Введение
Патогенная малая одноцепочечная кольцевая РНК – вариант, зависимый от вирусов.
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.
Вироиды – это малые одноцепочечные кольцевые РНК, являющиеся инфекционными патогенами. В отличие от вирусов, они не имеют белковой оболочки. Все известные вироиды являются обитателями цветковых растений (ангиосперм), и большинство из них вызывают болезни, экономическое значение которых для человека сильно различается. Недавнее метатранскриптомическое исследование предполагает, что кругозор хозяев вироидов и других вироид-подобных элементов шире, чем считалось ранее, и не ограничивается растениями, охватывая даже прокариоты. Первые открытия вироидов в 1970-х годах привели к исторически третьему значительному расширению биосферы – включению более мелких, жизнеподобных сущностей – после открытий, сделанных в 1675 году Антони ван Левенгуком ("невидимых" микроорганизмов) и в 1892–1898 годах Дмитрием Иосифовичем Ивановским и Мартином Бейеринком ("субмикроскопических" вирусов). Уникальные свойства вироидов были признаны Международным комитетом по таксономии вирусов, что привело к созданию нового порядка субвирусных агентов. Первый идентифицированный вироид, возбудитель болезни веретенообразного клубня картофеля, был обнаружен, первоначально молекулярно охарактеризован и назван Теодором Отто Динером, патологом растений из Исследовательского центра Министерства сельского хозяйства США в Белтсвилле, штат Мэриленд, в 1971 году. Этот вироид теперь называется вироидом веретенообразного клубня картофеля, сокращенно PSTVd. Вскоре после этого был обнаружен вироид цитрусового экскортиса (CEVd), и совместное понимание PSTVd и CEVd сформировало концепцию вироида. Хотя вироиды состоят из нуклеиновой кислоты, они не кодируют какие-либо белки. Механизм репликации вироида использует РНК-полимеразу II, фермент клетки-хозяина, обычно связанный с синтезом мРНК из ДНК, который вместо этого катализирует синтез новой РНК по принципу "катящегося круга", используя РНК вироида в качестве матрицы. Вироиды часто являются рибозимами, обладающими каталитическими свойствами, позволяющими саморасщеплению и лигированию геномов единичного размера из более крупных репликационных интермедиатов. Динер первоначально предположил в 1989 году, что вироиды могут представлять собой "живые реликвии" из широко распространенного, древнего и бесклеточного мира РНК, и другие ученые поддержали эту гипотезу. После открытия ретрозимов было предложено, что вироиды и другие вироид-подобные элементы могут происходить из этого недавно обнаруженного класса ретротранспозонов. Человеческий патоген – вирус гепатита D – является субвирусным агентом, по структуре сходным с вироидом, поскольку представляет собой гибридную частицу, окруженную поверхностными белками вируса гепатита B.
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.
Вироидные элементы
"Виродоподобные элементы" – это фрагменты ковалентно замкнутых циклических (ccc) молекул РНК, которые не имеют жизненного цикла вироидов. Эта категория включает в себя спутниковые РНК (включая небольшие растительные satРНК "вирусоиды", грибковые "амбивирусы" и значительно более крупные Ribozyviria, подобные HDV) и "ретровироиды". Большинство из них также несут в себе какой-либо тип рибозима.
Амбивирусы
"Амбивирусы" – это мобильные генетические элементы, недавно (в 2020-х годах) обнаруженные у грибов. Их РНК-геном имеет кольцевую структуру, длиной около 5 кб. Одна из как минимум двух открытых рамок считывания кодирует вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу, что однозначно относит "амбивирусы" к рибовирианскому царству Orthornavirae. Отдельный филум Ambiviricota был учрежден с выходом таксономии вирусов ICTV 2023 года в связи с уникальными особенностями кодирования РНК-зависимых РНК-полимераз, а также наличием дивергентных рибозимов в различных комбинациях в прямой и обратной ориентациях. Обнаружение кольцевых форм в обеих ориентациях указывает на то, что "амбивирусы" используют репликацию с катящимся кругом для размножения.
Ретровироиды
"Ретровироиды", или, более формально, "ретровироидные элементы", – это вироидные циркулярные последовательности РНК, которые также обнаруживаются в геноме ДНК хозяина в виде гомологичных копий. Единственные известные типы тесно связаны с оригинальным "карнационным малым вироидом, подобным РНК" (CarSV). Эти элементы могут служить гомологичным субстратом для рекомбинации и участвуют в восстановлении двойных разрывов ДНК. Они получили название "ретровироиды" из-за того, что гомологичная ДНК генерируется обратной транскриптазой, кодируемой ретровирусами. Они не являются ни настоящими вироидами, ни вироидными спутниковыми РНК: у этих элементов отсутствует внеклеточная форма; вместо этого они распространяются исключительно через пыльцу или яйцеклетки.
Обелиски
После применения метатранскриптомики – компьютерного поиска последовательностей РНК и их анализа – биологи сообщили в январе 2024 года об обнаружении "обелисков", нового класса элементов, подобных вироидам, и "облинов", связанной с ними группы белков, в микробиоме человека. Поскольку восстановленные последовательности РНК не имеют гомологий ни с одной другой известной формой жизни, исследователи предполагают, что "обелиски" отличаются от вирусов, вироидов и вироидоподобных образований и, таким образом, представляют собой совершенно новый класс организмов.
Гипотеза мира РНК
Гипотеза Динера 1989 года предполагала, что уникальные свойства вироидов делают их более правдоподобными макромолекулами, чем интроны или другие РНК, которые ранее рассматривались как возможные «живые реликвии» гипотетического, предклеточного мира РНК. Если это так, вироиды приобрели значение, выходящее за рамки вирусологии растений для эволюционной теории, поскольку их свойства делают их более вероятными кандидатами, чем другие РНК, для осуществления ключевых этапов в эволюции жизни из неживой материи (абиогенез). Гипотеза Динера была в значительной степени забыта до 2014 года, когда она была возрождена в обзорной статье Флорес и др., в которой авторы суммировали доказательства Динера, подтверждающие его гипотезу, а именно: небольшой размер вироидов, обусловленный склонной к ошибкам репликацией; высокое содержание гуанина и цитозина, повышающее стабильность и точность репликации; их круговая структура, обеспечивающая полную репликацию без геномных маркеров; наличие структурной периодичности, позволяющей модульную сборку в увеличенные геномы; отсутствие способности кодировать белки, что согласуется с обитанием в среде, свободной от рибосом; репликация, опосредованная в некоторых случаях рибозимами – «отпечатком» мира РНК; наличие в существующих клетках РНК с молекулярными свойствами, предсказанными для РНК мира РНК, что является еще одним весомым аргументом в пользу гипотезы мира РНК. Однако происхождение самих вироидов из этого мира РНК было поставлено под сомнение рядом факторов, включая открытие ретрозимов (семейство ретротранспозонов, вероятно, представляющих их предков) и их полное отсутствие у организмов, не относящихся к растениям (особенно у прокариот, включая бактерии и археи). Симптомы проявлялись на растениях, привитых фрагментами пораженных растений, что указывало на то, что заболевание вызывается передающимся патогенным агентом. Однако последовательно обнаружить гриб или бактерию, ассоциированную с пораженными растениями, не удалось, поэтому предполагалось, что заболевание вызвано вирусом. Несмотря на многочисленные попытки в течение многих лет изолировать и очистить предполагаемый вирус с использованием все более сложных методов, они оказались безуспешными при применении к экстрактам растений, пораженных болезнью веретеновидности клубней картофеля. Были представлены доказательства того, что вироид веретеновидности клубней картофеля представляет собой «одноцепочечную, ковалентно замкнутую, круговую молекулу РНК, существующую в виде сильно спаренной, палочкообразной структуры», которая, как считается, является первой описанной молекулой такого типа. Круговая РНК, в отличие от линейной РНК, образует ковалентно замкнутую непрерывную петлю, в которой 3'- и 5'-концы, присутствующие в линейных молекулах РНК, соединены. Сангер и др. также предоставили доказательства истинной круглости вироидов, обнаружив, что РНК не может быть фосфорилирована на 5'-конце. В других тестах им не удалось обнаружить даже одного свободного 3'-конца, что исключило возможность наличия у молекулы двух 3'-концов. Таким образом, вироиды являются истинными круговыми РНК. Одноцепочечность и кругообразность вироидов были подтверждены электронной микроскопией. Полная нуклеотидная последовательность вироида веретеновидности клубней картофеля была определена в 1978 году. PSTVd был первым патогеном эукариотического организма, для которого была установлена полная молекулярная структура. С тех пор более тридцати болезней растений были идентифицированы как вызванные вироидами, а не вирусами, как предполагалось ранее. Между 2009 и 2015 годами были обнаружены четыре дополнительных вироида или вироид-подобные частицы РНК. В 2014 году научный журналист New York Times Карл Циммер опубликовал научно-популярную статью, в которой ошибочно приписал Флорес и др. первоначальную концепцию гипотезы. В январе 2024 года биологи сообщили об обнаружении «обелисков» – нового класса вироид-подобных элементов, и «облинов» – их родственной группы белков, в микробиоме человека.
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.