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.

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.