Кіріспе
Патогенді кішкентай бір жіпті шеңберлі РНК, вирустарға тәуелді оның бір түрі. Вироидтар – инфекциялық патогендер болып табылатын кішкентай бір жіпті, шеңберлі РНК. Вирустардан айырмашылығы, оларда ақуыздық қабық жоқ. Барлық белгілі вироидтар – гүлді өсімдіктердің (ангиоспермалардың) қоныстанған түрлері, олардың көпшілігі ауруларды тудырады, ал олардың адам үшін экономикалық маңызы әртүрлі. Жақында жүргізілген метатранскриптомикалық зерттеу вироидтар мен вироидқа ұқсас басқа элементтердің түрлер арасындағы әртүрлілігі бұрынғыдан да кең екенін, және олар тек өсімдіктермен ғана шектелмейтінін, тіпті прокариоттарды да қамтитынын көрсетті. 1970 жылдары вироидтардың алғашқы ашылуы биосфераның тарихи үшінші кеңеюіне әкелді – оған кішірек тірі организмдерге ұқсас құрылымдар енді. Бұл 1675 жылы Антони ван Леувенхокпен (көрінбейтін микроорганизмдерді тапқан) және 1892–1898 жылдары Дмитрий Иосифович Ивановский мен Мартин Бейеринкпен (микроскопиялық вирустарды тапқан) жасалған жаңалықтардан кейін болды. Вирустардың таксономиясы жөніндегі халықаралық комитет вироидтардың ерекше қасиеттерін мойындап, субвирустық агенттердің жаңа класын құрды. Алғаш рет танылған вироид – картоптың түйнегінің бұрылыс ауруын қоздыратын патогендік агент, ол 1971 жылы АҚШ Ауыл шаруашылығы министрлігінің Мэриленд штатындағы Белтсвилл зерттеу орталығындағы өсімдік патологы Теодор Отто Динермен молекулалық тұрғыдан сипатталды және аталды. Бұл вироид қазір картоптың түйнегінің бұрылыс вирусы (PSTVd) деп аталады. Citrus exocortis viroid (CEVd) көп ұзамай ашылды, ал PSTVd және CEVd туралы білім вироидтар туралы түсінікті қалыптастырды. Вироидтар нуклеин қышқылынан тұрғанымен, ешқандай белокты кодтамайды. Вироидтың көбейтілу механизмі РНК-полимераза II ферментін пайдаланады, бұл фермент әдетте ДНК-дан хабаршы РНК синтезімен байланысты, бірақ вироидтың РНК-сын үлгі ретінде пайдаланып, жаңа РНК-ның «шеңберлі көшірмесін» синтездеуді катализдейді. Вироидтар көбінесе рибозимдер болып табылады, олар каталитикалық қасиеттерге ие, бұл оларға үлкен көбейтілу аралықтарынан бірлік мөлшеріндегі геномдарды өздігінен бөлшектеуге және біріктіруге мүмкіндік береді. Динер 1989 жылы вироидтар кеңінен қабылданған, ежелгі және жасушалық емес РНК әлемінің «тірі қалдықтарын» білдіруі мүмкін деп болжады, және басқалар да осы болжамды қолдады. Ретрозимдердің ашылуынан кейін, вироидтар мен вироидқа ұқсас басқа элементтер осы жаңадан табылған ретротранспозон класынан пайда болған болуы мүмкін деген ұсыныс жасалды. Адамға патогенді гепатит D вирусы – вироидқа ұқсас құрылымды субвирустық агент, өйткені ол гепатит B вирусының беткі белоктарымен қоршалған гибридтік бөлшектерден тұрады.
a variant of it which is dependent on viruses
Viroids are small single stranded, circular RNAs that are infectious pathogens. Unlike viruses, they have no protein coating. All known viroids are inhabitants of angiosperms (flowering plants), and most cause diseases, whose respective economic importance to humans varies widely. A recent metatranscriptomics study suggests that the host diversity of viroids and other viroid like elements is broader than previously thought and that it would not be limited to plants, encompassing even the prokaryotes. The first discoveries of viroids in the 1970s triggered the historically third major extension of the biosphere—to include smaller lifelike entities —after the discoveries in 1675 by Antonie van Leeuwenhoek (of the "subvisible" microorganisms) and in 1892–1898 by Dmitri Iosifovich Ivanovsky and Martinus Beijerinck (of the "submicroscopic" viruses). The unique properties of viroids have been recognized by the International Committee on Taxonomy of Viruses, in creating a new order of subviral agents. The first recognized viroid, the pathogenic agent of the potato spindle tuber disease, was discovered, initially molecularly characterized, and named by Theodor Otto Diener, plant pathologist at the U. S Department of Agriculture's Research Center in Beltsville, Maryland, in 1971. This viroid is now called potato spindle tuber viroid, abbreviated PSTVd. The Citrus exocortis viroid (CEVd) was discovered soon thereafter, and together understanding of PSTVd and CEVd shaped the concept of the viroid. Although viroids are composed of nucleic acid, they do not code for any protein. The viroid's replication mechanism uses RNA polymerase II, a host cell enzyme normally associated with synthesis of messenger RNA from DNA, which instead catalyzes "rolling circle" synthesis of new RNA using the viroid's RNA as a template. Viroids are often ribozymes, having catalytic properties that allow self cleavage and ligation of unit size genomes from larger replication intermediates. Diener initially hypothesized in 1989 that viroids may represent "living relics" from the widely assumed, ancient, and non cellular RNA world, and others have followed this conjecture. Following the discovery of retrozymes, it has been proposed that viroids and other viroid like elements may derive from this newly found class of retrotransposon. The human pathogen hepatitis D virus is a subviral agent similar in structure to a viroid, as it is a hybrid particle enclosed by surface proteins from the hepatitis B virus.
Вироид тәрізді элементтер
"Вироид тәрізді элементтер" – вируидтің тіршілік циклын бөліспейтін, ковалентті жабық шеңберлі (ccc) РНК молекулаларының бөліктері. Бұл санатқа спутник РНК-лар (оның ішінде кішкентай өсімдік спутник РНК-лары "вирусоидтар", саңырауқұлақтың "амбивирустары", және одан әлдеқайда үлкен HDV-ге ұқсас Ribozyviria) және "ретровироидтар" кіреді. Олардың көпшілігі сондай-ақ рибозимнің бір түрін тасымалдайды.
Амбивирустар
"Амбивирустар" – бұл жуырда (2020 жылдары) саңырауқұлақтарда табылған жылжымалы генетикалық элементтер. Олардың РНК геномдары дөңгелек пішінді, шамамен 5 кб ұзындықты құрайды. Кем дегенде екі ашық оқу фреймінің бірі вирустық РНК-ға бағытталған РНК полимеразаны кодтайды, бұл "амбивирустарды" рибовириялық Orthornavirae патшалығына жатқызады; 2023 жылғы ICTV Вирус таксономиясының жаңа нұсқасынан бері, РНК-ға бағытталған РНК полимеразаларды кодтау ерекшеліктері және әртүрлі бағытта (төмен және кері) әртүрлі рибозимдердің болуына байланысты жеке Ambiviricota классы құрылды. Дөңгелек пішіннің екі бағытта да табылуы "амбивирустардың" көбейтілу үшін дөңгелек пішінде көшіру механизмін қолданатынын көрсетеді.
Ретровироидтар
"Ретровироидтар", немесе ресмирек айтқанда "ретровироидқа ұқсас элементтер" – вироидқа ұқсас дөңгелек РНК тізбектері, олардың гомологты көшірмелері иесінің ДНК геномында да табылады. Қазірге дейін табылған жалғыз түрі бастапқы "карнельді кішкентай вироидқа ұқсас РНК" (CarSV) сияқты өте жақын. Бұл элементтер рекомбинация жүзеге асуы мүмкін гомологты субстрат ретінде әрекет ете алады және қос тізбекті үзілістерді жазумен байланысты. Бұл элементтер ретровирустармен кодталған кері транскриптаза арқылы жасалатын гомологты ДНК болғандықтан "ретровироидтар" деп аталады. Олар нағыз вироидтар да емес, вироидқа ұқсас спутниктік РНК да емес: бұл элементтердің жасушадан тыс түрі жоқ; олар тек тозаң немесе жұмыртқа жасушалары арқылы ғана таралады.
Обелисктер
Метатранскриптомиканы қолданғаннан кейін – компьютерлік көмекпен РНК тізбектерін іздеу және оларды талдау – биологтар 2024 жылдың қаңтарында адам микробиомында «обэлисктерді», вироидтарға ұқсас элементтердің жаңа класын, және олармен байланысты протеиндер тобын – «облиндерді» тапқандарын хабарлады. Құрамында басқа белгілі тірі организмдерде теңдессіз РНК тізбектері болғандықтан, зерттеушілер обэлисктердің вирустардан, вироидтардан және вироидтарға ұқсас құрылымдардан ерекшеленетінін, сонымен қатар, организмдердің толығымен жаңа класын құрайтынын мәлімдеді.
РНК әлем гипотезасы
Динердің 1989 жылғы гипотезасы вироидтардың ерекше қасиеттері оларды интронға қарағанда макромолекулаларға, немесе бұрынғы гипотетикалық, клеткалық РНК әлемінің ықтимал "тірі қалдықтары" ретінде қарастырылған басқа РНК-ға қарағанда ықтимал ететінін ұсынды. Егер осылай болса, вироидтар өсімдік вирусологиясынан асып, эволюциялық теория үшін маңызды болады, себебі олардың қасиеттері оларды басқа РНК-ға қарағанда тірі материядан (абиогенез) өмірдің эволюциясындағы маңызды қадамдарды орындауға лайықты кандидаттарға айналдырады. Динердің гипотезасы 2014 жылға дейін ұмытылып, Флорес және авторлардың шолу мақаласында қайта жанданды. Онда авторлар Динердің гипотезасын қолдайтын дәлелдерді былай қорытындылады: вироидтардың қатеге бейім репликациямен шартталған кішкентай мөлшері; олардың жоғары гуанин және цитозин құрамы, бұл тұрақтылықты және репликацияның дәлдігін арттырады; геномдық таңбаларсыз толық репликацияны қамтамасыз ететін олардың дөңгелек құрылымы; кеңейтілген геномдарға модульдік жиналымға мүмкіндік беретін құрылымдық периодтылықтың болуы; рибосомасыз ортамен сәйкес келетін белок кодтау қабілетінің болмауы; кейбіреулерінде рибозимдер арқылы репликация – РНК әлемінің "саусақ іздері"; РНК әлемінің РНК-сы үшін болжанған молекулалық қасиеттері бар РНК-ның қазіргі жасушаларда болуы – РНК әлемі гипотезасын қолдайтын тағы бір күшті аргумент. Алайда, вироидтардың осы РНК әлемінен шығу тегі бірнеше факторлармен күмәндалған, соның ішінде ретрозималардың (олардың ата-бабаларын білдіретін ретротранспозон отбасы) табылуы және өсімдіктерден тыс организмдерде толық жоқтығы (әсіресе бактериялар мен археяларды қоса алғандағы прокариоттарда). Аурудың жұқпалы патогенді агенттен туындағанын көрсететін симптомдар, зардап шеккен өсімдіктердің бөліктерінен алынған шықтарында пайда болды. Алайда, симптомды өсімдіктермен тұрақты байланысты саңырауқұлақ немесе бактериялар табылмады, сондықтан ауру вирустан туындады деп болжалды. Жылдар бойы вирусты оқшаулау және тазарту бойынша көптеген әрекеттер жасалғанмен, олар картоптың тікенегі ауруына шалдыққан өсімдіктердің сығындыларында қолданылғанда сәтсіз аяқталды. Олар картоптың тікенегі вироидының "бір жіпті, ковалентті жабық, дөңгелек РНК молекуласы, аса негіздік жұптасқан таяқша тәрізді құрылым ретінде" екенін дәлелдеді – бұл осы типтегі алғашқы молекула деп саналды. Сызықтық РНК-дан айырмашылығы, дөңгелек РНК сызықтық РНК молекулаларында кездесетін 3' және 5' ұштары біріктірілген ковалентті жабық үздіксіз цикл құрайды. Сангер және авторлар вироидтардың нағыз дөңгелектігін 5' ұшында РНК-ның фосфорилденбегенін анықтау арқылы дәлелдеді. Басқа сынақтарда олар тіпті бір бос 3' ұшын да таба алмады, бұл молекуланың екі 3' ұшы болу мүмкіндігін жоққа шығарды. Осылайша, вироидтар – нағыз дөңгелек РНК. Вироидтардың бір жіптілігі және дөңгелектігі электронды микроскопия арқылы расталды. Картоптың тікенегі вироидының толық нуклеотидтік тізбегі 1978 жылы анықталды. PSTVd – толық молекулалық құрылымы анықталған эукариотты организмнің алғашқы патогені. Одан бері отыздан астам өсімдік ауруы вироидтармен шақырылғаны анықталды, бұрын болжалғандай вирустармен емес. 2009 және 2015 жылдар аралығында тағы төрт вироид немесе вироидқа ұқсас РНК бөлшектері табылды. 2014 жылы New York Times газетінің ғылым жазушысы Карл Циммер Флорес және авторларға гипотезаның бастапқы тұжырымдамасын дұрыс емес жатқан мақала жариялады. 2024 жылдың қаңтарында биологтар адам микробиомында "обелисктер" – вироидтарға ұқсас элементтердің жаңа класын және олармен байланысты "облиндер" – олардың протеиндер тобын тапқандарын хабарлады.
Viroids' small size, imposed by error prone replication. Their high guanine and cytosine content, which increases stability and replication fidelity. Their circular structure, which assures complete replication without genomic tags. Existence of structural periodicity, which permits modular assembly into enlarged genomes. Their lack of protein coding ability, consistent with a ribosome free habitat. Replication mediated in some by ribozymes—the fingerprint of the RNA world. The presence, in extant cells, of RNAs with molecular properties predicted for RNAs of the RNA world constitutes another powerful argument supporting the RNA world hypothesis. However, the origins of viroids themselves from this RNA world has been cast into doubt by several factors, including the discovery of retrozymes (a family of retrotransposon likely representing their ancestors) and their complete absence from organisms outside of the plants (especially their complete absence from prokaryotes including bacteria and archaea). The symptoms appeared on plants onto which pieces from affected plants had been budded—indicating that the disease was caused by a transmissible pathogenic agent. A fungus or bacterium could not be found consistently associated with symptom bearing plants, however, and therefore, it was assumed the disease was caused by a virus. Despite numerous attempts over the years to isolate and purify the assumed virus, using increasingly sophisticated methods, these were unsuccessful when applied to extracts from potato spindle tuber disease afflicted plants. presented evidence that potato spindle tuber viroid is a "single stranded, covalently closed, circular RNA molecule, existing as a highly base paired rod like structure"—believed to be the first such molecule described. Circular RNA, unlike linear RNA, forms a covalently closed continuous loop, in which the 3' and 5' ends present in linear RNA molecules have been joined. Sanger et al. also provided evidence for the true circularity of viroids by finding that the RNA could not be phosphorylated at the 5' terminus. In other tests, they failed to find even one free 3' end, which ruled out the possibility of the molecule having two 3' ends. Viroids thus are true circular RNAs. The single strandedness and circularity of viroids was confirmed by electron microscopy, The complete nucleotide sequence of potato spindle tuber viroid was determined in 1978. PSTVd was the first pathogen of a eukaryotic organism for which the complete molecular structure has been established. Over thirty plant diseases have since been identified as viroid , not virus caused, as had been assumed. Four additional viroids or viroid like RNA particles were discovered between 2009 and 2015. In 2014, New York Times science writer Carl Zimmer published a popularized piece that mistakenly credited Flores et al. with the hypothesis' original conception. In January 2024, biologists reported the discovery of "obelisks", a new class of viroid like elements, and "oblins", their related group of proteins, in the human microbiome.