タバコモザイクウイルス

タバコウイルス
視認性を高めるために ネガティブ染色したTMV 粒子の透過型電子顕微鏡写真（160,000 倍の倍率）
ウイルスの分類
(ランク外):	ウイルス
領域:	リボビリア
王国：	オルタナウイルス科
門:	キトリノビリコタ
クラス：	アルスビリセテス
注文：	マルテリウイルス目
家族：	ビルガウイルス科
属:	トバモウイルス
種：	タバコウイルス

タバコモザイクウイルス^[a] ( TMV ) は、トバモウイルス属のプラス鎖一本鎖 RNA ウイルス種で、広範囲の植物、特にタバコやナス科の植物に感染します。感染すると、葉に「モザイク」のようなまだら模様や変色などの特徴的な模様が現れます(そのため、このウイルスの名前が付けられています)。TMV は最初に発見されたウイルスです。19 世紀後半から、細菌以外の感染症がタバコ作物に被害を与えていることは知られていましたが、感染因子がウイルスであると判明したのは 1930 年になってからでした。これは、ウイルスとして特定された最初の病原体です。このウイルスは、ウェンデル・メレディス・スタンリーによって結晶化されました。

1886年、アドルフ・マイヤーは、細菌感染と同様に植物間で伝染するタバコモザイク病について初めて記述した。^{[2] [3]} 1892年、ドミトリ・イワノフスキーは、感染した樹液が最も目の細かいシャンベラン濾過器で濾過した後でも感染性を維持することを示して、非細菌性感染因子の存在について最初の具体的な証拠を示した。^{[3] [4]}その後、1903年にイワノフスキーは、感染したタバコ植物の宿主細胞内の異常な結晶細胞内封入体について説明した論文を発表し、これらの封入体と感染因子の関係を論じた。^[5]しかし、イワノフスキーは、証拠の提示に何度も失敗したにもかかわらず、原因因子は培養できない細菌であり、使用したシャンベラン濾過器に留まるには小さすぎて光学顕微鏡で検出できないと確信していた。 1898年、マルティヌス・ベイエリンクはイワノフスキーの濾過実験を独自に再現し、感染性物質がタバコ植物の宿主細胞内で再生・増殖できることを示した。^{[3] [6]}ベイエリンクは、タバコモザイク病の原因物質が非細菌性であることを示すために「ウイルス」という用語を採用した。タバコモザイクウイルスは結晶化された最初のウイルスである。これは1935年にウェンデル・メレディス・スタンリーによって達成され、彼はまたTMVが結晶化後も活性を維持することを示しました。 ^{[3]この研究により、彼は1946年に}ノーベル化学賞の4分の1を受賞したが、^{[7] [8]後に彼の結論の一部（特に結晶が純粋なタンパク質であり、}自己触媒によって組み立てられたという点）が間違っていたことが判明した。^[9] TMVの最初の電子顕微鏡画像は、1939年にグスタフ・カウシェ、エドガー・ファンクフ、ヘルムート・ルスカ（ノーベル賞受賞者エルンスト・ルスカの弟）によって作成されました。^[10] 1955年、ハインツ・フランケル・コンラットとロブリー・ウィリアムズは、精製されたTMV RNAとそのカプシド（コート）タンパク質が自ら機能するウイルスに組み立てられることを示しました。これは、これが最も安定した構造（自由エネルギーが最も低い構造）であることを示しています。結晶学者の ロザリンド・フランクリンは、バークレーで約1か月間スタンリーの下で働き、後に1958年のブリュッセル万国博覧会のためにTMVのモデルを設計して構築しました。1958年に彼女は、ウイルスは固体ではなく中空であると推測し、TMVのRNAは一本鎖であると仮定した。 ^[11] この推測は彼女の死後に正しいことが証明され、現在では+鎖であることがわかっている。^{[12]タバコモザイク病の研究とその後のウイルス性の発見は、}ウイルス学の一般概念を確立する上で重要な役割を果たした。^[3]

タバコモザイクウイルスは棒状の外観をしている。そのカプシドは、2130分子のコートタンパク質と 6400 塩基長のゲノム一本鎖 RNA 分子からできている。コートタンパク質は RNA の周囲に棒状のらせん構造 (らせん 1 回転あたり 16.3 個のタンパク質) に自己組織化し、ヘアピンループ構造を形成する (上の電子顕微鏡写真を参照)。ウイルスの構造的構成により安定性が得られる。^[13]タンパク質モノマーは 158 個のアミノ酸で構成され、4 つの主要なアルファヘリックスに組み立てられ、これらはウイルス粒子の軸に近い目立つループで結合している。ウイルス粒子は長さが約 300 nm、直径が約 18 nm である。^[14]ネガティブ染色した電子顕微鏡写真では、半径約 2 nm の明確な内部チャネルが見られる。RNA は半径約 4 nm に位置し、コートタンパク質によって細胞酵素の作用から保護されている。^[15] 3.6 Å の解像度での電子密度マップに基づいて、無傷のウイルスのX 線繊維回折構造が研究されました。 ^[16]カプシドらせんの内部、コアの近くには、6,395 ±10 ヌクレオチドで構成されるコイル状の RNA 分子があります。^{[17] [18]}ウイルスの構造は、ウイルス DNA の認識に重要な役割を果たします。これは、タンパク質から生成される必須中間体の形成により、ウイルスが特定の RNA ヘアピン構造を認識できるためです。^[19]中間体は、ヘアピン構造と結合することにより、TMV 自己集合の核形成を誘導します。^[20]

TMVゲノムは6.3～6.5 kbpの一本鎖（ss）RNAで構成されています。3'末端はtRNAのような構造で、5'末端はメチル化されたヌクレオチドキャップ（m7G5'pppG）を持っています。^[21]ゲノムは4つのオープンリーディングフレーム（ORF）をコードしており、そのうち2つは漏出性UAG終止コドンのリボソームリードスルーにより単一のタンパク質を生成します。4つの遺伝子はレプリカーゼ （メチルトランスフェラーゼ[MT]およびRNAヘリカーゼ[Hel]ドメインを含む）、RNA依存性RNAポリメラーゼ、いわゆる移動タンパク質（MP）、およびカプシドタンパク質（CP）をコードしています。^[22]コード配列は、RNAの5'末端から69ヌクレオチド離れた最初のリーディングフレームから始まります。^[23] 5'末端の非コード領域は個々のウイルス粒子ごとに変化する可能性があるが、3'末端の非コード領域ではウイルス粒子間で変化は見つかっていない。^[23]

TMVは耐熱性ウイルスであり、乾燥した葉の上で50℃（華氏120度）まで30分間耐えることができます。^[24]

TMVの屈折率は約1.57である。^[25]

TMVには明確な越冬構造はありません。むしろ、土壌中の感染したタバコの茎や葉、汚染された種子の表面で越冬します（TMVは汚染されたタバコ製品の中で何年も生き残ることができるため、喫煙者は煙自体ではなく接触によって偶然TMVを感染させる可能性があります）。^{[26] [27] TMVは、その媒介生物（通常は}アブラムシやヨコバイなどの昆虫）を介して宿主植物と直接接触することで、感染プロセスを経て複製プロセスに進みます。

増殖後、TMVは原形質連絡を介して近隣の細胞に侵入します。感染は昆虫との接触によって広がるのではなく、^[28]近隣の細胞との直接接触によって広がります。TMVは、スムーズに侵入するために、原形質連絡を拡大するP30と呼ばれる30kDaの移動タンパク質を産生します。TMV は、RNA、P30、複製タンパク質の複合体として細胞から細胞へと移動する可能性が高いです。

また、TMV は師管を通じて植物内で長距離移動することもできます。さらに、TMV は直接接触によって植物から植物に伝染することもあります。TMV には特定の伝染ベクターはありませんが、ウイルスは人間の取り扱いによって感染した宿主から健康な植物に簡単に伝染します。

機械的接種によって宿主に侵入した後、TMV は脱殻してウイルスの [+]RNA 鎖を放出します。脱殻が起こると、MetHel:Pol 遺伝子が翻訳されてキャッピング酵素 MetHel と RNA ポリメラーゼが作られます。その後、ウイルスゲノムはさらに複製され、[+]RNA 3' 末端のtRNA _{HISによってプライミングされた [-]RNA 中間体を介して複数の mRNA が生成されます。結果として生じる mRNA は、}コートタンパク質、RNA 依存性 RNA ポリメラーゼ(RdRp)、および移動タンパク質を含むいくつかのタンパク質をコードします。このようにして、TMV は自身のゲノムを複製することができます。

TMV のコートタンパク質と RNA ゲノムが合成された後、高度に組織化されたプロセスで、それらは自発的に完全な TMV ウイルス粒子に組み立てられます。プロトマーは集まって、らせん状に配置された 2 層のプロトマーからなるディスクまたは「ロックワッシャー」を形成します。らせん状のカプシドは、ロッドの端にプロトマーを追加することで成長します。ロッドが長くなると、RNA は中央のチャネルを通過し、成長端でループを形成します。このようにして、RNA はらせん状に簡単にらせん状のカプシドの内部に収まります。^[29]

他の植物病原ウイルスと同様に、TMV の宿主範囲は非常に広く、感染した宿主によって影響が異なります。タバコモザイクウイルスは、ノースカロライナ州で、煙草の最大 2 % の生産量の減少を引き起こすことが知られています。^[30]このウイルスは、タバコ、トマト、ピーマン(すべてナス科)、キュウリ、いくつかの観賞用花^[31]、およびPhaseolus vulgarisやVigna unguiculataなどの豆を含む、 9 つの植物科、少なくとも 125 種の植物に感染することが知られています。^{[32]さまざまな株があります。このウイルス病の最初の症状は、若い}葉の葉脈間の薄緑色の変色です。その後すぐに、葉に「モザイク」または明るい緑色と暗い緑色の斑点模様が現れます。感染した植物の葉に小さな局所的なランダムなしわが現れる、しわが見られる場合もあります。これらの症状は急速に進行し、若い葉でより顕著になります。感染しても植物は枯死しないが、シーズンの早い時期に感染すると、植物は発育不良になる。特に暑く乾燥した時期には、下葉が「モザイク焼け」を起こす。このような場合、葉に大きな枯死部分が生じる。これは、タバコモザイクウイルス感染の最も破壊的な段階の 1 つである。感染した葉は、しわが寄ったり、縮れたり、伸びたりすることがある。しかし、TMV がブドウやリンゴなどの作物に感染した場合、症状はほとんど現れない。TMV は、植物病原菌に感染して複製サイクルを完了することができる。TMV は、C. acutatum、C. clavatum、C. theobromicola の細胞に侵入して複製することができる。これは例外ではないかもしれないが、自然界では発見されておらず、おそらく探索もされていない。^[33]

TMVは最も安定したウイルスの一つで、生存範囲が広い。周囲の温度が約40℃以下であれば、 TMVは安定した形態を維持できる。感染する宿主さえあればよい。温室や植物園は、宿主の密度が高く、年間を通じて温度が一定であるため、TMVが拡散するのに最も適した環境である。また、TMVは最大3000日間生存できるため、樹液中で培養することも有用である。^[34]

TMV の一般的な制御方法の 1 つは衛生管理で、感染した植物を除去し、植え付けの合間に手を洗うなどの作業が含まれます。また、少なくとも 2 年間は土壌や苗床が感染しないように輪作を行う必要があります。あらゆる植物病害と同様に、TMV に対する耐性株を探すことも推奨されます。さらに、交差防御法を実施することもできます。この方法では、ワクチンの効果と同様に、TMV の弱い株を宿主植物に感染させることで、TMV のより強い株による感染を抑制します。

過去10年間で、宿主植物ゲノムへの遺伝子工学の応用が開発され、宿主植物が細胞内でTMVコートタンパク質を生成できるようになりました。TMVゲノムは宿主細胞に入るとすぐに再コートされ、TMV複製の開始を防ぐと仮定されていました。その後、ウイルスゲノムの挿入から宿主を保護するメカニズムは遺伝子サイレンシングによるものであることが判明しました。^[35]

TMVは粘菌類 フィザルム ・ポリセファラムの産物によって阻害される。タバコと豆類のP. vulgarisとV. sinensisは、どちらもP. polycephalum抽出物で処理した場合、試験管内でTMVによる損傷を ほとんど受けなかった。^[32]

研究により、バチルス属菌はタバコ植物におけるTMVの症状の重症度を軽減するために使用できることが示されています。この研究では、処理されたタバコ植物は、処理されていないタバコ植物よりも成長が速く、TMVウイルス粒子の蓄積が少なかった。^[36]

H.フランケル・コンラットは酢酸がタバコモザイクウイルスに与える影響を示す研究を行った。研究によると、酢酸の67%がウイルスの分解に役立ったという。^[37]

TMV の予防に考えられるもう 1 つの方法は、サリチル酸の使用です。ケンブリッジ大学の研究チームが行った研究では、植物をサリチル酸で処理すると、タバコ植物に存在する TMV ウイルス RNA とウイルス コート タンパク質の量が減少することがわかりました。研究により、サリチル酸は複製と転写、特に RdRp 複合体を阻害する可能性が高いことがわかりました。^[38]

研究が行われ、人間はタバコモザイクウイルスに対する抗体を持っていることが明らかになりました。^[39]

TMVに関する膨大な文献があり、構造生物学（X線回折やX線結晶構造解析を含む）、ウイルスの組み立てと分解などにおける多くの先駆的な研究にTMVが選ばれているのは、基本的に、TMVが大量に得られることと、動物に感染しないという事実による。数百本の感染したタバコの植物を温室で育て、その後、いくつかの簡単な実験手順を踏むと、科学者は数グラムのウイルスを生産することができる。^[40]実際、タバコモザイクウイルスは非常に増殖するため、封入体は光学顕微鏡でしか見ることができない。^[28]

ジェームズ・D・ワトソンは回想録『二重らせん』の中で、TMVのらせん構造のX線研究がDNA分子の性質を推測する上で重要なステップであったと述べています。^[41]

植物ウイルスは、分子生物学者が植物細胞に遺伝物質を送達するために一般的に使用するツールであるウイルスベクターの設計に使用できます。また、植物ウイルスは、生体材料やナノテクノロジーデバイスのソースでもあります。^{[42] [43]} TMVに基づくウイルスベクターには、magnICONおよびTRBO植物発現技術のものがあります。^{[43] [44]}円筒形、高アスペクト比、自己組織化の性質、およびシェルに金属コーティング（ニッケルおよびコバルト）を組み込む能力により、TMVはバッテリー電極に組み込むための理想的な候補です。^[45] TMVをバッテリー電極に追加すると、反応表面積が1桁増加し、平面電極形状と比較してバッテリー容量が最大6倍に増加します。^{[45] [46]} TMVベースのベクターにより、C. acutatumは最大6つの継代培養まで、感染後少なくとも2か月間、外因性GFPを一時的に発現することができました。形質転換技術を開発する必要なく、VIGSによって植物病原菌Colletotrichum acutatumでRNAiを発現することができ、TMVベースの組み換えベクターを使用して、緑色蛍光タンパク質（GFP）をコードする遺伝子のORFを、TMVコートタンパク質（CP）サブゲノムmRNAプロモーターの複製から真菌細胞で転写し、このアプローチを使用して真菌で外来タンパク質を発現できることを実証しました。^[33]

ウィキメディア・コモンズには、タバコモザイクウイルスに関連するメディアがあります。

• 植物ウイルスの説明 - TMV ( Wayback Machineで 2007-09-26 にアーカイブ) には、症状、宿主種、精製などの情報が含まれています。
• 詳細情報
• TMの電子顕微鏡画像