Вирус табачной мозаики ( ВТМ ) представляет собой вид вируса с одноцепочечной РНК с положительным смыслом из рода Tobamovirus , который заражает широкий спектр растений, особенно табак и других членов семейства пасленовых . Инфекциявызывает характерные узоры, такие как « мозаичные » пятна и обесцвечивание листьев ( отсюда и название). ВТМВ был первымобнаруженным вирусом . Хотя с конца 19 века было известно, что небактериальное инфекционное заболевание повреждает посевы табака, только в 1930 году инфекционный агент был признан вирусом. Это первый патоген, идентифицированный как вирус. Вирус кристаллизовал Уэнделл Мередит Стэнли . Он имеет размер, аналогичный самой большой синтетической молекуле, известной как PG5 . [1]
В 1886 году Адольф Майер впервые описал болезнь табачной мозаики, которая могла передаваться между растениями, подобно бактериальным инфекциям. [2] [3] В 1892 году Дмитрий Ивановский представил первые конкретные доказательства существования небактериального инфекционного агента, показав, что зараженный сок оставался заразным даже после фильтрации через тончайшие фильтры Чемберланда . [3] [4] Позже, в 1903 году, Ивановский опубликовал статью, описывающую аномальные кристаллические внутриклеточные включения в клетках-хозяевах пораженных растений табака и доказывал связь между этими включениями и инфекционным агентом. [5] Однако Ивановский оставался вполне убежденным, несмотря на неоднократные неудачи в предоставлении доказательств, что возбудителем была некультивируемая бактерия, слишком маленькая, чтобы ее можно было удержать на используемых фильтрах Чемберланда и обнаружить в световом микроскопе. В 1898 году Мартинус Бейеринк независимо повторил фильтрационные эксперименты Ивановского и затем показал, что инфекционный агент способен воспроизводиться и размножаться в клетках-хозяевах табачного растения. [3] [6] Бейеринк принял термин «вирус», чтобы указать, что возбудитель болезни табачной мозаики имел небактериальную природу. Вирус табачной мозаики был первым кристаллизованным вирусом . Это было достигнуто Уэнделлом Мередитом Стэнли в 1935 году, который также показал, что ВТМ остается активным даже после кристаллизации. [3] За свою работу он был удостоен 1/4 Нобелевской премии по химии в 1946 году, [7] [8] хотя позже были показаны некоторые его выводы (в частности, что кристаллы представляли собой чистый белок, и собранные методом автокатализа ) были неверными. [9] Первые электронно-микроскопические изображения ВТМ были сделаны в 1939 году Густавом Кауше, Эдгаром Пфанкухом и Гельмутом Руской – братом лауреата Нобелевской премии Эрнста Руски . [10] В 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показали, что очищенная РНК ВТМ и ее белок капсида (оболочки) сами по себе собираются в функциональные вирусы, что указывает на то, что это наиболее стабильная структура (с наименьшей свободной энергией). Кристаллограф Розалинда Франклин около месяца работала у Стэнли в Беркли , а позже спроектировала и построила модель ВТМ для Всемирной выставки 1958 года в Брюсселе.. В 1958 году она предположила, что вирус полый, а не твердый, и выдвинула гипотезу, что РНК ВТМ является одноцепочечной. [11] Эта гипотеза оказалась верной после ее смерти, и теперь известно, что это +-цепь. [12] Исследования табачной мозаики и последующее открытие ее вирусной природы сыграли важную роль в создании общих представлений о вирусологии . [3]
Вирус табачной мозаики имеет палочковидную форму. Его капсид состоит из 2130 молекул белка оболочки и одной молекулы геномной одноцепочечной РНК длиной 6400 оснований. Белок оболочки самоорганизуется в стержнеобразную спиральную структуру (16,3 белка на виток спирали) вокруг РНК, которая образует структуру шпильки-петли (см. электронную микрофотографию выше). Структурная организация вируса обеспечивает стабильность. [13] Белковый мономер состоит из 158 аминокислот , которые собраны в четыре основные альфа-спирали, которые соединены заметной петлей, расположенной проксимальнее оси вириона. Вирионы имеют длину ~300 нм и диаметр ~18 нм. [14] Негативно окрашенные электронные микрофотографии показывают отчетливый внутренний канал радиусом ~ 2 нм. РНК расположена в радиусе ~4 нм и защищена от действия клеточных ферментов белком оболочки. [15] Рентгеноструктурную структуру интактного вируса изучали на основе карты электронной плотности с разрешением 3,6 Å. [16] Внутри капсидной спирали, рядом с ядром, находится спиральная молекула РНК, состоящая из 6395 ± 10 нуклеотидов. [17] [18] Структура вируса играет важную роль в распознавании вирусной ДНК. Это происходит за счет образования обязательного промежуточного продукта, вырабатываемого из белка, позволяющего вирусу распознавать определенную структуру шпильки РНК. [19] Промежуточное соединение индуцирует зарождение самосборки ВТМ путем связывания со структурой шпильки. [20]
Геном ВТМ состоит из одноцепочечной (оц) РНК размером 6,3–6,5 т.п.н. 3'-конец имеет структуру, подобную тРНК , а 5'-конец имеет метилированный нуклеотидный кэп. (m7G5'pppG). [21] Геном кодирует 4 открытые рамки считывания (ORF), две из которых продуцируют один белок благодаря рибосомальному считыванию «протекающего» стоп-кодона UAG . Четыре гена кодируют репликазу (с доменами метилтрансферазы [MT] и РНК-хеликазы [Hel]), РНК-зависимую РНК-полимеразу , так называемый белок движения (MP) и капсидный белок (CP). [22] Кодирующая последовательность начинается с первой рамки считывания, которая находится на расстоянии 69 нуклеотидов от 5'-конца РНК. [23] Некодирующая область на 5'-конце может варьироваться в разных отдельных вирионах, но не было обнаружено никаких различий между вирионами в некодирующей области на 3'-конце. [23]
ВТМ – термостабильный вирус. На высушенном листе он может выдерживать температуру до 50 °C (120 градусов по Фаренгейту) в течение 30 минут. [24]
ВТМ имеет показатель преломления около 1,57. [25]
ВТМ не имеет четко выраженной структуры зимовки . Скорее, он будет зимовать в зараженных стеблях и листьях табака, в почве, на поверхности зараженных семян (ВТМ может даже сохраняться в зараженных табачных изделиях в течение многих лет, поэтому курильщики могут случайно передать его через прикосновение, хотя и не через дым). сам). [26] [27] При прямом контакте с растениями-хозяевами через переносчиков (обычно насекомых, таких как тля и цикадки ), ВТМ проходит процесс заражения, а затем процесс репликации.
После размножения он попадает в соседние клетки через плазмодесмы . Инфекция не распространяется при контакте с насекомыми [28] , а распространяется при прямом контакте с соседними клетками . Для плавного входа ВТМ вырабатывает белок движения массой 30 кДа , называемый P30, который увеличивает плазмодесмы. ВТМ, скорее всего, перемещается от клетки к клетке в виде комплекса РНК, P30 и реплицирующихся белков.
Он также может распространяться через флоэму и перемещаться на большие расстояния внутри растения. Более того, ВТМ может передаваться с одного растения на другое при прямом контакте. Хотя у ВТМ нет определенных векторов передачи, вирус может легко передаваться от инфицированных хозяев к здоровым растениям при контакте с человеком.
После проникновения в организм хозяина посредством механической инокуляции ВТМ снимает с себя оболочку, высвобождая свою вирусную [+]цепь РНК. По мере снятия покрытия ген MetHel:Pol транслируется с образованием кэпирующего фермента MetHel и РНК-полимеразы. Затем вирусный геном будет дальше реплицироваться с образованием множества мРНК через промежуточную [-] РНК, примированную тРНК HIS на [+] РНК 3'-конце. Полученные мРНК кодируют несколько белков, включая белок оболочки и РНК-зависимую РНК-полимеразу (RdRp), а также белок движения. Таким образом, ВТМ может реплицировать собственный геном.
После того как белок оболочки и РНК-геном ВТМ синтезированы, они спонтанно собираются в полные вирионы ВТМ в ходе высокоорганизованного процесса. Протомеры собираются вместе, образуя диски или «замковые шайбы» , состоящие из двух слоев протомеров, расположенных по спирали. Спиральный капсид растет за счет добавления протомеров к концу стержня. По мере удлинения стержня РНК проходит через канал в его центре и образует петлю на растущем конце. Таким образом, РНК может легко вписаться в виде спирали во внутреннюю часть спирального капсида. [29]
Как и другие вирусы, патогенные для растений, ВТМ имеет очень широкий круг хозяев и оказывает различное воздействие в зависимости от инфицированного хозяина. Известно, что вирус табачной мозаики приводит к потерям в производстве табака дымовой сушки до двух процентов в Северной Каролине . [30] Известно, что он заражает представителей девяти семейств растений и по меньшей мере 125 отдельных видов, включая табак, томаты , перец (все представители семейства пасленовых ), огурцы , ряд декоративных цветов , [31] и фасоль, включая Phaseolus . vulgaris и Vigna unguiculata . [32] Существует много разных штаммов. Первым симптомом этого вирусного заболевания является светло-зеленое окрашивание между жилками молодых листьев . За этим быстро развивается «мозаика» или пестрый рисунок из светло- и темно-зеленых участков на листьях. Морщинистость также может наблюдаться там, где на листьях зараженного растения имеются небольшие локализованные случайные морщины. Эти симптомы развиваются быстро и более выражены на молодых листьях. Заражение не приводит к гибели растений, но если заражение происходит в начале сезона, растения задерживаются в росте. Нижние листья подвергаются «мозаичному ожогу», особенно в периоды жаркой и сухой погоды. В этих случаях на листьях образуются большие отмершие участки. Это одна из наиболее разрушительных фаз заражения вирусом табачной мозаики . Зараженные листья могут быть морщинистыми, сморщенными или удлиненными. Однако если ВТМ поражает такие культуры, как виноград и яблони , это протекает почти бессимптомно. ВТМ способен инфицировать и завершать свой цикл репликации в фитопатогенном грибе, ВТМ способен проникать и реплицироваться в клетках C. acutatum, C. clavatum и C. theobromicola, что, возможно, не является исключением, хотя и не имеет ни того, ни другого. не был найден и, вероятно, не искался в природе. [33]
ВТМ является одним из наиболее стабильных вирусов и имеет широкий диапазон выживаемости. Пока окружающая температура остается ниже примерно 40 градусов по Цельсию , ВТМ может поддерживать свою стабильную форму. Все, что ему нужно, это хозяин для заражения. При необходимости теплицы и ботанические сады создадут наиболее благоприятные условия для распространения ВТМ из-за высокой плотности населения возможных хозяев и постоянной температуры в течение года. Также может быть полезно культивировать ВТМ in vitro в соке, поскольку он может выжить до 3000 дней. [34]
Одним из распространенных методов борьбы с ВТМ является санитарная обработка , которая включает удаление зараженных растений и мытье рук между каждой посадкой. Также следует использовать севооборот , чтобы избежать заражения почвы/ семенных грядок в течение как минимум двух лет. Что касается любого заболевания растений, можно также порекомендовать поиск штаммов, устойчивых к ВТМ. Кроме того, можно применять метод перекрестной защиты, при котором более сильный штамм инфекции ВТМ подавляется путем заражения растения-хозяина мягким штаммом ВТМ, аналогично эффекту вакцины .
За последние десять лет были разработаны методы генной инженерии на геноме растения-хозяина, позволяющие растению-хозяину производить белок оболочки ВТМ внутри своих клеток. Была выдвинута гипотеза, что геном ВТМВ будет быстро заново покрыт при попадании в клетку-хозяина, что предотвращает инициацию репликации ВТМ. Позже было обнаружено, что механизм защиты хозяина от внедрения вирусного генома заключается в подавлении генов . [35]
ВТМ ингибируется продуктом миксомицета слизевика Physarum polycephalum . И табак, и бобы P. vulgaris и V. sinensis почти не пострадали in vitro от ВТМ при обработке экстрактом P. polycephalum . [32]
Исследования показали, что Bacillus spp . может использоваться для уменьшения тяжести симптомов ВТМ у табачных растений. В исследовании обработанные растения табака имели больший рост и меньшее накопление вирионов ВТМ, чем необработанные растения табака. [36]
Х. Френкель-Конрат провел исследование, чтобы показать влияние уксусной кислоты на вирус табачной мозаики. Согласно исследованиям, 67% уксусная кислота привела к разложению вируса. [37]
Другим возможным источником профилактики ВТМ является использование салициловой кислоты. Исследование, проведенное исследовательской группой из Кембриджского университета, показало, что обработка растений салициловой кислотой снижает количество вирусных РНК ВТМ и белка вирусной оболочки, присутствующих в растениях табака. Их исследование показало, что салициловая кислота, скорее всего, нарушает репликацию и транскрипцию, а точнее, комплекс RdRp. [38]
Было проведено исследование, которое показало, что у людей есть антитела против вируса табачной мозаики. [39]
Большой объем литературы о ВТМ и его выбор для многих новаторских исследований в области структурной биологии (включая дифракцию рентгеновских лучей ), сборки и разборки вирусов и т. д. в основном обусловлены большими количествами, которые можно получить, а также тем фактом, что он не заражает животных. Вырастив в теплице несколько сотен зараженных растений табака и проведя несколько простых лабораторных процедур, ученый может получить несколько граммов вируса. [40] Фактически, вирус табачной мозаики настолько размножается, что тельца включения можно увидеть только с помощью светового микроскопа. [28]
Джеймс Д. Уотсон в своих мемуарах «Двойная спираль» называет свое рентгеновское исследование спиральной структуры ВТМ важным шагом в установлении природы молекулы ДНК . [41]
Вирусы растений можно использовать для создания вирусных векторов — инструментов, обычно используемых молекулярными биологами для доставки генетического материала в растительные клетки ; они также являются источниками биоматериалов и нанотехнологических устройств. [42] [43] Вирусные векторы на основе ВТМ включают векторы, используемые в технологиях экспрессии растений magnICON и TRBO. [43] [44] Благодаря своей цилиндрической форме, большому соотношению сторон, самособирающейся природе и способности включать металлические покрытия ( никель и кобальт ) в свою оболочку, TMV является идеальным кандидатом для включения в электроды аккумуляторов . [45] Добавление TMV к электроду батареи увеличивает площадь реактивной поверхности на порядок, что приводит к увеличению емкости батареи почти в шесть раз по сравнению с плоской геометрией электрода. [45] [46] Вектор на основе ВТМ также позволил C. acutatum временно экспрессировать экзогенный GFP до шести субкультур и в течение как минимум 2 месяцев после заражения, без необходимости разработки технологии трансформации, RNAi может экспрессироваться в фитопатогенном грибе. Colletotrichum acutatum с помощью VIGS с использованием рекомбинантного вектора на основе ВТМ, в котором ORF гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок (GFP), была транскрибирована в грибковых клетках из дубликата субгеномного промотора мРНК белка оболочки ВТМ (CP), и было продемонстрировано, что этот подход может быть использован для получения экспрессии чужеродного белка в грибах. [33]
Международный центральный сайт архивирования последовательностей нуклеиновых кислот. Эталонный стандарт в международной науке.