Виро́иды () — инфекционные агенты, состоящие только из кольцевой РНК. Они вызывают различные болезни растений, в том числе веретеновидность клубней картофеля, и карликовость хризантемы. По оценкам учёных, более трети вирусных заболеваний растений вызываются вироидами.
Вироиды представляют собой ковалентно замкнутые кольцевые одноцепочечные молекулы РНК (оцРНК) длиной от 246 до 467 нуклеотидов (для сравнения: геном мельчайшего из известных вирусов составляет 2000 нуклеотидов в длину). В отличие от вирусов, вироиды лишены белковой оболочки (капсида). Обычно кольцевая РНК вироидов существует в виде палочковидной формы из-за спаривания азотистых оснований внутри цепи, в результате чего образуются двухцепочечные участки с одноцепочечными петлями. Некоторые вироиды находятся в ядрышке инфицированной клетки, где может присутствовать от 200 до 100 000 копий генома вироида. Другие вироиды располагаются в хлоропластах.
РНК вироидов не кодирует каких-либо белков, поэтому вироиды не могут реплицироваться сами по себе. Предполагается, что для этих целей они используют ДНК-зависимую РНК-полимеразу хозяйской клетки — фермент, который обычно используется для синтеза РНК на матрице ДНК. Однако в инфицированной вироидом клетке этот фермент использует РНК вироида, а не ДНК клетки-хозяина, как матрицу для синтеза РНК. Эта молекула РНК, комплементарная геному вироида, используется как матрица для синтеза новых РНК вироида.
Растение, заражённое вироидом, может не проявлять никаких симптомов. Однако тот же самый вироид может вызывать серьёзную болезнь у другого вида растений. Основы патогенности вироидов ещё не определены, однако известно, что для неё необходимы некоторые участки вироидной РНК. Некоторые данные свидетельствуют о том, что вироиды вызывают болезнь, активируя механизмы РНК-сайленсинга в эукариотической клетке, которые в норме работают для защиты клетки от вирусов, чей геном представлен двуцепочечной РНК (дцРНК). При РНК-сайленсинге клетка распознаёт дцРНК и селективно разрушает их. Вироиды могут вмешиваться в этот процесс, комплементарно связываясь (гибридизуясь) со специфическими молекулами РНК клетки-хозяина. Образование гибридных дцРНК из РНК вироида и клетки запускает РНК-сайленсинг, направленный на разрушение гибридного комплекса. В результате разрушается мРНК клетки-хозяина и происходит сайленсинг её определённых генов. Невозможность экспрессировать важный ген обусловливает болезнь у растения-хозяина. Впрочем, имеются предположения и о других механизмах действия вироидов на растительные клетки.
Вироиды относятся к числу способных к репликации РНК-содержащих патогенов, которые вызывают различные заболевания у растений и животных. Помимо вироидов, к таким патогенами относят сателлитные РНК, вироид-подобные растительные сателлитные РНК, а также вирус гепатита дельта человека.
История
В 1920-х годах фермеры Нью-Йорка и Нью-Джерси заметили у картофеля симптомы неизвестного заболевания. Клубни поражённых растений утрачивали привычную форму и становились веретеновидными, из-за чего эта болезнь была названа веретеновидностью клубней картофеля (PSTVd). Симптомы заболевания появлялись у растений, контактировавших с фрагментами заражённых экземпляров, следовательно, болезнь вызывалась агентом, который мог передаваться от одного растения к другому. Однако у поражённых растений не обнаруживалось необычного грибка или бактерии, поэтому был сделан вывод, что болезнь вызывается вирусом. Несмотря на многочисленные попытки изолировать и очистить этот вирус из экстракта веретеновидного картофеля с использованием всё более усложняющихся методов, выделить его так и не удалось.
В 1971 году Теодор О. Динер показал, что этот инфекционный агент был не вирусом, а патогеном совершенно нового типа, размер которого составлял одну восьмидесятую от размера типичного вируса, и предложил для него термин «вироид» (то есть «вирусоподобный»). Параллельно велись и сельскохозяйственные исследования особенностей вироидов, и фундаментальные научные исследования, направленные на изучение их физических, химических и макромолекулярных свойств. В 1976 году и коллеги доказали, что патоген, вызывающий веретеновидность клубней картофеля, представляет собой «одноцепочечную, ковалентно замкнутую, кольцевую молекулу РНК, из-за спаривания оснований приобретающую плотную палочковидную структуру». Это было первое описание природы вироидов.
Кольцевая форма и одноцепочечная структура молекулы РНК вироидов была подтверждена электронной микроскопией, а полная последовательность генома вироида веретеновидности клубней картофеля (PSTVd) была определена в 1978 году () и коллегами. Этот вироид стал первым патогеном эукариот, для которого была определена полная молекулярная структура.
Классификация На основании сравнительного анализа последовательностей и наличия центрального консервативного участка в молекуле геномной РНК все известные на данный момент вироиды разделяют на два семейства. В настоящий момент известно группы (ASBVd), также известной как Avsunviroidae или группаА. У членов этого семейства как , так и минус-цепи вироидной РНК способны самовырезаться из РНК-мультимеров. Все остальные вироиды, известные на данный момент, относятся к группе вироида веретеновидности клубней картофеля (PSTVd), также известной как Pospiviroidae или группаВ. РНК этих вироидов имеет консервативный участок и неспособна к самовырезанию. Основные черты семейств вироидов и охарактеризованных представителей кратко перечислены в таблице ниже. Помимо нижеперечисленных, выделены и другие вироиды, однако они ожидают признания Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV).
Семейство Характерные свойства Роды Представители Avsunviroidae (группаA) Самовырезающаяся РНК; самолигирование; репликация в хлоропластах Avsunviroid Вироид пятнистости авокадо (ASBVd) Elaviroid Латентный вироид баклажана (ELVd) Pelamoviroid (PLMVd) и вироид хлоротичных пятен хризантемы (CChMVd) Pospiviroidae (группаB) РНК не способна к самовырезанию; репликация в ядре Apscaviroid Вироид рубцов на кожице яблок (ASSVd) и Cocadviroid (CCCVd) и Coleviroid Вироиды колеуса Блюме с 1 по 3 (CbVd-1…3) (HSVd) и латентный вироид георгин (DLVd) Вироид веретеновидности картофеля (PSTVd) и
Анализ последовательностей показывает, что РНК членов семейства имеет : TL(терминальный левый), P(патогенный), C(центральный), V(вариабельный) и TR(терминальный правый). Границы между этими доменами определяются по резкому изменению в степени гомологии последовательностей у различных вироидов. Раньше считалось, что эти домены имеют специфичные функции, например, доменР связан с патогенностью вироида. Однако впоследствии оказалось, что причины, лежащие в основе патогенности вироидов, более сложны, и проявление симптомов заболевания в настоящее время связывают с различными детерминантами, располагающимися в разных доменах. Члены этого семейства подразделяются на пять родов главным образом на основании наличия высококонсервативных последовательностей в доменеC и отчасти на основании наличия гомологий в последовательностях других доменов.
Таксономический статус группы вироидов не определён. Согласно последнему выпуску (2015 г.) классификации вирусов (по данным Международного комитета по таксономии вирусов), семейства вироидов рассматриваются в числе семейств вирусов, не относящихся к определённому порядку. В 2016 году было предложено включить вироиды в состав предложенного царства Acytota, содержащего бесклеточные живые организмы.
Строение
Вироидная РНК проявляет высокую степень спаривания оснований по всей молекуле. РНК членов сворачивается в палочковидную структуру, в которой короткие двуцепочечные участки разделяются небольшими одноцепочечными петлями. Хотя предполагается, что вироид пятнистости авокадо также имеет палочковидную вторичную структуру, два других члена семейства — вироид латентной мозаичности персика и вироид хлоротичных пятен хризантемы — имеют более сложные вторичные структуры, в которых от центральной (коровой) части отходят несколько шпилек. Структура вироидов внутри клетки остаётся невыясненной, и возможно, что вироидные РНК принимают несколько альтернативных конформаций на различных этапах жизненного цикла.
Принято считать, что наиболее распространённая и часто встречаемая форма вироидной РНК условно имеет положительную полярность, а комплементарная ей цепь — отрицательную. Стандартное определение полярности для РНК, при котором положительную полярность имеет цепь, кодирующая белок, в случае вироидов неприменимо, и принятые значения полярности выбраны произвольно.
Жизненный цикл
Общий план
Репликация вироидов осуществляется по механизму катящегося кольца, при котором на кольцевой РНК, используемой в качестве матрицы, синтезируются линейные мультимеры. РНК-полимераза клетки-хозяина синтезирует на кольцевой РНК, имеющей положительную полярность, одноцепочечную линейную комплементарную минус-цепь. Поскольку на РНК-матрице нет выраженных сигналов терминации для РНК-полимеразы, транскрипция может идти по кругу в несколько циклов, в результате чего образуется линейная мультимерная РНК.
У Avsunviroidae эти мультимерные РНК далее разрезаются на отдельные мономерные минус-цепи, которые замыкаются в кольцо. Такие кольцевые минус-РНК в дальнейшем служат для аналогичного процесса — синтеза мультимерных линейных плюс-цепей РНК, которые разрезаются на мономеры, замыкающиеся в кольцо. Такой цикл может давать несколько новых дочерних плюс-цепей РНК с исходной плюс-матрицы, поскольку и в первом, и во втором случае матрица транскрибируется больше, чем один раз. Такая репликация называется симметричной, потому что и плюс-, и минус-цепи реплицируются одинаково.
Члены семейства Pospiviroidae реплицируются по схожей схеме, однако у них линейные мультимерные минус-цепи, образующиеся в первом раунде транскрипции, не разрезаются на мономеры, а непосредственно копируются в линейные мультимерные плюс-цепи. Эти плюс-мультимеры далее разрезаются на мономеры, которые замыкаются в кольцо под действием ферментов клетки, давая дочерние кольцевые молекулы положительной полярности. Такая репликация называется асимметричной.
Описанный выше цикл репликации по типу катящегося кольца требует работы трёх ферментов: РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая синтезирует мультимерные линейные цепи; РНК-разрезающего фермента (эндорибонуклеазы), которая разрезает мультимерные цепи на линейные мономеры; РНК-лигазы, которая замыкает линейные мономеры в кольцо.
Полимеризация Считается, что в репликации Pospiviroidae участвует клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза II (RNAPII), поскольку репликация этих вироидов блокируется при низких концентрациях α-аманитина, известного ингибитора этого фермента. Полимеризация у Avsunviroidae требует участия другого фермента, так как она не останавливается под действием высоких концентраций α-аманитина. Непосредственное доказательство участия РНК-полимеразы II в репликации вироидов было получено с помощью метода ко-иммунопреципитации вместе с доменом TL вироида, однако роль каждой из субъединиц РНК-полимеразы II в этом процессе ещё предстоит установить. Возможно, это различие связано с различными клеточными компартментами, в которых локализуются вироиды этих двух групп: вироиды семейства Pospiviroidae находятся в ядре клетки, а Avsunviroidae — в хлоропластах, находящихся в цитоплазме клетки-хозяина. РНК-полимераза хлоропластов похожа на бактериальную РНК-полимеразу в плане устойчивости к α-аманитину, так что, возможно, в хлоропластах вироиды реплицируются, используя РНК-полимеразу хлоропластов.
Клеточные РНК-полимеразы обычно транскрибируют только двуцепочечные ДНК-матрицы в РНК. Непонятно, каким образом вироиды рекрутируют эти РНК-полимеразы и заставляют их использовать свои одноцепочечные РНК-геномы в качестве матрицы для синтеза комплементарной РНК. В 2011 году были определены точки начала репликации и для Avsunviroidae, и для Pospiviroidae, так что, возможно, это поможет установить механизм рекрутирования вироидами РНК-полимераз клетки-хозяина.
Разрезание