专题-植物DNA病毒

jbclinnic

植物DNA病毒
　花椰菜花叶病毒科(Caulimoviridae)包括花椰菜花叶病毒属(Caulimovirus)和杆状DNA病毒属(Badnavirus)，其中花椰菜病毒属的代表成员为花椰菜花叶病毒(Cauliflower mosaic virus，CaMV)杆状 DNA病毒属的代表成员为鸭跖草黄化斑驳病毒(Commelina yellow mottle virus)。
植物dsDNA病毒
　(一)花椰菜花叶病毒粒子及其基因组
　　CaMV病毒粒子为二十面体对称(T=7)，直径为54nm。，其外壳由420个蛋白亚基组成，该病毒在自然条件下通过蚜虫以非持久性方式进行传播，侵染十字花科植物，但不在蚜虫体内增殖。   CaMV基因组 dsDNA呈环状，大小约为8kb，含有 8个ORFs，其中Ⅰ－Ⅵ为主要ORFs，Ⅶ和Ⅷ为两个附加ORFs，在Ⅵ和Ⅶ之间还有一个大的基因间隔区(intergenic region)，双链DNA上有3个缺刻，1个(△1)在负链(α链)上，另外2个(△2 和△3)在正链(β1和β2链)上。除了第Ⅶ基因外，其余的7个基因相距很近，甚至有部分重叠(如下图1)


　　(二)花椰菜花叶病毒的转录与复制

　　当CaMV病毒粒子侵人细胞后，首先在细胞质中脱去外壳，然后病毒基因组dsDNA进人细胞核内，并且在核内其基因组dsDNA的重叠区核苷酸被去除，缺刻经过共价结合形成完整的闭环dsDNA，这一闭环dsDNA再与行主组蛋白结合生成一个微型染色体(minichromosome)，最后病毒微型染色体在宿主细胞RNA聚合酶的催化下，以一条负链DNA为模板转录生成2个多聚腺苷酸化的 RNA分子，即 35S RNA和 19SRNA(如下图2)
　　35S RNA是大于基因组长度的转录本，它可以进一步作为子代病毒DNA合成的模板，以及编码合成大部分病毒蛋白。19S RNA仅包含ⅥORF的编码区。在CaMV基因组的转录过程中，往往需要在35SRNA和 19S RNA的转录起始点上有 TATA box的存在，其中 35S RNA的 TATA box位于转录起始点上游的 31位核苷酸处，另外 35S RNA转录起始点上游 300bp左右的区域还存在有增强子及其他调控元件。
　　35S RNA和 19S RNA 5’端有帽子结构，3’端有ploy(A)尾，它们均可以作为mRNA从核内转运到胞质中，并指导蛋白质的翻译合成，其中 19S RNA负责编码合成 ORFⅥ蛋白，多顺反子的 35S RNA则编码合成其余的病毒蛋白。35S RNA至少包含有7个ORFs，在其5’端有一段600个核苷酸组成的先导序列，这段先导序列中包含二个非常小的ORF和一些顺式激活元件。当 35S RNA翻译合成蛋白时，核糖体与 35S RNA 5’端结合，开始翻译直至到达第一个终止密码子，但此时核糖体并不脱离RNA，而是以最靠近的一个AUG作为起始密码子，重新开始另一个蛋白质的合成。另外在 CaMV的翻译过程中，19S RNA编码合成的 ORFⅥ蛋白可能对35S RNA的翻译起反式激活作用，并同病毒基因组的复制有关；ORFⅥ蛋白也与病毒宿主范围、病毒症状的表现相关联；ORFⅦ和Ⅷ蛋白富含碱性氨基酸，它们可能是一类DNA结合蛋白，其功能尚不清楚。
　　病毒 DNA复制发生于细胞质中，其DNA复制依赖于 35S RNA的逆转录过程，首先植物的 Met－tRNA(约有14碱基)结合于35S RNA5’端下游的某个位点，该位点在α链缺刻的下游处，在 CaMV ORFⅤ蛋白即病毒逆转录酶的作用下，以 35S RNA作为模板和 Met－tRNA为引物逆转录延伸至 35S RNA的 5’端，再经5’端跳至 3’端合成一段与 35S RNA末端 180个核苷酸重复互补的序列，此时逆转录过程继续进行，直至回到tRNA引物结合处，完成负链DNA的合成，然后经过病毒 RNaseH作用，去除35S RNA模板链，仅保留下来两段富含腺嘌呤的RNA作为引物，完成正链DNA的合成。
植物ssDNA病毒
　　联体病毒科(Geminivirdae)约有50个病毒成员，它们都含有ssDNA基因组。目前这一病毒科根据宿主植物、昆虫媒介及其基因组结构的不同，已划分为3个不同的属：即玉米线条病毒属(Mastrevirus)、甜菜曲顶病毒属(Cutovirus)和菜豆金黄花叶病毒属(Begomovirus)，其中玉米线条病毒属和甜菜曲顶病毒属的病毒成员由叶蝉传播，有单组分基因组；莱豆金黄花叶病毒属的病毒成员由粉虱传播，含有双组分基因组。在植物分子生物学的研究中，联体病毒可作为植物基因表达的有用载体。
　　联体病毒粒子包含2个不完全的二十面体(T=1)，每个不完全的二十面体由110个外壳蛋白亚基构成，蛋白亚基的分子量约为 28kD。其双颗粒的大小为 20nmx 30nm。像多组分的植物RNA病毒一样，联体病毒基因组ssDNA也是分开的。联体病毒基因组含有一个或两个小的共价闭合的环状ssDNA分子，其ORF在病毒链(V)和互补链(C)上呈双向排列。其中玉米线条病毒属的代表成员玉米条纹病毒(Maize streak virus，MSV)的基因组为单组分ssDNA，它的基因组有4个ORF，2个ORF(V1和V2)在病毒链(V)即正链上，2个ORF(C1和C2)在互补链(C)上。但在该属病毒粒子中还含有另外一小段DNA分子，它可以作为病毒单链DNA互补合成另一条DNA链的引物。
　非洲木薯花叶病毒(African cassava mosaic virus，ACMV)是菜豆金黄花叶病毒属的代表成员，该病毒的基因组为双组分ssDNA，分别称为DNAA和DNAB，其中DNAA包括6个ORF，有2个ORF在病毒链上，4个ORF在互补链上，DNAB有2个ORF，在V链和C链上各有1个 ORF(见下图3)
    另外，甜菜曲顶病毒属的代表成员是甜菜曲顶病毒(Beet curly top virus)，它的单组分ssDNA类似于ACMV的DNA。
     通常在各个 ORF之间有不同大小的基因间隔区(IR)，ACMV DNAA的IR大约有 300碱基，DNAB有600碱基，而且在DNAA侧和DNAB的IR区之间还含有大约200个碱基的共同序列区，其共同序列区内存在30多个碱基构成的高度保守性的反向重复序列，该保守序列可形成茎一环结构，并且在其发夹环中TAATATTAC序列。通过比较菜豆金黄花叶病毒(Beangolden mosaic virus，BGMV)和木薯潜隐病毒(Cassava latent virus，CLV)共同序列区的同源性，可以发现二者形成的茎一环结构十分相似，它们的发夹环中均有TAATATTAC序列(见下图4)
　　在玉米线条病毒属和甜菜曲顶病毒属的基因组上都有一个大基因间隔区(large intergenic region，LIR)，其中玉米线条病毒属的 MSV甚至还有一个小基因间隔区(small iniergenic region，SIR)，其病毒粒子中小片段DNA引物可能是在此处与病毒DNA结合，以启动合成另一条互补DNA链的。
　　联体病毒基因组各个ORF编码的蛋白功能了解甚少。目前已知双组分联体病毒基因组DNAA的V1ORF和单组分体病毒基因组的V2ORF分别编码衣壳蛋白，并且由衣壳蛋白决定了昆虫媒介的特异性。据报道双组分基因组DNAA的C1ORF和C3ORF蛋白可能与病毒DNA复制有关。DNAB的基因产物可能影响到病毒在感染植物中的运动。单组分基因组的C1和 C2ORF表达产生一种融合蛋白(fusion protein)，这种蛋白也是病毒复制所必需的。
　　联体病毒DNA复制

　　联体病毒通过粉虱或叶蝉在植物之间进行传播，其病毒粒子能够保留在媒介昆虫体内数日乃至昆虫的整个生活周期，但不能在媒介昆虫体内复制。

　　联体病毒的转录和复制均发生在被感染植物的细胞核内，其转录和复制过程是相互调节的，当基因组ssDNA复制生成双链后，病毒才开始转录，并且进一步合成病毒蛋白，玉米线条病毒属的病毒成员能够利用宿主RNA的拼接机制产生成熟的病毒mRNA，再由病毒mRNA编码合成融合蛋白，这一融合蛋白参与了病毒DNA复制。联体病毒基因组不论是单组分 DNA，还是双组分DNA的复制均以滚环方式(rolling circle)进行，其 DNA的复制原点(origin)定位在共同序列区的保守性茎一环结构内。

　　有关联体病毒对植物病毒病形成和发展的影响，目前正处于研究之中，其中双组分病毒的DNAB已被认为是植物病毒病害症状产生的决定因子。