Ви́рус моза́ики костра́ (Brome mosaic virus, BMV), вид вирусов рода Bromovirus. Характерный представитель суперсемейства альфаподобных вирусов, классический модельный объект молекулярной вирусологии. Преимущественно инфицирует растения семейства мятликовые (злаковые), в том числе такие значимые в сельском хозяйстве культуры, как ячмень, кукуруза, рис, пшеница и сорго.

История изучения вируса

Вирус мозаики костра (ВМК) был впервые изолирован и описан в 1942 г. РНК ВМК была одной из первых матриц для трансляции в бесклеточной системе in vitro. Геном ВМК был одним из первых геномов РНК-вирусов, для которых была определена нуклеотидная последовательность (1981). Кроме того, кДНК ВМК была впервые использована для получения инфекционных РНК-транскриптов (1984).

Строение вирионов и структура генома

ВМК имеет простые икосаэдрические вирионы диаметром около 28 нм. Капсид образован 180 молекулами белка оболочки (БО, 20,3 кДа), T (триангуляционное число) равно 3. БО представляет собой глобулярный белок с выступающим N-концевым мотивом, богатым аргинином, который расположен на внутренней поверхности капсида. Благодаря положительному заряду этого участка БО осуществляется электростатическое взаимодействие белка с отрицательно заряженной РНК, что имеет решающее значение для сборки капсида.

Разделённый геном представлен 3 молекулами линейной одноцепочечной РНК положительной полярности (РНК1, РНК2 и РНК3), каждая из которых упакована в индивидуальный капсид. Геномные РНК ВМК кэпированы на 5’-конце и несут тРНК-подобную структуру (tRNA-like structure, TLS) на 3’-конце, акцептирующую аминокислоту тирозин. TLS составляет участок около 200 нт и имеет сложную шпилечную структуру. РНК1 и РНК2 моноцистронные (кодируют один белок). РНК1 (около 3200 нт) кодирует белок 1а (109 кДа), содержащий домены метилтрансферазы и хеликазы; РНК2 (около 2900 нт) – белок 2а (94 кДа), несущий домен полимеразы. РНК3 (около 2100 нт) бицистронная и кодирует два полипептида – БО и транспортный белок (35 кДа). БО экспрессируется с помощью субгеномной РНК (сгРНК, РНК4). сгРНК, так же как и геномные РНК, кэпирована и несёт TLS на 3’-конце.

Исследование препарата ВМК в градиенте плавучей плотности показало, что, несмотря на полное морфологическое сходство, вирионы ВМК гетерогенны – «тяжёлые» частицы содержат одну молекулу РНК1, капсиды средней массы несут РНК3 и сгРНК, «лёгкие» вирионы упаковывают РНК2. Для заражения необходимо присутствие РНК1, РНК2, РНК3, в то время как присутствие сгРНК необязательно.

Жизненный цикл вируса

В жизненном цикле вируса можно выделить следующие стадии:

1. Проникновение в клетку, высвобождение геномной РНК, экспрессия компонентов репликазы – белков 1а и 2а.

2. Образование из мембран эндоплазматического ретикулума (ЭПР) вирусных фабрик.

3. Синтез минус-цепей РНК (минус- и плюс-цепи образуют РНК-дуплекс).

4. РНК-дуплексы служат матрицей для репликации, образуются дочерние плюс-цепи полноразмерных РНК.

5. На внутреннем промоторе минус-цепи РНК3 транскрибируется сгРНК для экспрессии БО.

6. Трансляция БО и сборка вирусных частиц.

7. Транспортный белок образует тубулярные структуры, необходимые для межклеточного транспорта дочерних вирионов через плазмодесмы.

Проникновение ВМК в клетки растений происходит за счёт механического повреждения клеточной стенки. После проникновения в клетку происходит высвобождение геномных РНК и синтез продуктов генов 1а и 2а при помощи клеточного аппарата трансляции.

Кроме того, на ранних стадиях репликации в клетках растений осуществляется ремоделирование мембран ЭПР, преимущественно в околоядерной области, при участии 1а и клеточных белков ретикулонов и комплексов ESCRTIII (The Endosomal Sorting Complex Required for Transport III, группа белков, участвующих в ремоделировании мембран клеток и их почковании) и COPII (Coat Protein Complex II, группа белков, отвечающих за образование везикул при транспорте от ЭПР к аппарату Гольджи). Модифицированные мембраны ЭПР образуют вирусные фабрики диаметром ~70 нм – сферулы, мембранные сайты репликации. Сферулы сохраняют связь с цитоплазмой через узкое горлышко для импорта необходимых рибонуклеотидов и экспорта дочерних РНК.

Параллельно с этими процессами белок 1а образует комплекс с белком 2а, формируя активную репликазу ВМК, в состав которой также могут быть вовлечены некоторые клеточные белки.

На матрице (+) цепей РНК репликаза синтезирует (-) цепи РНК. В качестве промотора синтеза (-) цепей выступает шпилька в составе TLS. Антигеномные (-) цепи находятся в составе двуцепочечной репликативной формы. Затем на матрице (-) цепи начинается синтез дочерних (+) РНК с одновременным вытеснением родительской (+) цепи. Двуцепочечная репликативная форма преобразуется в репликативный интермедиат. Новосинтезированные геномные РНК кэпируются на 5’-конце за счёт метилтрансферазной активности белка 1а. В свою очередь клеточная тРНК-нуклеотидил-трансфераза добавляет нематричный терминальный остаток аденозина на 3’-конец. Для транскрипции сгРНК используется внутренний промотор на (-) цепи РНК3.

Трансляция транспортного белка (3а) осуществляется на матрице РНК3, БО – сгРНК (РНК4). Сборка дочерних вирионов инициируется за счёт TLS-структур РНК.

Продукт гена 3а, как и БО, необходим для межклеточного транспорта – он локализуется в плазмодесмах, образуя тубулярные структуры, которые увеличивают просвет плазмодесм.

РНК-рекомбинация

На примере ВМК в 1986 г. впервые для вирусов растений была продемонстрирована РНК-рекомбинация. Этот процесс позволяет в первую очередь репарировать дефектные участки генома, которые образуются за счёт высокой мутационной изменчивости в ходе репликации. Может осуществляться по гомологичному и негомологичному путям, а также между геномными (+) и антигеномными (-) цепями РНК. Рекомбинация происходит за счёт активности белков 1а и 2а и напрямую связана с репликацией – осуществляется непосредственно в ходе синтеза РНК за счёт переключения матрицы.

Симптомы инфекции и круг растений-хозяев

Репликация и сборка вирионов ВМК различных видов растений возможна как в клетках представителей класса однодольные, так и в клетках представителей класса двудольные. На большинстве зерновых культур вызывает симптомы хлоротичности, мозаики и деформации листьев, задержку роста и кустистость. На табаке Бентхама (Nicotiana benthamiana) инфекция бессимптомная, в то время как на растениях рода Chenopodium обнаруживаются некрозы и хлоротичная пятнистость. Достоверных сведений о векторах, участвующих в передаче ВМК в природных условиях, нет.