Barmah Foresti viirus

Barmah Foresti viirus (BFV) on Togaviridae sugukonda alfaviiruste perekonda kuuluv viirus, mis isoleeriti esmakordselt 1974. aastal Austraalias. Tänapäevani on see levinud vaid Austraalias, kus on esinenud mitmeid Barmah Foresti viiruse haiguspuhanguid. Tegu on arboviirusega, mida kannavad edasi sääseliste esindajad. Viirusega nakatunutel esinevad Ross Riveri viirusega nakatunutega sarnased sümptomid: liigesevalu, lihasevalu, artriit, lööve ja palavik. Barmah Foresti viiruse partikli diameeter on ligikaudu 700 ongströmit. Alfaviiruste genoom on pakitud ikosaeedrilisse T=4 struktuuriga nukleokapsiidi, mille moodustavad kapsiidi valgu 240 koopiat. Nukleokapsiidi peal on bilipiidne membraan, mis on pärit peremeesrakult. Välimise kesta moodustavad 80 ogastruktuuri, mille ehituskivideks on struktuursed valgud E1 ja E2. Barmah Foresti viiruse genoom on alfaviirustele omaselt (+)ssRNA molekul, mis on pakitud ikosaeedrilisse kapsiidi. Barmah Foresti viiruse genoomi suurus on ilma polü-A sabata 11 488 nukleotiidi. Molekuli lämmastikaluste sisaldus on 24% guaniini, 24% tsütosiini, 30% adeniini ja 22% uratsiili. Genoomi 5’ mittekodeeriv regioon on 62 nukleotiidi pikk ja 3’ mittekodeeriv regioon 445 nukleotiidi pikkune. Genoomilt kodeeritakse 3650 aminohapet ning see sisaldab kahte avatud lugemisraami ehk ORFi (open reading frame). Üks avatud lugemisraam kodeerib 2411 aminohappelist mittestruktuurset polüproteiini ning teine 1239 aminohappelist struktuurset polüproteiini. Mittestruktuurne polüproteiin lõigatakse mittestruktuurseteks valkudeks nsP1, nsP2, nsP3 ja nsP4 ning struktuurne valkudeks C, E3, E2, 6K ja E1. Selle alusel on jagatud alfaviiruste genoom kaheks suuremaks alaks, kus 5’-terminaalselt kahelt kolmandikult kodeeritakse mittestruktuursed valgud ja ülejäänud 3’-terminaalselt ühelt kolmandikult struktuursed valgud. Barmah Foresti viirus kuulub Togaviridae sugukonda ja alfaviiruste perekonda ning arvatakse Vana Maailma viiruste hulka. Esmakordselt isoleeriti viirus 1974. aastal Austraalia kaguosas Culex annulirostris'e sääskedelt. Alfaviirused on jagatud seitsmesse antigeensesse kompleksi, kusjuures Barmah Foresti viirus kuulub ainukese liikmena endanimelisse alfaviiruste antigeensesse kompleksi. Barmah Foresti viiruse klassifikatsiooniga oli algselt raskusi, viirus paigutati antigeensete omaduste põhjal hoopis Bunyaviridae sugukonda. Hilisemad uuringud, mis hõlmasid eelnevale lisaks viiruse kogu genoomi, elutsükli ning virioni struktuuri uurimist, tõestasid Barmah Foresti viiruse kuulumist Semliki metsa viiruse klaadi. Samasse rühma kuulumist toetasid ka Barmah Foresti viiruse patogeensed omadused. Aminohappeliste järjestuste võrdluse alusel on Barmah Foresti viirusele fülogeneetiliselt lähimad Ross Riveri viirus ja Semliki metsa viirus. Alfaviiruste mittestruktuursete valkude hulka kuuluvad nsP1, nsP2, nsP3 ja nsP4 (non-structural protein). Alfaviiruste mittestruktuurseid valke nimetatakse ka replikaasi valkudeks, sest need valgud osalevad viiruse genoomi replikatsioonil. Genoomse RNA 5’-terminaalselt kahelt kolmandikult transleeritakse mittestruktuursetele valkudele eellas-polüproteiinid. Sünteesitakse polüproteiinid P123 ja P1234, esimest neist sünteesitakse suuremal hulgal. Polüproteiin P1234 sisaldab nsP1, nsP2, nsP3 ja nsP4 järjestusi, P123 viimast järjestust ei sisalda. 1794 aminohappejäägi pikkune P123 sünteesitakse juhul, kui vastava avatud lugemisraami transleerimisel peatatakse süntees opaal-stoppkoodoni juures (UGA koodon), mis paikneb nsP3 järjestuse ja nsP4 järjestuse vahel. P1234 transleeritakse, kui opaal-stoppkoodonist toimub üle süntees, saadakse harvemini sünteesitud 2411 aminohappeline produkt. Sellisel juhul nimetatakse stoppkoodonit "lekkivaks". nsP4 geeni järel toimub translatsiooni terminatsioon UAG koodonil. Transleeritud polüproteiinist lõigatakse järgnevalt küpsed replikaasi valgud nsP1, nsP2, nsP3, nsP4 ja lisaks tekib lõikamisel vaheprodukte. Alfaviiruste puhul on lõikesaidis C-terminaalseteks aminohapeteks lühikeste kõrvalahelatega aminohapped alaniin, tsüsteiin või glütsiin. Barmah Foresti viiruse puhul on selline aminohape samuti nsP2 ja nsP3 vahelises saidis ning nsP3 ja nsP4 lõikesaidis, kuid nsP1 ja nsP2 vahelises lõikesaidis on selleks aminohappejäägiks glutamaat. Barmah Foresti viiruse nsP1 pikkus on 533 aminohappejääki, valk on molekulmassiga 60 kDa. See on tsütoplasmaatiline cap-struktuuri siduv ensüüm, peremeesraku cap-siduv ensüüm on vaid tuumas. Cap-struktuuri liitmine ja olemasolu RNA molekulil on oluline, et eksonuleaasid ei lagundaks molekuli. nsP1 mutantide uurimine on näidanud ka valgu vajadust RNA negatiivse ahela sünteesil. nsP2 molekulmass on 89 kDa, 798 aminohappejääki pikk. Mittestruktuursetest valkudest on nsP2 suurim ja sel on N-terminaalselt ja C-terminaalselt erinevad bioloogilised funktsioonid ja aktiivsus. N-terminaalne osa valgust kuulub RNA polümeraasi kompleksi valkude hulka ning täidab RNA helikaasi funktsiooni ja seob nukleosiidtrifosfaate. C-terminaalne domeen käitub mittestruktuursete valkude proteaasina ja lõikab tsütosoolis vastavatest polüproteiinidest küpsed valgud. Alfaviiruste polüproteiini proteaasil on kolm lõikesaiti, mille ensüüm ära tunneb. Iga lõikesait on tunnuste poolest sarnane, mis viitab veelgi sellele, et polüproteiini lõikamist viib läbi üks ensüüm. Lisaks lagundab nsP2 peremehe RNA polümeraasi katalüütilist osa, millega inhibeeritakse peremeesraku valkude sünteesi ja hõlbustatakse viiruse geenide ekspressiooni. Barmah Foresti viiruse mittestruktuursed valgud nsP1, nsP2 ja nsP4 on suuruselt väga sarnased teiste alfaviiruste vastavate valkudega, kuid erandiks on nsP3. See on 470 aminohappejääki pikk ja molekulmassiga 52 kDa, mis on teiste alfaviiruste nsP3 valkudega võrreldes suhteliselt väike. Lühem on valk C-terminaalsest otsast, milles on vaid 146 aminohappejääki, teistel alfaviirustel jääb see vahemikku 158–246 aminohappejääki. Täielikult pole nsP3 funktsioon viiruse replikatsioonil teada, kuid valk on vajalik negatiivse ahela ja subgenoomse 26S mRNA sünteesil. nsP3 ja nsP4 vahel opaal-stoppkoodonit sisaldavates alfaviirustes sünteesitakse kaks eri pikkusega nsP3 valku. Lühem sünteesitakse, kui translatsiooni terminatsioon toimub opaal-stoppkoodonil, kui aga koodon on "lekkiv", siis sünteesitakse 7 aminohappejäägi võrra pikem nsP3. Alfaviiruste nsP4 on RNA-sõltuv RNA-polümeraas, mis sünteesib positiivse ja negatiivse ahelaga RNA-d ning ka subgenoomset 26S RNA-d. Barmah Foresti viiruse nsP4 on 610 aminohappejääki pikk ja molekulmassiga 68 kDa. nsP4 süntees nõuab opaal-stoppkoodoni "lekkimist", mis tähendab, et sünteesitud nsP4 hulk on väiksem viiruse teistest mittestruktuursetest valkudest. Alfaviirustel on näidatud, et antud koodoni vahetamisel kodeeriva koodoniga toimub nsP4 süntees suuremas hulgas. Struktuurseteks valkudeks on alfaviirustel C, E3, E2, 6K ja E1. Alfaviiruste struktuurseid valke kodeeritakse struktuurselt domeenilt, mis hõlmab 3’-terminaalset ühte kolmandikku genoomist. Struktuursed valgud sünteesitakse samuti polüproteiinina, kuid subgenoomselt 26S mRNA-lt, millele seotakse samuti cap-struktuur ning polü-A saba. RNA replikatsiooni käigus sünteesitakse negatiivse ahelaga koopia genoomsest RNA-st, mis on matriitsiks nii genoomse kui ka subgenoomse RNA sünteesil. Barmah Foresti viiruse subgenoomse RNA pikkuseks on 4213 nukleotiidi. See kodeerib 1239 aminohappejäägi pikkust polüproteiini, mis edasisel lõikamisel protsessitakse valkudeks C, E3, 6K, E2 ja E1. Struktuurse polüproteiini süntees toimub mittestruktuursete valkude lugemisraami suhtes ühe nukleotiidi võrra edasi nihkunud lugemisraamilt. Polüproteiinis on kapsiidi valk N-terminaalne, Barmah Foresti viirusel on see 253 aminohappejääki pikk ja molekulmassiga 28 kDa. Kapsiidi valk C toimib autokatalüütilise proteaasina, mis lõikab end struktuursest polüproteiinist ise välja. Lõikamisjärgselt seondub valk ribosoomidega ja genoomse RNA-ga, mis initsieerib kapsiidi assambleerumist. Valmis nukleokapsiid seondub rakumembraanil E2 valgu tsütoplasmaatilise domeeniga. Sellele järgneb pungumine ja valmis virioni väljumine peremeesrakust. E1 ja E2 valgud on alfaviiruste kaks glükoproteiini. Need on ankurdatud C-terminaalsete regioonidega viiruse lipiidmembraanile. E1 ja E2 valkude ektodomeensed heterodimeerid moodustavad trimeere, mis moodustavad viiruse pinnal 80 oga-struktuuri. E1 ektodomeen osaleb viiruse sisenemisel viiruse ja peremehe membraanide ühinemisel. E2 osaleb retseptorite sidumisel ja sisaldab enamikku neutraliseerivaid epitoope. Barmah Foresti viiruse E1 ja E2 on vastavalt 439 ja 421 aminohappejääki pikad ning molekulmassidega 48 ja 46 kDa. Barmah Foresti viiruse E2 on teiste sekveneeritud alfaviiruste seas ainulaadne, kuna sel puudub N-seoseline glükosüleerimissait. Selle tõttu on ka Barmah Foresti viiruse E2 molekulmass teiste alfaviirustega võrreldes suhteliselt väike. E2 ja E3 lõigatakse eellasvalgust p62. E3 on väike glükoproteiin molekulmassiga 7,5 kDa. E3 on tavaliselt viiruses, mis pole lõplikult valmis. E3 funktsiooniks arvatakse glükoproteiini E1 stabiilsena hoidmist madala pH-ga keskkonnas. 6K on väike hüdrofoobne peptiid, mis ühendab E2 ja E1 valke. Struktuursetest valkudest on see väikseim, 58 aminohappejääki pikk ja molekulmassiga 6,5 kDa. Barmah Foresti viirus on arboviirus, mis levib vaid Austraalias ning on seal patogeenselt tähtsuselt teine arboviirus. Selle mõju inimestele täheldati esmakordselt 1986. aastal. Kängurud ja vallabid on haigustekitaja peamised selgroogsed kandjad, väiksema tähtsusega kandjad on ka kassid ja koerad. Barmah Foresti viiruse vektoriteks on suurima panusega sääselised Aedes vigilax ja Aedes notoscriptus. Haigussümptomiteks on artralgia, müalgia, polüartriit, lööve ja palavik. Esimest korda isoleeriti viirus Kagu-Austraalias Põhja-Victorias Barmah metsast Culex annulirostris sääskedelt, leiukoht andis viirusele ka nime. Esimene suurem registreeritud haiguspuhang oli 1992. aastal ning see kattus lähedase Ross Riveri viiruse haiguspuhanguga, mille korral on sümptomid Barmah Foresti viirusega nakatunute omade väga sarnased. Barmah Foresti viiruse läbipõdemine on Ross Riveri viiruse infektsioonist leebem, viimase puhul kestavad artralgia ja müalgia kauem. Kuna haigusnähud on kahe viiruse puhul sarnased, siis ilma seroloogilise analüüsita õiget diagnoosi panna ei saa. Diagnoositakse tavaliselt seroloogiliselt, tuvastades proovides IgM antikehasid. Diagnoosida on ka võimalik nukleiinhapete põhiselt, kasutades tuvastamiseks reaalaja PCR-analüüsi. Powers, M. A., Brault, C. A., Shirako, Y., Strauss, G. E., Kang, W., Strauss, H. J. and Weaver, C. S. (2001). Evolutionary Relationships and Systematics of the Alphaviruses. J Virol. 75(21): 10118–10131. Tong, S., Hayes, F. J. and Dale, P. (2005). Spatiotemporal variation of notified Barmah Forest virus infections in Queensland, Australia, 1993 – 2001. International Journal of Environmental Health Research. 15(2): 89–98. Cashman, P., Hueston, L., Durrheim, D., Massey, P., Doggett, S. and Russell, C. R. (2008). Barmah Forest Virus Serology; Implications for Diagnosis and Public Health Action. Commun Dis Intell Q Rep. 32(2): 263–266. Kostyuchenko, A. V., Jakana, J., Liu, X., Haddow, D. A., Aung, M., Weaver, C. S., Chiu, W. and Lok, S-M. (2011). The Structure of Barmah Forest Virus as Revealed by Cryo-Electron Microscopy at a 6-Angstrom Resolution Has Detailed Transmembrane Protein Architecture and Interactions. J Virol. 85(18): 9327–9333. Strauss, H. J. and Strauss, G. E. (1994). The Alphaviruses: Gene Expression, Replication, and Evolution. Microbiol Rev. 58(3): 491–562. Lee, E., Stocks, C., Lobigs, P., Hislop, A., Straub, J., Marshall, I., Weir, R. and Dalgarno, L. (1997). Nucleotide Sequence of the Barmah Forest Virus Genome. Virology. 227: 509–514. Park, L. S., Huang, S. Y-J., Hsu, W-W., Hettenbach, M. S., Higgs, S. and Vanlandingham, L. D. (2016). Virus-specific thermostability and heat inactivation profiles of alphaviruses. J Virol Methods. 234: 152–155. "UniProtKB". 27.10.2016. P87515. Cowling, H. V. (2010). Regulation of mRNA cap methylation. Biochem J. 425: 295–302. "UniProtKB". 28.10.2016. P89946. Hueston, L., Toi, S. C., Jeoffreys, N., Sorrell, T. and Gilbert, G. (2013). Diagnosis of Barmah Forest Virus Infection by a Nested Real-Time SYBR Green RT-PCR Assay. PLoS ONE. 8(7): e65197. Herrero J. L., Lidbury, A. B., Bettadapura, J., Jian, P., Herring, L. B., Hey-Cunningham, J. W., Sheng, K-C., Zakhary, A. and Mahalingam, S. (2014). Characterization of Barmah Forest virus pathogenesis in a mouse model. J Gen Virol. 95: 2146–2154.