Ugrás a tartalomhoz

Növényvírusok és virológiai vizsgálati módszerek

dr. Horváth József - dr. Gáborjányi Richard

Mezőgazda Kiadó

A vírusok rokonsága, a vírusok törzsfejlődése

A vírusok rokonsága, a vírusok törzsfejlődése

Egyes vírusok teljes nukleinsav-szekvenciájának megismerése azzal a meglepő eredménnyel járt, hogy egymástól morfológiailag távol eső (pl. izometrikus és helikális) vírusok virionokat nem alkotó fehérjéinek (tehát nem a köpenyfehérjéknek) a kódjai nagymértékű szekvenciahomológiát mutattak egymással, illetve egyes állatpatogén RNS-vírusok azonos típusú génjeivel. Az nem volt meglepő, hogy egyes taxonómiai egységekben (pl. víruscsaládok) a génkifejeződés hasonló utakat követ, az azonban igen, hogy rendszertanilag igencsak távoli taxonok replikációs stratégiája is azonos megoldásokon alapszik (Matthews, 1985).

Felvetődött, hogy maga a növény- és állatpatogén vírusok merev elkülönítése is mesterséges, és valójában e két fő – eddig mereven elkülönített – víruscsoport evolúciós rokonságban van egymással. Azoknak a víruscsaládoknak a megismerése, amelyek egyes tagjai állat-, mások növénypatogének (Reoviridae, Rhabdoviridae és Bunyaviridae), megerősítették ezt a feltételezést.

Vírus-„szupercsaládok”

Picornavirusokhoz hasonló növényvírusok

A comovirusok [pl. tehénborsó mozaik vírus (cowpea mosaic comovirus)], a nepovirusok [pl. paradicsom fekete gyűrűs vírus (tomato black ring nepovirus)], és bizonyos mértékig a potyvirusok [pl. burgonya Y-vírus (potato Y potyvirus)] közös tulajdonságokat mutatnak a Picornaviridae családba tartozó poliovirusokkal. Közös tulajdonságaik a következők: 1. az egyszálú (+) RNS genom VPg-t hordoz az 5’ végen, a 3’ vég pedig poliadenilált; 2. a géntermékek egy hosszú poliproteidből transzláció után hasadnak egy vírus által kódolt proteáz segítségével; 3. a genom több hasonló szerepű, nem-szerkezeti fehérjét kódol, amelyek aminosav-szekvenciája meglehetősen hasonló (g 20%); 4. az ún. konzervált szekvenciák a genomban hasonló elrendezésűek (76. ábra).

76. ábra - A tehénborsó mozaik vírus (cowpea mosaic comovirus) és a poliovirusok fehérjegénjeinek hasonló elrendeződése és konzervált szekvenciái. CPMV = tehénborsó mozaik vírus (cowpea mosaic comovirus). VP = vírusprotein, VPg = vírusgenomhoz kötött fehérje. A pontozott részek a homológ szekvenciákat jelölik [Matthews, 1985 után]

A tehénborsó mozaik vírus (cowpea mosaic comovirus) és a poliovirusok fehérjegénjeinek hasonló elrendeződése és konzervált szekvenciái. CPMV = tehénborsó mozaik vírus (cowpea mosaic comovirus). VP = vírusprotein, VPg = vírusgenomhoz kötött fehérje. A pontozott részek a homológ szekvenciákat jelölik [Matthews, 1985 után]


Bár az említett vírusok köpenyfehérjegénjei igen különbözőek, mégis mind a comovirusok, mind a poliovirusok izometrikus virionjai kétféle köpenyfehérjéből hasonló módon épülnek fel (Goldbach, 1986). A potyvirusok némileg elkülönülő csoportot alkotnak, ezek köpenyfehérje-génje ugyanis az RNS-szál 3’ végén helyezkedik el.

Sindbisvirusokhoz hasonló növényvírusok

Az elmondottakhoz hasonlóan nagy meglepetést okozott az a felfedezés is, hogy egyes, felépítésükben ugyancsak eltérő (izometrikus és helikális, osztatlan és osztott genomú) növénypatogén vírusok (Alfamovirus, Bromovirus, Tobamovirus) hasonló transzlációs stratégiát követnek. Közös jellemzőik az alábbiak: 1. az egyszálú (+) RNS genom 5’ végén sapka van, ugyanakkor a 3’ vég eltérő lehet; 2. a lucerna mozaik vírus és a rozsnok mozaik vírus RNS1 és RNS2 által kódolt fehérjék három szakaszban (mintegy 250–300 aminosav) nagy szekvencia-homológiát mutattak egymással, valamint a dohány mozaik vírus 126 és 183 kD fehérjéivel; 3. e fehérjék szerepe a vírus-RNS-szintézisben van, polimeráz-aktivitásúak; 4. hasonlóság mutatkozik mindhárom esetben a kb. 30 kD fehérjék és a köpenyfehérjék szintézisében is, ami szubgenomi RNS-ek segítségével valósul meg (77. ábra). A dohány mozaik vírus átírt fehérje (183 kD) és a rozsnok mozaik vírus RNS2 terméke aminosav-szekvenciájában, valamint a gének elrendeződésében hasonló a Togaviridae család gerincteleneket és gerinceseket egyaránt fertőző sindbisvirusokhoz.

77. ábra - A lucerna mozaik vírus (alfalfa mosaic alfamovirus), a rozsnok mozaik vírus (brome mosaic bromovirus) és a dohány mozaik vírus (tobacco mosaic tobamovirus) genomszerveződésének hasonlósága a szekvenciában homológ szakaszokkal. AMV = lucerna mozaik vírus, BMV = rozsnok mozaik vírus, TMV = dohány mozaik vírus, CP = köpenyfehérje. A vonalazott részek a megfelelő konzervált szakaszok [Matthews, 1985 után]

A lucerna mozaik vírus (alfalfa mosaic alfamovirus), a rozsnok mozaik vírus (brome mosaic bromovirus) és a dohány mozaik vírus (tobacco mosaic tobamovirus) genomszerveződésének hasonlósága a szekvenciában homológ szakaszokkal. AMV = lucerna mozaik vírus, BMV = rozsnok mozaik vírus, TMV = dohány mozaik vírus, CP = köpenyfehérje. A vonalazott részek a megfelelő konzervált szakaszok [Matthews, 1985 után]


A luteovirusok szupercsaládja átmeneti típus-e?

Újabban egyre több bizonyíték szolgál annak erősítésére, hogy a luteovirusok is egy önálló szuperfamília alkotói lehetnek. E csoportba a tombusvirusok, a dianthovirusok, a hordeivirusok és a luteovirusok, esetlegesen a sobemovirusok tartoznak, részben a szekvencia-homológia, részben a gének működése és elrendezése alapján. A csoportnak közös vonásai vannak a Sindbis és a Picornavirus szupercsaláddal, lehetséges, hogy összekötő kapocsként szerepelnek e két taxonómiai csoport között. Mindezek a lehetőségek már a jelenlegi vírustaxonómiában is tükröződnek.

Pararetrovirusok: a retrovirusokhoz hasonló növényvírusok

Korábban azt gondolták, hogy csak a gerinceseket fertőző, tumort okozó RNS-vírusok replikációja történik fordított transzkripcióval, azaz a reverz transzkriptáz segítségével. Később igazolták, hogy egyes DNS-vírusok, mint pl. a hepatitisz B-vírus vagy a növénypatogén karfiol mozaik vírus hasonlóan replikálódnak. A retrovirusok reverz transzkriptáz enzime hasonló szekvenciákat mutat, mint a hepatítisz B-vírus vagy a karfiol mozaik vírus reverz traszkriptáz enzim, utalva e vírusok rokonságára. Hasonlóságot fedeztek fel a proteázok és endonukleázok megfelelő szakaszain is.

Feltételezések a vírusok törzsfejlődéséről

Az állat- és a növénypatogén vírusok aminosav-szekvenciáiban talált hasonlóságok felvetették a vírusok evolúciós rokonságának kérdését. Hogyan lehetséges, hogy az állat- és a növényvilág már 1,2 × 109 évvel ezelőtt olyan elvált, genetikai parazitákkal rendelkezik, amelyek génjei hasonló elrendeződésűek és hasonló fehérjéket kódolnak?

A vírusok törzsfejlődésére vonatkozólag több hipotézis is van: 1. a vírusok közös eredetűek (monofiletikus származás), azaz közös őstől erednek, és ökológiai tényezők miatt különültek el az eltérő gazdaszervezetek alapján; 2. az eredetileg különböző eredetű vírusok párhuzamos evolúció során váltak hasonlókká (polifiletikus származás), vagyis az azonos feladatot betöltő fehérjék hasonló szerkezetűekké váltak. A 3. feltételezés szerint a vírusok egymástól függetlenül fejlődtek ki, úgy, hogy a gazdaszervezettől transzdukcióval hasonló, a replikációhoz szükséges, önálló, konzervált géneket vettek át (Goldbach, 1986).

A lehetséges változatok közül az első feltevés a legvalószínűbb, tehát az, hogy a vírusok közös eredetűek, és a különböző irányú evolúció következményeként eltérő vírusok fejlődtek ki, amelyek azonban magukon viselték a rokonság konzervatív bélyegeit. E felosztásnak megfelelően a növénypatogén RNS-vírusok eddig két szupercsoportba (Picornavirus és Sindbisvirus) sorolhatók, más állatpatogén vírusokkal együtt. Ennek jó példáját mutatja a comovirusok és a poliovirusok hasonlósága. Ugyanebbe a Picornavirushoz hasonló csoportba oszthatók az egykomponensű potyvirusok és a kétkomponensű nepovirusok is. A másik szupercsoportot a Sindbisvirusokhoz hasonló növényi vírusok alkotnák, amelyhez a bromovirusok, cucumovirusok és tobamovirusok tartoznak. Az említett szupercsoportok bár nagy morfológiai eltéréseket mutatnak, ezek azonban éppen a belső extracelluláris lehetőségekhez való alkalmazkodást tükrözik. Ennek eredménye lehet az, hogy különösen a védő szerepet betöltő köpenyfehérje mutatja a legváltozatosabb formákat, a legnagyobb eltéréseket. Ugyancsak nem meglepő, hogy a vírustörzsek (pl. a potyvirusok esetében) általában a köpenyfehérje-szekvenciákban térnek el leginkább egymástól.

Hasonlóan szuperfamíliaként lehet kezelni azokat a vírusokat is, amelyek sajátos replikációjuk folytán reverz transzkripciót követnek. A caulimovirusok e tekintetben a retrovirusokhoz hasonlóak, a pararetrovirusok csoportját alkotják.

A vírusok újszerű csoportosításában eltűnik a megszokott különbség a genom osztottsága és osztatlansága között. E tekintetben az evolúciós előny mindenképpen a multikomponens-vírusoké. A genom osztottságából adódó előnyök a következők: a) az RNS-ek gyors rekombinációs újrarendeződésére adnak lehetőséget; b) megnövelhető a genom mérete (nincsenek enkapszidációs problémák); c) csökken a mutagén és károsító hatások lehetősége, javul az RNS-replikáció megbízhatósága; d) könnyebbé válik a transzláció önellenőrzése, a termékek arányainak önszabályozása; e) a kis virionok vektorokkal történő átvitele könnyebbé válik, egyszerűbb lesz a virionok mozgása a növényen belül (Goldbach, 1986).

Mindezek az előnyök azonban egy esetben, a mechanikai átvitelben bizonyos mértékig eltűnnek. Míg az egykomponensű vírusok fertőzéséhez elvben egyetlen virion is elegendő, az osztott genomú vírusoknál ez többszörös, hiszen a fertőzés helyén, ugyanabban a sejtben egyszerre minden komponensből legalább egynek jelen kell lennie ahhoz, hogy a fertőzés eredményes legyen. A rovarokkal vagy a maggal történő vírusátvitel esetén ez biztosított is, ezért lehetséges az, hogy a növénypatogén vírusok körében gyakori a genom osztottsága. Evolúciós szemszögből tekintve az osztott genom fejlettebb formát jelent (Goldbach, 1986).

Az állat- és növénypatogén vírusok közös eredetének több bizonyítéka van. Több rovarpatogén RNS-vírus is növényi betegségeket okozhat. Feltehetően ez a csoport a legújabb idők evolúciós terméke. A növénypatogén vírusok egy részét ugyanis rovarok terjesztik, közülük több (rhabdovirusok, luteovirusok, reovirusok, marafivirusok, tenuivirusok, tospovirusok) a rovar testében is replikálódik. Ugyanakkor ismertek olyan RNS-rovarvírusok is, amelyek emlősöket is fertőznek. A rovarpatogén vírusok között több az RNS jellegű. Feltételezések szerint a növénypatogén comovirusok és a gerincespatogén picornavirusok ilyen közös rovarvírusoktól származnak. A rovarpatogén RNS-vírusok között osztott genomú is van (nodamuravirusok). Ez a forma a növénypatogén vírusok esetében gyakori, az állatpatogéneknél azonban nem fordul elő. A rovarpatogén RNS-vírusok e tekintetben is összekötő láncszemet, evolúciós átmenetet jelentenek a növényvírusok származására.

Az evolúció mechanizmusa

A vírusok gyors változásokra képesek, hamar alkalmazkodnak a megváltozott körülményekhez. E változások hosszú evolúció eredményei, és ebben szerepet játszott a gazdaszervezettel való tartós együttélés, alkalmazkodás, együttes fejlődés, a koevolúció is. Ismert, hogy egyes víruscsoportok melyik földrészen fordulnak csak elő, vagy az, hogy pl. a tymovirusok Európában vagy Amerikában stb. eltérőek. Egyes vírusok földrajzi eredete is jól meghatározható (pl. burgonyapatogén vírusok). A vírusevolúció ma is tartó folyamat, amelynek mozgatórugói a genomot érő külső hatások.

Általában a legnagyobb evolúciós erőt a mutációk, a rekombinációk, a gének újrarendeződése (gene reassortment), esetenként a gének megkettőződése vagy kiesése jelenti, de lehetséges egyes növényi gének átvétele is (Roossinck, 1997). A génekben történt kis szekvenciaváltozások összegeződve a vírusok mikroevolúcióját eredményezik, míg a nagyobb szakaszokat érintő génkicserélődések következménye a biológiai funkciók erőteljes változásával járó makroevolúció.

A géneket károsító erők minden élő szervezetre egyaránt hatnak. A növényvírusfajok nukleotid szekvenciái azonban – összevetve más fajokkal – igen nagy eltéréseket mutatnak, bizonyítva, hogy ezek a hatások a vírusok esetében kifejezettebben érvényesülnek. Ennek okai a növényvírusok jellegéből fakadnak.

A növénypatogén vírusok túlnyomó többségét jelentő (+) RNS-vírusok replikációja az RNS-től függő RNS-polimeráz enzimhez kötött. Az átírás hibaszázaléka magas, 10–4, ami 10 kilobázisonként átlagosan egy tévedést jelent. Ennek oka az, hogy az RNS-polimeráz működéséhez nem igényli a bázispárosodást, tehát kevéssé függ a primer jelenlététől. Káros oxidációs hatások gyakran okoznak a genomban mutációkat. Egy sejtet átlagosan egyetlen nap mintegy 10 000 „ütés” ér, amit a szervezet reparáló hatásai legtöbbször hatástalanítanak.

Míg a kettős szálú DNS bázispárosodása miatt a DNS-genom jobban védett a mutagén hatásoktól, addig az RNS-genom ezekkel szemben sokkal érzékenyebb, ami újabb és újabb vírustörzsek kialakulását eredményezheti. E módosulások az egyes vírustörzseknél a gazdanövénykör szűkülését vagy tágulását egyaránt eredményezhetik (Roossinck, 1997).

A rekombináció lehetősége mind az RNS-, mind a DNS-vírusoknál egyaránt előfordul. E hatást leginkább a defektív interferáló (DI) RNS-ek, illetve a vírusok deléciós változatai esetén tanulmányozták, amelyeknél a homológ rekombináció révén a hiányos szekvenciák regenerálódhatnak. Azonos vírusok törzsei vagy hasonló vírusfajok kevert fertőzései is gyakran eredményezhetnek rekombinációt, ami fontos eredő pontja lehet új vírusok, vírustörzsek kialakulásának. A egyes növénypatogén vírusok (luteovirusok, nepovirusok, bromovirusok és cucumovirusok) változékonyságában bizonyított a rekombináció nagy jelentősége (Nagy és Bujarski, 1995; Roossinck, 1997). Az új vírus (törzs) életképességét a természetes szelekció dönti el.

Néhány növényvírusnál bizonyítható a génkicserélődés is, mint a génexpresszió ellenőrző mechanizmusa. A hybrigeminivirusoknál például egyes mesterségesen előállított pszeudo-rekombináns esetén bizonyították egyes génszakaszok újrarendeződését. Hasonló jelenséget figyeltek meg természetes körülmények között az uborka mozaik vírus (cucumber mosaic cucumovirus) és a földimogyoró satnyulás vírus (peanut stunt cucumovirus) nukleinsavai között is, ahol az RNS3-szál cseréje történt meg. Bár a génkicserélődés nem túl gyakori jelenség, egy új vírus kialakulásában drámai jelentőségű lehet. A vírusok közötti tartós kapcsolat meglepő eredményre vezethet. Ennek példája a borsó enációs mozaik vírus (pea enation mosaic enamovirus) esete, amelynek RNS1 frakciója a luteovirusokkal mutat rokonságot, míg az RNS2 – amely a replikáz enzim kódját tartalmazza – a carmovirusokhoz és a tombusvirusokhoz hasonló.

Egyes vírusok esetén a komplex fertőzések az RNS-rekombináció vagy a hetero-enkapszidáció révén új konstrukciók kialakulását eredményezik, azaz egy vírusfaj a másik vírusfaj köpenyfehérjéjével burkolódik be. Ez a vektorátvitel megváltozását is jelentheti. E lehetőség kísérletileg bizonyított, így környezetvédelmi szempontból néha joggal vetődik fel az a félelem, hogy a vírusgének felhasználásával előállított transzgenikus növények révén új, patogénebb vírustörzsek is keletkeznek. Napjaink génsebészeti törekvései ezért inkább arra irányulnak, hogy a patogén eredetű rezisztencia kialakítása helyett inkább a növények természetes rezisztenciagénjeit kutassák fel, és ezeket használják fel a genetikailag módosított szervezetek előállítására.

Az evolúciós vizsgálatok felvetik a vírusok eredetére vonatkozó kérdéseket is. Felmerült az az elképzelés is, hogy a vírusok egy sejt előtti, precelluláris világ fosszíliái, amelyek a földi élet kialakulásában és a gének horizontális mobilitásában fontos szerepet játszanak (Roossinck, 1997). Matthews (1991) összefoglaló véleménye szerint a növénypatogén vírusokon belül négy evolúciós csoport körvonalai bontakoznak ki: 1. egyszálú pozitív RNS-vírusok; 2. a növénypatogén reovirusok, rhabdovirusok és bunyavirusok; 3. caulimovirusok és 4. geminivirusok, amelyek feltehetően a prokariotikus szervezetek vírusaiból származnak.