ウイロイド

ウイロイド
ウイルスの分類
非公式グループ:	サブウイルス剤
(ランク外):	ウイロイド
家族
ポスピウイロイド科 アヴスンウイロイド科

ウイロイドは、感染性病原体である小さな一本鎖の環状RNAである。^{[1] [2]}ウイルスとは異なり、タンパク質コーティングはない。既知のウイロイドはすべて被子植物（顕花植物）に生息し、^[3]ほとんどが病気を引き起こし、そのそれぞれが人間にとって経済的に重要な意味合いは大きく異なる。^[4]最近のメタトランスクリプトミクス研究では、ウイロイドやその他のウイロイド様要素の宿主多様性はこれまで考えられていたよりも広く、植物に限定されず、原核生物にまで及ぶことが示唆されている。^[5]

1970年代に初めてウイロイドが発見されたことにより、1675年にアントニー・ファン・レーウェンフック（「目に見えない」微生物）が発見され、1892年から1898年にかけてドミトリ・イオシフォヴィッチ・イワノフスキーおよびマルティヌス・ベイエリンク（「顕微鏡でしか見えない」ウイルス）が発見された後、生物圏は歴史的に3番目の大きな拡大を遂げ、より小さな生命体を含むようになった。ウイロイドのユニークな特性は国際ウイルス分類委員会によって認識され、サブウイルス因子の新しい秩序が作られた。^[6]

最初に認識されたウイロイド、すなわちジャガイモ紡錘塊茎病の病原体は、 1971年に米国農務省メリーランド州ベルツビル研究センターの植物病理学者テオドール・オットー・ディーナーによって発見され、最初に分子レベルで特徴付けられ、命名されました。 ^{[7] [8]}このウイロイドは現在、ジャガイモ紡錘塊茎ウイロイドと呼ばれ、略してPSTVdと呼ばれています。その後すぐに、柑橘類エクソコルティスウイロイド（CEVd）が発見され、PSTVdとCEVdの理解がウイロイドの概念を形作りました。^[9]

ウイロイドは核酸で構成されているが、タンパク質をコードしていない。^{[10] [11]}ウイロイドの複製機構は、通常DNAからメッセンジャーRNAを合成する宿主細胞酵素であるRNAポリメラーゼIIを使用するが、これはウイロイドのRNAをテンプレートとして使用して新しいRNAの「ローリングサークル」合成を触媒する。ウイロイドは多くの場合リボザイムであり、より大きな複製中間体から単位サイズのゲノムを自己切断および連結できる触媒特性を持っている。^[12]

ディーナーは1989年に、ウイロイドは広く想定されている古代の非細胞RNAの世界からの「生きた遺物」である可能性があるという仮説を最初に立て、他の人もこの推測に従いました。^{[13] [14]}レトロザイムの発見に続いて、ウイロイドやその他のウイロイドのような要素は、この新しく発見されたレトロトランスポゾンのクラスに由来する可能性があると提案されました。^{[15] [16] [17]}

ヒト病原体であるD型肝炎ウイルスは、B型肝炎ウイルスの表面タンパク質に囲まれたハイブリッド粒子であるため、ウイロイドと構造が類似したサブウイルス因子である。^[18]

2005年現在^{[アップデート]}：^[9]

• ポスピウイロイド科：宿主RNase IIIに依存する^[5]
  • ポスピウイロイド属; タイプ種:ジャガイモ紡錘体ウイロイド; 356–361ヌクレオチド(nt) ^[19]
    • トマトクロロティックドワーフウイロイド; (TCDVd); アクセッション番号 AF162131、ゲノム長 360nt
    • メキシコパピタウイロイド; (MPVd); アクセッション番号 L78454、ゲノム長 360nt
    • トマトプランタマッチョウイロイド（TPMVd）；アクセッション番号K00817、ゲノム長360nt
    • 柑橘類の外皮質ウイロイド; 368–467 nt ^[19]
    • キク萎縮ウイロイド; (CSVd); アクセッション番号 V01107、ゲノム長 356nt
    • トマト頂端矮小ウイロイド; (TASVd); アクセッション番号 K00818、ゲノム長 360nt
    • イレシン 1 ウイロイド(IrVd-1) ; アクセッション番号 X95734、ゲノム長 370nt
    • Columnea 潜在ウイロイド(CLVd); アクセッション番号 X15663、ゲノム長 370nt
  • ホストウイロイド属; タイプ種:ホップスタントウイロイド; 294–303 nt ^[19]
  • コカドウイロイド属; タイプ種:ココナツカダンカダンウイロイド; 246–247 nt ^[19]
    • ココナッツティナンガジャウイロイド; (CTiVd); アクセッション番号 M20731、ゲノム長 254nt
    • ホップ潜在ウイロイド; (HLVd); アクセッション番号 X07397、ゲノム長 256nt
    • 柑橘類IVウイロイド; (CVd-IV); アクセッション番号X14638、ゲノム長284nt
  • アプスカウイロイド属; タイプ種:リンゴ瘢痕皮ウイロイド; 329–334 nt ^[19]
    • 柑橘類IIIウイロイド; (CVd-III); アクセッション番号AF184147、ゲノム長294nt
    • リンゴえくぼウイロイド; (ADFVd); アクセッション番号 X99487、ゲノム長 306nt
    • ブドウ黄色斑点ウイロイド 1 型(GVYSd-1) ; アクセッション番号 X06904、ゲノム長 367nt
    • ブドウ黄色斑点ウイロイド 2 型(GVYSd-2) ; アクセッション番号 J04348、ゲノム長 363nt
    • 柑橘類ベントリーフウイロイド; (CBLVd); アクセッション番号 M74065、ゲノム長 318nt
    • ナシ水疱性潰瘍ウイロイド; (PBCVd); アクセッション番号 D12823、ゲノム長 315nt
    • オーストラリアブドウウイロイド(AGVd)；アクセッション番号 X17101、ゲノム長 369nt
  • 属コレウイロイド; タイプ種:コレウス・ブルメイ・ウイロイド1 ; 248–251 nt ^[19]
    • Coleus blumei 2 ウイロイド; (CbVd-2); アクセッション番号 X95365、ゲノム長 301nt
    • Coleus blumei 3 ウイロイド; (CbVd-3); アクセッション番号 X95364、ゲノム長 361nt
• Avsunviroidae科：自己触媒分裂^[5]
  • 属Avsunviroid ; タイプ種:アボカドサンブロッチウイロイド; 246–251 nt ^[19]
  • ペラモウイロイド属; タイプ種:モモ潜在モザイクウイロイド; 335–351 nt ^[19]
  • エラウイロイド属; タイプ種:ナス潜伏ウイロイド; 332–335 nt ^[19]

ウイロイドは植物にのみ感染することが知られており、感染性ウイロイドはアブラムシ、園芸や農業の慣行の結果としての植物への機械的損傷による交差汚染、または葉の接触による植物から植物への感染によって、新しい植物宿主に伝染する可能性があります。^{[19] [20]}感染すると、ウイロイドはRNAベースのメカニズムを介して3段階で植物細胞の核（Pospiviroidae）または葉緑体（Avsunviroidae ）で複製されます。それらは、通常DNAからのメッセンジャーRNAの合成に関連する宿主細胞酵素であるRNAポリメラーゼIIを必要としますが、代わりにウイロイドをテンプレートとして使用して新しいRNAの「ローリングサークル」合成を触媒します。^[21]

運動タンパク質を生成する植物ウイルスとは異なり、ウイロイドは完全に受動的であり、完全に宿主に依存しています。これは植物のRNA動態の研究に役立ちます。^[9]

ウイロイドが配列内にタンパク質産物をコードせずに植物に症状を引き起こす仕組みについては長い間不明であった。 ^[22]証拠は、RNAサイレンシングがこの過程に関与していることを示唆している。第一に、ウイロイドゲノムの変化はその毒性を劇的に変えることができる。^{[23]これは、生成された}siRNAは標的のメッセンジャーRNAとの相補的塩基対形成が少ないという事実を反映している。第二に、ウイロイドゲノムの配列に対応するsiRNAが感染した植物から単離されている。最後に、ジャガイモ紡錘体ウイロイドの非感染性hpRNAのトランスジェニック発現は、対応するウイロイド様症状をすべて発症させる。^[24]これは、ウイロイドが二本鎖中間RNAを介して複製する場合、ダイサー酵素の標的となり、siRNAに切断されてRNA誘導サイレンシング複合体にロードされることを示す。ウイロイドsiRNAには植物自身のメッセンジャーRNAと相補的な塩基対を形成できる配列が含まれており、分解の誘導や翻訳の阻害によって典型的なウイロイド症状が引き起こされる。^[25]

「ウイロイド様要素」とは、ウイロイドのライフサイクルを共有しない、共有結合した環状RNA分子（ccc）の断片を指す。このカテゴリには、サテライトRNA（小さな植物サテライトRNA「ウイロイド」、真菌「アンビウイルス」、およびはるかに大きなHDVのようなリボザイビリアを含む）と「レトロウイロイド」が含まれる。そのほとんどは、何らかのリボザイムも持っている。^[5]

ウイロイド様サテライトRNAは感染性の環状RNA分子であり、カプシドに運ばれて増殖するためにキャリアウイルスに依存する。しかし、Avsunviroidaeと同様に、自己切断が可能である。^[26]

「アンビウイルス」は、最近（2020年代）真菌で発見された可動性遺伝要素です。そのRNAゲノムは環状で、長さは約5kbです。少なくとも2つのオープンリーディングフレームの1つは、ウイルスのRNA指向性RNAポリメラーゼをコードしており、これにより「アンビウイルス」はリボウイルス界オルソナウイルス科に確実に位置付けられます。 2023年のICTVウイルス分類リリース以降、RNA指向性RNAポリメラーゼをコードするというユニークな特徴に加え、センス方向とアンチセンス方向の両方でさまざまな組み合わせの異なるリボザイムを持つため、別の門であるアンビウイルス門が確立されました。センス方向とアンチセンス方向の両方で環状フォームが検出されたことから、「アンビウイルス」は増殖にローリングサークル複製を使用していることが示唆されています。^{[27] [28] [29]}

「レトロウイロイド」、より正式には「レトロウイロイド様要素」は、ウイロイド様の環状RNA配列であり、宿主のDNAゲノム内に相同コピーも存在する。 ^[30]発見された唯一のタイプは、元の「カーネーション小型ウイロイド様RNA」（CarSV）と密接に関連している。^{[31] [32]これらの要素は、}組換えが発生する可能性のある相同基質として機能し、二本鎖切断修復に関連している可能性がある。^{[32] [33]}

これらの要素は、レトロウイルスによってコード化された逆転写酵素によって相同DNAが生成されるため、レトロウイロイドと呼ばれています。^{[34] [35]これらは真のウイロイドでもウイロイドのような}サテライトRNAでもありません。これらの要素には細胞外形態がなく、花粉や卵細胞を通じてのみ広がります。^{[26]これらは}パラレトロウイルスと共存しているようです。^[36]

生物学者は、メタトランスクリプトミクス（RNA配列のコンピューター支援による検索と分析）を適用した後、 2024年1月に、ヒトのマイクロバイオームで、ウイロイドのような要素の新しいクラスである「オベリスク」と、それに関連するタンパク質のグループ「オブリン」を発見したと報告しました。回収されたRNA配列は他の既知の生命体と相同性がないことから、研究者は、オベリスクはウイルス、ウイロイド、ウイロイドのような実体とは異なり、まったく新しいクラスの生物を形成すると示唆しています。^{[37] [38]}

ディーナーの1989年の仮説^[39]は、ウイロイドのユニークな特性により、ウイロイドは、過去に仮説上の細胞以前のRNAワールドの「生きた遺物」である可能性があると考えられていたイントロンや他のRNAよりも、より妥当な高分子になるという仮説でした。もしそうであれば、ウイロイドは植物ウイルス学を超えて進化論にとって重要な意味を持つことになります。なぜなら、ウイロイドの特性により、無生物から生命が進化する過程（非生物起源）において、他のRNAよりもウイロイドが重要な候補となる可能性が高いからです。ディーナーの仮説は、2014年にフローレスらによるレビュー記事で復活するまで、ほとんど忘れられていました。^[34]著者らは、ディーナーの仮説を支持する証拠を次のように要約しました。

1. ウイロイドの小さなサイズは、エラーが発生しやすい複製によって生じます。
2. グアニンおよびシトシンの含有量が多いため、安定性と複製の忠実度が向上します。
3. 環状構造により、ゲノムタグなしで完全な複製が保証されます。
4. 構造周期性の存在により、拡大ゲノムへのモジュール組み立てが可能になります。
5. タンパク質コード化能力が欠如しており、これはリボソームのない生息地と一致しています。
6. 一部の複製は、RNA ワールドの指紋であるリボザイムによって媒介されます。

RNAワールドのRNAに予測される分子特性を持つRNAが現存する細胞に存在することは、RNAワールド仮説を支持するもう一つの強力な議論である。しかし、このRNAワールドからのウイロイド自体の起源は、レトロザイム（レトロトランスポゾンのファミリーで、おそらくウイロイドの祖先を表す）の発見や、植物以外の生物にウイロイドが全く存在しないこと（特に細菌や古細菌を含む原核生物には全く存在しないこと）など、いくつかの要因によって疑問視されている。^{[15] [16] [17]}しかし、最近の研究では、ウイロイドやその他のウイロイド様要素の多様性はこれまで考えられていたよりも広く、植物に限定されず、原核生物にまで及ぶことが示唆されている。ウイロイドのcccRNAとCRISPRスペーサーの一致は、それらのいくつかが原核生物で複製される可能性があることを示唆している。^[5]

ELISA、PCR、核酸ハイブリダイゼーションに基づく検査の開発により、バイオセキュリティ検査、植物検疫検査、検疫において既知のウイロイドを迅速かつ安価に検出することが可能になった。^[40]

1920年代、ニューヨークとニュージャージーの畑で、それまで知られていなかったジャガイモの病気の症状が見られました。感染した植物の塊茎が細長く変形するため、ジャガイモの紡錘塊茎病と名付けられました。^[41]

症状は、感染した植物の断片が芽生えた植物に現れた。これは、病気が伝染性の病原体によって引き起こされたことを示している。しかし、症状のある植物に一貫して関連する菌類や細菌は見つからなかったため、この病気はウイルスによって引き起こされたと推定された。長年にわたり、ますます洗練された方法を使用して、推定ウイルスを分離および精製する試みが何度も行われたが、ジャガイモの紡錘形塊茎病に感染した植物からの抽出物に適用しても成功しなかった。^[8]

1971年、テオドール・O・ディーナーは、この病原体がウイルスではなく、典型的なウイルスの80分の1の大きさの、まったく予想外の新しいタイプの病原体であることを示し、これを「ウイロイド」という用語を提案した。^[7]農業を対象とする研究と並行して、より基礎的な科学研究によって、ウイロイドの物理的、化学的、高分子的特性の多くが解明された。ウイロイドは、一本鎖RNAの短い部分（数百ヌクレオチド）で構成され、ウイルスとは異なり、タンパク質の殻を持たないことが示された。ウイロイドは、246～467ヌクレオチドと非常に小さく、他の感染性植物病原体よりも小さいため、10,000個未満の原子で構成されている。比較すると、単独で感染を引き起こすことができる既知の最小のウイルスのゲノムは約2,000ヌクレオチドの長さである。^[42]

1976年、サンガーら^[43]は、ジャガイモの紡錘形塊茎ウイロイドが「一本鎖で共有結合により閉じた環状RNA分子であり、高度に塩基対合した棒状構造として存在する」という証拠を提示した。これは、このような分子として初めて記述されたと考えられている。環状RNAは、線状RNAとは異なり、共有結合により閉じた連続ループを形成し、線状RNA分子に存在する3'末端と5'末端が結合している。サンガーらはまた、RNAが5'末端でリン酸化されないことを発見し、ウイロイドが真に環状であることの証拠を示した。他の試験では、彼らは1つの自由3'末端さえ見つけることができず、分子が2つの3'末端を持つ可能性を排除した。したがって、ウイロイドは真の環状RNAである。^[44]

ウイロイドの一本鎖性と円形性は電子顕微鏡で確認された。^[45]ジャガイモ紡錘体ウイロイドの完全なヌクレオチド配列は1978年に決定された。^[46] PSTVdは、完全な分子構造が確立された最初の真核生物の病原体であった。それ以来、30を超える植物病害が、これまで考えられていたようにウイルスではなくウイロイドによって引き起こされることが判明している。^{[42] [47]}

2009年から2015年の間にさらに4つのウイロイドまたはウイロイド様RNA粒子が発見されました。^[40]

2014年、ニューヨークタイムズの科学記者カール・ジマーは、この仮説の元々の構想を誤ってフローレスらに帰した一般向けの記事を発表しました。^[48]

2024年1月、生物学者はヒトのマイクロバイオームで、ウイロイドのような要素の新しいクラスである「オベリスク」と、それに関連するタンパク質のグループである「オブリン」を発見したと報告した。^{[37] [38]}

• ウイロイド/ATSU
• ViroidDB、ウイロイドとウイロイド様環状RNAのデータベース