírus recombinantes expressando toxina inseticida de aranha caranguejeira causam morte celular precoce durante infecção in vitro

Dissertação (Mestrado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2012.Baculovírus são vírus de DNA dupla-fita circular que infectam insetos principalmente da ordem Lepidoptera. O problema de seu uso como inseticida é o tempo que este leva para matar o inseto hospedeiro. A fim de resolver este problema, inserção de genes inseticidas no genoma viral pode ser requerida. Uma importante fonte de proteínas inseticidas é o veneno de aracnídeos, cujo alvo e ação permanecem pouco elucidados. Assim, promopos o uso de baculovírus como ferramenta para entender mecanismo de ação de peptídeos tóxicos em células de inseto. Diante disso, diferentes versões da toxina putativa BaTx derivada de biblioteca de cDNA da glândula de veneno da aranha caranguejeira Brachypelma albiceps foram obtidas por PCR e usadas para construção de baculovírus recombinantes. Os recombinantes foram usados para infecção de duas linhagens de lepidópteros, IPLB-Sf1-AE e BTI-Tn5B1-4 e a viabilidade celular foi avaliada durante a infecção. As diferentes versões da toxina causaram morte celular precoce por necrose em níveis diferenciados. Análise estrutural e ultraestrutural mostraram clara mudança citomorfológica em células, corroborando perda de integridade da membrana plasmática e do conteúdo citoplasmático, permanência do núcleo com carioteca intacta e associada a restos de membranas circundantes. Esta característica criou um aspecto rugoso quando observado em microscopia de luz. Além disso, o gene da toxina BaTx foi expresso em sistema procariótico para obtenção de antisoro policlonal murino. Entretanto, quando testado contra extratos de células infectadas com recombinantes, não houve marcação. Fato este esperado, uma vez que a toxina não foi observada em gel SDS-PAGE. Não há relatos de genes de toxinas de aranha com ação citotóxica clonadas em baculovírus, provavelmente esta característica não permitiu que houvesse acúmulo da toxina em níveis diagnosticáveis por imunomarcação ou pode ter promovido instabilidade peptídica. Peptídeos formadores de canais apresentam alto conteúdo de resíduos básicos (arginina e lisina), de cisteínas e conformação em folha-beta. BaTx apresenta todas estas características, porém alvo e ação permanecem obscuros. Canais tipo-TRP são encontrados em insetos e há indícios da presença desses transportadores na membrana plasmática e em membranas intracelulares. Talvez estes canais possam ser o alvo de ação da toxina BaTx. _______________________________________________________________________________ ABSTRACTBaculoviruses are dsDNA circular virus infectives to insects mainly from the Order Lepidoptera. Its biopesticide use problem is the time of death during insect infection. To solve this problem, insecticide genes can be inserted into the viral genome. An important insectice protein source is the venom of arachinids. However, the target and action of many peptides remain unclear. Baculoviruses can be used as a tool to udersatand the toxic peptides playing in insect cells. Thus, different vesions of a putative toxin were obtained from cDNA library of the tarantula Brachypelma albiceps venom gland by PCR and used to construct recombinant baculoviruses. The recombinants were used to infect two lepidopteran cell lines, IPLB-Sf1-AE and BTITn5B1- 4, and cell viability was evaluated during infection. The toxin versions caused wide and early cell death by necrosis in different levels. Structural and ultrastructural analyses showed clear cytomorphological changes, corroborating loss of the plasma membrane integrity and cytoplasmic contents, and nucleus with intact karyotheca linked with surrounding plasma membrane remains. The features created a rough aspect when those infected cells were observed by light microscopy. Furthermore, the BaTx toxin gene was expressed by a prokaryotic system to obtain murine polyclonal antiserum. However, when the antiserum was tested against infected cells extract with recombinant virus carrying the BaTx toxin no reaction was detected. This observation was expected since the toxin was not observed by SDS-PAGE. There are no reports of spider toxin genes with necrotic action cloned into baculovirus, probably this feature did not allowed toxin accumulation in detectable levels by immunoblot or it could have promoted protein instability. Channel former peptides show high content of basic amino acid residues (lysine and arginine), cystein residues, and beta-sheet conformation. BaTx presents all those features, but its target and mode of action remain unknown. TRP-like channels are found in insects and there is evidence of the presence of these iontransporters in intracellular membranes as well as in plasma membrane. Perhaps TRPlike channels can be the BaTx toxin target of action

Molecular characterization of virulence genes cctA, nanA, and fliC in Clostridium chauvoei from Rio Grande do Sul and São Paulo State, Brazil

ABSTRACT: Clostridium chauvoei toxin A (CctA), neuraminidase (NanA), and flagellin (FliC) proteins contribute to the pathogenicity of Clostridium chauvoei, the causative agent of blackleg in cattle. The aim of this study was to analyze the genetic variability of cctA, nanA, and fliC genes in C. chauvoei isolates from the Rio Grande do Sul and São Paulo state- Brazil, during different sampling periods. The presence of these genes was verified through PCR amplification and partial gene sequencing of 17 strains. Alignment of PCR amplicons combined with bioinformatics analysis was used in an attempt to study the variability across C. chauvoei solates. The similarity among the partial sequences of cctA and nanA genes was 100%. The sequencing of fliC revealed three different paralog alleles of flagellin, and two strains were seen to be polymorphic, with amino acid alterations in the predicted protein. Overall, this study indicates that strains of C. chauvoei isolated in Brazil are highly conserved with respect to the virulence factors evaluated