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Genetic	
  stability	
  of	
  recombinant	
  baculoviruses	
  
containing	
  foreign	
  genes	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
Jasvir	
  Kaur	
  
	
  
Presented	
  as	
  final	
  requirement	
  for	
  the	
  degree	
  of	
  Master	
  of	
  
Biotechnology	
  
	
  
	
  
Oxford	
  Brookes	
  University	
  
School	
  of	
  Life	
  Sciences	
  
	
  
	
  
September	
  2015	
  
	
  
	
  
	
  
  ii	
  
Table	
  of	
  Contents	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
LIST	
  OF	
  FIGURES	
   IV	
  
LIST	
  OF	
  TABLES	
   VI	
  
ACKNOWLEDGMENTS	
   VII	
  
DECLARATION	
   VIII	
  
ABSTRACT	
   IX	
  
TABLE	
  OF	
  ABBREVIATIONS	
   XI	
  
OVERVIEW	
  OF	
  BACULOVIRUS	
   1	
  
CHAPTER	
  1-­‐	
  INSIGHT	
  OF	
  BACULOVIRUS	
   3	
  
1.1	
  HISTORY	
   3	
  
1.2	
  CLASSIFICATION	
   4	
  
1.3	
  BACULOVIRUS	
  PROTEIN	
  STRUCTURE	
   5	
  
1.4	
  GENOME	
  OF	
  ACMNPV	
   6	
  
1.5	
  BACULOVIRUS	
  REPLICATION	
   7	
  
1.6	
  VIRUS	
  REPLICATION	
  IN	
  VIVO	
   10	
  
1.7	
  ENTRY	
  INTO	
  THE	
  NUCLEI	
   11	
  
1.8	
  EXITING	
  THE	
  CELL	
  NUCLEI	
   11	
  
1.9	
  GENE	
  EXPRESSION	
  REGULATION	
   12	
  
1.9.1	
  IMMEDIATE	
  EARLY	
  GENES	
   12	
  
1.9.2	
  DELAYED	
  EARLY	
  GENES	
   13	
  
1.9.3	
  LATE	
  AND	
  VERY	
  LATE	
  GENE	
   13	
  
1.10	
  INSECT	
  CELL	
  LINES	
   13	
  
1.11	
  TRANSFER	
  VECTOR	
   14	
  
1.13	
  SELECTION	
  OF	
  POLYHEDRON-­‐NEGATIVE	
  RECOMBINANT	
  BACULOVIRUSES	
   16	
  
1.13.1	
  BEVS-­‐	
  BACULOVIRUS	
  EXPRESSION	
  VECTOR	
  SYSTEM	
   16	
  
1.13.2	
  RECOMBINANT	
  BACULOVIRUS	
  PRODUCTION	
   18	
  
1.13.3	
  THE	
  BACPAK6	
  SYSTEM	
   18	
  
1.13.4	
  BAC-­‐TO	
  BAC®	
   19	
  
1.13.5	
  FLASHBACTM	
   20	
  
1.14	
  MULTIPLICITY	
  OF	
  INFECTION	
   21	
  
1.15	
  SERIAL	
  PASSAGING	
   23	
  
AIM	
  OF	
  THIS	
  PROJECT	
   25	
  
CHAPTER	
  2	
  -­‐MATERIALS	
  AND	
  METHODS	
   26	
  
2.1	
  MATERIALS	
   26	
  
2.1.1	
  PLASMIDS	
   26	
  
2.2	
  PREPARATION	
  OF	
  BACTERIAL	
  CELLS	
  AND	
  EXTRACTION	
  OF	
  PLASMID	
  DNA	
   26	
  
2.3	
  INSECT	
  CELLS	
  AND	
  VIRUSES	
   27	
  
2.4	
  COTRANSFECTION	
  OF	
  INSECT	
  CELLS	
  WITH	
  FLASHBAC	
  AND	
  PLASMID	
  TRANSFER	
  
VECTOR	
  DNA	
   27	
  
  iii	
  
2.5	
  VIRUS	
  STOCK	
   28	
  
2.6	
  TESTING	
  PRESENCE	
  OF	
  FOREIGN	
  GENE	
  IN	
  VIRUS	
  STOCK	
   28	
  
2.7	
  TEMPLATE	
  FORMATION	
  WITH	
  THE	
  USE	
  OF	
  KIT	
  TO	
  TEST	
  THE	
  PRESENCE	
  OF	
  THE	
  
GENE	
  IN	
  THE	
  VIRUS	
   29	
  
2.8	
  SERIAL	
  PASSAGING	
   29	
  
2.9	
  HARVESTING	
  OF	
  VIRUS	
  DNA	
   30	
  
2.10	
  VIRUS	
  STOCK	
  TITRATION	
   30	
  
2.10.1	
  PLAQUE	
  ASSAY	
   30	
  
2.11	
  PURIFICATION	
  OF	
  VIRUS	
  DNA	
   31	
  
2.12	
  PCR	
  ANALYSIS	
   31	
  
2.13	
  AGAROSE	
  GEL	
  ELECTROPHORESIS	
   32	
  
CHAPTER	
  3	
  –	
  RESULTS	
   33	
  
3.1	
  VIRUSES	
   33	
  
CHAPTER	
  4-­‐	
  DISCUSSION	
   45	
  
CONCLUSION	
  AND	
  FUTURE	
  DEVELOPMENTS	
   51	
  
REFERENCES	
   53	
  
	
  	
  	
   	
  
  iv	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  List	
  of	
  Figures	
  
	
  
	
  
Figure	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Figure	
  Caption	
  	
  	
  	
   	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Page	
  
	
  
Figure	
  1.1.	
  The	
  above	
  phylogenetic	
  tree	
  indicates	
  the	
  division	
  of	
  four	
  groups	
  
in	
  	
  baculovirus	
  family.	
  It	
  indicates	
  amino	
  acids	
  of	
  29	
  
baculoviruses	
  genes	
  derived	
  from	
  29	
  sequenced	
  baculovirus	
  
genomes	
  	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  	
  5	
  
Figure	
  1.2.	
  	
  Group	
  I	
  has	
  both	
  GP64	
  and	
  F	
  while	
  Group	
  II	
  only	
  has	
  F	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
protein	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  	
  6	
  
	
  
Figure1.3.	
  	
  	
  AcMNPV's	
  genetic	
  map.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  	
  7	
  
	
  
Figure	
  1.5.	
  Baculovirus	
  structure	
  	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  10	
  
	
  
Figure	
  1.3.	
  A.	
  DNA	
  containing	
  Escherichia	
  coli	
  (E.	
  coli)	
  lacZ	
  inserted	
  at	
  polh	
  
locus.	
  B.	
  Digestion	
  of	
  viral	
  DNA	
  removes	
  lacZ	
  and	
  partially	
  
deletes	
  orf1629-­‐coding	
  region	
  C.	
  	
  Cotransfection	
  	
  and	
  insertion	
  of	
  
foreign	
  gene	
  into	
  the	
  virus	
  DNA	
  and	
  restoration	
  of	
  orf1629	
  and	
  
recircularization	
  of	
  DNA	
  thus	
  permitting	
  replication	
  within	
  
insect	
  cells.	
  D.	
  Plaque	
  assay	
  is	
  used	
  to	
  isolate	
  recombinant	
  virus	
  	
  	
  	
  
-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  	
  19	
  
	
  
Figure	
  1.4.	
  The	
  flashBAC	
  baculovirus	
  expression	
  system	
  used	
  for	
  
production	
  of	
  recombinant	
  baculoviruses.	
  	
  A.)	
  Shows	
  the	
  deleted	
  
genes.	
  B.)	
  Containment	
  of	
  gene,	
  insert,	
  lef2,	
  and	
  orf1629	
  gene	
  in	
  
transfer	
  vector.	
  C.)	
  Recombinant	
  virus	
  with	
  repaired	
  orf1629	
  
gene.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  21	
  
	
  
Figure	
  3.1.	
  	
  A.	
  PCR	
  analysis	
  of	
  the	
  recombinant	
  genes.	
  B.	
  A	
  plasmid	
  map	
  of	
  	
  
pAcRP23.lacZ	
  C.	
  A	
  plasmid	
  map	
  of	
  pOET6NaV1.4.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  35	
  
	
  
Figure	
  3.2.	
  PCR	
  analysis	
  of	
  cell	
  DNA	
  and	
  plasmid	
  DNA.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  
weight	
  markers	
  (New	
  England	
  Biolabs).	
  Lane	
  2,	
  6,	
  8,	
  are	
  plasmid	
  
DNA.	
  Lane	
  2,	
  4,	
  5,	
  7,	
  are	
  cell	
  DNA.	
  Lane9,	
  10	
  are	
  control	
  groups	
  	
  -­‐-­‐
-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  36	
  
Figure	
  3.3.	
  The	
  virus	
  stock	
  titration	
  done	
  by	
  plaque	
  assay.	
  A.	
  AcNaV1.4	
  virus	
  
dilution	
  10-­‐4.	
  B.	
  AcUK,	
  virus	
  dilution10-­‐1.	
  C.	
  AcHANA	
  ,	
  virus	
  
dilution10-­‐2.	
  D.	
  AcRP23.lacZ	
  virus	
  dilution10-­‐5	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  37	
  
Figure	
  3.4.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcMNPV	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  low	
  
(0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  MOI	
  
was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  213	
  
and	
  214.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  38	
  
	
  
  v	
  
Figure	
  3.5.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcRP23.lacZ	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  
low	
  (0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  
MOI	
  was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  
213	
  and	
  214.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  38	
  
Figure	
  3.6.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcUK	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  low	
  
(0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  MOI	
  
was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  213	
  
and	
  214.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  A.	
  Ethidium	
  bromide	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  B.	
  
SYBR	
  Gold	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  39	
  
Figure	
  3.7.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcRP23.lacZ	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  
low	
  (0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  
MOI	
  was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  
213	
  and	
  214.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  A.	
  Ethidium	
  bromide	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  B.	
  
SYBR	
  Gold	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  40	
  
Figure	
  3.8.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcNaV1.4	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  low	
  
(0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  MOI	
  
was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  213	
  
and	
  743.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  A.	
  Ethidium	
  bromide	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  B.	
  
SYBR	
  Gold	
  nucleic	
  acid	
  gel	
  stain	
  used.	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  42	
  
	
  
Figure	
  3.	
  9.	
  Genomic	
  DNA	
  isolated	
  from	
  AcHANA	
  passaged	
  five	
  times	
  at	
  low	
  
(0.1	
  pfu/cell,	
  lane	
  2-­‐6)	
  and	
  (high	
  5pfu/cell,	
  land	
  7-­‐11).	
  The	
  MOI	
  
was	
  amplified	
  using	
  PCR	
  with	
  oligonucleotide	
  primers	
  RDP	
  213	
  
and	
  214.	
  Lane	
  1,	
  molecular	
  weight	
  markers	
  (New	
  England	
  
Biolabs).	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  43	
  
	
  
Figure	
  3.10.	
  PCR	
  analysis	
  of	
  virus	
  DNA	
  provided	
  by	
  Robert	
  Possee	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  43	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  vi	
  
	
  	
  	
  List	
  of	
  Tables	
  
	
  
Table	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Table	
  Caption	
  	
  	
  	
  	
   	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Page	
  
	
  
	
  
Table	
  2.1	
  	
  	
  	
  	
  	
  Plasmid	
  Transfer	
  Vectors	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  27	
  
	
  
Table	
  2.2:	
  	
  	
  	
  	
  Viruses	
  used	
  in	
  this	
  experiment	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  	
  28	
  
	
  
Table	
  3.1.	
  	
  	
  	
  	
  	
  DNA	
  concentration	
  of	
  virus	
  cells	
  using	
  Nanovue	
  
Spectrophotometer	
  	
  	
  	
  	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  36	
  
	
  
Table	
  3.2.	
  	
  	
  	
  	
  	
  Titration	
  using	
  plaque	
  assay	
  of	
  each	
  virus.	
  	
  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐	
  37	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  vii	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Acknowledgments	
  	
  
	
  
I	
  would	
  like	
  to	
  acknowledge	
  and	
  thank	
  the	
  following	
  individuals	
  who	
  helped	
  
me	
  perform	
  the	
  work	
  presented	
  in	
  this	
  thesis.	
  	
  
	
  
Prof.	
  Possee	
  who	
  was	
  always	
  available	
  to	
  help	
  me	
  and	
  guided	
  me	
  throughout	
  
the	
  research.	
  I	
  thank	
  him	
  for	
  giving	
  me	
  the	
  opportunity	
  to	
  work	
  in	
  his	
  lab.	
  He	
  
has	
  invested	
  significant	
  amounts	
  of	
  time	
  and	
  been	
  a	
  great	
  mentor	
  to	
  me.	
  	
  
	
  
My	
  parent	
  for	
  their	
  support	
  and	
  their	
  encouragement	
  in	
  everything	
  I	
  did.	
  
This	
  master’s	
  research	
  thesis	
  was	
  not	
  possible	
  without	
  my	
  parent’s	
  support	
  
and	
  love.	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  viii	
  
	
   	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  	
   	
  
	
   Declaration	
  
I,	
  Jasvir	
  Kaur	
  declare	
  that	
  this	
  thesis	
  and	
  the	
  work	
  present	
  in	
  it	
  are	
  my	
  own	
  
and	
  have	
  been	
  generated	
  by	
  me	
  as	
  the	
  result	
  of	
  my	
  own	
  original	
  research.	
  
Wherever	
  contributions	
  of	
  others	
  are	
  involved,	
  it	
  is	
  made	
  clear	
  with	
  due	
  
reference	
  to	
  literature.	
  	
  
	
  
The	
  work	
  was	
  performed	
  under	
  the	
  guidance	
  of	
  Prof.	
  Robert	
  Possee,	
  at	
  
Oxford	
  Brookes	
  University.	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  ix	
  
Abstract	
  
	
  
Baculoviruses	
  are	
  mostly	
  found	
  in	
  order	
  Lepidoptera	
  and	
  are	
  found	
  among	
  
600	
  different	
  insect	
  species.	
  Baculoviruses	
  were	
  originally	
  used	
  in	
  
production	
  of	
  insecticides,	
  but	
  now	
  they	
  are	
  widely	
  used	
  for	
  the	
  production	
  
of	
  many	
  recombinant	
  proteins.	
  The	
  baculovirus	
  expression	
  system	
  was	
  
developed	
  decades	
  ago	
  and	
  has	
  improved	
  in	
  expression	
  of	
  foreign	
  genes	
  in	
  
insect	
  cell	
  lines.	
  Cotransfection	
  is	
  commonly	
  used	
  to	
  generate	
  recombinant	
  
viruses.	
  The	
  Sf9	
  cells	
  were	
  co-­‐transfected	
  with	
  the	
  use	
  of	
  flashBAC	
  DNA	
  and	
  
plasmid	
  transfer	
  vectors	
  (pACRP23.lacZ,	
  pAcUK,	
  pOET6.NaV1.4,	
  and	
  
pAcHANA).	
  The	
  populations	
  of	
  the	
  viruses	
  were	
  monitored	
  up	
  to	
  five	
  
passages	
  at	
  both	
  low	
  (0.1)	
  and	
  high	
  (5)	
  moi.	
  The	
  viruses	
  were	
  passaged	
  in	
  
cell	
  culture	
  at	
  5ml,	
  from	
  which	
  the	
  virus	
  particles	
  were	
  purified	
  from	
  and	
  
DNA	
  analysis	
  was	
  performed.	
  	
  The	
  data	
  collected	
  in	
  this	
  study	
  reveals	
  that	
  
two	
  control	
  viruses	
  AcMNPV,	
  AcRP23.lacZ	
  	
  and	
  AcHANA	
  generated	
  in	
  this	
  
study	
  were	
  all	
  genetically	
  stable	
  during	
  passage.	
  However,	
  AcUK,	
  which	
  
contains	
  the	
  mammalian	
  gene	
  urokinase,	
  AcRP23.lacZ	
  (generated	
  in	
  this	
  
study),	
  containing	
  bacterial	
  beta-­‐glacatosidase	
  gene	
  and	
  AcNav1.4,	
  which	
  
contains	
  mammalian	
  Nav1.4	
  gene	
  were	
  found	
  to	
  be	
  genetically	
  unstable.	
  
Thus,	
  nonspecific	
  bands	
  were	
  found	
  in	
  the	
  viruses	
  AcUK	
  and	
  AcRP23.lacZ.	
  
The	
  results	
  with	
  the	
  newly	
  generated	
  AcRP23.lacZ	
  were	
  surprising	
  since	
  the	
  
control	
  virus	
  with	
  the	
  same	
  gene	
  appeared	
  to	
  be	
  stable	
  after	
  passage	
  at	
  both	
  
low	
  and	
  high	
  moi’s.	
  This	
  may	
  be	
  due	
  to	
  defective	
  interfering	
  particles	
  (DIPs)	
  
or	
  few	
  polyhedra	
  (FP)25K	
  mutation.	
  DIP	
  occurs	
  over	
  time	
  during	
  viral	
  
infection	
  and	
  FP25K	
  mutation	
  takes	
  place,	
  if	
  small	
  amount	
  of	
  cells	
  have	
  
  x	
  
polyhedron	
  and	
  ODV,	
  which	
  can	
  cause	
  nonspecific	
  bands	
  to	
  occur.	
  The	
  
verification	
  of	
  plasmid	
  cell	
  DNA	
  in	
  the	
  cotransfected	
  cells	
  all	
  had	
  high	
  
molecular	
  weight	
  bands.	
  The	
  PCR	
  analysis	
  of	
  the	
  plasmid	
  DNA	
  showed	
  no	
  
such	
  results	
  among	
  AcUK,	
  AcRP23.lacZ,	
  and	
  AcNaV1.4.	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  xi	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Table	
  of	
  Abbreviations	
  
	
  
AcMNPV:	
  	
  	
  	
  	
  Autographa	
  californica	
  nucleopolyhedrovirus	
  
BAC:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  bacterial	
  artificial	
  chromosome	
  	
  
BEVs:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  baculovirus	
  expression	
  vectors	
  	
  
bp:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  base	
  pairs	
  	
  	
  	
  
BV: budded virions	
  
DNA:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  deoxyribonucleic	
  acid	
  
DI:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  defective	
  interfering	
  
dpi:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  days	
  post	
  infection	
  
FCS:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  foetal	
  calf	
  serum	
  
Fp25k:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Autographa	
  californica	
  multiple	
  nucleopolyhedrovirus	
  with	
  the	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
fp25k	
  gene	
  removed	
  
FP:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  few	
  polyhedra	
  
Gp64:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  globular	
  protein	
  64	
  
GV:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  granulovirus	
  	
  
H:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  hours	
  
hpi:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  hours	
  post	
  infection	
  
LB:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  luria	
  broth	
  
MOI:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  multiplicity	
  of	
  infection	
  
NPV:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  nucleopolyhedrovirus	
  
N-­‐terminal:	
  	
  	
  amino-­‐termina	
  
OBs:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  occlusion	
  bodies	
  
ODV:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  occlusion-­‐derived	
  virions	
  
ORF:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  open	
  reading	
  frame	
  	
  	
  
P10:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  baculovirus	
  10	
  kDa	
  protein	
  	
  
PBS:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  phosphate	
  buffered	
  saline	
  	
  
PCR:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  polymerase	
  chain	
  reaction	
  	
  
PE:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  polyhedral	
  envelope	
  	
  
PFU:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  plaque	
  forming	
  units	
  
pi:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  post-­‐infection	
  
Polh:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  polyhedrin	
  	
  	
  
rpm:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  rotations	
  per	
  minute	
  	
  
  xii	
  
Sf:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Spodoptera	
  frugiperda	
  
T.	
  ni:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Trichoplusi	
  ni	
  
TBS:	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  tris	
  buffered	
  saline	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  1	
  
Overview	
  of	
  Baculoviruses	
  	
  
	
  
Baculoviruses	
  are	
  commonly	
  found	
  in	
  nature.	
  They	
  are	
  large	
  DNA	
  viruses	
  
isolated	
  from	
  arthropods	
  found	
  on	
  land	
  and	
  in	
  aquatic	
  environments.	
  They	
  
mainly	
  tend	
  to	
  infect	
  butterflies,	
  moths,	
  sawflies,	
  wasps,	
  flies	
  and	
  beetles.	
  
However,	
  most	
  baculoviruses	
  have	
  been	
  isolated	
  from	
  species	
  in	
  the	
  order	
  
Lepidoptera.	
  	
  They	
  are	
  believed	
  to	
  have	
  coevolved	
  with	
  their	
  insect	
  hosts	
  
over	
  millions	
  of	
  years.	
  	
  Baculoviruses	
  have	
  the	
  ability	
  to	
  survive	
  easily	
  in	
  soil	
  
or	
  in	
  clefts	
  of	
  plants	
  for	
  long	
  periods	
  (decades)	
  since	
  they	
  have	
  the	
  capability	
  
of	
  surviving	
  outside	
  their	
  host	
  within	
  highly	
  resistant	
  protein	
  occlusion	
  
bodies.	
  The	
  recent	
  literature	
  claims	
  that	
  baculovirus	
  diseases	
  are	
  found	
  in	
  
more	
  than	
  600	
  different	
  insect	
  species.	
  New	
  information	
  is	
  also	
  emerging	
  
about	
  the	
  genetic	
  diversity	
  of	
  baculoviruses.	
  The	
  gene	
  organization	
  of	
  NPVs	
  
is	
  conserved,	
  but	
  the	
  existence	
  or	
  truancy	
  of	
  auxiliary	
  genes	
  can	
  result	
  in	
  
variation	
  among	
  the	
  viruses.	
  
Baculoviruses	
  were	
  originally	
  studied	
  for	
  their	
  use	
  as	
  biological	
  
insecticides.	
  Each	
  baculovirus	
  isolate	
  only	
  infects	
  particular	
  species	
  and	
  will	
  
not	
  harm	
  non-­‐	
  invertebrate	
  hosts.	
  Hence	
  they	
  are	
  regarded	
  as	
  very	
  safe	
  
viruses.	
  	
  This	
  was	
  a	
  major	
  advantage	
  in	
  their	
  second	
  main	
  use.	
  Currently	
  
they	
  are	
  also	
  widely	
  employed	
  as	
  gene	
  expression	
  vectors	
  to	
  make	
  
recombinant	
  proteins	
  and	
  as	
  vectors	
  for	
  mammalian	
  cell	
  transduction,	
  
where	
  genes	
  are	
  introduced	
  under	
  control	
  of	
  promoters	
  active	
  in	
  the	
  target	
  
cells.	
  	
  
One	
  of	
  the	
  most	
  widely	
  studied	
  members	
  of	
  the	
  family	
  Baculoviridae	
  
is	
  Autographa	
  californica	
  multiple	
  nucleopolyhedrovirus	
  (AcMNPV),	
  as	
  it	
  
infects	
  around	
  30	
  species	
  belonging	
  to	
  the	
  lepidoptera.	
  Most	
  studies	
  of	
  virus	
  
structure	
  have	
  been	
  based	
  on	
  this	
  isolate.	
  Baculovirus	
  nucleocapsids	
  are	
  
rod-­‐shaped	
  and	
  contain	
  double	
  stranded	
  circular	
  genome	
  DNA.	
  Some	
  of	
  the	
  
features	
  of	
  baculoviruses	
  include	
  two	
  types	
  of	
  virions:	
  occlusion-­‐derived	
  
virions	
  (ODV)	
  with	
  occlusion	
  bodies	
  –responsible	
  for	
  horizontal	
  
transmission	
  between	
  insects	
  and	
  budded	
  virions	
  (BV)-­‐	
  known	
  to	
  spread	
  
virus	
  from	
  cell	
  to	
  cell	
  within	
  a	
  host	
  insect.	
  	
  The	
  baculoviruses	
  are	
  capable	
  of	
  
  2	
  
expressing	
  foreign	
  genes	
  in	
  baculovirus	
  expression	
  vector	
  system	
  (BEVS),	
  as	
  
they	
  are	
  nuclear-­‐replicating	
  DNA	
  viruses	
  that	
  encode	
  DNA	
  directed	
  RNA	
  
polymerase,	
  which	
  is	
  used	
  to	
  transcribe	
  late	
  and	
  very	
  late	
  genes	
  (Clem	
  &	
  
Passarelli,	
  2013).	
  The	
  BEVS	
  has	
  been	
  used	
  to	
  express	
  genes	
  from	
  plants,	
  
fungi,	
  bacteria,	
  and	
  viruses	
  in	
  insect	
  cells.	
  One	
  of	
  the	
  benefits	
  of	
  
baculoviruses	
  is	
  that	
  they	
  have	
  large	
  genomes,	
  which	
  allows	
  easy	
  insertion	
  
of	
  the	
  foreign	
  genes.	
  The	
  basis	
  of	
  the	
  system	
  is	
  the	
  removal	
  of	
  the	
  occlusion	
  
body	
  protein	
  gene	
  (polyhedron)	
  and	
  its	
  replacement	
  with	
  a	
  foreign	
  coding	
  
region.	
  	
  
	
  
	
   An	
  important	
  aspect	
  of	
  the	
  BEVs	
  is	
  the	
  method	
  used	
  to	
  insert	
  genes	
  
into	
  the	
  recombinant	
  virus.	
  flashBACTM	
  produced	
  by	
  Oxford	
  Expression	
  
technologies	
  has	
  reduced	
  the	
  time	
  to	
  produce	
  recombinant	
  viruses	
  to	
  a	
  one	
  
step	
  process	
  (Possee	
  et	
  al.,	
  2008).	
  However,	
  it	
  is	
  also	
  important	
  that	
  we	
  have	
  
a	
  better	
  understanding	
  of	
  the	
  stability	
  of	
  these	
  viruses	
  as	
  they	
  are	
  passaged	
  
in	
  insect	
  cells	
  to	
  generate	
  infectious	
  stocks	
  used	
  for	
  subsequent	
  recombinant	
  
protein	
  production.	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  3	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Chapter	
  1-­‐	
  Insight	
  of	
  Baculoviruses	
  
	
  
1.1	
  History	
  
	
   	
  
Baculoviruses	
  do	
  not	
  cause	
  any	
  infection	
  in	
  humans,	
  mammals	
  and	
  
researchers	
  have	
  known	
  of	
  their	
  existence	
  for	
  several	
  hundred	
  years.	
  The	
  
earliest	
  information	
  on	
  baculoviruses	
  can	
  be	
  traced	
  in	
  ancient	
  Chinese	
  
literature,	
  which	
  describes	
  the	
  culture	
  of	
  silkworms.	
  Marco	
  Vida	
  of	
  Cremona,	
  
an	
  Italian	
  bishop	
  of	
  16th	
  century,	
  provided	
  the	
  first	
  explanation	
  of	
  
baculovirus	
  disease.	
  He	
  described	
  the	
  disease	
  of	
  silk	
  worms	
  in	
  a	
  poem	
  called,	
  
“De	
  Bombyce”.	
  In	
  the	
  poem	
  he	
  described	
  the	
  symptoms	
  of	
  the	
  infection.	
  
Baculoviruses	
  were	
  not	
  observed	
  directly	
  until	
  19th	
  century.	
  Polyhedral	
  
crystals	
  were	
  observed	
  by	
  microscopy	
  and	
  associated	
  with	
  disease	
  in	
  
insects.	
  During	
  research	
  carried	
  out	
  in	
  the	
  20th	
  century,	
  it	
  was	
  found	
  that	
  the	
  
virus	
  particles	
  are	
  embedded	
  in	
  the	
  polyhedral	
  crystals.	
  In	
  addition	
  it	
  was	
  
found	
  that	
  baculoviruses	
  played	
  a	
  major	
  role	
  in	
  regulating	
  insect	
  
populations.	
  The	
  granuloviruses	
  (GVs)	
  were	
  also	
  identified.	
  In	
  comparison	
  
to	
  nucleopolyhedrovirus	
  (NPV),	
  the	
  GVs	
  are	
  found	
  to	
  be	
  small	
  and	
  granular.	
  
They	
  contain	
  only	
  one	
  virion	
  per	
  occlusion	
  body.	
  During	
  the	
  same	
  period,	
  
baculoviruses	
  were	
  observed	
  and	
  were	
  affecting	
  the	
  insect	
  pest.	
  Introducing	
  
baculoviruses	
  in	
  North	
  America	
  effectively	
  controlled	
  sawfly.	
  From	
  the	
  early	
  
1950’s	
  to	
  1975,	
  the	
  development	
  of	
  baculovirus	
  as	
  control	
  agents	
  of	
  insect	
  
pests	
  was	
  on	
  the	
  rise.	
  	
  
	
   From	
  1970	
  to	
  1985,	
  various	
  pathological	
  and	
  genetic	
  understandings	
  
of	
  baculoviruses	
  were	
  developed.	
  Discovering	
  the	
  fact	
  that	
  there	
  are	
  two	
  
different	
  forms	
  of	
  baculoviruses,	
  a	
  budded	
  virus	
  (BV)	
  and	
  occluded	
  virus	
  
(OV)	
  form	
  was	
  important	
  in	
  realizing	
  the	
  behavior	
  of	
  the	
  virus.	
  The	
  behavior	
  
helped	
  in	
  cell	
  cultures	
  and	
  in	
  insect	
  host	
  pathology.	
  OV	
  are	
  more	
  infectious	
  
in	
  the	
  mid-­‐gut	
  of	
  an	
  insect,	
  while	
  BV	
  spreads	
  the	
  infections	
  in	
  cell	
  cultures	
  or	
  
in	
  other	
  tissues.	
  	
  
	
   The	
  most	
  studied	
  member	
  of	
  the	
  Baculoviridae	
  family	
  is	
  Autographa	
  
californica	
  nucleopolyhedrovirus	
  (AcMNPV).	
  It	
  became	
  popular	
  for	
  study	
  
because	
  it	
  was	
  easy	
  to	
  grow	
  in	
  cell	
  cultures.	
  In	
  1979,	
  National	
  Institutes	
  of	
  
  4	
  
Health	
  allowed	
  cloning	
  of	
  baculovirus	
  in	
  Escherichia	
  coli.	
  The	
  cloning	
  was	
  
used	
  to	
  analyze	
  particular	
  genes	
  and	
  their	
  functions.	
  The	
  usefulness	
  of	
  
baculovirology	
  led	
  to	
  major	
  success	
  in	
  human	
  gene	
  therapy,	
  molecular	
  
biology	
  and	
  genetics	
  with	
  cell	
  culturing.	
  It	
  also	
  led	
  to	
  mass	
  production	
  of	
  
pesticides	
  for	
  the	
  benefit	
  in	
  the	
  field	
  of	
  agriculture.	
  	
  
	
  
1.2	
  Classification	
  
	
  
	
   The	
  Baculoviridae	
  viruses	
  are	
  rod-­‐shaped	
  with	
  circular	
  double	
  
stranded	
  DNA	
  genome	
  of	
  88-­‐180	
  kbp,	
  consisting	
  of	
  up	
  to	
  180	
  genes,	
  in	
  a	
  rod-­‐
shaped	
  virus	
  particle	
  with	
  the	
  size	
  of	
  200-­‐400nm	
  in	
  length	
  and	
  36nm	
  wide	
  
(Cheng	
  et	
  al.,	
  2013).	
  These	
  viruses	
  are	
  categorized	
  as	
  arthropod-­‐specific	
  
viruses.	
  (Shi	
  et	
  al.,	
  2015).	
  There	
  are	
  two	
  virion	
  pheotypes	
  found	
  in	
  
baculoviruses	
  occlusion-­‐derived	
  virion	
  (ODV)	
  and	
  budded	
  virions	
  (BV).	
  
Budded	
  virion	
  (BV)-­‐	
  spreads	
  the	
  infecton	
  from	
  tissue	
  to	
  tissue	
  and	
  occlusion	
  
derived	
  virion	
  (ODV),	
  which	
  is	
  consumed	
  via	
  oral	
  route	
  and	
  spreads	
  
infection	
  between	
  individual	
  insects.	
  In	
  the	
  two	
  virions,	
  the	
  nucleocapsid	
  
protein	
  and	
  genetic	
  material	
  are	
  identical	
  to	
  each	
  other.	
  Both	
  of	
  the	
  virions	
  
are	
  formed	
  in	
  the	
  	
  virogenic	
  stroma	
  (VS)	
  (Shi	
  et	
  al.,	
  2015).	
  	
  ODV	
  are	
  occluded	
  
in	
  a	
  crystalline	
  protein	
  matrix	
  to	
  form	
  granules	
  or	
  polyhedra.	
  The	
  viruses	
  
that	
  form	
  ganules	
  are	
  known	
  as	
  	
  granuloviruses	
  and	
  the	
  viruses	
  that	
  form	
  
polyhedra	
  are	
  known	
  as	
  nucleopolyhedroviruses	
  (NPVs).	
  	
  Granuloviruses	
  
produce	
  small	
  occlusion	
  bodies	
  (OBs)	
  ranging	
  between	
  the	
  size	
  of	
  (0.13-­‐
0.50μm),	
  containing	
  one	
  to	
  two	
  encapsulated	
  virions	
  in	
  a	
  protein	
  known	
  as	
  
granulin(Jehle	
  et	
  al.,	
  2006).	
  
Nucleopolyhedroviruses	
  produce	
  occlusion	
  bodies	
  ranging	
  from	
  
(0.15	
  to	
  3μm)	
  and	
  they	
  contain	
  many	
  ODVs	
  (Jehle	
  et	
  al.,	
  2006).	
  NPVs	
  have	
  
been	
  commonly	
  found	
  among	
  insect	
  orders	
  Lepidoptera,	
  Diptera	
  and	
  
Hymenoptera,	
  while	
  GVs	
  have	
  been	
  only	
  found	
  among	
  Lepidoptera.	
  	
  For	
  a	
  
long	
  time,	
  baculoviruses	
  have	
  been	
  classified	
  into	
  two	
  groups	
  granuloviruses	
  
(GVs)	
  and	
  nucleopolyhedroviruses	
  (NPVs)	
  (Kelly	
  et	
  al.,	
  2008).	
  The	
  
Baculoviridae	
  family	
  is	
  sectioned	
  into	
  four	
  generas.	
  The	
  Alphabaculoviruses	
  
are	
  lepidoperan-­‐specific	
  nuclopolyhedroviruses	
  with	
  either	
  single	
  or	
  
multipe	
  nuclocapsids,	
  which	
  produces	
  both	
  BV	
  and	
  ODV	
  (Jehle	
  et	
  al.,	
  2006).	
  
  5	
  
The	
  Betabaculoviruses	
  are	
  composed	
  of	
  lepidoteran	
  specific	
  genus	
  
Granulovirus	
  and	
  also	
  produces	
  both	
  BV	
  and	
  ODV.	
  Deltabaculoviruses	
  and	
  
Gammabculoviruses	
  are	
  made	
  up	
  of	
  NPVs	
  that	
  only	
  infect	
  dipteran	
  and	
  
hymenopteran	
  (Jehle	
  et	
  al.,	
  2006).	
  	
  The	
  phylogentic	
  tree	
  shown	
  below	
  in	
  
Figure	
  1.1	
  shows	
  the	
  division	
  of	
  Baculoviridae	
  family.	
  	
  
	
  
	
  
Figure	
  1.5.	
  The	
  above	
  phylogenetic	
  tree	
  indicates	
  the	
  division	
  of	
  four	
  groups	
  in	
  baculovirus	
  
family.	
  It	
  indicates	
  amino	
  acids	
  of	
  29	
  baculoviruses	
  genes	
  derived	
  from	
  29	
  sequenced	
  
baculovirus	
  genomes	
  (Jehle	
  et	
  al.,	
  2006).	
  	
  	
  
	
  
1.3	
  Baculovirus	
  protein	
  structure	
  
	
  
The	
  baculoviruses	
  have	
  the	
  potential	
  to	
  encode	
  more	
  than	
  150	
  proteins	
  due	
  
to	
  their	
  large	
  genomes	
  (Ahrens	
  et	
  al.,	
  1997).	
  The	
  viral	
  particles	
  consist	
  of	
  
nucleocapsids	
  of	
  which	
  the	
  DNA	
  is	
  associated	
  with	
  the	
  p6.9	
  protein,	
  which	
  is	
  
a	
  54	
  amino	
  acid	
  protein.	
  In	
  additon,	
  vp39	
  has	
  also	
  been	
  recognized,	
  which	
  is	
  
about	
  39	
  kDa	
  and	
  forms	
  most	
  of	
  the	
  capsid	
  structure.	
  	
  The	
  occlusion	
  bodies,	
  
budded	
  virus	
  (BV)	
  and	
  occlusion	
  derived	
  virus	
  (ODV)	
  envelopes	
  and	
  
proteins	
  are	
  building	
  blocks	
  of	
  nucleocapsids	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  	
  One	
  of	
  the	
  
best	
  characterised	
  baculovirus	
  protein	
  is	
  group	
  I	
  NPV	
  gp64,	
  this	
  protein	
  is	
  
  6	
  
important	
  for	
  BV	
  infectivity	
  but	
  genome	
  sequence	
  analysis	
  indicateded	
  that	
  
many	
  baculoviruses	
  lack	
  homologs	
  of	
  the	
  gp64	
  gene(Rohrmann,	
  2013).	
  It	
  
was	
  later	
  discovered	
  that	
  those	
  that	
  lack	
  gp64	
  possess	
  a	
  different	
  protein,	
  
called	
  F	
  (fusion)	
  protein	
  (e.g.	
  LD130	
  from	
  Lymantria	
  dispar	
  MNPV)	
  
Granuloviruses	
  and	
  group	
  II	
  NPVs	
  do	
  not	
  have	
  GP64,	
  therefore	
  the	
  F	
  protein	
  
is	
  used	
  as	
  an	
  alternative	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  It	
  is	
  assumed	
  that	
  group	
  I	
  
viruses	
  use	
  GP64	
  to	
  enter	
  BV	
  into	
  cells,	
  while	
  the	
  baculoviruses	
  that	
  lack	
  
gp64	
  homolog	
  use	
  F	
  protein	
  as	
  their	
  envelope	
  protein	
  (Figure	
  1.2)	
  
(Rohrmann,	
  2013).	
  	
  
	
  
	
  
Figure	
  1.6.	
  Group	
  I	
  has	
  both	
  GP64	
  and	
  F	
  while	
  Group	
  II	
  only	
  has	
  F	
  protein	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  	
  
	
  
1.4	
  Genome	
  of	
  AcMNPV	
  	
  
The	
  AcMNPV	
  was	
  first	
  described	
  in	
  the	
  early	
  1970s	
  and	
  a	
  decade	
  later	
  
genetic	
  research	
  was	
  done.	
  The	
  genetic	
  research	
  was	
  influenced	
  by	
  virus	
  
replication	
  in	
  cells	
  from	
  Spodoptera	
  frugiperda	
  and	
  Trichoplusia	
  ni	
  
(Rohrmann,	
  2013).	
  These	
  discoveries	
  lead	
  to	
  the	
  development	
  of	
  a	
  bacmid	
  
system,	
  which	
  produced	
  recombinant	
  virus	
  with	
  transposition	
  plasmids	
  in	
  
the	
  AcMNPV	
  genome	
  in	
  artificial	
  bacterial	
  chromosome.	
  The	
  artificial	
  
bacterial	
  chromosome	
  replicated	
  the	
  entire	
  AcMNPV	
  genome	
  in	
  bacteria	
  
(Rohrmann,	
  2013).	
  This	
  technology	
  allowed	
  specific	
  deletion	
  gene	
  knockout	
  
  7	
  
in	
  bacteria,	
  which	
  could	
  later	
  be	
  investigated	
  with	
  the	
  use	
  of	
  transfection	
  in	
  
insect	
  cells	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  AcMNPV	
  is	
  a	
  vector	
  that	
  is	
  used	
  frequently	
  
for	
  recombinant	
  protein	
  production	
  in	
  baculovirus	
  expression	
  system	
  
(Harrison,	
  2009).	
  AcMNPV	
  infections	
  have	
  been	
  reported	
  in	
  43	
  lepidopteron	
  
species	
  belonging	
  to	
  11	
  different	
  families	
  caused	
  by	
  AcMNPV.	
  The	
  first	
  fully	
  
sequenced	
  AcMNPV	
  was	
  the	
  C6	
  clone	
  (Ayreus	
  et	
  al.,1994).	
  The	
  genome	
  of	
  
AcMNPV	
  contains	
  a	
  133.9	
  kbp,	
  circular	
  double	
  stranded	
  DNA	
  genome	
  in	
  rod-­‐
shaped	
  virion	
  (Lee,	
  et	
  al.,	
  2015).	
  	
  	
  AcMNPV	
  is	
  also	
  made	
  up	
  of	
  about	
  154	
  
ORFs,	
  which	
  have	
  little	
  redundant	
  sequence	
  between	
  them	
  (Dickison	
  et	
  al.,	
  
2012).	
  	
  AcMNPV	
  lead	
  to	
  the	
  development	
  of	
  the	
  original	
  baculovirus-­‐insect	
  
cell	
  expression	
  system.	
  	
  
	
  
Figure1.3.	
  AcMNPV's	
  genetic	
  map.	
  Adapted	
  from	
  (Maciag,	
  Olszowka,	
  &Klein,2014)	
  
	
  
	
  
1.5	
  Baculovirus	
  replication	
  	
  
	
  
The	
  replication	
  cycle	
  consists	
  of	
  two	
  type	
  of	
  virions,	
  one	
  known	
  as	
  occluded	
  
and	
  the	
  other	
  as	
  budded.	
  The	
  occluded	
  is	
  responsible	
  for	
  infection	
  and	
  
stability	
  in	
  insects	
  midgut	
  cells.	
  Whereas	
  the	
  budded	
  virions	
  are	
  only	
  
responsible	
  in	
  spreading	
  the	
  infection	
  from	
  cell	
  to	
  cell.	
  The	
  replication	
  starts	
  
when	
  the	
  occlusion	
  body	
  is	
  absorbed	
  by	
  the	
  insect.	
  The	
  viral	
  particles	
  are	
  
  8	
  
then	
  released	
  inside	
  insects	
  midgut	
  due	
  to	
  high	
  pH	
  (Figure	
  1.4).	
  The	
  viral	
  
particles	
  (ODV)	
  after	
  being	
  released,	
  infect	
  three	
  different	
  cell	
  types,	
  such	
  as	
  	
  
regenerative(R	
  ),	
  columnar	
  epithelium	
  (CE),	
  and	
  goblet	
  cells	
  (G).	
  (McCarthy	
  
&	
  Theilmann,	
  2008).	
  	
  
	
  
Figure	
  1.4.	
  Baculovirus	
  infection	
  in	
  insect	
  larvae	
  (O’Reilly	
  et	
  al.,	
  1994)	
  
	
  
The	
  replication	
  system	
  for	
  OB	
  and	
  NPVs	
  differ,	
  first	
  it	
  produces	
  budded	
  virus	
  
and	
  then	
  it	
  goes	
  onto	
  developing	
  occluded	
  form.	
  At	
  around	
  12	
  hour	
  post-­‐
infection	
  (h	
  p.i),	
  nucleocapsids	
  buds	
  through	
  plasma	
  membrane,	
  further	
  
enveloping	
  the	
  BV	
  (Figure	
  1.4).	
  After	
  20	
  h	
  p.	
  i.,	
  ODVs	
  tend	
  to	
  form	
  
nucleocapsids	
  and	
  then	
  they	
  are	
  transported	
  between	
  nuclear	
  membrane	
  
and	
  VS.	
  Hence,	
  it	
  forms	
  occlusion	
  bodies	
  or	
  polyhedra	
  (Shi	
  et	
  al.,	
  2015).	
  The	
  
genetic	
  expression	
  is	
  also	
  divided	
  into	
  three	
  phases:	
  early,	
  late	
  and	
  very	
  late.	
  
In	
  the	
  late	
  phase	
  of	
  the	
  infection,	
  production	
  of	
  budded	
  virus	
  starts	
  and	
  the	
  
production	
  of	
  polyhedron	
  begin	
  in	
  the	
  very	
  late	
  phase	
  (Kelly	
  et	
  al.,	
  2008).	
  	
  
	
  
The	
  NPV	
  virus	
  are	
  found	
  in	
  the	
  matrix	
  of	
  polyhedra	
  and	
  they	
  can	
  remain	
  
stable	
  in	
  the	
  environment	
  (Lynn,	
  2003).	
  When	
  the	
  larvae	
  eats	
  the	
  occlusion	
  
bodies,	
  the	
  ODVs	
  are	
  then	
  released	
  in	
  the	
  midgut	
  alkaline	
  environment.	
  This	
  
phenomenon	
  leads	
  to	
  infection	
  in	
  the	
  epithelium(Cheng	
  et	
  al.,	
  2013,	
  Lynn,	
  
2003).	
  	
  The	
  ODV	
  then	
  attaches	
  to	
  the	
  microvilli	
  of	
  the	
  midgut	
  leading	
  to	
  an	
  
infection.	
  The	
  infection	
  spreads	
  with	
  budded	
  virus	
  (BV)	
  from	
  midgut	
  to	
  
other	
  tissues	
  (Figure	
  1.5)(Lynn,	
  2003).	
  Occluded	
  virus	
  is	
  responsible	
  for	
  
causing	
  the	
  primary	
  infection	
  and	
  only	
  infects	
  insect-­‐to-­‐insect	
  transmission	
  
of	
  the	
  virus.	
  The	
  BVs	
  bud	
  out	
  from	
  infected	
  cells	
  acquiring	
  their	
  envelopes	
  
  9	
  
from	
  the	
  plasma	
  membranes,	
  thereafter	
  it	
  continues	
  to	
  cause	
  infection	
  to	
  
other	
  tissues	
  (Cheng	
  et	
  al.,	
  2013).	
  The	
  ODVs	
  are	
  found	
  occluded	
  in	
  protein-­‐	
  
polyhedra,	
  which	
  consists	
  of	
  29	
  kDa	
  polyhedrin	
  protein	
  (Cheng	
  et	
  al.,	
  2013).	
  	
  	
  
The	
  ODV	
  obtain	
  their	
  envelope	
  from	
  the	
  	
  protein	
  FP25K	
  from	
  inside	
  nuclear	
  
membrane	
  (INM)	
  (Cheng	
  et	
  al.,	
  2013).	
  	
  The	
  FP25K	
  is	
  found	
  in	
  the	
  cytoplasm	
  
and	
  nuclei	
  of	
  AcMNPV-­‐	
  infected	
  cells	
  (Harrison	
  &	
  Summers,	
  1995a).	
  
Polyhedrin	
  and	
  granulin	
  are	
  very	
  similar	
  to	
  each	
  other	
  and	
  are	
  major	
  
components	
  of	
  occlusion	
  bodies.	
  	
  Polyhedrins	
  are	
  one	
  of	
  the	
  abundant	
  
proteins	
  found	
  in	
  the	
  infected	
  baculovirus	
  cells.	
  They	
  tend	
  to	
  form	
  
crystalline	
  cubic	
  lattice	
  that	
  is	
  enclosed	
  by	
  virions	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  The	
  
polyhedron	
  envelope	
  (PE)	
  or	
  calyx	
  is	
  what	
  surrounds	
  polyhedra	
  	
  
(Rohrmann,	
  2013).	
  The	
  function	
  of	
  PE	
  is	
  to	
  increase	
  the	
  stability	
  and	
  seal	
  the	
  
surface.	
  When	
  polyhedra	
  are	
  given	
  alkaline	
  treatment,	
  the	
  crystalline	
  lattice	
  
dissolves	
  but	
  polyhedron	
  envelope	
  does	
  not	
  and	
  that	
  is	
  where	
  all	
  the	
  virions	
  
are	
  trapped	
  	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  Those	
  viruses	
  that	
  do	
  not	
  sysnthesize	
  
occluded	
  form	
  are	
  known	
  as	
  “nonoccluded”	
  baculoviruses.	
  The	
  PE	
  protein	
  is	
  
linked	
  to	
  p10	
  fibrillar	
  and	
  it	
  is	
  required	
  for	
  assembly	
  of	
  the	
  polyhedron	
  
envelope	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  	
  If	
  p10	
  is	
  deleted	
  it	
  causes	
  reduction	
  in	
  lysising	
  
of	
  cells	
  and	
  increase	
  in	
  virus.	
  The	
  deletion	
  of	
  p10	
  gene	
  makes	
  a	
  positive	
  
impact	
  on	
  recombinant	
  protein	
  production	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  The	
  
homologs	
  of	
  p10	
  are	
  found	
  in	
  all	
  group	
  I	
  and	
  II	
  NPVs	
  and	
  also	
  among	
  some	
  
GVs.	
  Although	
  the	
  exact	
  funtion	
  of	
  p10	
  (10kDA)	
  is	
  still	
  unknown	
  in	
  previous	
  
studies	
  it	
  was	
  concluded	
  that	
  knock-­‐out	
  of	
  p10	
  function	
  by	
  lacZ	
  had	
  no	
  
impact	
  on	
  polyhedral	
  envelope	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  	
  	
  Although	
  it	
  is	
  not	
  
proven	
  it	
  is	
  thought	
  that	
  P10	
  may	
  help	
  polyhedra	
  bundle	
  separate	
  into	
  
individual	
  particles	
  to	
  spread	
  in	
  the	
  environment	
  and	
  thus	
  aid	
  horizontal	
  
transmission.	
  However,	
  OB	
  bundles	
  spread	
  easily	
  if	
  p10	
  orf	
  is	
  deleted	
  
(Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  	
  	
  
	
  
  10	
  
	
  
Figure	
  1.5.	
  Baculovirus	
  structure	
  (Maciag,	
  Olszowka,	
  &	
  Klein,	
  2014)	
  
	
  
1.6	
  Virus	
  replication	
  in	
  vivo	
  
	
  
Infection	
  in	
  vivo	
  occurs	
  when	
  the	
  alkali-­‐soluble	
  occlusion	
  body	
  is	
  ingested	
  by	
  
a	
  host	
  and	
  dissolves	
  in	
  the	
  high	
  pH	
  of	
  the	
  insect’s	
  midgut,	
  thus	
  releasing	
  
virions.	
  	
  In	
  the	
  first	
  stage	
  of	
  the	
  infection	
  BV	
  are	
  produced.	
  This	
  further	
  
spreads	
  the	
  infection	
  from	
  cell	
  to	
  cell	
  in	
  the	
  insect.	
  The	
  nucleocapsids	
  are	
  
then	
  transported	
  from	
  nucleus	
  to	
  the	
  cytoplasm.	
  From	
  cytoplasm,	
  the	
  
nucleocapsids	
  obtain	
  an	
  envelope	
  when	
  they	
  bud	
  through	
  the	
  plasma	
  
membrane.	
  The	
  membrane	
  has	
  been	
  modified	
  by	
  the	
  glycoprotein	
  known	
  as	
  
gp64.	
  At	
  the	
  later	
  stage	
  of	
  the	
  infection,	
  the	
  virions	
  stay	
  within	
  the	
  nuclei	
  of	
  
the	
  cell	
  where	
  they	
  become	
  occluded.	
  Theses	
  occluded	
  virions	
  are	
  then	
  
released	
  from	
  decaying	
  insect	
  and	
  contaminate	
  foliage.	
  Thereafter	
  other	
  
insects	
  consume	
  the	
  foliage.	
  The	
  total	
  infection	
  time	
  takes	
  around	
  5-­‐7	
  days.	
  
During	
  the	
  infection	
  stage,	
  the	
  host	
  goes	
  through	
  various	
  phases.	
  In	
  the	
  first	
  
phase	
  the	
  skin	
  tends	
  to	
  swell	
  and	
  a	
  change	
  is	
  observed	
  in	
  the	
  luster	
  of	
  the	
  
skin.	
  In	
  the	
  second	
  stage,	
  the	
  muscular	
  tissues	
  dissolve	
  and	
  thereafter	
  the	
  
larva	
  becomes	
  a	
  pouch	
  of	
  fluid.	
  In	
  the	
  final	
  stage,	
  the	
  larva	
  bursts	
  and	
  
releases	
  polyhedral	
  particles.	
  	
  
	
   The	
  two	
  viral	
  structures	
  are	
  different	
  in	
  their	
  composition,	
  although	
  
their	
  nucleocapsids	
  are	
  similar.	
  The	
  differences	
  among	
  these	
  viruses	
  exist	
  
due	
  to	
  their	
  different	
  functionality.	
  For	
  example	
  the	
  BV	
  tends	
  to	
  infect	
  insect	
  
tissues,	
  while	
  the	
  envelope	
  of	
  ODV	
  is	
  responsible	
  for	
  midgut	
  infection.	
  It	
  also	
  
plays	
  an	
  important	
  role	
  while	
  interacting	
  with	
  polyhedron	
  structure.	
  The	
  
  11	
  
ODV	
  occluded	
  form	
  is	
  considered	
  to	
  be	
  stable	
  in	
  harsh	
  environment	
  of	
  the	
  
insect	
  gut.	
  Thus,	
  it	
  spreads	
  the	
  infection	
  from	
  one	
  insect	
  to	
  another	
  over	
  the	
  
period	
  of	
  one	
  year.	
  	
  
	
  
1.7	
  Entry	
  into	
  the	
  nuclei	
  
	
  
After	
  the	
  virus	
  enters	
  the	
  cell,	
  the	
  NPV	
  nucleocapsids	
  are	
  taken	
  to	
  the	
  
nuclear	
  membrane,	
  where	
  actin	
  polymerization	
  takes	
  place	
  (Rohrmann,	
  
2013).	
  Many	
  studies	
  suggest	
  that	
  nucleocapsids	
  are	
  carried	
  via	
  nuclear	
  pore.	
  
Even	
  the	
  observation	
  of	
  empty	
  nucleocapsids	
  found	
  in	
  the	
  nuclei	
  of	
  cells	
  
support	
  this	
  evidence	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  Finding	
  nuclocapsids	
  in	
  nuclei,	
  
leads	
  to	
  the	
  suggestion	
  that	
  they	
  do	
  not	
  need	
  cell	
  dividing	
  or	
  neccessity	
  of	
  
nuclear	
  membrane	
  breakdown	
  to	
  migrate	
  into	
  nuclei	
  (Rohrmann,	
  2013;	
  Van	
  
Loo	
  et	
  al.,	
  2001).	
  	
  Studies	
  have	
  found	
  that	
  some	
  baculoviruses	
  inject	
  their	
  
DNA	
  through	
  nuclear	
  pores	
  with	
  the	
  use	
  of	
  fluorescent	
  tag	
  attached	
  to	
  vp39	
  
capsid	
  protein	
  and	
  also	
  to	
  WT	
  vp39	
  protein	
  (Rohrmann,	
  2013;	
  Ohkawa	
  et	
  al.,	
  
2010).	
  	
  The	
  fluorescence	
  was	
  observed	
  inside	
  nuclei	
  and	
  also	
  found	
  that	
  
nucleocapsids	
  restrict	
  to	
  the	
  nuclear	
  pore.	
  Thus,	
  this	
  concludes	
  that	
  
nucleocapsids	
  are	
  transported	
  through	
  nuclear	
  pore	
  complex	
  (Rohrmann,	
  
2013).	
  	
  	
  The	
  nuclear	
  pore	
  have	
  been	
  characterised	
  to	
  have	
  channels	
  of	
  38-­‐78	
  
nm.	
  The	
  virion	
  are	
  measured	
  to	
  be	
  around	
  30-­‐60	
  nm	
  in	
  diameter.	
  Hence,	
  
these	
  measurements	
  allow	
  them	
  to	
  move	
  through	
  the	
  pores	
  (Rohrmann,	
  
2013).	
  
	
  
1.8	
  Exiting	
  the	
  cell	
  nuclei	
  	
  
	
  
The	
  virions	
  have	
  the	
  ability	
  to	
  enter	
  and	
  exit	
  with	
  the	
  use	
  of	
  nuclear	
  pores,	
  
with	
  nucleocapsids	
  injected	
  into	
  Xenopus	
  oocytes.	
  In	
  a	
  previous	
  study,	
  	
  it	
  was	
  
found	
  that	
  treatment	
  by	
  colchicine	
  tends	
  to	
  obstruct	
  the	
  formation	
  of	
  the	
  
microtubule.	
  Further,	
  it	
  leads	
  to	
  the	
  reduction	
  in	
  production	
  in	
  BV.	
  This	
  
process	
  indicates	
  that	
  the	
  structure	
  might	
  play	
  a	
  role	
  in	
  virion	
  movement	
  
out	
  of	
  the	
  cell	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  Kinesin	
  is	
  one	
  of	
  the	
  major	
  protein	
  that	
  
transports	
  material	
  to	
  the	
  cell	
  periphery.	
  The	
  BV	
  has	
  been	
  found	
  to	
  interact	
  
  12	
  
with	
  kinesin,	
  which	
  transports	
  them	
  from	
  microtubules	
  to	
  the	
  cell	
  
membrane	
  (Au,	
  2012;	
  Danguah	
  et	
  al.,	
  2012;	
  Rohrmann,	
  2013).	
  
Nucleocapsids	
  obtain	
  their	
  envelope,	
  which	
  consist	
  of	
  one	
  viral	
  protein	
  
GP16.	
  It	
  happens	
  when	
  the	
  nucleocapsids	
  replicate	
  in	
  the	
  nucleus	
  they	
  are	
  
then	
  released	
  from	
  midgut	
  cells	
  by	
  budding	
  via	
  the	
  nuclear	
  
membrane.(Pearson	
  et	
  al.,	
  2001).	
  The	
  envelope	
  then	
  gets	
  lost	
  on	
  its	
  way	
  to	
  
the	
  cytoplasm	
  and	
  parts	
  of	
  the	
  envelope	
  protein	
  assembly	
  to	
  the	
  plasma	
  
membrane.	
  This	
  contains	
  both	
  GP64	
  (Ac128)	
  and	
  the	
  F	
  protein	
  (Ac23)	
  for	
  
the	
  group	
  I	
  NPVs	
  (Blissard	
  &	
  Rohrmann,	
  1989).	
  The	
  GP64	
  protein	
  modifies	
  
the	
  host	
  membrane,	
  this	
  mechanism	
  then	
  allows	
  the	
  occurrence	
  of	
  virus	
  
budding	
  and	
  secondary	
  infection	
  to	
  take	
  place,	
  which	
  infects	
  midgut	
  cells	
  
(Pearson	
  et	
  al.,	
  2001;	
  Blissard	
  &	
  Rohrmann,	
  1989;	
  Rohrmann,	
  2013).	
  If	
  the	
  
AcMNPV	
  is	
  used	
  to	
  infect,	
  it	
  tends	
  to	
  go	
  toward	
  basal	
  and	
  lateral	
  regions	
  of	
  
the	
  cells	
  allowing	
  the	
  infection	
  to	
  target	
  tissues	
  rather	
  than	
  the	
  gut	
  lumen	
  
(Keddie	
  et	
  al.,	
  1989;	
  Rohrmann,	
  2013).	
  
	
  
1.9	
  Gene	
  expression	
  regulation	
  
	
  
Baculoviruses	
  gene	
  expression	
  is	
  split	
  into	
  three	
  different	
  stages,	
  each	
  one	
  
depends	
  on	
  the	
  prior	
  stage:	
  early,	
  late	
  and	
  very	
  late.	
  The	
  viral	
  RNA	
  
polymerase	
  II	
  transcribes	
  the	
  early	
  genes	
  while	
  RNA	
  polymerase	
  transcribes	
  
late	
  and	
  very	
  late	
  genes	
  (Clem	
  &	
  Passarelli,	
  2013).	
  	
  
	
  
1.9.1	
  Immediate	
  early	
  genes	
  	
  
	
  
The	
  immediate	
  early	
  genes	
  are	
  the	
  ones	
  that	
  can	
  be	
  transcirbed	
  even	
  when	
  
the	
  protein	
  synthesis	
  inhibitors	
  are	
  present,	
  for	
  example	
  cycloheximide	
  
(King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  This	
  stage	
  has	
  been	
  further	
  studied	
  and	
  has	
  been	
  
known	
  that	
  copies	
  of	
  these	
  genes	
  are	
  transcriptionally	
  active	
  when	
  inserted	
  
into	
  plasmids.	
  It	
  should	
  be	
  considered	
  that	
  genes	
  should	
  be	
  active	
  even	
  after	
  
transfection	
  into	
  uninfected	
  insect	
  cells.	
  	
  
  13	
  
1.9.2	
  Delayed	
  early	
  genes	
  	
  
	
  
In	
  the	
  second	
  phase	
  of	
  gene	
  expression,	
  the	
  use	
  of	
  cycloheximide	
  and	
  other	
  
inhibitors	
  is	
  important	
  in	
  defining	
  this	
  stage	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  	
  When	
  
cells	
  are	
  treated	
  with	
  such	
  inhibitors	
  and	
  returned	
  to	
  normal	
  condition,	
  a	
  
pattern	
  of	
  protein	
  expression	
  is	
  observed	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  	
  Some	
  
proteins	
  express	
  instantly	
  when	
  the	
  inhibitors	
  were	
  removed	
  while	
  the	
  
others	
  are	
  expressed	
  after	
  a	
  delay.	
  Thus,	
  it	
  defines	
  the	
  division	
  between	
  
immediate	
  and	
  delayed	
  genes	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  
	
  
1.9.3	
  Late	
  and	
  very	
  late	
  gene	
  
	
  
The	
  third	
  phase,	
  in	
  which	
  the	
  virus	
  genes	
  are	
  expressed	
  in	
  infected	
  cells	
  with	
  
replication	
  of	
  virus	
  DNA	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  	
  If	
  the	
  virus	
  DNA	
  replication	
  
is	
  inhibited	
  by	
  aphidicolin	
  then	
  the	
  late	
  genes	
  are	
  not	
  transcribed.	
  The	
  virus	
  
genes	
  expressed	
  in	
  this	
  stage	
  are	
  those	
  that	
  are	
  encoding	
  structural	
  
elements	
  of	
  the	
  virus	
  particles	
  (basic	
  protein,	
  capsid	
  protein,	
  and	
  the	
  virus	
  
membrane	
  glycoprotein	
  (gp67))	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  	
  The	
  transcription	
  of	
  
these	
  genes	
  begins	
  with	
  RNA	
  polymerase,	
  which	
  is	
  α-­‐	
  amanitin	
  resistant.	
  It	
  is	
  
prompted	
  in	
  the	
  late	
  infection	
  of	
  the	
  cells.	
  	
  The	
  very	
  late	
  genes	
  are	
  
transcribed	
  when	
  the	
  virus	
  is	
  producing	
  occlusion	
  bodies	
  in	
  the	
  nucleus	
  of	
  
an	
  infected	
  cell	
  from	
  15	
  h	
  p.i.	
  onwards.	
  This	
  stage	
  includes	
  polyhedron	
  
protein,	
  which	
  helps	
  in	
  forming	
  the	
  matrix	
  of	
  the	
  occlusion	
  body	
  and	
  p10	
  
protein.	
  Further,	
  it	
  plays	
  the	
  role	
  in	
  the	
  production	
  of	
  polyhedra.	
  The	
  p10	
  
forms	
  crystalline	
  matrix	
  in	
  the	
  nucleus	
  of	
  the	
  infected	
  cells	
  is	
  also	
  associated	
  
with	
  formation	
  of	
  polyhedra.	
  
	
  
1.10	
  Insect	
  Cell	
  lines	
  
	
  
The	
  cell	
  lines	
  that	
  are	
  used	
  in	
  baculovirus-­‐based	
  expression	
  studies	
  are	
  
usually	
  Sf21,	
  Sf9,	
  and	
  Trichoplusia	
  ni	
  (Tn).	
  The	
  two	
  cell	
  lines	
  (Sf21	
  and	
  Sf9)	
  
were	
  obtained	
  from	
  ovarian	
  cells	
  of	
  Spodoptera	
  frugiperda	
  –(fall	
  army	
  
worm)	
  (Haines	
  et	
  al.,	
  2006).	
  The	
  Trichoplusia	
  ni	
  (Tn)	
  were	
  obtained	
  from	
  
  14	
  
adult	
  tissues	
  of	
  cabbage	
  loopers	
  (Hink,	
  1970).	
  	
  T.ni	
  	
  is	
  a	
  very	
  important	
  pest	
  
in	
  agriculture	
  and	
  highly	
  similar	
  to	
  AcMNPV.	
  The	
  Sf-­‐9	
  cells	
  were	
  cloned	
  from	
  
Sf-­‐21	
  cells	
  to	
  provide	
  the	
  maximum-­‐production	
  of	
  Beta-­‐galactosidase	
  during	
  
the	
  process	
  of	
  baculovirus	
  expression.	
  The	
  cells	
  Sf21	
  or	
  Sf9	
  are	
  used	
  for	
  co-­‐
transection,	
  amplification	
  of	
  virus	
  and	
  in	
  plaque	
  assays	
  (Haines	
  et	
  al.,	
  2006).	
  
The	
  insect	
  cells	
  are	
  easier	
  to	
  maintain	
  when	
  compared	
  to	
  mammalian	
  cell.	
  
They	
  can	
  be	
  grown	
  in	
  either	
  a	
  shake	
  or	
  stirred	
  flask,	
  or	
  if	
  monolayer	
  needs	
  to	
  
be	
  maintained	
  T-­‐flasks	
  or	
  culture	
  dishes	
  can	
  be	
  used	
  easily	
  (Haines	
  et	
  al.,	
  
2006).	
  These	
  cell	
  culture	
  lines	
  do	
  not	
  require	
  a	
  CO2	
  incubator,	
  as	
  they	
  can	
  be	
  
easily	
  grown	
  at	
  25OC	
  to	
  30OC	
  temperature	
  (Haines	
  et	
  al.,	
  2006).	
  	
  	
  
	
  
1.11	
  Transfer	
  Vector	
  
	
  
There	
  are	
  many	
  transfer	
  plasmids	
  available	
  which	
  contain	
  different	
  
sequences	
  for	
  various	
  purposes	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  One	
  of	
  the	
  main	
  
purposes	
  of	
  transfer	
  vector	
  is	
  to	
  allow	
  the	
  insertion	
  of	
  a	
  foreign	
  gene	
  of	
  a	
  
specific	
  promoter	
  gene.	
  The	
  transfer	
  vectors	
  are	
  composed	
  of	
  	
  polyhedrin	
  or	
  
p10	
  very	
  late	
  promoters.	
  This	
  then	
  produces	
  high	
  concentration	
  virus	
  within	
  
the	
  infected	
  cells	
  (Possee	
  &	
  King,	
  2007).	
  After	
  the	
  insertion	
  into	
  the	
  virus	
  
genome,	
  the	
  two	
  genes	
  have	
  well	
  characterized	
  promoters	
  and	
  results	
  in	
  
high-­‐level	
  transcription	
  or	
  recombinant	
  sequence	
  (Possee	
  &	
  King,	
  2007).	
  
One	
  of	
  the	
  benefits	
  of	
  using	
  transfer	
  vector	
  is	
  that	
  it	
  is	
  easy	
  to	
  operate	
  in	
  
vitro.	
  It	
  is	
  also	
  simple	
  to	
  find	
  the	
  primary	
  genetic	
  structure	
  of	
  recombinant	
  
components	
  (Possee	
  &	
  King,	
  2007).	
  A	
  transfer	
  vector	
  is	
  combined	
  with	
  virus	
  
DNA	
  and	
  then	
  used	
  to	
  co-­‐transfect	
  insect	
  cells	
  to	
  develop	
  an	
  infection.	
  The	
  
infected	
  cells	
  with	
  a	
  virus,	
  face	
  the	
  occurrence	
  of	
  recombination	
  in	
  between	
  
homologous	
  sequences	
  in	
  the	
  plasmid	
  transfer	
  vector	
  and	
  virus	
  genome	
  
(Possee	
  &	
  King,	
  2007).	
  The	
  native	
  virus	
  gene	
  is	
  usually	
  discarded	
  in	
  the	
  
event	
  of	
  double	
  cross-­‐over	
  and	
  substituted	
  with	
  a	
  foreign	
  coding	
  region	
  
(Possee	
  &	
  King,	
  2007).	
  	
  
	
  
	
  
	
  
  15	
  
1.12	
  Glycosylation	
  	
  
	
  
The	
  N-­‐linked	
  glycosylation	
  takes	
  place	
  in	
  endoplasmic	
  reticulum	
  of	
  both	
  
insect	
  and	
  mamalian	
  cells.	
  In	
  insect	
  and	
  mammalian	
  cells,	
  N-­‐linked	
  
glycosylation	
  can	
  be	
  repressed	
  if	
  cells	
  are	
  treated	
  with	
  tunicamycin	
  (King	
  &	
  
Possee,	
  1992).	
  Eukaryotic	
  proteins	
  are	
  modified	
  by	
  adding	
  covalent	
  to	
  
carbohydrate	
  side	
  chains.	
  There	
  are	
  three	
  glycosylation	
  pathways	
  in	
  
eukaryotes:	
  N-­‐glycosylation,	
  O-­‐glycosylation,	
  and	
  O-­‐linked	
  N-­‐
actylglucosamine	
  (O-­‐GlcNAc).	
  Insect	
  cells	
  consists	
  of	
  all	
  these	
  three	
  
pathways	
  but	
  do	
  not	
  match	
  up	
  with	
  eukaryotes	
  	
  (Jarvis,	
  1997).	
  	
  Insect	
  cells	
  
contain	
  low	
  levels	
  of	
  fucose,	
  galactose	
  and	
  sialic	
  acid	
  transferases.	
  Thus,	
  
insect	
  cells	
  lack	
  the	
  ability	
  undertake	
  oligosaccharide	
  (King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  
The	
  recombinant	
  proteins	
  tend	
  to	
  be	
  sensitive	
  to	
  endo	
  H,	
  endo	
  F	
  and	
  N-­‐
glycanase,	
  which	
  is	
  responsible	
  in	
  removal	
  of	
  immature	
  oligosaccharides	
  
(King	
  &	
  Possee,	
  1992).	
  	
  Abnormal	
  glycosylation	
  can	
  result	
  in	
  disease	
  and	
  
such	
  developmental	
  deficiency,	
  neuro	
  disorders	
  or	
  it	
  can	
  lead	
  to	
  serious	
  
tumors.	
  Therefore,	
  it	
  is	
  important	
  to	
  have	
  functional	
  glycoprotein	
  for	
  
analyses	
  and	
  medical	
  treatment	
  for	
  many	
  symptoms	
  (Morokuma,	
  et	
  al.,	
  
2015).	
  As	
  we	
  know	
  N-­‐linked	
  glycan	
  increases	
  the	
  protein	
  stability	
  and	
  also	
  
regulate	
  cell-­‐cell	
  and	
  protein-­‐protein	
  interactions	
  (Morokuma,	
  et	
  al.,	
  2015).	
  
Thus,	
  it	
  is	
  necessary	
  to	
  have	
  complex	
  linkage	
  of	
  glycoprotein	
  for	
  proper	
  
function	
  and	
  medical	
  treatment	
  of	
  many	
  diseases.	
  Up	
  until	
  today,	
  
mammalian	
  expression	
  system	
  is	
  used	
  to	
  produce	
  glycoproteins	
  even	
  when	
  
it	
  carries	
  many	
  disadvantages.	
  Those	
  disadvantages	
  could	
  be	
  such	
  as	
  high	
  
cost	
  and	
  low	
  productivity	
  (Morokuma,	
  et	
  al.,	
  2015).	
  	
  The	
  proteins	
  retrieved	
  
from	
  insect	
  cells	
  are	
  paucimannosidic-­‐type	
  N-­‐glycan	
  therefore,	
  it	
  removes	
  
the	
  terminal	
  GlcNAc	
  of	
  hybrid	
  structures	
  (Morokuma,	
  et	
  al.,	
  2015).	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
  16	
  
1.13	
  Selection	
  of	
  polyhedron-­‐negative	
  recombinant	
  
baculoviruses	
  
1.13.1	
  BEVS-­‐	
  Baculovirus	
  Expression	
  Vector	
  System	
  
	
  
The	
  BEVS	
  consists	
  of	
  three	
  important	
  parts,	
  a	
  transfer	
  plasmid	
  with	
  gene	
  of	
  
interest	
  that	
  needs	
  to	
  be	
  transferred	
  into	
  the	
  virus	
  genome,	
  a	
  baculovirus	
  
vector	
  (AcMNPV)	
  and	
  insect	
  cell	
  line	
  (Sf9	
  or	
  Sf21)	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  	
  It	
  
usually	
  begins	
  with	
  cloning	
  of	
  a	
  preferred	
  gene	
  into	
  a	
  transfer	
  plasmid	
  
between	
  sequences	
  that	
  flank	
  the	
  polyhedrin	
  (polh)	
  locus	
  in	
  the	
  genome	
  of	
  
the	
  virus	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  The	
  baculovirus	
  expression	
  vector	
  system	
  
(BEVS)-­‐	
  is	
  a	
  very	
  important	
  system.	
  It	
  has	
  high	
  expression	
  level	
  and	
  	
  has	
  the	
  
capability	
  of	
  insertion	
  of	
  large	
  DNA	
  fragments,	
  glycosylation	
  modification,	
  
acylation,	
  phosphorylation	
  and	
  amidation	
  	
  (Shu-­‐ffen	
  et	
  al.,	
  2012).	
  A	
  BEV	
  is	
  a	
  
double-­‐stranded	
  circular	
  DNA	
  genome,	
  that	
  has	
  been	
  genetically	
  modified	
  to	
  
contain	
  a	
  foreign	
  gene	
  of	
  interest.	
  They	
  are	
  also	
  capable	
  of	
  transferring	
  
foreign	
  genes	
  into	
  the	
  eukaryotic	
  host	
  cells.	
  Since	
  baculovirus	
  has	
  many	
  
interesting	
  features,	
  the	
  BEVS	
  is	
  used	
  not	
  only	
  for	
  protein	
  production	
  of	
  
interest	
  but	
  also	
  for	
  gene	
  therapy	
  and	
  surface	
  display	
  	
  (Shu-­‐ffen	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  
Over	
  the	
  past	
  three	
  decades,	
  baculovirus	
  has	
  been	
  efficiently	
  used	
  in	
  
pharmaceutical	
  and	
  vaccine	
  production	
  (Shu-­‐ffen	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  The	
  BEV	
  
system	
  has	
  been	
  intensively	
  used	
  in	
  basic	
  research	
  for	
  the	
  production	
  of	
  
many	
  different	
  recombinant	
  proteins.	
  The	
  BEV	
  system	
  has	
  the	
  capability	
  to	
  
produce	
  a	
  large	
  quantity	
  of	
  foreign	
  proteins.	
  The	
  BEV	
  system	
  can	
  make	
  
perfect	
  foreign	
  proteins	
  as	
  it	
  has	
  the	
  ability	
  to	
  process	
  eukaryotic	
  protein	
  
products.	
  The	
  BEV	
  system	
  does	
  have	
  fewer	
  limitations	
  such	
  as	
  protein	
  to	
  
protein	
  variation	
  in	
  production.	
  Also,	
  the	
  glycoproteins	
  are	
  produced	
  in	
  low	
  
levels,	
  this	
  can	
  further	
  lead	
  to	
  unsuitable	
  clinical	
  uses	
  due	
  to	
  the	
  difference	
  
in	
  the	
  N-­‐linked	
  glycan	
  structure	
  among	
  insects	
  and	
  mammals.	
  (Morokuma,	
  
et	
  al.,	
  2015).	
  	
  This	
  can	
  also	
  lead	
  to	
  a	
  low	
  production	
  of	
  recombinant	
  proteins	
  
such	
  as	
  membrane-­‐bound	
  and	
  secreted	
  glycoproteins	
  (Jarvis,	
  1997).	
  	
  	
  
Another	
  limitation	
  that	
  BEV	
  has	
  is	
  when	
  the	
  insect	
  cell	
  protein	
  processing	
  
pathway	
  are	
  not	
  identical	
  to	
  eukaryotes.	
  Thus,	
  it	
  leads	
  to	
  differentiation	
  in	
  
  17	
  
protein	
  production	
  compared	
  to	
  native	
  proteins	
  due	
  to	
  modifications	
  in	
  
covalent	
  bonds	
  (Jarvis,	
  1997).	
  	
  
	
   One	
  of	
  the	
  properties	
  that	
  lead	
  to	
  the	
  production	
  of	
  baculoviruses	
  
expression	
  vectors	
  is	
  their	
  ability	
  to	
  produce	
  a	
  larger	
  quantity	
  of	
  polyhedrin	
  
during	
  infection.	
  The	
  production	
  of	
  the	
  BEV	
  can	
  be	
  done	
  by	
  replacing	
  a	
  polh	
  
gene	
  in	
  the	
  nucleotide	
  sequence	
  of	
  wild-­‐type	
  viral	
  genome	
  with	
  a	
  particular	
  
foreign	
  gene	
  of	
  interest.	
  This	
  then	
  allows	
  the	
  wild	
  type	
  to	
  be	
  distinguished	
  
due	
  to	
  its	
  phenotype	
  of	
  inability	
  to	
  produce	
  polyhedra.	
  It	
  also	
  leads	
  to	
  
isolation	
  and	
  expression	
  of	
  human	
  β-­‐interferon	
  or	
  even	
  Escherichia	
  coli	
  β-­‐
galactosidase	
  in	
  insect	
  cell	
  cultures	
  (Jarvis,	
  1997).	
  This	
  method	
  was	
  the	
  
original	
  way	
  of	
  producing	
  recombinant	
  baculoviruses,	
  but	
  it	
  was	
  quite	
  
difficult	
  for	
  non-­‐virologists.	
  But	
  the	
  new	
  methods	
  have	
  improved	
  such	
  
difficulties	
  with	
  systems	
  such	
  as	
  Bac-­‐toBac,	
  BacPAK6,	
  and	
  flashBAC.	
  	
  The	
  
Bac-­‐to-­‐Bac	
  technology	
  depends	
  on	
  production	
  of	
  recombinant	
  baculovirus	
  
via	
  site-­‐specific	
  transposition	
  in	
  E.coli.	
  The	
  recombinant	
  virus	
  DNA	
  is	
  then	
  
purified	
  and	
  used	
  to	
  transfect	
  insect	
  cells	
  to	
  recover	
  infectious	
  virus	
  
particles.	
  The	
  BacPAK6	
  method	
  consists	
  of	
  AcMNPV	
  with	
  lacZ	
  insert	
  in	
  place	
  
of	
  the	
  polyhedrin	
  gene,	
  which	
  can	
  be	
  linearized	
  prior	
  to	
  cotranfection	
  of	
  
insect	
  cells	
  with	
  the	
  transfer	
  vector.	
  Recombinant	
  viruses	
  can	
  then	
  be	
  
recovered	
  at	
  high	
  frequency	
  (>95%).	
  The	
  flashBAC	
  system	
  is	
  similar	
  to	
  
BacPAK6,	
  but	
  it	
  doesn’t	
  require	
  linearization	
  to	
  use	
  and	
  it	
  is	
  also	
  fast	
  and	
  
easy.	
  These	
  systems	
  allow	
  production	
  of	
  larger	
  quantities	
  of	
  expression	
  
(Possee	
  &	
  King,	
  	
  2007).	
  	
  One	
  of	
  the	
  most	
  important	
  purposes	
  of	
  baculovirus	
  
systems	
  is	
  its	
  uses	
  to	
  produce	
  proteins	
  in	
  insect	
  cells.	
  	
  	
  
One	
  of	
  the	
  earliest	
  BEVS	
  had	
  been	
  based	
  on	
  polyhedra-­‐negative	
  
viruses,	
  their	
  polyhedrin	
  coding	
  region	
  was	
  replaced	
  with	
  a	
  foreign	
  gene	
  
inorder	
  to	
  produce	
  recombinant	
  baculovirus	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  The	
  
expression	
  of	
  the	
  foreign	
  was	
  influenced	
  by	
  the	
  polyhedrin	
  promoter	
  
(Hitchman	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  Transfer	
  vectors	
  are	
  used	
  to	
  insert	
  foreign	
  gene	
  as	
  
the	
  baculovirus	
  genome	
  is	
  too	
  big	
  to	
  insert	
  the	
  foreign	
  gene	
  directly.	
  The	
  
recombinant	
  virus	
  genome	
  results	
  when	
  a	
  foreign	
  gene	
  is	
  inserted	
  into	
  the	
  
virus	
  genome	
  (Pennock	
  et	
  al,	
  1984).	
  This	
  produces	
  both	
  original	
  parental	
  
  18	
  
viruses	
  and	
  recombinat,	
  thus	
  plaque-­‐purification	
  is	
  necessary	
  to	
  separate	
  
the	
  two	
  but	
  this	
  process	
  can	
  be	
  time-­‐consuming	
  (Kitts	
  et	
  al.,	
  1990).	
  
	
  
1.13.2	
  Recombinant	
  Baculovirus	
  Production	
  	
  
	
  
There	
  are	
  several	
  different	
  techniques	
  that	
  had	
  been	
  used	
  to	
  produce	
  
recombinant	
  baculoviruses	
  consisting	
  the	
  gene(s)	
  of	
  interest.	
  Some	
  of	
  these	
  
techniques	
  aim	
  to	
  produce	
  a	
  pure	
  recombined	
  virus	
  with	
  little	
  to	
  none	
  
recombinant	
  virus	
  as	
  possible.	
  These	
  techniques	
  use	
  transfer	
  vector	
  with	
  the	
  
gene	
  of	
  interest	
  with	
  control	
  of	
  many	
  promoters	
  in	
  baculovirus	
  genome.	
  The	
  
transfer	
  plasmid	
  consist	
  of	
  gene	
  of	
  interest	
  downstream	
  of	
  promoter	
  
sequence	
  and	
  is	
  flanked	
  with	
  complementary	
  sequence	
  to	
  baculovirus	
  
genome,	
  which	
  helps	
  recombination	
  of	
  the	
  promoter	
  gene	
  DNA	
  into	
  
unessential	
  region	
  of	
  the	
  baculovirus	
  (polyhedrin)	
  gene.	
  	
  One	
  of	
  the	
  methods	
  
includes	
  the	
  use	
  of	
  bacteria	
  by	
  inserting	
  the	
  gene	
  of	
  interest	
  into	
  bacmid	
  
consisting	
  the	
  baculovirus	
  genome,	
  and	
  using	
  marker	
  gene	
  to	
  produce	
  
recombinant	
  baculovirus	
  (Lee	
  et	
  al.,	
  1993).	
  	
  Another	
  method	
  uses	
  in-­‐vitro	
  
site	
  specific	
  transposition	
  to	
  insert	
  a	
  foreign	
  gene	
  and	
  eliminates	
  non-­‐
recombined	
  baculovirus	
  by	
  adding	
  negative	
  selection	
  marker	
  (Zhao	
  et	
  al,	
  
2003).	
  	
  	
  
	
  
1.13.3	
  The	
  BacPAK6	
  system	
  
	
  
As	
  the	
  original	
  method	
  of	
  purification	
  of	
  the	
  recombinant	
  virus	
  was	
  time	
  
consuming,	
  it	
  was	
  then	
  further	
  improved	
  with	
  linearized	
  baculovirus	
  
genomes	
  at	
  insert	
  site,	
  which	
  allowed	
  the	
  recovery	
  of	
  more	
  recombinants	
  as	
  
linearized	
  vectors	
  lacked	
  functional	
  	
  Orf1629	
  (Kitts	
  &	
  Possee,	
  1993).	
  The	
  
orf1629	
  is	
  an	
  important	
  gene	
  that	
  is	
  involved	
  in	
  nuclear	
  actin	
  during	
  
baculovirus	
  infection	
  (M.	
  van	
  Oers,	
  2011).	
  In	
  the	
  BacPAK6	
  system,	
  orf1629	
  is	
  
restored	
  after	
  viral	
  genome	
  and	
  transfer	
  plasmid	
  are	
  recombined,	
  thus	
  
giving	
  90%	
  recombinantion	
  frequency	
  (M.	
  van	
  Oers,	
  2011).	
  The	
  BacPAK6	
  
system	
  deletes	
  polyhedrin	
  gene	
  with	
  the	
  lacZ	
  gene,	
  which	
  has	
  restriction	
  
enzymes	
  	
  Bsu361	
  on	
  either	
  side	
  of	
  lacZ.	
  (Kitts	
  &	
  Possee,	
  1993).	
  Digestions	
  
  19	
  
with	
  Bsu361	
  removes	
  	
  ORF1629	
  and	
  lacZ	
  gene,	
  causing	
  linear	
  virus	
  DNA	
  
that	
  is	
  not	
  capable	
  of	
  replication	
  with	
  insect	
  cells	
  (Kitts	
  &	
  Possee,	
  1993).	
  The	
  
co-­‐transfection	
  with	
  Bsu361,	
  re-­‐circularises	
  the	
  virus	
  DNA	
  	
  by	
  replacing	
  
orf1629.	
  The	
  restoration	
  of	
  orf1629	
  allows	
  replication	
  in	
  insect	
  cells	
  and	
  
constructing	
  high	
  frequency	
  production	
  of	
  recombinant	
  viruses	
  (Kitts	
  &	
  
Possee,	
  1993;	
  Haines,	
  Possee,	
  &	
  King,	
  2006).	
  Eventhough	
  addition	
  of	
  Bsu361	
  
sites	
  in	
  BacPAK6	
  increases	
  recovery	
  of	
  recombinants	
  the	
  Bsu361	
  digestion	
  is	
  
not	
  100	
  efficient	
  and	
  will	
  always	
  have	
  mixture	
  of	
  parental	
  and	
  recombinant	
  
virus	
  (Possee,	
  &	
  King,	
  2006).	
  	
  
	
  
Figure	
  1.7.	
  A.	
  DNA	
  containing	
  Escherichia	
  coli	
  (E.	
  coli)	
  lacZ	
  inserted	
  at	
  polh	
  locus.	
  B.	
  Digestion	
  
of	
  viral	
  DNA	
  removes	
  lacZ	
  and	
  partially	
  deletes	
  orf1629-­‐coding	
  region	
  C.	
  	
  Cotransfection	
  	
  and	
  
insertion	
  of	
  foreign	
  gene	
  into	
  the	
  virus	
  DNA	
  and	
  restoration	
  of	
  orf1629	
  and	
  recircularization	
  
of	
  DNA	
  thus	
  permitting	
  replication	
  within	
  insect	
  cells.	
  D.	
  Plaque	
  assay	
  is	
  used	
  to	
  isolate	
  
recombinant	
  virus	
  (Possee,	
  &	
  King,	
  2006).	
  
	
  
1.13.4	
  Bac-­‐to	
  Bac®	
  
	
  
The	
  Bac-­‐to-­‐Bac	
  Baclovirus	
  Expression	
  System	
  represents	
  an	
  efficient	
  way	
  to	
  
make	
  recombinant	
  baculoviruses.	
  The	
  advantage	
  is	
  that	
  recombinant	
  
baculovirus	
  can	
  be	
  obtained	
  fairly	
  quickly	
  in	
  7-­‐19	
  days	
  (Anderson,	
  et	
  al.,	
  
  20	
  
1996).	
  This	
  system	
  does	
  not	
  require	
  separation	
  and	
  purification	
  of	
  
recombinant	
  viruses	
  by	
  using	
  plaque	
  –assay	
  (Anderson,	
  et	
  al.,	
  1996).	
  The	
  
vector	
  of	
  this	
  system	
  contains	
  kanamycin	
  resistance	
  gene	
  and	
  lacZa	
  
(Anderson,	
  et	
  al.,	
  1996).	
  	
  The	
  Bac-­‐to-­‐Bac	
  Baculovirus	
  expression	
  System	
  has	
  
site	
  specified	
  transposition	
  properties	
  of	
  the	
  Tn7	
  transposon.	
  This	
  aspect	
  
makes	
  it	
  easier	
  to	
  generate	
  recombinant	
  bacmid	
  DNA.	
  The	
  transposition	
  
connection	
  does	
  not	
  interfere	
  with	
  the	
  functions	
  of	
  the	
  gene	
  (Anderson,	
  et	
  
al.,	
  1996).	
  	
  This	
  plasmid	
  is	
  designed	
  to	
  form	
  blue	
  colonies	
  as	
  bacmid	
  is	
  
propagated	
  in	
  E.	
  coli	
  	
  on	
  differentiation	
  medium	
  with	
  kanamcycin,	
  X-­‐gal	
  and	
  
IPTG.	
  The	
  recombinant	
  bacmid-­‐containing	
  colonies	
  can	
  be	
  isolated	
  by	
  
plating	
  them	
  on	
  a	
  selective	
  media	
  (Anderson,	
  et	
  al.,	
  1996).	
  	
  The	
  bacmid	
  
recombinant	
  DNA	
  is	
  isolated	
  by	
  alkaline	
  lysis	
  procedure	
  from	
  the	
  E.coli	
  cells.	
  
Thereafter,	
  the	
  obtained	
  DNA	
  is	
  then	
  used	
  to	
  transfect	
  insect	
  cells	
  and	
  this	
  
does	
  not	
  require	
  any	
  further	
  selection	
  before	
  virus	
  amplification	
  (Anderson,	
  
et	
  al.,	
  1996).	
  	
  
	
  
1.13.5	
  flashBACTM	
  
	
  
	
  The	
  flashBac	
  is	
  a	
  new	
  technique	
  developed	
  by	
  Oxford	
  Brookes	
  University,	
  
which	
  is	
  sold	
  by	
  Oxford	
  Expression	
  Technologies	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  
Essentially,	
  flashBAC	
  comprises	
  a	
  copy	
  of	
  the	
  AcMNPV	
  genome	
  with	
  a	
  partial	
  
deletion	
  of	
  ORF1629,	
  which	
  is	
  amplified	
  in	
  bacterial	
  cells.	
  This	
  DNA	
  cannot	
  
replicate	
  and	
  produce	
  infectious	
  virus	
  in	
  insect	
  cells	
  unless	
  it	
  is	
  
cotransfected	
  with	
  a	
  plasmid	
  transfer	
  vector	
  containing	
  the	
  complete	
  
ORF1629	
  gene.	
  The	
  flashBAC	
  technology	
  is	
  one	
  of	
  the	
  best	
  platforms	
  to	
  be	
  
used.	
  It	
  does	
  not	
  require	
  selection	
  pressure	
  to	
  separate	
  recombinant	
  virus	
  
from	
  the	
  non-­‐recombinant	
  parental	
  virus	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  This	
  
system	
  is	
  dependent	
  on	
  homologous	
  recombinant	
  of	
  insect	
  cells	
  and	
  transfer	
  
plasmids.	
  The	
  flashBAC	
  provides	
  many	
  advantages	
  to	
  the	
  existing	
  
baculovirus	
  expression	
  vector	
  system	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  This	
  
technology	
  allows	
  the	
  user	
  to	
  skip	
  the	
  necessity	
  which	
  required	
  carrying	
  out	
  
plaque-­‐purification	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  The	
  gene	
  deletion	
  restrains	
  
virus	
  replication	
  in	
  the	
  insect	
  cells,	
  but	
  BAC	
  permits	
  the	
  viral	
  DNA	
  for	
  the	
  
  21	
  
propagation	
  of	
  bacterial	
  genome	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  In	
  addition,	
  the	
  
bacterial	
  circular	
  DNA	
  is	
  isolated	
  by	
  lysis	
  and	
  purification	
  by	
  making	
  use	
  of	
  
flashBACTM	
  Kit	
  and	
  the	
  DNA	
  is	
  ready	
  for	
  use	
  in	
  co-­‐transfection	
  (Hitchman	
  et	
  
al.,	
  2011).	
  Genes	
  under	
  the	
  control	
  of	
  any	
  promoter	
  can	
  be	
  expressed	
  
provided	
  that	
  the	
  ORF1629	
  deletion	
  is	
  rescued(Fig.	
  3).	
  	
  The	
  recombinant	
  
parent	
  virus	
  is	
  not	
  required	
  as	
  the	
  parental	
  viruses	
  propagate	
  in	
  the	
  insect	
  
cell	
  lines.	
  	
  
The	
  flashBAC	
  DNA	
  system	
  is	
  as	
  simple	
  as	
  BacPAK6	
  system,	
  when	
  
making	
  recombinant	
  viruses	
  in	
  insect	
  cells	
  and	
  removal	
  of	
  the	
  step	
  of	
  plaque	
  
purification	
  is	
  one	
  of	
  the	
  concerns.	
  	
  The	
  flashBAC	
  also	
  enhances	
  the	
  protein	
  
secretion	
  and	
  membrane	
  proteins	
  (Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  The	
  removal	
  of	
  	
  
chitinase	
  from	
  flashBAC	
  has	
  improved	
  the	
  secretory	
  pathway	
  and	
  produces	
  
great	
  yield	
  of	
  recombinant	
  proteins	
  (up	
  to	
  60	
  folds)	
  which	
  is	
  secreted	
  
(Hitchman	
  et	
  al.,	
  2011).	
  
	
  
Figure	
  1.8.	
  The	
  flashBAC	
  baculovirus	
  expression	
  system	
  used	
  for	
  production	
  of	
  recombinant	
  
baculoviruses.	
  	
  A.)	
  Shows	
  the	
  deleted	
  genes.	
  B.)	
  Containment	
  of	
  gene,	
  insert,	
  lef2,	
  and	
  orf1629	
  
gene	
  in	
  transfer	
  vector.	
  C.)	
  Recombinant	
  virus	
  with	
  repaired	
  orf1629	
  gene	
  (Rohrmann,	
  2013).	
  	
  
	
  
1.14	
  Multiplicity	
  of	
  Infection	
  	
  
	
  
The	
  virus	
  multiplicity	
  of	
  infection	
  (MOI)	
  describes	
  the	
  infectious	
  virus	
  
particle	
  ratio	
  to	
  the	
  quantity	
  of	
  cells	
  in	
  the	
  culture	
  (Kool	
  et	
  al.,	
  1991).	
  	
  It	
  can	
  
be	
  used	
  to	
  estimate	
  the	
  amount	
  of	
  cells	
  infected	
  by	
  the	
  viruses	
  (Kool	
  et	
  al.,	
  
  22	
  
1991).	
  	
  A	
  high	
  MOI	
  is	
  needed	
  to	
  achieve	
  synchronous	
  infection	
  of	
  the	
  cells,	
  
which	
  usually	
  range	
  between	
  5-­‐10	
  pfu/cell,	
  but	
  when	
  the	
  MOI	
  is	
  low	
  only	
  a	
  
part	
  of	
  the	
  cell	
  population	
  is	
  infected	
  (Kool	
  et	
  al.,	
  1991).	
  	
  	
  The	
  use	
  of	
  high	
  
MOIs	
  is	
  used	
  for	
  quick	
  determination	
  of	
  the	
  protein	
  production	
  in	
  a	
  small	
  
scale	
  (Kool	
  et	
  al.,	
  1991).	
  On	
  the	
  other	
  hand,	
  it	
  becomes	
  difficult	
  on	
  a	
  larger	
  
scale	
  as	
  producing	
  high	
  multiplicities	
  of	
  infection	
  tends	
  to	
  be	
  a	
  problem.	
  It	
  
becomes	
  a	
  problem	
  as	
  a	
  larger	
  quantity	
  of	
  virus	
  is	
  needed	
  and	
  it	
  becomes	
  
unrealistic.	
  In	
  the	
  past	
  studies,	
  it	
  has	
  been	
  noted	
  that	
  defective	
  particles	
  
form	
  during	
  the	
  passage	
  of	
  baculovirus,	
  as	
  a	
  result	
  to	
  loss	
  of	
  partial	
  genome	
  
(Kool	
  et	
  al.,	
  1991).	
  This	
  then	
  grows	
  in	
  cell	
  culture	
  and	
  causes	
  decrease	
  in	
  
protein	
  production.	
  Rather	
  this	
  can	
  be	
  avoided	
  with	
  the	
  production	
  of	
  
baculoviruses	
  infected	
  with	
  low	
  multiplicities	
  (Zwart	
  et	
  al.,	
  2008).	
  	
  
Those	
  cells	
  that	
  are	
  infected	
  with	
  low	
  multiplicities	
  of	
  infection	
  tend	
  
to	
  only	
  affect	
  small	
  proportion	
  of	
  cells.	
  Later,	
  they	
  spread	
  the	
  virus	
  to	
  other	
  
cells	
  in	
  the	
  culture	
  (Radford	
  et	
  al.,	
  1997).	
  In	
  addition	
  the	
  non-­‐infected	
  cells	
  
continue	
  to	
  divide,	
  thus	
  low	
  MOI	
  system	
  cannot	
  be	
  predicted	
  easily	
  (Wong	
  et	
  
al.,	
  1996).	
  	
  Another	
  tactics	
  that	
  can	
  play	
  a	
  role	
  towards	
  predictability	
  of	
  low	
  
MOI	
  infection	
  is	
  the	
  sensitivity	
  to	
  conditions	
  such	
  as	
  cell	
  density	
  and	
  virus	
  
titers.	
  It	
  can	
  produce	
  improper	
  quantification	
  for	
  baculovirus	
  titration	
  
(Radford	
  et	
  al.,	
  1997).	
  	
  	
  
In	
  low	
  MOI	
  if	
  time	
  is	
  not	
  reduced	
  while	
  attempting	
  to	
  increase	
  
protein	
  production	
  then	
  the	
  proteolytic	
  degradation	
  of	
  the	
  proteins	
  take	
  
place	
  which	
  can	
  be	
  problemetic	
  in	
  low	
  MOI	
  infection	
  (Radford	
  et	
  al.,	
  1997;	
  
Wong	
  et	
  al.,	
  1996).	
  	
  The	
  low	
  MOI	
  infection	
  also	
  carry	
  the	
  risk	
  of	
  having	
  high	
  
cell	
  density.	
  This	
  leads	
  to	
  nutrient	
  depletion	
  and	
  causes	
  decrease	
  in	
  
production	
  (Radford	
  et	
  al.,	
  1997).	
  	
  	
  If	
  cell	
  density	
  and	
  time	
  of	
  infection	
  is	
  
taken	
  care	
  of	
  then	
  the	
  use	
  of	
  low	
  MOI	
  becomes	
  possible.	
  It	
  also	
  requires	
  
appropriate	
  baculovirus	
  titers	
  as	
  inaccurate	
  MOI	
  can	
  cause	
  cells	
  to	
  die	
  
immediately	
  (Radford	
  et	
  al.,	
  1997;	
  Wong	
  et	
  al.,	
  1996).	
  Other	
  factors	
  that	
  lead	
  
to	
  low	
  production	
  can	
  be	
  due	
  to	
  inaccurate	
  cell	
  density,	
  or	
  inaccurate	
  cell	
  
number	
  to	
  be	
  infected.	
  This	
  aspect	
  	
  can	
  either	
  lead	
  to	
  high	
  cell	
  density	
  and	
  
low	
  protein	
  production	
  as	
  well	
  (Licari	
  &	
  Bailey,	
  1991).	
  	
  In	
  previous	
  studies,	
  
  23	
  
it	
  has	
  been	
  noted	
  that	
  if	
  cells	
  are	
  infected	
  in	
  early	
  exponential	
  phase,	
  there	
  is	
  
no	
  significant	
  correlation	
  to	
  MOI.	
  But	
  if	
  cells	
  are	
  infected	
  in	
  the	
  last	
  
exponential	
  phase,	
  then	
  there	
  must	
  have	
  been	
  significant	
  correlation	
  to	
  MOI,	
  
resulting	
  in	
  high	
  yield	
  (Wong	
  et	
  al.,	
  1996).	
  	
  If	
  the	
  cell	
  density,	
  time	
  of	
  
infection,	
  and	
  MOI	
  are	
  taken	
  in	
  careful	
  consideration,	
  then	
  the	
  low	
  MOI	
  can	
  
also	
  produce	
  proteins	
  equal	
  to	
  those	
  with	
  high	
  MOI	
  (Radford	
  et	
  al.,	
  1997;	
  
Wong	
  et	
  al.,	
  1996).	
  	
  
The	
  lower	
  MOIs	
  tend	
  to	
  infect	
  only	
  the	
  portion	
  of	
  the	
  cell	
  while	
  the	
  
remainder	
  grow	
  uninfected.	
  The	
  cells	
  may	
  have	
  a	
  high	
  yield	
  instead	
  of	
  the	
  
cell	
  density,	
  when	
  the	
  uninfected	
  cells	
  and	
  their	
  progeny	
  get	
  infected	
  in	
  
secondary	
  infection.	
  Further,	
  the	
  	
  secondary	
  infection	
  will	
  lead	
  to	
  release	
  of	
  
progeny	
  virus.	
  	
  Thus,	
  to	
  obtain	
  high	
  production,	
  cells	
  should	
  be	
  infected	
  at	
  
low	
  cell	
  density	
  lower	
  than	
  cell	
  yield.	
  	
  
1.15	
  Serial	
  Passaging	
  
	
   Baculovirus	
  go	
  through	
  genetic	
  variation	
  during	
  passaging	
  in	
  a	
  
bioreactor	
  to	
  produce	
  few	
  polyhedra	
  and	
  defective	
  interfering	
  particle	
  (DIP)	
  
(Giri	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  Due	
  to	
  the	
  cumulation	
  of	
  the	
  mutants	
  it	
  results	
  in	
  a	
  
decrease	
  in	
  production	
  of	
  polyhedra	
  thus	
  reduces	
  the	
  virulence	
  leading	
  to	
  
being	
  inefficient	
  at	
  being	
  biopesticide	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  2012).	
  In	
  previous	
  studies	
  
passaging	
  effect	
  has	
  been	
  found	
  to	
  be	
  a	
  problem	
  in	
  development	
  of	
  large-­‐
scale	
  batch	
  of	
  recombinant	
  proteins/vaccines	
  with	
  the	
  use	
  of	
  baculovirus	
  
expression	
  vector	
  system	
  (BEVS),	
  as	
  mutants	
  tend	
  to	
  pile	
  up	
  after	
  a	
  few	
  
passages	
  to	
  produce	
  necessary	
  baculovirus	
  stock	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  2012).	
  	
  
Mutation	
  can	
  occur	
  in	
  passaged	
  viruses	
  for	
  many	
  reasons,	
  such	
  as:	
  deletion	
  
of	
  the	
  gene	
  fragment,	
  point	
  mutations,	
  frame	
  shift	
  mutations,	
  insertions	
  of	
  
transposonmediated	
  host	
  cell	
  and	
  viral	
  genome	
  sequencing	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  
2012).	
  The	
  virus	
  variants	
  can	
  also	
  cause	
  virus	
  titers	
  to	
  drop	
  drastically,	
  in	
  
addition,	
  virus	
  variants	
  with	
  a	
  large	
  number	
  of	
  deletions	
  have	
  been	
  found	
  
among	
  many	
  virus	
  families	
  (Zwart	
  et	
  al.,	
  2013).	
  	
  The	
  DIP	
  mutants	
  are	
  
deletion	
  mutant	
  viruses	
  that	
  take	
  place	
  during	
  passaging	
  and	
  usually	
  
compete	
  for	
  growth	
  with	
  normal	
  wild-­‐type	
  virus.	
  A	
  decrease	
  in	
  recombinant	
  
  24	
  
protein	
  production	
  is	
  usually	
  due	
  to	
  DIP	
  mutants	
  as	
  they	
  lack	
  foreign	
  gene	
  of	
  
interest	
  or	
  genes	
  that	
  are	
  involved	
  in	
  very	
  late	
  gene	
  expression	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  
2012).	
  In	
  particular,	
  AcMNPV	
  DIPs	
  arise	
  very	
  quick	
  in	
  cell	
  culture,	
  usually	
  
two	
  passages,	
  and	
  they	
  tend	
  to	
  become	
  diverse	
  in	
  the	
  late	
  passages	
  (Zwart	
  et	
  
al.,	
  2013).	
  It	
  is	
  suggested	
  from	
  observations	
  of	
  previous	
  studies,	
  a	
  possible	
  
reason	
  for	
  genome	
  deletion	
  can	
  be	
  due	
  to	
  recombination	
  between	
  any	
  two	
  of	
  
the	
  eight	
  homologous	
  repeat	
  regions	
  in	
  the	
  AcMNPV	
  genome	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  
2012).	
  Defective	
  interfering	
  (DI)	
  viruses	
  replicate	
  at	
  much	
  faster	
  pace	
  due	
  to	
  
small	
  genome	
  size	
  than	
  viruses	
  that	
  have	
  the	
  full-­‐length	
  genome	
  (Zwart	
  et	
  
al.,	
  2013).	
  	
  They	
  can	
  also	
  develop	
  a	
  better	
  way	
  to	
  compete	
  with	
  helper	
  
viruses,	
  for	
  example,	
  accumulation	
  of	
  origins	
  of	
  DNA	
  with	
  a	
  single	
  genome.	
  
However,	
  DI	
  viruses	
  are	
  unable	
  to	
  replicate	
  as	
  they	
  do	
  not	
  carry	
  the	
  essential	
  
genes	
  to	
  do	
  so,	
  therefore	
  DI	
  viruses	
  must	
  co-­‐infect	
  a	
  cell	
  with	
  helper	
  virus	
  for	
  
it	
  to	
  replicate	
  (Zwart	
  et	
  al.,	
  2013).	
  Upon	
  passaging	
  cell	
  culture,	
  few-­‐
polyhedra	
  (FP)	
  mutants	
  are	
  found	
  to	
  have	
  decrease	
  infectivity	
  with	
  reduced	
  
yield	
  of	
  occluded	
  virus	
  (polyhedra).	
  FP	
  mutations	
  usually	
  occur	
  due	
  to	
  
transposon	
  insertion	
  in	
  fp25k	
  gene,	
  which	
  leads	
  to	
  decrease	
  FP25K	
  protein	
  
synthesis	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  2010).	
  	
  Due	
  to	
  repeat	
  passaging	
  baculoviruses	
  can	
  have	
  
mutant	
  accumation	
  in	
  cell	
  cultures.	
  Also,	
  polyhedra	
  yield	
  and	
  virus	
  number	
  
also	
  decreased	
  due	
  to	
  few-­‐polyhedra	
  (FP)	
  and	
  defective	
  interfering	
  particle	
  
(DIP)	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  2010).	
  	
  For	
  large-­‐scale	
  production	
  it	
  is	
  necessary	
  to	
  come	
  
over	
  mutations,	
  thus	
  will	
  enable	
  them	
  to	
  be	
  cost	
  effective.	
  FP	
  mutants	
  occur	
  
due	
  to	
  low	
  amount	
  of	
  cells	
  containing	
  polyhedron.	
  Most	
  of	
  the	
  FP	
  can	
  disrupt	
  
the	
  FP25K	
  protein	
  sysnthesis	
  by	
  placing	
  host	
  cell	
  DNA	
  into	
  a	
  various	
  region	
  
of	
  the	
  baculovirus	
  genome	
  (Giri	
  et	
  al.,	
  2010).	
  	
  In	
  previous	
  studies	
  it	
  has	
  been	
  
found,	
  that	
  deletion	
  or	
  insertion	
  of	
  fp25k	
  gene	
  can	
  lead	
  to	
  increase	
  of	
  BV	
  
production,	
  increase	
  in	
  BV	
  structural	
  proteins	
  (GP64,	
  BV	
  E-­‐26	
  and	
  VP9),	
  
decrease	
  in	
  occluded	
  virus	
  proteins,	
  decrease	
  in	
  liquefacation	
  of	
  the	
  larval	
  
host,	
  decrease	
  in	
  E66	
  protein,	
  and	
  production	
  of	
  deviant	
  virions	
  morphology	
  
(Giri	
  et	
  al.,	
  2010).	
  Thus,	
  fp25k	
  gene	
  mutation	
  can	
  take	
  place	
  during	
  passaging	
  
of	
  the	
  viruses	
  and	
  can	
  decrease	
  the	
  production	
  of	
  polyhedra	
  and	
  ODV	
  in	
  
continuous	
  cells	
  	
  
Thesis- Final Sep 21-1
Thesis- Final Sep 21-1
Thesis- Final Sep 21-1
Thesis- Final Sep 21-1
Thesis- Final Sep 21-1
Thesis- Final Sep 21-1
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  • 1.       Genetic  stability  of  recombinant  baculoviruses   containing  foreign  genes                                 Jasvir  Kaur     Presented  as  final  requirement  for  the  degree  of  Master  of   Biotechnology       Oxford  Brookes  University   School  of  Life  Sciences       September  2015        
  • 2.   ii   Table  of  Contents                                                                                       LIST  OF  FIGURES   IV   LIST  OF  TABLES   VI   ACKNOWLEDGMENTS   VII   DECLARATION   VIII   ABSTRACT   IX   TABLE  OF  ABBREVIATIONS   XI   OVERVIEW  OF  BACULOVIRUS   1   CHAPTER  1-­‐  INSIGHT  OF  BACULOVIRUS   3   1.1  HISTORY   3   1.2  CLASSIFICATION   4   1.3  BACULOVIRUS  PROTEIN  STRUCTURE   5   1.4  GENOME  OF  ACMNPV   6   1.5  BACULOVIRUS  REPLICATION   7   1.6  VIRUS  REPLICATION  IN  VIVO   10   1.7  ENTRY  INTO  THE  NUCLEI   11   1.8  EXITING  THE  CELL  NUCLEI   11   1.9  GENE  EXPRESSION  REGULATION   12   1.9.1  IMMEDIATE  EARLY  GENES   12   1.9.2  DELAYED  EARLY  GENES   13   1.9.3  LATE  AND  VERY  LATE  GENE   13   1.10  INSECT  CELL  LINES   13   1.11  TRANSFER  VECTOR   14   1.13  SELECTION  OF  POLYHEDRON-­‐NEGATIVE  RECOMBINANT  BACULOVIRUSES   16   1.13.1  BEVS-­‐  BACULOVIRUS  EXPRESSION  VECTOR  SYSTEM   16   1.13.2  RECOMBINANT  BACULOVIRUS  PRODUCTION   18   1.13.3  THE  BACPAK6  SYSTEM   18   1.13.4  BAC-­‐TO  BAC®   19   1.13.5  FLASHBACTM   20   1.14  MULTIPLICITY  OF  INFECTION   21   1.15  SERIAL  PASSAGING   23   AIM  OF  THIS  PROJECT   25   CHAPTER  2  -­‐MATERIALS  AND  METHODS   26   2.1  MATERIALS   26   2.1.1  PLASMIDS   26   2.2  PREPARATION  OF  BACTERIAL  CELLS  AND  EXTRACTION  OF  PLASMID  DNA   26   2.3  INSECT  CELLS  AND  VIRUSES   27   2.4  COTRANSFECTION  OF  INSECT  CELLS  WITH  FLASHBAC  AND  PLASMID  TRANSFER   VECTOR  DNA   27  
  • 3.   iii   2.5  VIRUS  STOCK   28   2.6  TESTING  PRESENCE  OF  FOREIGN  GENE  IN  VIRUS  STOCK   28   2.7  TEMPLATE  FORMATION  WITH  THE  USE  OF  KIT  TO  TEST  THE  PRESENCE  OF  THE   GENE  IN  THE  VIRUS   29   2.8  SERIAL  PASSAGING   29   2.9  HARVESTING  OF  VIRUS  DNA   30   2.10  VIRUS  STOCK  TITRATION   30   2.10.1  PLAQUE  ASSAY   30   2.11  PURIFICATION  OF  VIRUS  DNA   31   2.12  PCR  ANALYSIS   31   2.13  AGAROSE  GEL  ELECTROPHORESIS   32   CHAPTER  3  –  RESULTS   33   3.1  VIRUSES   33   CHAPTER  4-­‐  DISCUSSION   45   CONCLUSION  AND  FUTURE  DEVELOPMENTS   51   REFERENCES   53          
  • 4.   iv                                                                              List  of  Figures       Figure                                                                              Figure  Caption                                            Page     Figure  1.1.  The  above  phylogenetic  tree  indicates  the  division  of  four  groups   in    baculovirus  family.  It  indicates  amino  acids  of  29   baculoviruses  genes  derived  from  29  sequenced  baculovirus   genomes    -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐      5   Figure  1.2.    Group  I  has  both  GP64  and  F  while  Group  II  only  has  F               protein  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐      6     Figure1.3.      AcMNPV's  genetic  map.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐      7     Figure  1.5.  Baculovirus  structure    -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐    10     Figure  1.3.  A.  DNA  containing  Escherichia  coli  (E.  coli)  lacZ  inserted  at  polh   locus.  B.  Digestion  of  viral  DNA  removes  lacZ  and  partially   deletes  orf1629-­‐coding  region  C.    Cotransfection    and  insertion  of   foreign  gene  into  the  virus  DNA  and  restoration  of  orf1629  and   recircularization  of  DNA  thus  permitting  replication  within   insect  cells.  D.  Plaque  assay  is  used  to  isolate  recombinant  virus         -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐      19     Figure  1.4.  The  flashBAC  baculovirus  expression  system  used  for   production  of  recombinant  baculoviruses.    A.)  Shows  the  deleted   genes.  B.)  Containment  of  gene,  insert,  lef2,  and  orf1629  gene  in   transfer  vector.  C.)  Recombinant  virus  with  repaired  orf1629   gene.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐    21     Figure  3.1.    A.  PCR  analysis  of  the  recombinant  genes.  B.  A  plasmid  map  of     pAcRP23.lacZ  C.  A  plasmid  map  of  pOET6NaV1.4.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  35     Figure  3.2.  PCR  analysis  of  cell  DNA  and  plasmid  DNA.  Lane  1,  molecular   weight  markers  (New  England  Biolabs).  Lane  2,  6,  8,  are  plasmid   DNA.  Lane  2,  4,  5,  7,  are  cell  DNA.  Lane9,  10  are  control  groups    -­‐-­‐ -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  36   Figure  3.3.  The  virus  stock  titration  done  by  plaque  assay.  A.  AcNaV1.4  virus   dilution  10-­‐4.  B.  AcUK,  virus  dilution10-­‐1.  C.  AcHANA  ,  virus   dilution10-­‐2.  D.  AcRP23.lacZ  virus  dilution10-­‐5  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  37   Figure  3.4.  Genomic  DNA  isolated  from  AcMNPV  passaged  five  times  at  low   (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The  MOI   was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP  213   and  214.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  38    
  • 5.   v   Figure  3.5.  Genomic  DNA  isolated  from  AcRP23.lacZ  passaged  five  times  at   low  (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The   MOI  was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP   213  and  214.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  38   Figure  3.6.  Genomic  DNA  isolated  from  AcUK  passaged  five  times  at  low   (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The  MOI   was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP  213   and  214.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  A.  Ethidium  bromide  nucleic  acid  gel  stain  used.  B.   SYBR  Gold  nucleic  acid  gel  stain  used.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  39   Figure  3.7.  Genomic  DNA  isolated  from  AcRP23.lacZ  passaged  five  times  at   low  (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The   MOI  was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP   213  and  214.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  A.  Ethidium  bromide  nucleic  acid  gel  stain  used.  B.   SYBR  Gold  nucleic  acid  gel  stain  used.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  40   Figure  3.8.  Genomic  DNA  isolated  from  AcNaV1.4  passaged  five  times  at  low   (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The  MOI   was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP  213   and  743.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  A.  Ethidium  bromide  nucleic  acid  gel  stain  used.  B.   SYBR  Gold  nucleic  acid  gel  stain  used.  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  42     Figure  3.  9.  Genomic  DNA  isolated  from  AcHANA  passaged  five  times  at  low   (0.1  pfu/cell,  lane  2-­‐6)  and  (high  5pfu/cell,  land  7-­‐11).  The  MOI   was  amplified  using  PCR  with  oligonucleotide  primers  RDP  213   and  214.  Lane  1,  molecular  weight  markers  (New  England   Biolabs).  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  43     Figure  3.10.  PCR  analysis  of  virus  DNA  provided  by  Robert  Possee  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  43                      
  • 6.   vi        List  of  Tables     Table                                                                          Table  Caption                                            Page       Table  2.1            Plasmid  Transfer  Vectors  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  27     Table  2.2:          Viruses  used  in  this  experiment  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐    28     Table  3.1.            DNA  concentration  of  virus  cells  using  Nanovue   Spectrophotometer          -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  36     Table  3.2.            Titration  using  plaque  assay  of  each  virus.    -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  37                                      
  • 7.   vii                                                                        Acknowledgments       I  would  like  to  acknowledge  and  thank  the  following  individuals  who  helped   me  perform  the  work  presented  in  this  thesis.       Prof.  Possee  who  was  always  available  to  help  me  and  guided  me  throughout   the  research.  I  thank  him  for  giving  me  the  opportunity  to  work  in  his  lab.  He   has  invested  significant  amounts  of  time  and  been  a  great  mentor  to  me.       My  parent  for  their  support  and  their  encouragement  in  everything  I  did.   This  master’s  research  thesis  was  not  possible  without  my  parent’s  support   and  love.                                          
  • 8.   viii                                                                           Declaration   I,  Jasvir  Kaur  declare  that  this  thesis  and  the  work  present  in  it  are  my  own   and  have  been  generated  by  me  as  the  result  of  my  own  original  research.   Wherever  contributions  of  others  are  involved,  it  is  made  clear  with  due   reference  to  literature.       The  work  was  performed  under  the  guidance  of  Prof.  Robert  Possee,  at   Oxford  Brookes  University.                                                      
  • 9.   ix   Abstract     Baculoviruses  are  mostly  found  in  order  Lepidoptera  and  are  found  among   600  different  insect  species.  Baculoviruses  were  originally  used  in   production  of  insecticides,  but  now  they  are  widely  used  for  the  production   of  many  recombinant  proteins.  The  baculovirus  expression  system  was   developed  decades  ago  and  has  improved  in  expression  of  foreign  genes  in   insect  cell  lines.  Cotransfection  is  commonly  used  to  generate  recombinant   viruses.  The  Sf9  cells  were  co-­‐transfected  with  the  use  of  flashBAC  DNA  and   plasmid  transfer  vectors  (pACRP23.lacZ,  pAcUK,  pOET6.NaV1.4,  and   pAcHANA).  The  populations  of  the  viruses  were  monitored  up  to  five   passages  at  both  low  (0.1)  and  high  (5)  moi.  The  viruses  were  passaged  in   cell  culture  at  5ml,  from  which  the  virus  particles  were  purified  from  and   DNA  analysis  was  performed.    The  data  collected  in  this  study  reveals  that   two  control  viruses  AcMNPV,  AcRP23.lacZ    and  AcHANA  generated  in  this   study  were  all  genetically  stable  during  passage.  However,  AcUK,  which   contains  the  mammalian  gene  urokinase,  AcRP23.lacZ  (generated  in  this   study),  containing  bacterial  beta-­‐glacatosidase  gene  and  AcNav1.4,  which   contains  mammalian  Nav1.4  gene  were  found  to  be  genetically  unstable.   Thus,  nonspecific  bands  were  found  in  the  viruses  AcUK  and  AcRP23.lacZ.   The  results  with  the  newly  generated  AcRP23.lacZ  were  surprising  since  the   control  virus  with  the  same  gene  appeared  to  be  stable  after  passage  at  both   low  and  high  moi’s.  This  may  be  due  to  defective  interfering  particles  (DIPs)   or  few  polyhedra  (FP)25K  mutation.  DIP  occurs  over  time  during  viral   infection  and  FP25K  mutation  takes  place,  if  small  amount  of  cells  have  
  • 10.   x   polyhedron  and  ODV,  which  can  cause  nonspecific  bands  to  occur.  The   verification  of  plasmid  cell  DNA  in  the  cotransfected  cells  all  had  high   molecular  weight  bands.  The  PCR  analysis  of  the  plasmid  DNA  showed  no   such  results  among  AcUK,  AcRP23.lacZ,  and  AcNaV1.4.                                                                          
  • 11.   xi                                                Table  of  Abbreviations     AcMNPV:          Autographa  californica  nucleopolyhedrovirus   BAC:                          bacterial  artificial  chromosome     BEVs:                      baculovirus  expression  vectors     bp:                                base  pairs         BV: budded virions   DNA:                        deoxyribonucleic  acid   DI:                                defective  interfering   dpi:                            days  post  infection   FCS:                          foetal  calf  serum   Fp25k:                Autographa  californica  multiple  nucleopolyhedrovirus  with  the                       fp25k  gene  removed   FP:                            few  polyhedra   Gp64:                  globular  protein  64   GV:                            granulovirus     H:                                  hours   hpi:                            hours  post  infection   LB:                              luria  broth   MOI:                        multiplicity  of  infection   NPV:                      nucleopolyhedrovirus   N-­‐terminal:      amino-­‐termina   OBs:                          occlusion  bodies   ODV:                        occlusion-­‐derived  virions   ORF:                        open  reading  frame       P10:                          baculovirus  10  kDa  protein     PBS:                          phosphate  buffered  saline     PCR:                          polymerase  chain  reaction     PE:                                polyhedral  envelope     PFU:                          plaque  forming  units   pi:                                  post-­‐infection   Polh:                        polyhedrin       rpm:                        rotations  per  minute    
  • 12.   xii   Sf:                                Spodoptera  frugiperda   T.  ni:                      Trichoplusi  ni   TBS:                        tris  buffered  saline                                        
  • 13.   1   Overview  of  Baculoviruses       Baculoviruses  are  commonly  found  in  nature.  They  are  large  DNA  viruses   isolated  from  arthropods  found  on  land  and  in  aquatic  environments.  They   mainly  tend  to  infect  butterflies,  moths,  sawflies,  wasps,  flies  and  beetles.   However,  most  baculoviruses  have  been  isolated  from  species  in  the  order   Lepidoptera.    They  are  believed  to  have  coevolved  with  their  insect  hosts   over  millions  of  years.    Baculoviruses  have  the  ability  to  survive  easily  in  soil   or  in  clefts  of  plants  for  long  periods  (decades)  since  they  have  the  capability   of  surviving  outside  their  host  within  highly  resistant  protein  occlusion   bodies.  The  recent  literature  claims  that  baculovirus  diseases  are  found  in   more  than  600  different  insect  species.  New  information  is  also  emerging   about  the  genetic  diversity  of  baculoviruses.  The  gene  organization  of  NPVs   is  conserved,  but  the  existence  or  truancy  of  auxiliary  genes  can  result  in   variation  among  the  viruses.   Baculoviruses  were  originally  studied  for  their  use  as  biological   insecticides.  Each  baculovirus  isolate  only  infects  particular  species  and  will   not  harm  non-­‐  invertebrate  hosts.  Hence  they  are  regarded  as  very  safe   viruses.    This  was  a  major  advantage  in  their  second  main  use.  Currently   they  are  also  widely  employed  as  gene  expression  vectors  to  make   recombinant  proteins  and  as  vectors  for  mammalian  cell  transduction,   where  genes  are  introduced  under  control  of  promoters  active  in  the  target   cells.     One  of  the  most  widely  studied  members  of  the  family  Baculoviridae   is  Autographa  californica  multiple  nucleopolyhedrovirus  (AcMNPV),  as  it   infects  around  30  species  belonging  to  the  lepidoptera.  Most  studies  of  virus   structure  have  been  based  on  this  isolate.  Baculovirus  nucleocapsids  are   rod-­‐shaped  and  contain  double  stranded  circular  genome  DNA.  Some  of  the   features  of  baculoviruses  include  two  types  of  virions:  occlusion-­‐derived   virions  (ODV)  with  occlusion  bodies  –responsible  for  horizontal   transmission  between  insects  and  budded  virions  (BV)-­‐  known  to  spread   virus  from  cell  to  cell  within  a  host  insect.    The  baculoviruses  are  capable  of  
  • 14.   2   expressing  foreign  genes  in  baculovirus  expression  vector  system  (BEVS),  as   they  are  nuclear-­‐replicating  DNA  viruses  that  encode  DNA  directed  RNA   polymerase,  which  is  used  to  transcribe  late  and  very  late  genes  (Clem  &   Passarelli,  2013).  The  BEVS  has  been  used  to  express  genes  from  plants,   fungi,  bacteria,  and  viruses  in  insect  cells.  One  of  the  benefits  of   baculoviruses  is  that  they  have  large  genomes,  which  allows  easy  insertion   of  the  foreign  genes.  The  basis  of  the  system  is  the  removal  of  the  occlusion   body  protein  gene  (polyhedron)  and  its  replacement  with  a  foreign  coding   region.         An  important  aspect  of  the  BEVs  is  the  method  used  to  insert  genes   into  the  recombinant  virus.  flashBACTM  produced  by  Oxford  Expression   technologies  has  reduced  the  time  to  produce  recombinant  viruses  to  a  one   step  process  (Possee  et  al.,  2008).  However,  it  is  also  important  that  we  have   a  better  understanding  of  the  stability  of  these  viruses  as  they  are  passaged   in  insect  cells  to  generate  infectious  stocks  used  for  subsequent  recombinant   protein  production.                                        
  • 15.   3                        Chapter  1-­‐  Insight  of  Baculoviruses     1.1  History       Baculoviruses  do  not  cause  any  infection  in  humans,  mammals  and   researchers  have  known  of  their  existence  for  several  hundred  years.  The   earliest  information  on  baculoviruses  can  be  traced  in  ancient  Chinese   literature,  which  describes  the  culture  of  silkworms.  Marco  Vida  of  Cremona,   an  Italian  bishop  of  16th  century,  provided  the  first  explanation  of   baculovirus  disease.  He  described  the  disease  of  silk  worms  in  a  poem  called,   “De  Bombyce”.  In  the  poem  he  described  the  symptoms  of  the  infection.   Baculoviruses  were  not  observed  directly  until  19th  century.  Polyhedral   crystals  were  observed  by  microscopy  and  associated  with  disease  in   insects.  During  research  carried  out  in  the  20th  century,  it  was  found  that  the   virus  particles  are  embedded  in  the  polyhedral  crystals.  In  addition  it  was   found  that  baculoviruses  played  a  major  role  in  regulating  insect   populations.  The  granuloviruses  (GVs)  were  also  identified.  In  comparison   to  nucleopolyhedrovirus  (NPV),  the  GVs  are  found  to  be  small  and  granular.   They  contain  only  one  virion  per  occlusion  body.  During  the  same  period,   baculoviruses  were  observed  and  were  affecting  the  insect  pest.  Introducing   baculoviruses  in  North  America  effectively  controlled  sawfly.  From  the  early   1950’s  to  1975,  the  development  of  baculovirus  as  control  agents  of  insect   pests  was  on  the  rise.       From  1970  to  1985,  various  pathological  and  genetic  understandings   of  baculoviruses  were  developed.  Discovering  the  fact  that  there  are  two   different  forms  of  baculoviruses,  a  budded  virus  (BV)  and  occluded  virus   (OV)  form  was  important  in  realizing  the  behavior  of  the  virus.  The  behavior   helped  in  cell  cultures  and  in  insect  host  pathology.  OV  are  more  infectious   in  the  mid-­‐gut  of  an  insect,  while  BV  spreads  the  infections  in  cell  cultures  or   in  other  tissues.       The  most  studied  member  of  the  Baculoviridae  family  is  Autographa   californica  nucleopolyhedrovirus  (AcMNPV).  It  became  popular  for  study   because  it  was  easy  to  grow  in  cell  cultures.  In  1979,  National  Institutes  of  
  • 16.   4   Health  allowed  cloning  of  baculovirus  in  Escherichia  coli.  The  cloning  was   used  to  analyze  particular  genes  and  their  functions.  The  usefulness  of   baculovirology  led  to  major  success  in  human  gene  therapy,  molecular   biology  and  genetics  with  cell  culturing.  It  also  led  to  mass  production  of   pesticides  for  the  benefit  in  the  field  of  agriculture.       1.2  Classification       The  Baculoviridae  viruses  are  rod-­‐shaped  with  circular  double   stranded  DNA  genome  of  88-­‐180  kbp,  consisting  of  up  to  180  genes,  in  a  rod-­‐ shaped  virus  particle  with  the  size  of  200-­‐400nm  in  length  and  36nm  wide   (Cheng  et  al.,  2013).  These  viruses  are  categorized  as  arthropod-­‐specific   viruses.  (Shi  et  al.,  2015).  There  are  two  virion  pheotypes  found  in   baculoviruses  occlusion-­‐derived  virion  (ODV)  and  budded  virions  (BV).   Budded  virion  (BV)-­‐  spreads  the  infecton  from  tissue  to  tissue  and  occlusion   derived  virion  (ODV),  which  is  consumed  via  oral  route  and  spreads   infection  between  individual  insects.  In  the  two  virions,  the  nucleocapsid   protein  and  genetic  material  are  identical  to  each  other.  Both  of  the  virions   are  formed  in  the    virogenic  stroma  (VS)  (Shi  et  al.,  2015).    ODV  are  occluded   in  a  crystalline  protein  matrix  to  form  granules  or  polyhedra.  The  viruses   that  form  ganules  are  known  as    granuloviruses  and  the  viruses  that  form   polyhedra  are  known  as  nucleopolyhedroviruses  (NPVs).    Granuloviruses   produce  small  occlusion  bodies  (OBs)  ranging  between  the  size  of  (0.13-­‐ 0.50μm),  containing  one  to  two  encapsulated  virions  in  a  protein  known  as   granulin(Jehle  et  al.,  2006).   Nucleopolyhedroviruses  produce  occlusion  bodies  ranging  from   (0.15  to  3μm)  and  they  contain  many  ODVs  (Jehle  et  al.,  2006).  NPVs  have   been  commonly  found  among  insect  orders  Lepidoptera,  Diptera  and   Hymenoptera,  while  GVs  have  been  only  found  among  Lepidoptera.    For  a   long  time,  baculoviruses  have  been  classified  into  two  groups  granuloviruses   (GVs)  and  nucleopolyhedroviruses  (NPVs)  (Kelly  et  al.,  2008).  The   Baculoviridae  family  is  sectioned  into  four  generas.  The  Alphabaculoviruses   are  lepidoperan-­‐specific  nuclopolyhedroviruses  with  either  single  or   multipe  nuclocapsids,  which  produces  both  BV  and  ODV  (Jehle  et  al.,  2006).  
  • 17.   5   The  Betabaculoviruses  are  composed  of  lepidoteran  specific  genus   Granulovirus  and  also  produces  both  BV  and  ODV.  Deltabaculoviruses  and   Gammabculoviruses  are  made  up  of  NPVs  that  only  infect  dipteran  and   hymenopteran  (Jehle  et  al.,  2006).    The  phylogentic  tree  shown  below  in   Figure  1.1  shows  the  division  of  Baculoviridae  family.         Figure  1.5.  The  above  phylogenetic  tree  indicates  the  division  of  four  groups  in  baculovirus   family.  It  indicates  amino  acids  of  29  baculoviruses  genes  derived  from  29  sequenced   baculovirus  genomes  (Jehle  et  al.,  2006).         1.3  Baculovirus  protein  structure     The  baculoviruses  have  the  potential  to  encode  more  than  150  proteins  due   to  their  large  genomes  (Ahrens  et  al.,  1997).  The  viral  particles  consist  of   nucleocapsids  of  which  the  DNA  is  associated  with  the  p6.9  protein,  which  is   a  54  amino  acid  protein.  In  additon,  vp39  has  also  been  recognized,  which  is   about  39  kDa  and  forms  most  of  the  capsid  structure.    The  occlusion  bodies,   budded  virus  (BV)  and  occlusion  derived  virus  (ODV)  envelopes  and   proteins  are  building  blocks  of  nucleocapsids  (Rohrmann,  2013).    One  of  the   best  characterised  baculovirus  protein  is  group  I  NPV  gp64,  this  protein  is  
  • 18.   6   important  for  BV  infectivity  but  genome  sequence  analysis  indicateded  that   many  baculoviruses  lack  homologs  of  the  gp64  gene(Rohrmann,  2013).  It   was  later  discovered  that  those  that  lack  gp64  possess  a  different  protein,   called  F  (fusion)  protein  (e.g.  LD130  from  Lymantria  dispar  MNPV)   Granuloviruses  and  group  II  NPVs  do  not  have  GP64,  therefore  the  F  protein   is  used  as  an  alternative  (Rohrmann,  2013).  It  is  assumed  that  group  I   viruses  use  GP64  to  enter  BV  into  cells,  while  the  baculoviruses  that  lack   gp64  homolog  use  F  protein  as  their  envelope  protein  (Figure  1.2)   (Rohrmann,  2013).         Figure  1.6.  Group  I  has  both  GP64  and  F  while  Group  II  only  has  F  protein  (Rohrmann,  2013).       1.4  Genome  of  AcMNPV     The  AcMNPV  was  first  described  in  the  early  1970s  and  a  decade  later   genetic  research  was  done.  The  genetic  research  was  influenced  by  virus   replication  in  cells  from  Spodoptera  frugiperda  and  Trichoplusia  ni   (Rohrmann,  2013).  These  discoveries  lead  to  the  development  of  a  bacmid   system,  which  produced  recombinant  virus  with  transposition  plasmids  in   the  AcMNPV  genome  in  artificial  bacterial  chromosome.  The  artificial   bacterial  chromosome  replicated  the  entire  AcMNPV  genome  in  bacteria   (Rohrmann,  2013).  This  technology  allowed  specific  deletion  gene  knockout  
  • 19.   7   in  bacteria,  which  could  later  be  investigated  with  the  use  of  transfection  in   insect  cells  (Rohrmann,  2013).  AcMNPV  is  a  vector  that  is  used  frequently   for  recombinant  protein  production  in  baculovirus  expression  system   (Harrison,  2009).  AcMNPV  infections  have  been  reported  in  43  lepidopteron   species  belonging  to  11  different  families  caused  by  AcMNPV.  The  first  fully   sequenced  AcMNPV  was  the  C6  clone  (Ayreus  et  al.,1994).  The  genome  of   AcMNPV  contains  a  133.9  kbp,  circular  double  stranded  DNA  genome  in  rod-­‐ shaped  virion  (Lee,  et  al.,  2015).      AcMNPV  is  also  made  up  of  about  154   ORFs,  which  have  little  redundant  sequence  between  them  (Dickison  et  al.,   2012).    AcMNPV  lead  to  the  development  of  the  original  baculovirus-­‐insect   cell  expression  system.       Figure1.3.  AcMNPV's  genetic  map.  Adapted  from  (Maciag,  Olszowka,  &Klein,2014)       1.5  Baculovirus  replication       The  replication  cycle  consists  of  two  type  of  virions,  one  known  as  occluded   and  the  other  as  budded.  The  occluded  is  responsible  for  infection  and   stability  in  insects  midgut  cells.  Whereas  the  budded  virions  are  only   responsible  in  spreading  the  infection  from  cell  to  cell.  The  replication  starts   when  the  occlusion  body  is  absorbed  by  the  insect.  The  viral  particles  are  
  • 20.   8   then  released  inside  insects  midgut  due  to  high  pH  (Figure  1.4).  The  viral   particles  (ODV)  after  being  released,  infect  three  different  cell  types,  such  as     regenerative(R  ),  columnar  epithelium  (CE),  and  goblet  cells  (G).  (McCarthy   &  Theilmann,  2008).       Figure  1.4.  Baculovirus  infection  in  insect  larvae  (O’Reilly  et  al.,  1994)     The  replication  system  for  OB  and  NPVs  differ,  first  it  produces  budded  virus   and  then  it  goes  onto  developing  occluded  form.  At  around  12  hour  post-­‐ infection  (h  p.i),  nucleocapsids  buds  through  plasma  membrane,  further   enveloping  the  BV  (Figure  1.4).  After  20  h  p.  i.,  ODVs  tend  to  form   nucleocapsids  and  then  they  are  transported  between  nuclear  membrane   and  VS.  Hence,  it  forms  occlusion  bodies  or  polyhedra  (Shi  et  al.,  2015).  The   genetic  expression  is  also  divided  into  three  phases:  early,  late  and  very  late.   In  the  late  phase  of  the  infection,  production  of  budded  virus  starts  and  the   production  of  polyhedron  begin  in  the  very  late  phase  (Kelly  et  al.,  2008).       The  NPV  virus  are  found  in  the  matrix  of  polyhedra  and  they  can  remain   stable  in  the  environment  (Lynn,  2003).  When  the  larvae  eats  the  occlusion   bodies,  the  ODVs  are  then  released  in  the  midgut  alkaline  environment.  This   phenomenon  leads  to  infection  in  the  epithelium(Cheng  et  al.,  2013,  Lynn,   2003).    The  ODV  then  attaches  to  the  microvilli  of  the  midgut  leading  to  an   infection.  The  infection  spreads  with  budded  virus  (BV)  from  midgut  to   other  tissues  (Figure  1.5)(Lynn,  2003).  Occluded  virus  is  responsible  for   causing  the  primary  infection  and  only  infects  insect-­‐to-­‐insect  transmission   of  the  virus.  The  BVs  bud  out  from  infected  cells  acquiring  their  envelopes  
  • 21.   9   from  the  plasma  membranes,  thereafter  it  continues  to  cause  infection  to   other  tissues  (Cheng  et  al.,  2013).  The  ODVs  are  found  occluded  in  protein-­‐   polyhedra,  which  consists  of  29  kDa  polyhedrin  protein  (Cheng  et  al.,  2013).       The  ODV  obtain  their  envelope  from  the    protein  FP25K  from  inside  nuclear   membrane  (INM)  (Cheng  et  al.,  2013).    The  FP25K  is  found  in  the  cytoplasm   and  nuclei  of  AcMNPV-­‐  infected  cells  (Harrison  &  Summers,  1995a).   Polyhedrin  and  granulin  are  very  similar  to  each  other  and  are  major   components  of  occlusion  bodies.    Polyhedrins  are  one  of  the  abundant   proteins  found  in  the  infected  baculovirus  cells.  They  tend  to  form   crystalline  cubic  lattice  that  is  enclosed  by  virions  (Rohrmann,  2013).  The   polyhedron  envelope  (PE)  or  calyx  is  what  surrounds  polyhedra     (Rohrmann,  2013).  The  function  of  PE  is  to  increase  the  stability  and  seal  the   surface.  When  polyhedra  are  given  alkaline  treatment,  the  crystalline  lattice   dissolves  but  polyhedron  envelope  does  not  and  that  is  where  all  the  virions   are  trapped    (Rohrmann,  2013).  Those  viruses  that  do  not  sysnthesize   occluded  form  are  known  as  “nonoccluded”  baculoviruses.  The  PE  protein  is   linked  to  p10  fibrillar  and  it  is  required  for  assembly  of  the  polyhedron   envelope  (Rohrmann,  2013).    If  p10  is  deleted  it  causes  reduction  in  lysising   of  cells  and  increase  in  virus.  The  deletion  of  p10  gene  makes  a  positive   impact  on  recombinant  protein  production  (Hitchman  et  al.,  2011).  The   homologs  of  p10  are  found  in  all  group  I  and  II  NPVs  and  also  among  some   GVs.  Although  the  exact  funtion  of  p10  (10kDA)  is  still  unknown  in  previous   studies  it  was  concluded  that  knock-­‐out  of  p10  function  by  lacZ  had  no   impact  on  polyhedral  envelope  (Hitchman  et  al.,  2011).      Although  it  is  not   proven  it  is  thought  that  P10  may  help  polyhedra  bundle  separate  into   individual  particles  to  spread  in  the  environment  and  thus  aid  horizontal   transmission.  However,  OB  bundles  spread  easily  if  p10  orf  is  deleted   (Hitchman  et  al.,  2011).        
  • 22.   10     Figure  1.5.  Baculovirus  structure  (Maciag,  Olszowka,  &  Klein,  2014)     1.6  Virus  replication  in  vivo     Infection  in  vivo  occurs  when  the  alkali-­‐soluble  occlusion  body  is  ingested  by   a  host  and  dissolves  in  the  high  pH  of  the  insect’s  midgut,  thus  releasing   virions.    In  the  first  stage  of  the  infection  BV  are  produced.  This  further   spreads  the  infection  from  cell  to  cell  in  the  insect.  The  nucleocapsids  are   then  transported  from  nucleus  to  the  cytoplasm.  From  cytoplasm,  the   nucleocapsids  obtain  an  envelope  when  they  bud  through  the  plasma   membrane.  The  membrane  has  been  modified  by  the  glycoprotein  known  as   gp64.  At  the  later  stage  of  the  infection,  the  virions  stay  within  the  nuclei  of   the  cell  where  they  become  occluded.  Theses  occluded  virions  are  then   released  from  decaying  insect  and  contaminate  foliage.  Thereafter  other   insects  consume  the  foliage.  The  total  infection  time  takes  around  5-­‐7  days.   During  the  infection  stage,  the  host  goes  through  various  phases.  In  the  first   phase  the  skin  tends  to  swell  and  a  change  is  observed  in  the  luster  of  the   skin.  In  the  second  stage,  the  muscular  tissues  dissolve  and  thereafter  the   larva  becomes  a  pouch  of  fluid.  In  the  final  stage,  the  larva  bursts  and   releases  polyhedral  particles.       The  two  viral  structures  are  different  in  their  composition,  although   their  nucleocapsids  are  similar.  The  differences  among  these  viruses  exist   due  to  their  different  functionality.  For  example  the  BV  tends  to  infect  insect   tissues,  while  the  envelope  of  ODV  is  responsible  for  midgut  infection.  It  also   plays  an  important  role  while  interacting  with  polyhedron  structure.  The  
  • 23.   11   ODV  occluded  form  is  considered  to  be  stable  in  harsh  environment  of  the   insect  gut.  Thus,  it  spreads  the  infection  from  one  insect  to  another  over  the   period  of  one  year.       1.7  Entry  into  the  nuclei     After  the  virus  enters  the  cell,  the  NPV  nucleocapsids  are  taken  to  the   nuclear  membrane,  where  actin  polymerization  takes  place  (Rohrmann,   2013).  Many  studies  suggest  that  nucleocapsids  are  carried  via  nuclear  pore.   Even  the  observation  of  empty  nucleocapsids  found  in  the  nuclei  of  cells   support  this  evidence  (Rohrmann,  2013).  Finding  nuclocapsids  in  nuclei,   leads  to  the  suggestion  that  they  do  not  need  cell  dividing  or  neccessity  of   nuclear  membrane  breakdown  to  migrate  into  nuclei  (Rohrmann,  2013;  Van   Loo  et  al.,  2001).    Studies  have  found  that  some  baculoviruses  inject  their   DNA  through  nuclear  pores  with  the  use  of  fluorescent  tag  attached  to  vp39   capsid  protein  and  also  to  WT  vp39  protein  (Rohrmann,  2013;  Ohkawa  et  al.,   2010).    The  fluorescence  was  observed  inside  nuclei  and  also  found  that   nucleocapsids  restrict  to  the  nuclear  pore.  Thus,  this  concludes  that   nucleocapsids  are  transported  through  nuclear  pore  complex  (Rohrmann,   2013).      The  nuclear  pore  have  been  characterised  to  have  channels  of  38-­‐78   nm.  The  virion  are  measured  to  be  around  30-­‐60  nm  in  diameter.  Hence,   these  measurements  allow  them  to  move  through  the  pores  (Rohrmann,   2013).     1.8  Exiting  the  cell  nuclei       The  virions  have  the  ability  to  enter  and  exit  with  the  use  of  nuclear  pores,   with  nucleocapsids  injected  into  Xenopus  oocytes.  In  a  previous  study,    it  was   found  that  treatment  by  colchicine  tends  to  obstruct  the  formation  of  the   microtubule.  Further,  it  leads  to  the  reduction  in  production  in  BV.  This   process  indicates  that  the  structure  might  play  a  role  in  virion  movement   out  of  the  cell  (Rohrmann,  2013).  Kinesin  is  one  of  the  major  protein  that   transports  material  to  the  cell  periphery.  The  BV  has  been  found  to  interact  
  • 24.   12   with  kinesin,  which  transports  them  from  microtubules  to  the  cell   membrane  (Au,  2012;  Danguah  et  al.,  2012;  Rohrmann,  2013).   Nucleocapsids  obtain  their  envelope,  which  consist  of  one  viral  protein   GP16.  It  happens  when  the  nucleocapsids  replicate  in  the  nucleus  they  are   then  released  from  midgut  cells  by  budding  via  the  nuclear   membrane.(Pearson  et  al.,  2001).  The  envelope  then  gets  lost  on  its  way  to   the  cytoplasm  and  parts  of  the  envelope  protein  assembly  to  the  plasma   membrane.  This  contains  both  GP64  (Ac128)  and  the  F  protein  (Ac23)  for   the  group  I  NPVs  (Blissard  &  Rohrmann,  1989).  The  GP64  protein  modifies   the  host  membrane,  this  mechanism  then  allows  the  occurrence  of  virus   budding  and  secondary  infection  to  take  place,  which  infects  midgut  cells   (Pearson  et  al.,  2001;  Blissard  &  Rohrmann,  1989;  Rohrmann,  2013).  If  the   AcMNPV  is  used  to  infect,  it  tends  to  go  toward  basal  and  lateral  regions  of   the  cells  allowing  the  infection  to  target  tissues  rather  than  the  gut  lumen   (Keddie  et  al.,  1989;  Rohrmann,  2013).     1.9  Gene  expression  regulation     Baculoviruses  gene  expression  is  split  into  three  different  stages,  each  one   depends  on  the  prior  stage:  early,  late  and  very  late.  The  viral  RNA   polymerase  II  transcribes  the  early  genes  while  RNA  polymerase  transcribes   late  and  very  late  genes  (Clem  &  Passarelli,  2013).       1.9.1  Immediate  early  genes       The  immediate  early  genes  are  the  ones  that  can  be  transcirbed  even  when   the  protein  synthesis  inhibitors  are  present,  for  example  cycloheximide   (King  &  Possee,  1992).  This  stage  has  been  further  studied  and  has  been   known  that  copies  of  these  genes  are  transcriptionally  active  when  inserted   into  plasmids.  It  should  be  considered  that  genes  should  be  active  even  after   transfection  into  uninfected  insect  cells.    
  • 25.   13   1.9.2  Delayed  early  genes       In  the  second  phase  of  gene  expression,  the  use  of  cycloheximide  and  other   inhibitors  is  important  in  defining  this  stage  (King  &  Possee,  1992).    When   cells  are  treated  with  such  inhibitors  and  returned  to  normal  condition,  a   pattern  of  protein  expression  is  observed  (King  &  Possee,  1992).    Some   proteins  express  instantly  when  the  inhibitors  were  removed  while  the   others  are  expressed  after  a  delay.  Thus,  it  defines  the  division  between   immediate  and  delayed  genes  (King  &  Possee,  1992).     1.9.3  Late  and  very  late  gene     The  third  phase,  in  which  the  virus  genes  are  expressed  in  infected  cells  with   replication  of  virus  DNA  (King  &  Possee,  1992).    If  the  virus  DNA  replication   is  inhibited  by  aphidicolin  then  the  late  genes  are  not  transcribed.  The  virus   genes  expressed  in  this  stage  are  those  that  are  encoding  structural   elements  of  the  virus  particles  (basic  protein,  capsid  protein,  and  the  virus   membrane  glycoprotein  (gp67))  (King  &  Possee,  1992).    The  transcription  of   these  genes  begins  with  RNA  polymerase,  which  is  α-­‐  amanitin  resistant.  It  is   prompted  in  the  late  infection  of  the  cells.    The  very  late  genes  are   transcribed  when  the  virus  is  producing  occlusion  bodies  in  the  nucleus  of   an  infected  cell  from  15  h  p.i.  onwards.  This  stage  includes  polyhedron   protein,  which  helps  in  forming  the  matrix  of  the  occlusion  body  and  p10   protein.  Further,  it  plays  the  role  in  the  production  of  polyhedra.  The  p10   forms  crystalline  matrix  in  the  nucleus  of  the  infected  cells  is  also  associated   with  formation  of  polyhedra.     1.10  Insect  Cell  lines     The  cell  lines  that  are  used  in  baculovirus-­‐based  expression  studies  are   usually  Sf21,  Sf9,  and  Trichoplusia  ni  (Tn).  The  two  cell  lines  (Sf21  and  Sf9)   were  obtained  from  ovarian  cells  of  Spodoptera  frugiperda  –(fall  army   worm)  (Haines  et  al.,  2006).  The  Trichoplusia  ni  (Tn)  were  obtained  from  
  • 26.   14   adult  tissues  of  cabbage  loopers  (Hink,  1970).    T.ni    is  a  very  important  pest   in  agriculture  and  highly  similar  to  AcMNPV.  The  Sf-­‐9  cells  were  cloned  from   Sf-­‐21  cells  to  provide  the  maximum-­‐production  of  Beta-­‐galactosidase  during   the  process  of  baculovirus  expression.  The  cells  Sf21  or  Sf9  are  used  for  co-­‐ transection,  amplification  of  virus  and  in  plaque  assays  (Haines  et  al.,  2006).   The  insect  cells  are  easier  to  maintain  when  compared  to  mammalian  cell.   They  can  be  grown  in  either  a  shake  or  stirred  flask,  or  if  monolayer  needs  to   be  maintained  T-­‐flasks  or  culture  dishes  can  be  used  easily  (Haines  et  al.,   2006).  These  cell  culture  lines  do  not  require  a  CO2  incubator,  as  they  can  be   easily  grown  at  25OC  to  30OC  temperature  (Haines  et  al.,  2006).         1.11  Transfer  Vector     There  are  many  transfer  plasmids  available  which  contain  different   sequences  for  various  purposes  (Hitchman  et  al.,  2011).  One  of  the  main   purposes  of  transfer  vector  is  to  allow  the  insertion  of  a  foreign  gene  of  a   specific  promoter  gene.  The  transfer  vectors  are  composed  of    polyhedrin  or   p10  very  late  promoters.  This  then  produces  high  concentration  virus  within   the  infected  cells  (Possee  &  King,  2007).  After  the  insertion  into  the  virus   genome,  the  two  genes  have  well  characterized  promoters  and  results  in   high-­‐level  transcription  or  recombinant  sequence  (Possee  &  King,  2007).   One  of  the  benefits  of  using  transfer  vector  is  that  it  is  easy  to  operate  in   vitro.  It  is  also  simple  to  find  the  primary  genetic  structure  of  recombinant   components  (Possee  &  King,  2007).  A  transfer  vector  is  combined  with  virus   DNA  and  then  used  to  co-­‐transfect  insect  cells  to  develop  an  infection.  The   infected  cells  with  a  virus,  face  the  occurrence  of  recombination  in  between   homologous  sequences  in  the  plasmid  transfer  vector  and  virus  genome   (Possee  &  King,  2007).  The  native  virus  gene  is  usually  discarded  in  the   event  of  double  cross-­‐over  and  substituted  with  a  foreign  coding  region   (Possee  &  King,  2007).          
  • 27.   15   1.12  Glycosylation       The  N-­‐linked  glycosylation  takes  place  in  endoplasmic  reticulum  of  both   insect  and  mamalian  cells.  In  insect  and  mammalian  cells,  N-­‐linked   glycosylation  can  be  repressed  if  cells  are  treated  with  tunicamycin  (King  &   Possee,  1992).  Eukaryotic  proteins  are  modified  by  adding  covalent  to   carbohydrate  side  chains.  There  are  three  glycosylation  pathways  in   eukaryotes:  N-­‐glycosylation,  O-­‐glycosylation,  and  O-­‐linked  N-­‐ actylglucosamine  (O-­‐GlcNAc).  Insect  cells  consists  of  all  these  three   pathways  but  do  not  match  up  with  eukaryotes    (Jarvis,  1997).    Insect  cells   contain  low  levels  of  fucose,  galactose  and  sialic  acid  transferases.  Thus,   insect  cells  lack  the  ability  undertake  oligosaccharide  (King  &  Possee,  1992).   The  recombinant  proteins  tend  to  be  sensitive  to  endo  H,  endo  F  and  N-­‐ glycanase,  which  is  responsible  in  removal  of  immature  oligosaccharides   (King  &  Possee,  1992).    Abnormal  glycosylation  can  result  in  disease  and   such  developmental  deficiency,  neuro  disorders  or  it  can  lead  to  serious   tumors.  Therefore,  it  is  important  to  have  functional  glycoprotein  for   analyses  and  medical  treatment  for  many  symptoms  (Morokuma,  et  al.,   2015).  As  we  know  N-­‐linked  glycan  increases  the  protein  stability  and  also   regulate  cell-­‐cell  and  protein-­‐protein  interactions  (Morokuma,  et  al.,  2015).   Thus,  it  is  necessary  to  have  complex  linkage  of  glycoprotein  for  proper   function  and  medical  treatment  of  many  diseases.  Up  until  today,   mammalian  expression  system  is  used  to  produce  glycoproteins  even  when   it  carries  many  disadvantages.  Those  disadvantages  could  be  such  as  high   cost  and  low  productivity  (Morokuma,  et  al.,  2015).    The  proteins  retrieved   from  insect  cells  are  paucimannosidic-­‐type  N-­‐glycan  therefore,  it  removes   the  terminal  GlcNAc  of  hybrid  structures  (Morokuma,  et  al.,  2015).                
  • 28.   16   1.13  Selection  of  polyhedron-­‐negative  recombinant   baculoviruses   1.13.1  BEVS-­‐  Baculovirus  Expression  Vector  System     The  BEVS  consists  of  three  important  parts,  a  transfer  plasmid  with  gene  of   interest  that  needs  to  be  transferred  into  the  virus  genome,  a  baculovirus   vector  (AcMNPV)  and  insect  cell  line  (Sf9  or  Sf21)  (Hitchman  et  al.,  2011).    It   usually  begins  with  cloning  of  a  preferred  gene  into  a  transfer  plasmid   between  sequences  that  flank  the  polyhedrin  (polh)  locus  in  the  genome  of   the  virus  (Hitchman  et  al.,  2011).  The  baculovirus  expression  vector  system   (BEVS)-­‐  is  a  very  important  system.  It  has  high  expression  level  and    has  the   capability  of  insertion  of  large  DNA  fragments,  glycosylation  modification,   acylation,  phosphorylation  and  amidation    (Shu-­‐ffen  et  al.,  2012).  A  BEV  is  a   double-­‐stranded  circular  DNA  genome,  that  has  been  genetically  modified  to   contain  a  foreign  gene  of  interest.  They  are  also  capable  of  transferring   foreign  genes  into  the  eukaryotic  host  cells.  Since  baculovirus  has  many   interesting  features,  the  BEVS  is  used  not  only  for  protein  production  of   interest  but  also  for  gene  therapy  and  surface  display    (Shu-­‐ffen  et  al.,  2012).     Over  the  past  three  decades,  baculovirus  has  been  efficiently  used  in   pharmaceutical  and  vaccine  production  (Shu-­‐ffen  et  al.,  2012).    The  BEV   system  has  been  intensively  used  in  basic  research  for  the  production  of   many  different  recombinant  proteins.  The  BEV  system  has  the  capability  to   produce  a  large  quantity  of  foreign  proteins.  The  BEV  system  can  make   perfect  foreign  proteins  as  it  has  the  ability  to  process  eukaryotic  protein   products.  The  BEV  system  does  have  fewer  limitations  such  as  protein  to   protein  variation  in  production.  Also,  the  glycoproteins  are  produced  in  low   levels,  this  can  further  lead  to  unsuitable  clinical  uses  due  to  the  difference   in  the  N-­‐linked  glycan  structure  among  insects  and  mammals.  (Morokuma,   et  al.,  2015).    This  can  also  lead  to  a  low  production  of  recombinant  proteins   such  as  membrane-­‐bound  and  secreted  glycoproteins  (Jarvis,  1997).       Another  limitation  that  BEV  has  is  when  the  insect  cell  protein  processing   pathway  are  not  identical  to  eukaryotes.  Thus,  it  leads  to  differentiation  in  
  • 29.   17   protein  production  compared  to  native  proteins  due  to  modifications  in   covalent  bonds  (Jarvis,  1997).       One  of  the  properties  that  lead  to  the  production  of  baculoviruses   expression  vectors  is  their  ability  to  produce  a  larger  quantity  of  polyhedrin   during  infection.  The  production  of  the  BEV  can  be  done  by  replacing  a  polh   gene  in  the  nucleotide  sequence  of  wild-­‐type  viral  genome  with  a  particular   foreign  gene  of  interest.  This  then  allows  the  wild  type  to  be  distinguished   due  to  its  phenotype  of  inability  to  produce  polyhedra.  It  also  leads  to   isolation  and  expression  of  human  β-­‐interferon  or  even  Escherichia  coli  β-­‐ galactosidase  in  insect  cell  cultures  (Jarvis,  1997).  This  method  was  the   original  way  of  producing  recombinant  baculoviruses,  but  it  was  quite   difficult  for  non-­‐virologists.  But  the  new  methods  have  improved  such   difficulties  with  systems  such  as  Bac-­‐toBac,  BacPAK6,  and  flashBAC.    The   Bac-­‐to-­‐Bac  technology  depends  on  production  of  recombinant  baculovirus   via  site-­‐specific  transposition  in  E.coli.  The  recombinant  virus  DNA  is  then   purified  and  used  to  transfect  insect  cells  to  recover  infectious  virus   particles.  The  BacPAK6  method  consists  of  AcMNPV  with  lacZ  insert  in  place   of  the  polyhedrin  gene,  which  can  be  linearized  prior  to  cotranfection  of   insect  cells  with  the  transfer  vector.  Recombinant  viruses  can  then  be   recovered  at  high  frequency  (>95%).  The  flashBAC  system  is  similar  to   BacPAK6,  but  it  doesn’t  require  linearization  to  use  and  it  is  also  fast  and   easy.  These  systems  allow  production  of  larger  quantities  of  expression   (Possee  &  King,    2007).    One  of  the  most  important  purposes  of  baculovirus   systems  is  its  uses  to  produce  proteins  in  insect  cells.       One  of  the  earliest  BEVS  had  been  based  on  polyhedra-­‐negative   viruses,  their  polyhedrin  coding  region  was  replaced  with  a  foreign  gene   inorder  to  produce  recombinant  baculovirus  (Hitchman  et  al.,  2012).    The   expression  of  the  foreign  was  influenced  by  the  polyhedrin  promoter   (Hitchman  et  al.,  2012).    Transfer  vectors  are  used  to  insert  foreign  gene  as   the  baculovirus  genome  is  too  big  to  insert  the  foreign  gene  directly.  The   recombinant  virus  genome  results  when  a  foreign  gene  is  inserted  into  the   virus  genome  (Pennock  et  al,  1984).  This  produces  both  original  parental  
  • 30.   18   viruses  and  recombinat,  thus  plaque-­‐purification  is  necessary  to  separate   the  two  but  this  process  can  be  time-­‐consuming  (Kitts  et  al.,  1990).     1.13.2  Recombinant  Baculovirus  Production       There  are  several  different  techniques  that  had  been  used  to  produce   recombinant  baculoviruses  consisting  the  gene(s)  of  interest.  Some  of  these   techniques  aim  to  produce  a  pure  recombined  virus  with  little  to  none   recombinant  virus  as  possible.  These  techniques  use  transfer  vector  with  the   gene  of  interest  with  control  of  many  promoters  in  baculovirus  genome.  The   transfer  plasmid  consist  of  gene  of  interest  downstream  of  promoter   sequence  and  is  flanked  with  complementary  sequence  to  baculovirus   genome,  which  helps  recombination  of  the  promoter  gene  DNA  into   unessential  region  of  the  baculovirus  (polyhedrin)  gene.    One  of  the  methods   includes  the  use  of  bacteria  by  inserting  the  gene  of  interest  into  bacmid   consisting  the  baculovirus  genome,  and  using  marker  gene  to  produce   recombinant  baculovirus  (Lee  et  al.,  1993).    Another  method  uses  in-­‐vitro   site  specific  transposition  to  insert  a  foreign  gene  and  eliminates  non-­‐ recombined  baculovirus  by  adding  negative  selection  marker  (Zhao  et  al,   2003).         1.13.3  The  BacPAK6  system     As  the  original  method  of  purification  of  the  recombinant  virus  was  time   consuming,  it  was  then  further  improved  with  linearized  baculovirus   genomes  at  insert  site,  which  allowed  the  recovery  of  more  recombinants  as   linearized  vectors  lacked  functional    Orf1629  (Kitts  &  Possee,  1993).  The   orf1629  is  an  important  gene  that  is  involved  in  nuclear  actin  during   baculovirus  infection  (M.  van  Oers,  2011).  In  the  BacPAK6  system,  orf1629  is   restored  after  viral  genome  and  transfer  plasmid  are  recombined,  thus   giving  90%  recombinantion  frequency  (M.  van  Oers,  2011).  The  BacPAK6   system  deletes  polyhedrin  gene  with  the  lacZ  gene,  which  has  restriction   enzymes    Bsu361  on  either  side  of  lacZ.  (Kitts  &  Possee,  1993).  Digestions  
  • 31.   19   with  Bsu361  removes    ORF1629  and  lacZ  gene,  causing  linear  virus  DNA   that  is  not  capable  of  replication  with  insect  cells  (Kitts  &  Possee,  1993).  The   co-­‐transfection  with  Bsu361,  re-­‐circularises  the  virus  DNA    by  replacing   orf1629.  The  restoration  of  orf1629  allows  replication  in  insect  cells  and   constructing  high  frequency  production  of  recombinant  viruses  (Kitts  &   Possee,  1993;  Haines,  Possee,  &  King,  2006).  Eventhough  addition  of  Bsu361   sites  in  BacPAK6  increases  recovery  of  recombinants  the  Bsu361  digestion  is   not  100  efficient  and  will  always  have  mixture  of  parental  and  recombinant   virus  (Possee,  &  King,  2006).       Figure  1.7.  A.  DNA  containing  Escherichia  coli  (E.  coli)  lacZ  inserted  at  polh  locus.  B.  Digestion   of  viral  DNA  removes  lacZ  and  partially  deletes  orf1629-­‐coding  region  C.    Cotransfection    and   insertion  of  foreign  gene  into  the  virus  DNA  and  restoration  of  orf1629  and  recircularization   of  DNA  thus  permitting  replication  within  insect  cells.  D.  Plaque  assay  is  used  to  isolate   recombinant  virus  (Possee,  &  King,  2006).     1.13.4  Bac-­‐to  Bac®     The  Bac-­‐to-­‐Bac  Baclovirus  Expression  System  represents  an  efficient  way  to   make  recombinant  baculoviruses.  The  advantage  is  that  recombinant   baculovirus  can  be  obtained  fairly  quickly  in  7-­‐19  days  (Anderson,  et  al.,  
  • 32.   20   1996).  This  system  does  not  require  separation  and  purification  of   recombinant  viruses  by  using  plaque  –assay  (Anderson,  et  al.,  1996).  The   vector  of  this  system  contains  kanamycin  resistance  gene  and  lacZa   (Anderson,  et  al.,  1996).    The  Bac-­‐to-­‐Bac  Baculovirus  expression  System  has   site  specified  transposition  properties  of  the  Tn7  transposon.  This  aspect   makes  it  easier  to  generate  recombinant  bacmid  DNA.  The  transposition   connection  does  not  interfere  with  the  functions  of  the  gene  (Anderson,  et   al.,  1996).    This  plasmid  is  designed  to  form  blue  colonies  as  bacmid  is   propagated  in  E.  coli    on  differentiation  medium  with  kanamcycin,  X-­‐gal  and   IPTG.  The  recombinant  bacmid-­‐containing  colonies  can  be  isolated  by   plating  them  on  a  selective  media  (Anderson,  et  al.,  1996).    The  bacmid   recombinant  DNA  is  isolated  by  alkaline  lysis  procedure  from  the  E.coli  cells.   Thereafter,  the  obtained  DNA  is  then  used  to  transfect  insect  cells  and  this   does  not  require  any  further  selection  before  virus  amplification  (Anderson,   et  al.,  1996).       1.13.5  flashBACTM      The  flashBac  is  a  new  technique  developed  by  Oxford  Brookes  University,   which  is  sold  by  Oxford  Expression  Technologies  (Hitchman  et  al.,  2011).   Essentially,  flashBAC  comprises  a  copy  of  the  AcMNPV  genome  with  a  partial   deletion  of  ORF1629,  which  is  amplified  in  bacterial  cells.  This  DNA  cannot   replicate  and  produce  infectious  virus  in  insect  cells  unless  it  is   cotransfected  with  a  plasmid  transfer  vector  containing  the  complete   ORF1629  gene.  The  flashBAC  technology  is  one  of  the  best  platforms  to  be   used.  It  does  not  require  selection  pressure  to  separate  recombinant  virus   from  the  non-­‐recombinant  parental  virus  (Hitchman  et  al.,  2011).  This   system  is  dependent  on  homologous  recombinant  of  insect  cells  and  transfer   plasmids.  The  flashBAC  provides  many  advantages  to  the  existing   baculovirus  expression  vector  system  (Hitchman  et  al.,  2011).  This   technology  allows  the  user  to  skip  the  necessity  which  required  carrying  out   plaque-­‐purification  (Hitchman  et  al.,  2011).  The  gene  deletion  restrains   virus  replication  in  the  insect  cells,  but  BAC  permits  the  viral  DNA  for  the  
  • 33.   21   propagation  of  bacterial  genome  (Hitchman  et  al.,  2011).  In  addition,  the   bacterial  circular  DNA  is  isolated  by  lysis  and  purification  by  making  use  of   flashBACTM  Kit  and  the  DNA  is  ready  for  use  in  co-­‐transfection  (Hitchman  et   al.,  2011).  Genes  under  the  control  of  any  promoter  can  be  expressed   provided  that  the  ORF1629  deletion  is  rescued(Fig.  3).    The  recombinant   parent  virus  is  not  required  as  the  parental  viruses  propagate  in  the  insect   cell  lines.     The  flashBAC  DNA  system  is  as  simple  as  BacPAK6  system,  when   making  recombinant  viruses  in  insect  cells  and  removal  of  the  step  of  plaque   purification  is  one  of  the  concerns.    The  flashBAC  also  enhances  the  protein   secretion  and  membrane  proteins  (Hitchman  et  al.,  2011).  The  removal  of     chitinase  from  flashBAC  has  improved  the  secretory  pathway  and  produces   great  yield  of  recombinant  proteins  (up  to  60  folds)  which  is  secreted   (Hitchman  et  al.,  2011).     Figure  1.8.  The  flashBAC  baculovirus  expression  system  used  for  production  of  recombinant   baculoviruses.    A.)  Shows  the  deleted  genes.  B.)  Containment  of  gene,  insert,  lef2,  and  orf1629   gene  in  transfer  vector.  C.)  Recombinant  virus  with  repaired  orf1629  gene  (Rohrmann,  2013).       1.14  Multiplicity  of  Infection       The  virus  multiplicity  of  infection  (MOI)  describes  the  infectious  virus   particle  ratio  to  the  quantity  of  cells  in  the  culture  (Kool  et  al.,  1991).    It  can   be  used  to  estimate  the  amount  of  cells  infected  by  the  viruses  (Kool  et  al.,  
  • 34.   22   1991).    A  high  MOI  is  needed  to  achieve  synchronous  infection  of  the  cells,   which  usually  range  between  5-­‐10  pfu/cell,  but  when  the  MOI  is  low  only  a   part  of  the  cell  population  is  infected  (Kool  et  al.,  1991).      The  use  of  high   MOIs  is  used  for  quick  determination  of  the  protein  production  in  a  small   scale  (Kool  et  al.,  1991).  On  the  other  hand,  it  becomes  difficult  on  a  larger   scale  as  producing  high  multiplicities  of  infection  tends  to  be  a  problem.  It   becomes  a  problem  as  a  larger  quantity  of  virus  is  needed  and  it  becomes   unrealistic.  In  the  past  studies,  it  has  been  noted  that  defective  particles   form  during  the  passage  of  baculovirus,  as  a  result  to  loss  of  partial  genome   (Kool  et  al.,  1991).  This  then  grows  in  cell  culture  and  causes  decrease  in   protein  production.  Rather  this  can  be  avoided  with  the  production  of   baculoviruses  infected  with  low  multiplicities  (Zwart  et  al.,  2008).     Those  cells  that  are  infected  with  low  multiplicities  of  infection  tend   to  only  affect  small  proportion  of  cells.  Later,  they  spread  the  virus  to  other   cells  in  the  culture  (Radford  et  al.,  1997).  In  addition  the  non-­‐infected  cells   continue  to  divide,  thus  low  MOI  system  cannot  be  predicted  easily  (Wong  et   al.,  1996).    Another  tactics  that  can  play  a  role  towards  predictability  of  low   MOI  infection  is  the  sensitivity  to  conditions  such  as  cell  density  and  virus   titers.  It  can  produce  improper  quantification  for  baculovirus  titration   (Radford  et  al.,  1997).       In  low  MOI  if  time  is  not  reduced  while  attempting  to  increase   protein  production  then  the  proteolytic  degradation  of  the  proteins  take   place  which  can  be  problemetic  in  low  MOI  infection  (Radford  et  al.,  1997;   Wong  et  al.,  1996).    The  low  MOI  infection  also  carry  the  risk  of  having  high   cell  density.  This  leads  to  nutrient  depletion  and  causes  decrease  in   production  (Radford  et  al.,  1997).      If  cell  density  and  time  of  infection  is   taken  care  of  then  the  use  of  low  MOI  becomes  possible.  It  also  requires   appropriate  baculovirus  titers  as  inaccurate  MOI  can  cause  cells  to  die   immediately  (Radford  et  al.,  1997;  Wong  et  al.,  1996).  Other  factors  that  lead   to  low  production  can  be  due  to  inaccurate  cell  density,  or  inaccurate  cell   number  to  be  infected.  This  aspect    can  either  lead  to  high  cell  density  and   low  protein  production  as  well  (Licari  &  Bailey,  1991).    In  previous  studies,  
  • 35.   23   it  has  been  noted  that  if  cells  are  infected  in  early  exponential  phase,  there  is   no  significant  correlation  to  MOI.  But  if  cells  are  infected  in  the  last   exponential  phase,  then  there  must  have  been  significant  correlation  to  MOI,   resulting  in  high  yield  (Wong  et  al.,  1996).    If  the  cell  density,  time  of   infection,  and  MOI  are  taken  in  careful  consideration,  then  the  low  MOI  can   also  produce  proteins  equal  to  those  with  high  MOI  (Radford  et  al.,  1997;   Wong  et  al.,  1996).     The  lower  MOIs  tend  to  infect  only  the  portion  of  the  cell  while  the   remainder  grow  uninfected.  The  cells  may  have  a  high  yield  instead  of  the   cell  density,  when  the  uninfected  cells  and  their  progeny  get  infected  in   secondary  infection.  Further,  the    secondary  infection  will  lead  to  release  of   progeny  virus.    Thus,  to  obtain  high  production,  cells  should  be  infected  at   low  cell  density  lower  than  cell  yield.     1.15  Serial  Passaging     Baculovirus  go  through  genetic  variation  during  passaging  in  a   bioreactor  to  produce  few  polyhedra  and  defective  interfering  particle  (DIP)   (Giri  et  al.,  2012).    Due  to  the  cumulation  of  the  mutants  it  results  in  a   decrease  in  production  of  polyhedra  thus  reduces  the  virulence  leading  to   being  inefficient  at  being  biopesticide  (Giri  et  al.,  2012).  In  previous  studies   passaging  effect  has  been  found  to  be  a  problem  in  development  of  large-­‐ scale  batch  of  recombinant  proteins/vaccines  with  the  use  of  baculovirus   expression  vector  system  (BEVS),  as  mutants  tend  to  pile  up  after  a  few   passages  to  produce  necessary  baculovirus  stock  (Giri  et  al.,  2012).     Mutation  can  occur  in  passaged  viruses  for  many  reasons,  such  as:  deletion   of  the  gene  fragment,  point  mutations,  frame  shift  mutations,  insertions  of   transposonmediated  host  cell  and  viral  genome  sequencing  (Giri  et  al.,   2012).  The  virus  variants  can  also  cause  virus  titers  to  drop  drastically,  in   addition,  virus  variants  with  a  large  number  of  deletions  have  been  found   among  many  virus  families  (Zwart  et  al.,  2013).    The  DIP  mutants  are   deletion  mutant  viruses  that  take  place  during  passaging  and  usually   compete  for  growth  with  normal  wild-­‐type  virus.  A  decrease  in  recombinant  
  • 36.   24   protein  production  is  usually  due  to  DIP  mutants  as  they  lack  foreign  gene  of   interest  or  genes  that  are  involved  in  very  late  gene  expression  (Giri  et  al.,   2012).  In  particular,  AcMNPV  DIPs  arise  very  quick  in  cell  culture,  usually   two  passages,  and  they  tend  to  become  diverse  in  the  late  passages  (Zwart  et   al.,  2013).  It  is  suggested  from  observations  of  previous  studies,  a  possible   reason  for  genome  deletion  can  be  due  to  recombination  between  any  two  of   the  eight  homologous  repeat  regions  in  the  AcMNPV  genome  (Giri  et  al.,   2012).  Defective  interfering  (DI)  viruses  replicate  at  much  faster  pace  due  to   small  genome  size  than  viruses  that  have  the  full-­‐length  genome  (Zwart  et   al.,  2013).    They  can  also  develop  a  better  way  to  compete  with  helper   viruses,  for  example,  accumulation  of  origins  of  DNA  with  a  single  genome.   However,  DI  viruses  are  unable  to  replicate  as  they  do  not  carry  the  essential   genes  to  do  so,  therefore  DI  viruses  must  co-­‐infect  a  cell  with  helper  virus  for   it  to  replicate  (Zwart  et  al.,  2013).  Upon  passaging  cell  culture,  few-­‐ polyhedra  (FP)  mutants  are  found  to  have  decrease  infectivity  with  reduced   yield  of  occluded  virus  (polyhedra).  FP  mutations  usually  occur  due  to   transposon  insertion  in  fp25k  gene,  which  leads  to  decrease  FP25K  protein   synthesis  (Giri  et  al.,  2010).    Due  to  repeat  passaging  baculoviruses  can  have   mutant  accumation  in  cell  cultures.  Also,  polyhedra  yield  and  virus  number   also  decreased  due  to  few-­‐polyhedra  (FP)  and  defective  interfering  particle   (DIP)  (Giri  et  al.,  2010).    For  large-­‐scale  production  it  is  necessary  to  come   over  mutations,  thus  will  enable  them  to  be  cost  effective.  FP  mutants  occur   due  to  low  amount  of  cells  containing  polyhedron.  Most  of  the  FP  can  disrupt   the  FP25K  protein  sysnthesis  by  placing  host  cell  DNA  into  a  various  region   of  the  baculovirus  genome  (Giri  et  al.,  2010).    In  previous  studies  it  has  been   found,  that  deletion  or  insertion  of  fp25k  gene  can  lead  to  increase  of  BV   production,  increase  in  BV  structural  proteins  (GP64,  BV  E-­‐26  and  VP9),   decrease  in  occluded  virus  proteins,  decrease  in  liquefacation  of  the  larval   host,  decrease  in  E66  protein,  and  production  of  deviant  virions  morphology   (Giri  et  al.,  2010).  Thus,  fp25k  gene  mutation  can  take  place  during  passaging   of  the  viruses  and  can  decrease  the  production  of  polyhedra  and  ODV  in   continuous  cells