Mikrobiologia

Badania mające na celu odkrycie czynników wywołujących wcześniej niezbadane choroby doprowadziły do odkrycia nieożywionych czynników chorobotwórczych zupełnie różnych od wirusów. Należą do nich cząsteczki składające się tylko z RNA lub tylko z białka, które jednak są zdolne do samonapędzania się kosztem gospodarza – kluczowe podobieństwo do wirusów, które umożliwia im wywoływanie stanów chorobowych. Do tej pory odkrycia te obejmują wiroidy, wirusoidy i białkowe priony.

Wiroidy

Rysunek 1. Te ziemniaki zostały zainfekowane przez wiroida wrzecionowatości bulw ziemniaka (PSTV), który rozprzestrzenia się zazwyczaj, gdy zainfekowane noże są używane do cięcia zdrowych ziemniaków, które są następnie sadzone. (credit: Pamela Roberts, University of Florida Institute of Food and Agricultural Sciences, USDA ARS)

W 1971 roku Theodor Diener, patolog pracujący w Agriculture Research Service, odkrył bezkomórkową cząstkę, którą nazwał wiroidem, co oznacza „wirusopodobny”. Wiroidy składają się jedynie z krótkiej nici kolistego RNA zdolnego do samoreplikacji. Pierwszy odkryty wiroid został uznany za czynnik wywołujący chorobę wrzecionowatości bulw ziemniaka, która powoduje wolniejsze kiełkowanie i różne deformacje roślin ziemniaka (patrz rysunek 1). Podobnie jak wirusy, wiroidy wrzecionowatości bulw ziemniaka (PSTV) przejmują kontrolę nad maszynerią gospodarza w celu replikacji swojego genomu RNA. W przeciwieństwie do wirusów, wiroidy nie posiadają płaszcza białkowego, który chroniłby ich informację genetyczną.

Wiroidy mogą powodować niszczące straty w ważnych z komercyjnego punktu widzenia uprawach rolniczych na polach i w sadach. Od czasu odkrycia PSTV, odkryto inne wiroidy, które wywołują choroby roślin. Tomato planta macho viroid (TPMVd) infekuje rośliny pomidora, powodując utratę chlorofilu, zniekształcone i łamliwe liście oraz bardzo małe pomidory, co prowadzi do utraty wydajności w tej uprawie polowej. Wiroid plamistości słonecznej awokado (ASBVd) powoduje niższe plony i gorszą jakość owoców. ASBVd jest najmniejszym z dotychczas odkrytych wiroidów infekujących rośliny. Wiroid utajonej mozaiki brzoskwini (PLMVd) może powodować nekrozę pąków kwiatowych i gałęzi oraz ranienie dojrzałych owoców, co prowadzi do rozwoju grzybów i bakterii w owocach. PLMVd może również powodować podobne zmiany patologiczne na śliwach, nektarynach, morelach i czereśniach, powodując spadek wydajności również w tych sadach. Wiroidy, ogólnie rzecz biorąc, mogą być rozprzestrzeniane mechanicznie podczas pielęgnacji upraw lub zbiorów, rozmnażania wegetatywnego, a także ewentualnie przez nasiona i owady, powodując poważny spadek dostępności żywności i niszczące konsekwencje ekonomiczne.

Wirusoidy

Drugim typem patogenicznego RNA, który może infekować komercyjnie ważne uprawy rolne są wirusoidy, które są cząstkami subwirusowymi najlepiej opisanymi jako niesamoreplikujące się ssRNA. Replikacja RNA wirusoidów jest podobna do replikacji wiroidów, ale w przeciwieństwie do wiroidów, wirusoidy wymagają, aby komórka była również zainfekowana specyficznym wirusem „pomocniczym”. Obecnie istnieje tylko pięć opisanych typów virusoidów i związanych z nimi wirusów pomocniczych. Wszystkie wirusy pomocnicze należą do rodziny Sobemowirusów. Przykładem wirusa pomocniczego jest wirus motylicy koniczyny podziemnej, który posiada związany z nim wirusoid zapakowany wewnątrz kapsydu wirusowego. Po wniknięciu wirusa pomocniczego do komórki gospodarza, wirusoidy są uwalniane i znajdują się swobodnie w cytoplazmie komórek roślinnych, gdzie wykazują aktywność rybozymów. Wirus pomocniczy ulega typowej replikacji wirusowej niezależnie od aktywności wirusoidu. Genomy wirusoidów są małe, mają długość od 220 do 388 nukleotydów. Genom wirusoidu nie koduje żadnych białek, lecz służy jedynie do replikacji RNA wirusoidu.

Wirusoidy należą do większej grupy czynników zakaźnych zwanych satelitarnymi RNA, które są podobnymi patogennymi RNA występującymi u zwierząt. W przeciwieństwie do wirusoidów roślinnych, satelitarne RNA może kodować białka; jednak, podobnie jak wirusoidy roślinne, satelitarne RNA musi ulec koinfekcji z wirusem pomocniczym, aby się replikować. Jednym z satelitarnych RNA, który zakaża ludzi i który został opisany przez niektórych naukowców jako wirusoid, jest wirus zapalenia wątroby typu delta (HDV), który według niektórych doniesień jest również nazywany wirusem zapalenia wątroby typu delta. Znacznie większy niż wirusoid roślinny, HDV ma kolisty genom ssRNA o długości 1700 nukleotydów i może kierować biosyntezą białek związanych z HDV. Wirusem pomocniczym HDV jest wirus zapalenia wątroby typu B (HBV). Współzakażenie HBV i HDV powoduje poważniejsze zmiany patologiczne w wątrobie podczas zakażenia, dlatego też HDV został po raz pierwszy odkryty.

Priony

W pewnym okresie naukowcy uważali, że każda zakaźna cząstka musi zawierać DNA lub RNA. Następnie, w 1982 roku, Stanley Prusiner, lekarz badający trzęsawkę (śmiertelną, zwyrodnieniową chorobę owiec) odkrył, że choroba ta jest wywoływana przez białkowe cząstki zakaźne, czyli priony. Ponieważ białka są bezkomórkowe i nie zawierają DNA ani RNA, odkrycia Prusinera początkowo spotkały się z oporem i sceptycyzmem; jednak jego badania zostały ostatecznie potwierdzone, a on sam otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1997 r.

Prion jest nieprawidłowo złożoną zbłąkaną formą normalnego białka (PrPc) znajdującego się w komórce. To zbłąkane białko prionowe (PrPsc), które może być spowodowane mutacją genetyczną lub występować spontanicznie, może być zakaźne, stymulując inne endogenne prawidłowe białka do nieprawidłowego składania, tworząc blaszki (patrz rys. 2). Obecnie wiadomo, że priony wywołują różne formy pasażowalnej encefalopatii gąbczastej (TSE) u ludzi i zwierząt.

Rysunek 2. Endogenne prawidłowe białko prionowe (PrPc) jest przekształcane w formę powodującą chorobę (PrPsc), gdy napotyka tę wariantową formę białka. PrPsc może powstać spontanicznie w tkance mózgowej, zwłaszcza jeśli obecna jest zmutowana forma białka, lub może pochodzić od źle złożonych prionów spożytych w żywności, które w końcu znajdują drogę do tkanki mózgowej. (kredyt b: modyfikacja pracy przez USDA)

TSE jest rzadkim zaburzeniem degeneracyjnym, które wpływa na mózg i układ nerwowy. Nagromadzenie zbłąkanych białek powoduje, że tkanka mózgowa staje się gąbczasta, zabijając komórki mózgowe i tworząc dziury w tkance, co prowadzi do uszkodzenia mózgu, utraty koordynacji ruchowej i demencji (patrz rys. 3). Osoby zakażone są upośledzone umysłowo i stają się niezdolne do poruszania się i mówienia. Nie ma lekarstwa, a choroba postępuje szybko, ostatecznie prowadząc do śmierci w ciągu kilku miesięcy lub lat.

Rysunek 3. Choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD) jest śmiertelną chorobą, która powoduje degenerację tkanki nerwowej. (a) Te skany mózgu porównują normalny mózg z mózgiem z CJD. (b) W porównaniu z normalnym mózgiem, tkanka mózgowa pacjenta z CJD jest pełna gąbczastych zmian, które wynikają z nieprawidłowego tworzenia się białka prionowego. (kredyt a (po prawej): modyfikacja pracy przez Dr. Laughlin Dawes; kredyt b (u góry): modyfikacja pracy przez Suzanne Wakim; kredyt b (na dole): modyfikacja pracy przez Centers for Disease Control and Prevention)

TSE u ludzi obejmują kuru, śmiertelną rodzinną bezsenność, chorobę Gerstmanna-Strausslera-Scheinkera i chorobę Creutzfeldta-Jakoba (patrz rysunek 3). TSE u zwierząt obejmują chorobę szalonych krów, trzęsawkę (u owiec i kóz) oraz przewlekłą chorobę wyniszczającą (u łosi i jeleni). TSE mogą być przenoszone między zwierzętami oraz ze zwierząt na ludzi poprzez spożywanie skażonego mięsa lub paszy zwierzęcej. Przeniesienie między ludźmi może nastąpić w wyniku dziedziczenia (jak to często ma miejsce w przypadku GSS i CJD) lub poprzez kontakt ze skażoną tkanką, co może mieć miejsce podczas transfuzji krwi lub przeszczepu organów. Nie ma dowodów na przenoszenie choroby poprzez przypadkowy kontakt z osobą zakażoną. W tabeli 1 wymieniono TSE występujące u ludzi i sposoby ich przenoszenia.

Priony są niezwykle trudne do zniszczenia, ponieważ są odporne na ciepło, chemikalia i promieniowanie. Nawet standardowe procedury sterylizacji nie zapewniają zniszczenia tych cząstek. Obecnie nie ma leczenia ani lekarstwa na chorobę TSE, a skażone mięso lub zakażone zwierzęta muszą być traktowane zgodnie z wytycznymi federalnymi, aby zapobiec przeniesieniu choroby.