Вироиды и прионы: особенности строения

Вироиды и прионы - два класса субвирусных инфекционных агентов, которые устроены проще любого вируса и при этом нарушают привычное правило «носитель наследственности всегда нуклеиновая кислота». Вироид это голая кольцевая молекула РНК без белковой оболочки, а прион - наоборот, белок без собственной нуклеиновой кислоты. Понять их строение проще всего через сравнение: что именно несёт инфекционность, есть ли геном, как агент размножается. Ниже разберём оба объекта по элементам, а интерактивный блок поможет собрать запрос для разбора конкретного случая.

Что такое субвирусные агенты

Субвирусными агентами называют инфекционные структуры, которые мельче и проще полноценного вируса. У классического вируса есть геном (ДНК или РНК) и белковый капсид, а часто и липидная оболочка. Вироиды и прионы лишены этой полноты: каждый из них представлен лишь одним типом биополимера. Это делает их крайними точками на шкале сложности - если вы изучали строение и классификацию вирусов, субвирусные агенты логично рассматривать как ступень ниже вируса.

Ключевое различие закладывается уже на уровне химической природы носителя инфекционности. У вироида это РНК, у приона - белок. Из этого вытекают все остальные особенности строения: наличие или отсутствие генетического кода, способ воспроизведения, чувствительность к нуклеазам и протеазам.

Рассчитать для своей задачи

Строение вироида: голая кольцевая РНК

Вироид - это одноцепочечная кольцевая молекула РНК длиной примерно 246–401 нуклеотид, без кэпа, без поли-А-хвоста и без какой-либо белковой оболочки. Молекула замкнута в кольцо ковалентно, а за счёт внутрикомплементарных участков сворачивается в палочковидную или разветвлённую вторичную структуру с чередованием спаренных и неспаренных зон. Именно эта компактная вторичная структура защищает голую РНК от деградации и обеспечивает узнавание клеточными ферментами.

Принципиальная особенность строения вироида - отсутствие открытых рамок считывания: его РНК не кодирует ни одного белка. Вироид не производит ферментов и капсидных субъединиц, поэтому полностью зависит от ферментов клетки-хозяина. Размножение идёт по механизму катящегося кольца с участием хозяйской РНК-полимеразы II, которая ошибочно принимает кольцевую РНК за матрицу.

По строению вторичной структуры вироиды делят на два семейства. У представителей семейства Pospiviroidae молекула образует единый палочковидный домен с центральной консервативной областью (CCR), отвечающей за репликацию; такие вироиды реплицируются в ядре. У семейства Avsunviroidae вторичная структура разветвлённая, а в самой РНК закодирован рибозим типа «головка молотка» - каталитический мотив, который сам разрезает многомерные цепи на единичные кольца; эти вироиды реплицируются в хлоропластах. Таким образом, даже у голой кольцевой РНК есть собственная функциональная архитектура, заданная складыванием цепи.

Строение приона: конформер белка PrP

Прион устроен совершенно иначе. Это инфекционная изоформа нормального клеточного белка PrP (прионного белка), который в здоровом организме присутствует в форме PrP$^{C}$ - преимущественно альфа-спиральной, растворимой, чувствительной к протеазам. Патогенная форма PrP$^{Sc}$ имеет ту же аминокислотную последовательность, но другую пространственную укладку: в ней преобладает бета-складчатая структура. Различие чисто конформационное - первичная структура идентична, меняется лишь фолдинг.

Бета-обогащённый конформер PrP$^{Sc}$ склонен к агрегации: молекулы слипаются в устойчивые к протеазам амилоидные фибриллы. Подробнее о том, как нормальная укладка белка обеспечивается клеткой, можно прочитать в материале про фолдинг белка и шапероны. Прион не содержит нуклеиновой кислоты вообще - ни РНК, ни ДНК, что и отличает его от всех остальных инфекционных агентов.

Рассчитать для своей задачи

Как они размножаются без собственного аппарата

Ни вироид, ни прион не имеют собственных ферментов синтеза, но используют принципиально разные стратегии воспроизведения. Вироид реплицируется как нуклеиновая кислота: хозяйская РНК-полимераза копирует кольцевую РНК, образуя многомерные цепи, которые затем нарезаются и замыкаются в новые кольца. То есть умножается информация, записанная в последовательности нуклеотидов.

Прион размножается без копирования последовательности - он распространяет конформацию. Молекула PrP$^{Sc}$ работает как матрица-затравка: контактируя с нормальной PrP$^{C}$, она навязывает ей патогенную бета-укладку. Так одна неправильно свёрнутая молекула превращает соседние в свои копии по принципу цепной реакции, наращивая амилоидную фибриллу. Информация передаётся не через нуклеотиды, а через форму белка.

$N_{Sc}(t) \approx N_0 \cdot e^{kt}$

Здесь экспоненциальный рост числа патогенных молекул $N_{Sc}$ отражает автокаталитический характер конформационной конверсии: каждая новая фибрилла даёт новые точки роста.

Сравнение строения: таблица различий

Чтобы особенности строения вироидов и прионов уложились в систему, удобно свести их в одну сетку признаков. Главные оси сравнения - химическая природа носителя, наличие генома, способ размножения и устойчивость к разрушающим агентам.

Рассчитать для своей задачи

• Носитель инфекционности: вироид - РНК; прион - белок.
• Геном: у вироида есть (кольцевая РНК, не кодирующая белок); у приона отсутствует.
• Капсид и оболочка: нет ни у того, ни у другого.
• Размножение: вироид - репликация РНК хозяйской полимеразой; прион - конформационная конверсия PrP.
• Устойчивость: вироид разрушается РНКазами, но устойчив к протеазам; прион устойчив к протеазам, нуклеазам, нагреву и обычной стерилизации.

Где встречаются и что вызывают

Вироиды известны прежде всего как возбудители болезней растений: веретеновидность клубней картофеля, экзокортис цитрусовых, болезнь кадан-кадан кокосовой пальмы. Их голая РНК передаётся механически и через прививки, перемещаясь по проводящей системе растения. У животных и человека вироиды как таковые не описаны, хотя вирус гепатита D близок к ним по строению сателлитной РНК.

Прионы вызывают трансмиссивные губчатые энцефалопатии: болезнь Крейтцфельдта-Якоба и куру у человека, скрейпи у овец, губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота. Накопление амилоидных агрегатов PrP$^{Sc}$ в нервной ткани приводит к её вакуолизации и гибели нейронов. Именно структурная устойчивость приона делает эти инфекции особенно опасными: стандартная термическая стерилизация их не инактивирует.

Частые ошибки

• Путают, у кого есть геном. Геном (кольцевая РНК) есть у вироида; у приона нуклеиновой кислоты нет вообще - носитель информации это конформация белка.
• Считают, что прион - это вирус. Прион не имеет ни капсида, ни нуклеиновой кислоты и не реплицирует последовательность; это отдельный класс агентов.
• Думают, что вироид кодирует белки. Вироидная РНК не содержит открытых рамок считывания и не транслируется; она лишь служит матрицей для собственного копирования.
• Смешивают первичную и пространственную структуру приона. PrP$^{C}$ и PrP$^{Sc}$ имеют одинаковую аминокислотную последовательность; различие только в фолдинге (альфа-спираль против бета-листа).
• Считают оба агента одинаково чувствительными к нагреву. Вироидную РНК легко разрушить, тогда как прион выдерживает стандартную стерилизацию.

FAQ

Чем вироид принципиально отличается от приона по строению? Вироид - это нуклеиновая кислота (кольцевая одноцепочечная РНК) без белка, а прион - это белок (конформер PrP) без нуклеиновой кислоты. Они представляют две противоположные крайности субвирусных агентов.

Есть ли у вироида или приона капсид? Нет. Ни вироид, ни прион не имеют белкового капсида и липидной оболочки. Этим они и отличаются от настоящих вирусов, у которых геном защищён капсидом.

Как прион размножается без генома? Патогенная форма PrP$^{Sc}$ работает как матрица-затравка и навязывает нормальному белку PrP$^{C}$ свою бета-складчатую укладку. Передаётся не последовательность нуклеотидов, а пространственная конформация.

Коротко

Вироиды и прионы - два полюса мира субвирусных агентов. Вироид это голая кольцевая РНК с выраженной вторичной структурой, без капсида и без кодирующих рамок: он несёт геном, но размножается только за счёт ферментов хозяина. Прион это белок PrP в патогенной бета-складчатой конформации, без какой-либо нуклеиновой кислоты: он размножается, навязывая нормальному белку свою укладку. Главные оси сравнения строения - природа носителя (РНК против белка), наличие генома (есть против нет) и способ воспроизведения (репликация РНК против конформационной конверсии).