Вирус табачной мозаики [a] ( TMV ) — это вид вируса с положительной одноцепочечной РНК из рода Tobamovirus , который поражает широкий спектр растений, особенно табак и других членов семейства Solanaceae . Инфекция вызывает характерные узоры, такие как « мозаичная » пятнистость и изменение цвета на листьях (отсюда и название). TMV был первым обнаруженным вирусом . Хотя с конца 19 века было известно, что небактериальное инфекционное заболевание повреждает табачные культуры, только в 1930 году инфекционным агентом было определено, что это вирус. Это первый патоген, идентифицированный как вирус. Вирус был кристаллизован Уэнделлом Мередитом Стэнли .
В 1886 году Адольф Майер впервые описал заболевание табачной мозаикой, которое могло передаваться между растениями, подобно бактериальным инфекциям. [2] [3] В 1892 году Дмитрий Ивановский дал первые конкретные доказательства существования небактериального инфекционного агента, показав, что инфицированный сок оставался инфекционным даже после фильтрации через самые тонкие фильтры Шамберленда . [3] [4] Позже, в 1903 году, Ивановский опубликовал статью, описывающую аномальные кристаллические внутриклеточные включения в клетках-хозяевах пораженных растений табака, и утверждал связь между этими включениями и инфекционным агентом. [5] Однако Ивановский оставался довольно убежденным, несмотря на неоднократные неудачи в предоставлении доказательств, что возбудителем была некультивируемая бактерия, слишком малая, чтобы удерживаться на используемых фильтрах Шамберленда и быть обнаруженной в световой микроскоп. В 1898 году Мартинус Бейеринк независимо повторил эксперименты Ивановского по фильтрации, а затем показал, что инфекционный агент был способен воспроизводиться и размножаться в клетках-хозяевах растения табака. [3] [6] Бейеринк принял термин «вирус», чтобы указать, что возбудитель болезни табачной мозаики имеет небактериальную природу. Вирус табачной мозаики был первым вирусом, который был кристаллизован . Это было сделано Венделлом Мередитом Стэнли в 1935 году, который также показал, что ВТМ остается активным даже после кристаллизации. [3] За свою работу он был награжден 1/4 Нобелевской премии по химии в 1946 году, [7] [8] хотя позже было показано, что некоторые из его выводов (в частности, что кристаллы были чистым белком и собирались путем автокатализа ) были неверными. [9] Первые электронно-микроскопические изображения ВТМ были сделаны в 1939 году Густавом Кауше, Эдгаром Пфанкухом и Хельмутом Руской — братом лауреата Нобелевской премии Эрнста Руски . [10] В 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показали, что очищенная РНК ВТМ и ее капсидный (оболочечный) белок собираются сами по себе в функциональные вирусы, указывая на то, что это самая стабильная структура (с самой низкой свободной энергией). Кристаллограф Розалинд Франклин работала на Стэнли около месяца в Беркли , а затем спроектировала и построила модель ВТМ для Всемирной выставки 1958 года в Брюсселе. В 1958 году она предположила, что вирус был полым, а не сплошным, и выдвинула гипотезу, что РНК TMV является одноцепочечной. [11] Эта гипотеза была доказана после ее смерти и теперь известна как + цепь. [12] Исследования табачной мозаики и последующее открытие ее вирусной природы сыграли важную роль в установлении общих концепций вирусологии . [3]
Вирус табачной мозаики имеет стержневидный вид. Его капсид состоит из 2130 молекул белка оболочки и одной молекулы геномной одноцепочечной РНК длиной 6400 оснований. Белок оболочки самоорганизуется в стержневидную спиральную структуру (16,3 белка на виток спирали) вокруг РНК, которая образует структуру шпильки (см. электронную микрофотографию выше). Структурная организация вируса обеспечивает стабильность. [13] Мономер белка состоит из 158 аминокислот , которые собираются в четыре основные альфа-спирали, которые соединены заметной петлей проксимально к 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] Структура дифракции рентгеновских волокон интактного вируса была изучена на основе карты электронной плотности с разрешением 3,6 Å. [16] Внутри спирали капсида, около ядра, находится свернутая молекула РНК, которая состоит из 6395 ± 10 нуклеотидов. [17] [18] Структура вируса играет важную роль в распознавании вирусной ДНК. Это происходит из-за образования обязательного промежуточного продукта, произведенного из белка, который позволяет вирусу распознавать специфическую шпилечную структуру РНК. [19] Промежуточный продукт индуцирует зарождение самосборки ВТМ путем связывания со шпильковой структурой. [20]
Геном TMV состоит из одноцепочечной (ss) РНК длиной 6,3–6,5 кб. н . 3'-конец имеет структуру, подобную тРНК , а 5'-конец имеет метилированный нуклеотидный колпачок. (m7G5'pppG). [21] Геном кодирует 4 открытые рамки считывания (ORF), две из которых производят один белок из-за рибосомного считывания дырявого стоп-кодона UAG . 4 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 вирионах, но не было обнаружено никаких различий между вирионами в некодирующей области на 3'-конце. [23]
TMV — термостабильный вирус. На высушенном листе он может выдерживать температуру до 50 °C (120 градусов по Фаренгейту) в течение 30 минут. [24]
Показатель преломления TMV составляет около 1,57. [25]
TMV не имеет четкой структуры зимовки . Вместо этого он будет зимовать в зараженных стеблях и листьях табака в почве, на поверхности зараженных семян (TMV может даже выживать в зараженных табачных изделиях в течение многих лет, поэтому курильщики могут случайно передать его через прикосновение, хотя и не через сам дым). [26] [27] При прямом контакте с растениями-хозяевами через своих переносчиков (обычно насекомых, таких как тля и цикадки ), TMV пройдет процесс заражения, а затем процесс репликации.
После размножения он проникает в соседние клетки через плазмодесмы . Инфекция не распространяется через контакт с насекомыми, [28] а вместо этого распространяется через прямой контакт с соседними клетками . Для своего плавного проникновения TMV вырабатывает белок движения массой 30 кДа, называемый P30, который увеличивает плазмодесмы. TMV, скорее всего, перемещается от клетки к клетке как комплекс РНК, P30 и репликационных белков.
Он также может распространяться через флоэму для перемещения на большие расстояния внутри растения. Более того, TMV может передаваться от одного растения к другому при прямом контакте. Хотя TMV не имеет определенных векторов передачи, вирус может легко передаваться от инфицированных хозяев к здоровым растениям при контакте с человеком.
После проникновения в хозяина посредством механической инокуляции TMV снимает оболочку, чтобы высвободить свою вирусную [+]цепь РНК. Когда происходит снятие оболочки, ген MetHel:Pol транслируется для создания кэпирующего фермента MetHel и РНК-полимеразы. Затем вирусный геном будет далее реплицироваться для производства нескольких мРНК через промежуточный [-]РНК, запраймированный 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, TMV может реплицировать свой собственный геном.
После того, как белок оболочки и геном РНК TMV были синтезированы, они спонтанно собираются в полные вирионы TMV в высокоорганизованном процессе. Протомеры объединяются, образуя диски или «пружинные шайбы», состоящие из двух слоев протомеров, расположенных в виде спирали. Спиральный капсид растет путем 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 поместиться в виде спирали внутрь спирального капсида. [29]
Как и другие фитопатогенные вирусы, TMV имеет очень широкий круг хозяев и оказывает различное воздействие в зависимости от инфицированного хозяина. Известно, что вирус табачной мозаики вызывает потерю производства табака дымовой сушки до двух процентов в Северной Каролине . [30] Известно, что он заражает представителей девяти семейств растений и не менее 125 отдельных видов, включая табак, томат , перец (все представители семейства пасленовых ), огурцы , ряд декоративных цветов , [31] и бобы, включая Phaseolus vulgaris и Vigna unguiculata . [32] Существует много различных штаммов. Первым симптомом этого вирусного заболевания является светло-зеленая окраска между жилками молодых листьев . За этим быстро следует развитие «мозаичного» или пятнистого рисунка из светло- и темно-зеленых областей на листьях. Также может наблюдаться морщинистость , когда на листьях зараженных растений появляются небольшие локализованные случайные морщины. Эти симптомы развиваются быстро и более выражены на молодых листьях. Его заражение не приводит к гибели растения, 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 развиваются большие мертвые области. Это представляет собой одну из самых разрушительных фаз заражения вирусом табачной мозаики . Зараженные листья могут быть сморщенными, сморщенными или удлиненными. Однако, если TMV заражает такие культуры, как виноград и яблоки , это почти бессимптомно. TMV способен заражать и завершать свой цикл репликации в фитопатогенном грибке, TMV способен проникать и размножаться в клетках C. acutatum, C. clavatum и C. theobromicola, что может не быть исключением, хотя он не был обнаружен и, вероятно, не искался в природе. [33]
TMV является одним из самых стабильных вирусов и имеет широкий диапазон выживания. Пока окружающая температура остается ниже примерно 40 градусов по Цельсию , TMV может поддерживать свою стабильную форму. Все, что ему нужно, это хозяин для заражения. При необходимости, теплицы и ботанические сады обеспечат наиболее благоприятные условия для распространения TMV из-за высокой плотности популяции возможных хозяев и постоянной температуры в течение года. Также может быть полезно культивировать TMV in vitro в соке, поскольку он может выживать до 3000 дней. [34]
Одним из распространенных методов контроля TMV является санитария , которая включает удаление зараженных растений и мытье рук между каждой посадкой. Также следует применять севооборот , чтобы избегать зараженной почвы/ семенных грядок в течение как минимум двух лет. Как и в случае с любым заболеванием растений, также может быть рекомендован поиск устойчивых штаммов против TMV. Кроме того, можно применять метод перекрестной защиты, при котором более сильный штамм инфекции TMV подавляется путем заражения растения-хозяина слабым штаммом TMV, аналогично эффекту вакцины .
За последние десять лет было разработано применение генной инженерии к геному растения-хозяина , чтобы позволить растению-хозяину производить белок оболочки TMV в своих клетках. Была выдвинута гипотеза, что геном TMV будет быстро перекрываться при попадании в клетку-хозяина, таким образом предотвращая начало репликации TMV. Позже было обнаружено, что механизм, который защищает хозяина от вставки вирусного генома, заключается в подавлении генов . [35]
TMV подавляется продуктом миксомицетной слизистой плесени Physarum polycephalum . Как табак, так и бобы P. vulgaris и V. sinensis практически не пострадали in vitro от TMV при обработке экстрактом P. polycephalum . [32]
Исследования показали, что Bacillus spp . можно использовать для снижения тяжести симптомов TMV в растениях табака. В исследовании обработанные растения табака показали больший рост и меньшее накопление вирионов TMV, чем растения табака, которые не были обработаны. [36]
Исследование было проведено Х.Френкелем-Конратом, чтобы показать влияние уксусной кислоты на вирус табачной мозаики. Согласно исследованию, 67% уксусной кислоты привело к деградации вируса. [37]
Другим возможным источником профилактики TMV является использование салициловой кислоты. Исследование, проведенное исследовательской группой Кембриджского университета, показало, что обработка растений салициловой кислотой снижает количество вирусных РНК TMV и вирусного белка 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 к вирусу табачной мозаики. [39]
Большое количество литературы о TMV и его выбор для многих пионерских исследований в структурной биологии (включая рентгеновскую дифракцию и рентгеновскую кристаллографию ), сборку и разборку вируса и т. д., в основном обусловлены большими количествами, которые могут быть получены, а также тем фактом, что он не заражает животных. Вырастив несколько сотен инфицированных растений табака в теплице , а затем выполнив 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 » ссылается на свое рентгеновское исследование спиральной структуры ВТМ как на важный шаг в определении природы молекулы ДНК . [41]
Вирусы растений могут быть использованы для разработки 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 TMV включают векторы из технологий экспрессии растений magnICON и TRBO. [43] [44] Благодаря своей цилиндрической форме, высокому соотношению сторон, самоорганизующейся природе и способности включать металлические покрытия ( никель и кобальт ) в свою оболочку, TMV является идеальным кандидатом для включения в электроды батареи . [45] Добавление TMV к электроду батареи увеличивает реактивную площадь поверхности на порядок, что приводит к увеличению емкости батареи до шести раз по сравнению с плоской геометрией электрода. [45] [46] Вектор на основе TMV 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, РНКi может быть экспрессирована в фитопатогенном грибке Colletotrichum acutatum с помощью VIGS, используя рекомбинантный вектор на основе TMV, в котором ORF гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок (GFP), транскрибировалась в грибковых клетках с дубликата субгеномного промотора мРНК белка оболочки (CP) TMV, и было продемонстрировано, что этот подход может быть использован для получения экспрессии чужеродного белка в грибах. [33]
центральный сайт для архивирования последовательностей нуклеиновых кислот. Эталон в международной науке.