Viroide

Viroide sind zirkuläre, einzelsträngige, nicht-kodierende RNAs, die in der Lage sind bestimmte Pflanzen zu infizieren. Da Viroide für kein Peptid oder Protein kodieren, müssen sie Wirtsproteine für ihre biologische Funktion benutzen; dazu zählen zum Beispiel Replikation, Prozessierung und Transport. Daher kann man Viroide als minimale Parasiten der Wirtsmaschinerie betrachten.  Dazu müssen Viroide der Wirtsmaschinerie die entsprechenden Signale präsentieren, die entweder in  ihrer Sequenz oder  in ihrer Struktur kodiert sein müssen.

Das Kartoffel-Spindelknollensucht-Viroid (potato spindle tuber viroid, PSTVd) ist namensgebend für die Viroid-Familie Pospiviroidae. Der Replikationszyklus von PSTVd ist ein asymmetrischer "rolling circle"-Mechanismus (siehe linke Abbildung). Unter nativen Bedingungen besitzt das maturierte, zirkuläre, (+)-strängige Viroid (oben in der Abbildung) eine stäbchenförmige Sekundärstruktur aus kurzen Helices und einzelsträngigen Bereichen (Loops). Diese Struktur ist für die partielle Resistenz von Viroiden gegen Nukleasen verantwortlich. Die zirkuläre, (+)-strängige RNA wird durch die DNA-abhängige RNA-Polymerase II (polII) der Wirtspflanze in einen oligomeren (-)-Strang transkribiert (rechts in der Abbildung). Während der Transkription faltet sich die (-)-strängige RNA in eine thermodynamisch metastabile Konformation, die die Haarnadelschleife II (hairpin II, HPII) enthält. Diese ist wichtig für die Transkription der (-)-strängigen Oligomere in (+)-Stränge durch die polII (unten in der Abbildung). Die (+)-strängigen Oligomere, deren 5'- und 3'-Enden in der Abbildung blau markiert sind, werden durch Wirtsenzyme an einem einzigartigen Strukturelement, das eine thermodynamisch besonders stabile, vier Nukleotide lange Haarnadelschleife (Tetraloop, tl) und ein G:U-Basenpaar enthält, erkannt, zu Monomeren geschnitten und zu Zirkeln ligiert.

Vom maturierten PSTVd wird angenommen, dass es für den intrazellulären und systemischen Transport entscheidend ist. PSTVd-Stämme, die sich durch wenige Mutationen im linken Teil ihrer Sekundärstruktur unterscheiden (bezeichnet mit PM für pathogenitätsmodulierende Region in obiger Abbildung), verursachen in der Wirtspflanze Symptome, die von geringfügig (mild) bis drastisch ("lethal") reichen können. In der linken Abbildung sind Tomatenpflanzen gleichen Alters und gleicher Dauer einer PSTVd-Infektion gezeigt: Die linke Pflanze ist schein-infiziert (mock); die weiteren wurden mit einem milden Stamm (QFA), einem intermediären bzw. einem starke Symptome auslösenden PSTVd-Stamm (AS1) infiziert. Neben dem üblichen gestauchten Habitus der Viroid-infizierten Pflanzen verursacht PSTVd-AS1 Symptome bis zur Nekrose von Stängel und Blättern.

Der molekulare Mechanismus der Viroid-induzierten Pathogenese ist bisher ungeklärt. Das aktuelle Pathogenitätsmodell favorisiert die Hypothese, dass Viroide als Quelle für "silencing" oder microRNAs dienen; dies sind kurze RNAs mit Viroidsequenz und einer Länge von 21 bis 24 Nukleotiden. Die kurzen RNAs könnten in der Lage sein, mit mit der Genregulation des Wirts zum Beispiel durch "transcriptional" oder "post-transcriptional gene silencing" (TGS oder PTGS) zu interferieren.

Die Analyse der PSTVd-induzierten kleinen RNAs und ihres Zusammenhangs mit Viroid-Pathogenität wird gemeinsam von den Arbeitsgruppen G. Steger und J. Matoušek (undefinedBiologisches Zentrum, Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik) untersucht. Diese Arbeiten werden zur Zeit von der undefinedAlexander-von-Humboldt-Stiftung und durch die Graduierten-Schule undefinedE-Norm im Projekt "Viroid-Evolution und Viroid-induzierte Pathogenese-Netzwerke in Wirtspflanzen" unterstützt. Von G. Steger und J. Matoušek wurde die undefined"International Conference on Viroids and Viroid-like RNA" (2015) organisiert.

Publikationen

  • Brass JRJ, Owens RA, Matoušek J, Steger G 
    Viroid quasispecies revealed by deep sequencing 
    RNA Biology 14, 317-325 (2017) 
    http://dx.doi.org/10.1080/15476286.2016.1272745  
  • Matoušek J, Siglová K, Jakše J, Radišek S, Brass JR, Tsushima T, Guček T, Duraisamy GS, Sano T, Steger G 
    Propagation and some physiological effects of Citrus bark cracking viroid and Apple fruit crinkle viroid in multiple infected hop (Humulus lupulus L.) 
    J. Plant Physiol. 213, 166-177 (2017) 
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jplph.2017.02.014  
  • Steger G 
    Modelling the three-dimensional structure of the right-terminal domain of pospiviroids. 
    Sci. Rep. 7, 711 (2017) 
    http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-00764-x  
  • Steger G, Riesner D, Maurel M-C, Perreault J-P 
    Viroid structure 
    In Viroids and Satellites; Hadidi A, Flores, R, Randles JW, Palukaitis P (eds), Oxford: Academic Press , 63-70 (2017) 
    https://www.elsevier.com/books/viroids-and-satellites/hadidi/978-0-12-801498-1  
  • Steger G, Perreault JP 
    Structure and associated biological functions of viroids 
    Adv. Virus Res. 94, 141-172 (2016) 
    http://dx.doi.org/10.1016/bs.aivir.2015.11.002  
  • Týcová A, Piernikarczyk RJJ, Kugler M, Lipovová P, Podzimek T, Steger G, Matoušek J 
    A 5'P degradation hot spot influences molecular farming of anticancerogenic nuclease TBN1 in tobacco cells. 
    Plant Cell Tiss Organ Cult 127, 347-358 (2016) 
    http://dx.doi.org/10.1007/s11240-016-1054-x  
  • Matousek J, Piernikarczyk RJJ, Týcová A , Duraisamy GS, Kocábek T, Steger G 
    Expression of SANT/HTH Myb mRNA, a plant morphogenesis-regulating transcription factor, changes due to viroid infection 
    Journal of Plant Physiology 183, 85-94 (2015) 
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jplph.2015.06.001  
  • Matousek J, Piernikarczyk RJJ, Dědič P, Mertelík J, Uhlířová K, Duraisamy GS, Orctová L, Kloudová K, Ptáček J, Steger G 
    Characterization of Potato spindle tuber viroid (PSTVd) incidence and new variants from ornamentals 
    Europ J Plant Path 138, 93-101 (2014) 
    http://dx.doi.org/10.1007/s10658-013-0304-6  
  • Hammann C, Steger G 
    Viroid-specific small RNA in plant disease 
    RNA Biology 9, 809-819 (2012) 
    http://dx.doi.org/10.4161/rna.19810  
  • Matousek J, Riesner D, Steger G 
    Viroids: the smallest known infectious agents cause accumulation of viroid-specific small RNAs 
    In "From Nucleic Acids Sequences to Molecular Medicine" (Erdmann VA, Barciszewski J) Springer-Verlag, Heidelberg IX, 629-644 (2012) 
    http://www.springer.com/biomed/molecular/book/978-3-642-27425-1  
  • Matousek J, Stehlík J, Procházková J, Orctová L, Wullenweber J, Füssy Z, Kovácik J, Duraisamy GS, Ziegler A, Schubert J, Steger G 
    Biological and molecular analysis of the pathogenic variant C3 of potato spindle tuber viroid (PSTVd) evolved during adaptation to chamomile (Matricaria chamomilla) 
    Biol Chem 393, 605-615 (2012) 
    http://dx.doi.org/10.1515/hsz-2011-0286  
  • Ziegler A, Matousek J, Steger G, Schubert J 
    Complete sequence of a cryptic virus from hemp (Cannabis sativa) 
    Arch. Virol. 157, 383-385 (2012) 
    http://dx.doi.org/10.1007/s00705-011-1168-8  
  • Bajaj P, Steger G, Hammann C 
    Sequence elements outside the catalytic core of natural hairpin ribozymes modulate the reactions differentially 
    Biol. Chem. 392, 593-600 (2011) 
    http://dx.doi.org/10.1515/BC.2011.071  
  • Seehafer C, Kalweit A, Steger G, Gräf S, Hammann C 
    From alpaca to zebrafish: hammerhead ribozymes wherever you look 
    RNA 17, 21-26 (2011) 
    http://dx.doi.org/10.1261/rna.2429911  
  • Diermann N, Matousek J, Junge M, Riesner D, Steger G 
    Characterization of plant miRNAs and small RNAs derived from potato spindle tuber viroid (PSTVd) in infected tomato  
    Biol Chem 391, 1379-1390 (2010) 
    http://dx.doi.org/10.1515/BC.2010.148  
  • Teune, J-H, Steger G 
    novoMIR: de novo prediction of microRNA-coding regions in a single plant genome. 
    J. Nucleic Acids 2010, (2010) 
    http://dx.doi.org/10.4061/2010/495904  
  • Matoušsek J, Orctová L, ŠSkopek J, Pesšina K, Steger G 
    Elimination of hop latent viroid upon developmental activation of pollen nucleases. 
    Biol. Chem. 389, 905-918 (2008) 
    http://dx.doi.org/10.1515/BC.2008.096  
  • Matoušsek J, Kozlová P, Orctová L, Schmitz A, Pesina K, Bannach O, Diermann N, Steger G, Riesner D 
    Accumulation of viroid-specific small RNAs and increase in nucleolytic activities linked to viroid-caused pathogenesis. 
    Biol. Chem. 388, 1-13 (2007) 
    http://dx.doi.org/10.1515/BC.2007.0  
  • Matousšek J, Orctová L, Ptácek J, Patzak J, Dedic P, Steger G, Riesner D 
    Experimental transmission of Pospiviroid populations to weed species characteristic for potato and hop fields. 
    J. Virol. 81, 11891-11899 (2007) 
    http://dx.doi.org/10.1128/JVI.01165-07  
  • Schmitz M, Steger G 
    Potato spindle tuber viroid (PSTVd). 
    Plant viruses. 1, 106-115 (2007) 
  • Kolonko N, Bannach O, Aschermann K, Hu KH, Moors M, Schmitz M, Steger G, Riesner, D 
    Transcription of potato spindle tuber viroid by RNA polymerase II starts in the left terminal loop. 
    Virology 347, 392-404 (2006) 
    http://dx.doi.org/10.1016/j.virol.2005.11.039  
  • Matoušek J, Orctová L, Steger G, Riesner D 
    Biolistic inoculation of plants with viroid nucleic acids. 
    J. Virol. Methods 122, 153-164 (2004) 
    http://dx.doi.org/j.jviromet.2004.08.011  
  • Matoušek J, Orctová L, Steger G, Škopek J, Moors M, Dědič P, Riesner D 
    Analysis of thermal stress-mediated PSTVd variation and biolistic inoculation of progeny of viroid "thermomutants" to tomato and Brassica species. 
    Virology 323, 9-23 (2004) 
    http://dx.doi.org/10.1016/j.virol.2004.02.010  
  • Riesner D, Steger G 
    Viroids and viroid-like agents. 
    Polish J. Pathology 4, 67-78 (2004) 
    http://www.poljpathol.cm-uj.krakow.pl/suplement/04_4_s.pdf  
  • Riesner D, Steger G 
    Temperature-gradient gel-electrophoresis. 
    In Bindereif, A., Hartmann, R., Schön, A. & Westhof, E. (Hrsg.), Handbook of RNA Biochemistry, Wiley-VCH , 398-414 (2004) 
  • Steger, G & Riesner, D 
    Properties of Viroids: Molecular characteristics. 
    In Hadidi, A., Flores, R., Randles, J.W. & Semancik, J.S. (Hrsg.), Viroids, CSIRO Publishing, Australia , 15-29 (2004) 
  • Dingley AJ, Steger G, Esters B, Riesner D, Grzesiek S 
    Structural characterization of the 69 nucleotide potato spindle tuber viroid left-terminal domain by NMR and thermodynamic analysis. 
    J. Mol. Biol. 334, 751-767 (2003) 
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2003.10.015  
  • Owens RA, Sano T, Feldstein PA, Hu Y, Steger G 
    Identification of a novel structural interaction in Columnea latent viroid. 
    Virology 313, 604-614 (2003) 
    http://dx.doi.org/10.1016/S0042-6822(03)00352-0  
  • Steger G, Riesner D 
    Properties of Viroids: Molecular characteristics. 
    In "Viroids" (Hadidi A, Flores R, Randles JW, Semancik JS, eds.) CSIRO Publishing , 15-29 (2003) 
  • Yukawa Y, Matousek J, Grimm M, Vrba L, Steger G, Sugiura M, Beier H 
    Plant 7SL RNA and tRNA(Tyr) genes with inserted antisense sequences are efficiently expressed in an in vitro system from Nicotiana tabacum cells. 
    Plant Mol. Biol. 50, 713-723 (2002) 
    http://dx.doi.org/10.1023/A:1019905730397  
  • Matoušek J, Patzak J, Orctová L, Schubert J, Vrba L, Steger G, Riesner D 
    The variability of hop latent viroid as induced upon heat treatment. 
    Virology 287, 349-358 (2001) 
    http://dx.doi.org/10.1006/viro.2001.1044  
  • Matoušek J, Junker V, Vrba L, Schubert J, Patza, J, Steger G  
    Molecular characterization and genome organization of 7SL RNA genes from hop (Humulus lupulus L)  
    Gene 239, 173-183 (1999) 
    http://dx.doi.org/10.1016/S0378-1119(99)00352-2  
  • Repsilber D, Wiese U, Rachen M, Schröder AR, Riesner D, Steger G 
    Formation of metastable RNA structures by sequential folding during transcription: Time-resolved structural analysis of potato spindle tuber viroid (-)-stranded RNA by temperature-gradient gel electrophoresis. 
    RNA 5, 574-584 (1999) 
    Publisher  
  • Owens RA, Steger G, Hu Y, Fels A, Hammond RW, Riesner D 
    RNA structural features responsible for potato spindle tuber viroid pathogenicity. 
    Virology 222, 144-158 (1996) 
    http://dx.doi.org/10.1006/viro.1996.0405  
  • Schmitz M, Steger G 
    Description of RNA folding by ``simulated annealing''. 
    J Mol Biol 255, 254-266 (1996) 
  • Chen X, Baumstark T, Steger G, Riesner D  
    High resolution SSCP by optimization of the temperature by transverse TGGE 
    Nucleic Acids Res 23(21), 4524-5 (1995) 
  • Gruner R, Fels A, Qu F, Zimmat R, Steger G, Riesner D  
    Interdependence of pathogenicity and replicability with potato spindle tuber viroid 
    Virology 209(1), 60-9 (1995) 
  • Matousek J, Trena L, Dedic P, Rakousky S, Steger G, Riesner D 
    Inhibition of viroid infection by antisense RNA expression in transgenic plants. 
    Biol Chem Hoppe-Seyler 375, 765-777 (1994) 
  • Qu F, Heinrich C, Loss P, Steger G, Tien P, Riesner D  
    Multiple pathways of reversion in viroids for conservation of structural elements 
    EMBO J. 12(5), 2129-39 (1993) 
  • Riesner D, Baumstark T, Qu F, Klahn T, Loss P, Rosenbaum V, Schmitz M, Steger G 
    Physical basis and biological examples of metastable RNA structures. 
    In "Structural tools for the analysis of protein-nucleic acids complexes. Advances in Life Sciences" (Lilley D, Heumann H, Suck D, eds.) Birkhäuser , 401-435 (1992) 
  • Schmitz M, Steger G 
    Base-pair probability profiles of RNA secondary structures. 
    CABIOS 8, 389-399 (1992) 
  • Steger G, Baumstark T, Mörchen M, Tabler M, Tsagris M, Sänger HL, Riesner D 
    Structural requirements for viroid processing by RNase T1. 
    J Mol Biol 227, 719-737 (1992) 
  • Loss P, Schmitz M, Steger G, Riesner D  
    Formation of a thermodynamically metastable structure containing hairpin II is critical for infectivity of potato spindle tuber viroid RNA  
    EMBO J 10(3), 719-27 (1991) 
  • Owens RA, Thompson SM, Steger G 
    Effects of random mutagenesis upon potato spindle tuber viroid replication and symptom expression. 
    Virology 185, 18-31 (1991) 
  • Riesner D, Harders J, Hecker R, Klaff P, Lukacs N, Steger G  
    Viroid structures involved in protein binding and replication. 
    In "Plant Molecular Biology 2" (Herrmann RG, Larkins BA, eds.) NATOA ASI Series A, Life Sciences, Plenum Press 212, 75-90 (1991) 
  • Riesner D, Henco K, Steger G 
    Temperature-gradient gel electrophoresis: A method for the analysis of conformational transitions and mutations in nucleic acids and proteins. 
    In "Advances in electrophoresis" (Chrambach A, Dunn MJ, Radola BJ, eds.) VCH Weinheim Vol. 4, 169-250 (1991) 
  • Riesner D, Steger G 
    Viroids and viroid-like RNA. 
    In "Nucleic Acids, Subvol. d, Physical Data II, Theoretical Investigations, Landolt-Börnstein. Group VII Biophysics, 1, 194-243 (1990) 
  • Riesner D, Steger G, Zimmat R, Owens RA, Wagenhofer M, Hillen W, Vollbach S, Henco K  
    Temperature-gradient gel electrophoresis of nucleic acids: analysis of conformational transitions, sequence variations, and protein-nucleic acid interactions  
    Electrophoresis 10(5-6), 377-89 (1989) 
  • Riesner D, Steger G, Zimmat R, Owens RA, Wagenhöfer M, Hillen W, Vollbach S, Henco K  
    Temperature-gradient gel electrophoresis: Analysis of conformational transitions, sequence variations, and protein-nucleic acid interactions. 
    Electrophoresis 10, 377-389 (1989) 
  • Zimmat R, Gruner R, Hecker R, Steger G, Riesner D 
    Analysis of mutations in viroid RNA by non-denaturing and temperature-gradient gel electrophoresis. 
    In "Proceedings of the Sixth Conversation in Biomolecular Stereodynamics" (Sarma RH, Sarma MH, eds.) AdeninePress, Schenectady, New York , 339-357 (1989) 
  • Hecker R, Wang ZM, Steger G, Riesner D  
    Analysis of RNA structures by temperature-gradient gel electrophoresis: viroid replication and processing  
    Gene 72(1-2), 59-74 (1988) 
  • Riesner D, Hecker R, Steger G 
    Structure of viroid replication intermediates as studied by thermodynamics and temperature-gradient gel electrophoresis. 
    In "Structure and expression. From Proteins to ribosomes" (Sarma RH, Sarma MH, eds.) Adenine Press 1, 261-285 (1988) 
  • Riesner D, Klaff P, Steger G, Hecker R 
    Viroids: Subcellular location and structure of replicative intermediates. 
    In "Endocytobiology III" (Lee JJ, Fredrick JF, eds.) The New York Academy of Sciences, New York , 212-237 (1987) 
  • Steger G, Rosenbaum V, Riesner D 
    Viroids: Structure formation and function. 
    In "Structure and dynamics of RNA" NATO ASI Series A, Life Sciences, Plenum Press 110, 315-329 (1986) 
  • Steger G, Tabler M, Brüggemann W, Colpan M, Klotz G, Sänger HL, Riesner D 
    Structure of viroid replicative intermediates: Physico-chemical studies on SP6 transcripts of cloned oligomeric potato spindle tuber viroid. 
    Nucleic Acids Res 14, 9613-9630 (1986) 
  • Steger G, Hofmann H, Förtsch J, Gross HJ, Randles JW, Sänger HL, Riesner D 
    Conformational transitions in viroids and virusoids: Comparison of results from energy minimization algorithm and from experimental data. 
    J Biomol Struct Dyn 2, 543-571 (1984) 
  • Gross HJ, Sänger HL, Schumacher J, Steger G, Riesner D  
    Viroids: their structure and possible origin. 
    In "Endocytobiology III" (Lee JJ, Fredrick JF, eds.) The New York Academy of Sciences, New York , 48-55 (1983) 
  • Riesner D, Colpan M, Goodman TC, Nagel L, Schumacher J, Steger G, Hofmann H 
    Dynamics and interactions of viroids. 
    J Biomol Struct Dyn 1, 669-688 (1983) 
  • Randles JW, Steger G, Riesner D 
    Structural transitions in viroid-like RNAs associated with cadang-cadang disease, velvet tobacco mottle virus, and Solanum nodiflorum mottle virus. 
    Nucleic Acids Res 10, 5569-5586 (1982) 
  • Gross HJ, Krupp G, Domdey H and, Steger G, Riesner D, Sänger HL 
    The structure of the plant viroids. 
    Nucleic Acids Res Symp Ser 10, 91-98 (1981) 
  • Henco K, Steger G, Riesner D 
    Melting curves on less than 1 ug of nucleic acid. 
    Analyt Biochem 101, 225-229 (1980) 

Physikalische Biologie
Heinrich-Heine-Universität
Gebäude 26.12, Ebene U1
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Deutschland

Institutsleitung
Prof. Dr. D. Willbold
Gebäude 26.12
Ebene U1, Raum 84
Telefon: +49-(0)211 / 81-11390
Mail senden

Verantwortlich für den Inhalt: E-Mail sendenRedaktionsteam IPB