Chuyên đề tổng hợp về virus

Protein Protein của virus nhìn chung được chia làm 2 loại: Protein cấu trúc có mặttrong phân tử virus và protein phi cấu trúc hình thành trong tế bào ký chủ trong quátrình gây bệnh.. Các

Chuyên đề: Virus (bản chất, phân loại, cấu tạo, tổ chức bộ gen, di chuyển, quan hệ vector)

tử virus (virion) mới

II PHÂN LOẠI VIRUS THỰC VẬT

Tất cả các loài virus thực vật thuộc ngành virus (Kingdom Viruses) Trongngành tùy theo cấu tạo của nucleic acid chúng được chia làm 2 nhóm RNA virus vàDNA virus

2.1 Nhóm DNA virus

2.1.1 Các virus có DNA sợi kép (dsDNA): 21 loài

- DNA virus dạng cầu Ví dụ: chi Caulimovirus: Cauliflower mosaic virus (virus

khảm súp lơ)

- DNA virus dạng vi khuẩn không có vỏ bọc Ví dụ: chi Badnavirus: Rice tungro

bacilliform virus (Virus tungro hình nhộng hại lúa)

2.1.2 Các virus có DNA sợi đơn (ssDNA): 55 loài

- DNA virus hình chày Ví dụ: gây hại cây một lá mầm, lan truyền qua rầy: họ

Geminiviridae, chi Geminivirus: Maize streak virus (virus sọc lá lớn cây bắp);gây hại cây hai lá mầm, lan truyền qua bọ phấn: Bean golden mosaic virus

(virus khảm vàng cây đậu)

- DNA virus hình cầu đơn Ví dụ: Banana bunchy top virus (virus chùn ngọnchuối)

2.2 Nhóm RNA virus

2.2.1 Các virus có RNA sợi đơn, chiều dương (+ssRNA)

a) RNA virus hình gậy: gồm 32 loài

- sợi +ssRNA Ví dụ: chi Tobamovirus: Tobacco mosaic virus (virus khảm thuốclá)

- 2 sợi +ssRNA Ví dụ: chi Tobravirus: Tobacco rattle virus

- 2-4 sợi +ssRNA, truyền qua nấm Ví dụ: chi Furovirus: Soil-borne wheatmosaic virus (virus khảm lá lúa mì, 3 sợi +ssRNA), chi Hordeivirus: Barleystripe mosaic virus (virus khảm sọc nhỏ đại mạch)

b) RNA virus hình sợi mềm: 280 loài

- sợi +ssRNA Ví dụ: chi Carlavirus: Carnation latent virus (virus ẩn hoa cẩmchướng); chi Trichovirus: Apple cholorotic leafspot virus (virus đốm vàng látáo); chi Potexvirus: Potato virus X (virus khảm lá khoai tây); họ Potyviridae

- 1 sợi +ssRNA hình sợi dài Ví dụ: chi Closterovirus: Beet yellows virus (virusvàng lá củ cải đường)

c) RNA virus hình cầu: 165 loài

- 1 sợi +ssRNA Ví dụ: họ Sequiviridae, chi Waikavirus: Rice tungro sphericalvirus (virus tungro dạng cầu hại lúa); họ Tombusviridae, chi Tombusvirus:

Tomato bushy stunt virus (virus chùn ngọn tàn lụi cà chua),

- 2 sợi +ssRNA Ví dụ: họ Comoviridae, chi Comovirrus: Cowpea mosaic virus

(virus khảm lá cây đậu đũa), chi Nepovirus: Tobacco ringspot virus (virus đốmhình nhẫn thuốc lá)

- 3 sợi +ssRNA Ví dụ: họ Bromoviridae, chi Ilavirus: Tobacco streak virus

(virus sọc lớn thuốc lá), chi Cucumovirus: Cucumber mosaic virus (virus khảm

lá dưa leo),…

2.2.2 Các virus có RNA sợi đơn, chiều âm (-ssRNA): gồm 90 loài

- 1 sợi -ssRNA Ví dụ: họ Rhadoviridae, chi Nucleorhadovirus: Potato yellowdwarf virus (virus vàng lùn khoai tây)

- 3 sợi -ssRNA Ví dụ: họ Bunyaviridae, chi Tospovirus: Tomato spotted wiltvirus (virus đốm héo cà chua)

- 4 sợi -ssRNA Ví dụ: chi Tenuivirus: Rice stripe virus (virus sọc nhỏ lá lúa)

2.2.3 Các virus có RNA sợi kép (dsRNA)

- RNA virus hình cầu: 40 loài

- 2 sợi dsRNA Ví dụ: họ Reoviridae, chi Fijivirus: Rice Fiji disease virus (virusbệnh Fiji lúa), chi Oryzavirus: Rice ragged stunt virus (virus xoăn ngọn lá lúa).

III THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA PHÂN TỬ VIRUS

• Cực âm hoặc cực dương hoặc lưỡng cực

• Phân đoạn hoặc không phân đoạn Cần chú ý rằng tùy loại virus mà các phânđoạn được lắp trong cùng một virion hay lắp ráp riêng biệt

Phần lớn các virus thực vật có bộ gen RNA sợi đơn, cực dương

3.2 Protein

Protein của virus nhìn chung được chia làm 2 loại: Protein cấu trúc (có mặttrong phân tử virus) và protein phi cấu trúc (hình thành trong tế bào ký chủ trong quátrình gây bệnh) Các protein cấu trúc chính của virus gồm các loại sau:

• Protein vỏ (coat protein, CP): Có thể gồm 1 hay nhiều loại

• Enzymes: Đối với các virus RNA thực vật, enzyme chủ yếu có mặt trên phân

tử virus là enzyme sao mã RNA (RdRp) Đối với các virus động vật, còn cóthêm các enzyme cần cho quá trình xâm nhập và nhận biết ký chủ (ví dụneuramidase của virus cúm gia cầm) Đối với thực khuẩn thể, virion của chúngcòn có lyzozim để giúp xâm nhập tế bào vi khuẩn

• Glycoproteins: Đây là các protein lien kết đường, dạng protein xuyên màng, cóvai trò quan trọng đối với virus động vật và virus thực vật truyền qua vectortheo kiểu bền vững tái sinh

3.3 Lipid

Đối với các virus có vỏ bọc (một số virus thực vật, chẳng hạn các virus truyềnqua vector theo kiểu bền vững tái sinh và nhiều virus động vật) thì vỏ bọc của chúngđược cấu tạo bởi lớp màng kép phospholipid do lớp màng này có nguồn gốc từ màng

tế bào hoặc màng cơ quan tử của tế bào ký chủ

IV TỔ CHỨC BỘ GEN

4.1 Virrus DNA sợi kép (phiên mã ngược): họ Caulimoviridae

Hình 4.1 Tổ chức bộ gen của RTBV (rice tungro bacilliiorm virus) (Hull, 1996).

Bộ gen virus là một phân tử DNA sợi vòng kép, kích thước ~ 8 kb, chứa 2 vịtrí không liên tục là D1 và D2

Trên bộ gen virus có 4 ORF được tổ chức theo chiều kim đồng hồ, mã hóa 4protein có kích thước 24, 12, 194, và 46 kDa (được gọi là các protein P24, P12, P194

và P46) Các ORF 1, 2, 3 xắp xếp gần nhau và gối lên nhau

P24 có chức năng chưa rõ nhưng có thể liên quan đến quá trình lắp ráp phân

tử Đáng chú ý là ORF của protein này không có mã khởi đầu ATG (ở cả 3 khung)nhưng lại được dịch từ mã thứ 2 ATT ORF này cũng không có mã kết thúc

P194 là protei quan trong nhất, chứa 4 vùng chức năng: CP (coat protein),

P12 có chức năng tăng cường dịch mã, được biểu hiện từ phân tử RNA nhỏriêng (phân tử này được cắt ra từ phân tử RNA lớn).

4.2 Virus DNA sợi đơn: chi Begomovirus (họ Geminiviridae)

Hình 4.2 Tổ chức bộ gen của các Begomovirus (họ Geminiviridae)có bộ gen đơn.

4.3 Virus RNA sợi đơn cực dương: chi Potyvirus (họ potyvidae)

Tất cả các potyvirus có bộ gen là một phân tử RNA sợi đơn, cực dương, kíchthước ~ 10 kb

Tổ chức bộ gen của các potyvirus giống nhau, tính từ trái sang phải là:

• Một vùng 5’ không dịch mã (5’UTR)

• Một ORF đơn, lớn gọi là ORF chính (major ORF)

• Một đầu 3’ không dịch mã (3’UTR), kết thúc bằng 1 đuôi poly-A

Hình 4.3 Tổ chức bộ gen của các potyvirus (Shukla et al., 1998).

DNA

~2.7kb 2.7kb

Tương tác với protein ký chủ

điều khiển chu kỳ tế bào

Hoạt hóa phiên mã

Ức chế phản ứng phòng thủ của cây

Hoạt hóa phiên mã

Ức chế phản ứng phòng thủ của cây

Cảm ứng triệu chứng

Di chuyển hệ thống Tích lũy DNA virusCảm ứng triệu chứng

Di chuyển hệ thống Tích lũy DNA virus

Di chuyển hệ thống Tích lũy DNA virus

ORF chính mã hóa 1 polyprotein, sau khi dịch mã sẽ được xử lý thành khoảng

7 Protein VPg (genome-linked protein)

8 Protein NIa-Pro (major protease of small nuclear inclusion protein -NIa)

9 Protein NIb (large nuclear inclusion protein)

10 Protei vỏ (coat protein, CP)

4.4 Virus RNA sợi đơn cực âm: Rhabdovirus

Hình 4.4 Sơ đồ tổ chức bộ gen của RYSV

RYSV có hình viên đạn, dài 180–210 nm, đường kính 94 nm Virus có bộ genRNA sợi đơn, cực âm, không phân mảnh, kích thước ~ 14 kb

Virus có 1 chuỗi nucleotide khoảng 203 nucleotide gọi là leader ở đầu 3’, mộtchuỗi 181 nucleotide gọi là trailer ở đầu 5’ Virus mã hóa 7 protein, theo thứ tự từ tráisang phải là N-P-3-M-G-6-L Tuy nhiên chỉ có 5 protein cấu trúc có mặt ở phân tửvirus là N, P, M, G, L (giống như ở các rhabdovirus khác)

4.5 Virus RNA sợi kép: chi Tenuivirus

Bộ gen của RGSV có tổng kích thước là 25 kb, gồm 6 phân đoạn RNA sợi kép,mạch thẳng khác nhau được kí hiệu là RNA1, RNA2, RNA3, RNA4, RNA5 vàRNA6 theo thứ tự giảm dần

Tất cả 6 phân đoạn RNA của virus đều lưỡng cực (ambiense) Trên mỗi phân đoạn

mã hóa 2 protein ngược chiều nhau Chỉ một số protein của virus đã được biết chứcnăng bao gồm:

RYSV -AB011257, kích thước 14042 nucleotides

Leader

• pC1 mã hóa protein tái bản RdRp của virus

• pC5 mã hóa protein N là protein vỏ (capsid)

• p6 mã hóa protein NCP (non-capsid protein) là một protein hình thành nhiều trong tế bào cây lúa bị bệnh

Hình 4.5 Tổ chức bộ gen của RGSV

V SỰ DI CHUYỂN CỦA VIRUS TRONG CÂY

Sau khi tái sinh, virus thực vật cần phải di chuyển sang các tế bào mới, mômới, cơ quan mới để gây bệnh hệ thống cho cây Sự di chuyển của virus trong câyđược chia làm 2 nhóm:

1 Di chuyển giữa các tế bào (Cell-to-cell movement)

2 Di chuyển hệ thống trong cây (Long distance movement)

5.1 Di chuyển giữa các tế bào

5.1.1 Cấu tạo sợi liên bào

Sợi liên bào (plasmodesmata) là kênh giao tiếp giữa các tế bào và có cấu trúcphức tạp gắn liền với màng tế bào và lưới nội chất Cấu tạo cơ bản của sợi liên bàogồm 2 ống trụ cấu tạo bởi màng và lồng vào nhau (Hình 5.1)

Ống trụ ngoài là màng plasma (PM, plasma membrance) bao gồm màngplasma ngoài (OPM, outer palsma membrance) hướng về vách tế bào (CW, cell wall)

và màng plasma trong (IPM, inner plasma membrance) hướng vào ống trụ trong

Ống trụ trong cấu tạo bởi màng lưới nội chất (ER, endoplasmic reticulum).Ống trụ trong chính là màng lưới nội chất bị ép chặt lại nên thường được ký hiệu là

AER (appresed endoplasmic reticulum) Phần ống trụ trong cũng còn được gọi làdesmotubule.

Trên bề mặt trong của ống trụ ngoài và bề mặt ngoài của ống trụ trong có cácprotein của ký chủ gọi là các protein sợi liên bào (PDP, plasmodesmal proteins) gắnvào Khoảng không giữa ống trụ ngoài và ống trụ trong là kênh hay lỗ sợi liên bào(kênh plasmodesmata) Dịch tế bào chất giữa các tế bào liên tục với nhau qua kênhnày Nhìn chung kích thước kênh sợi liên bào chỉ khoảng 2.5 nm Do kích thướckênh rất nhỏ, lại có rào cản là các protein sợi liên bào nên không phải tất cả các loạiphân tử đều có thể tự do di chuyển qua kênh Khả năng sợi liên bào không cho phépcác loại phân tử sinh học đạt kích thước nào đó di chuyển qua gọi là giới hạn ngăn

chặn kích thước (SEL, size exclusion limit) của sợi liên bào và thường được biểu diễn

dưới dạng khối lượng phân tử kDa Nhìn chung SEL chỉ cho phép các phân tử có khốilượng tối đa khoảng 1 – 10 kDa đi qua, tùy loại mô và cây

Hình 5.1 Cấu tạo sợi liên bào A và B là mô hình sợi liên bào, trong đó A là tiết diện dọc và B là tiết diện ngang C là ảnh hiện vi điện tử của sợi liên bào

(Lucas, 2006).

5.1.2 Sự di chuyển của virus thực vật giữa các tế bào

Để di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác, các virus thực vật đều mã hóamột hoặc một vài protein đặc biệt gọi là protein vận chuyển (MP, movement protein)

Sử dụng protein MP, kết hợp với sự tham gia của các protein khác (của cả virus và kýchủ), phân tử virus (virion) hoặc bộ gen virus mới có thể di chuyển từ tế bào nhiễmsang tế bào khỏe bên cạnh Virus sử dụng 2 chiến lược để di chuyển từ tế bào nàysang tế bào khác thông qua sợi liên bào

1) Chiến lược tạo ống (tubular)

Ví dụ như ở virus thuộc các họ Bromoviridae, Comoviridae, Caulimoviridae, Nepoviridae và các chi Tospovirus, Trichovirus Quá trình di chuyển bao gồm các

Hình 5.2 Chiến lược tạo ống của virus thực vật để di chuyển giữa các tế bào

(Hull, 2002)

2) Chiến lược nucleoprotein

Đây là chiến lược phổ biến nhất đối với virus thực vật Protein MP của virusliên kết với nucleic acid của virus tạo thành phức hợp nucleoprotein Protein MP củavirus cùng với protein ký chủ sẽ biến đổi sợi liên bào và lằm tăng giới hạn ngăn chặnkích thước SEL của sợi liên bào lên nhiều lần Tiếp theo, phức hợp nucleoprotein cóthể di chuyển từ tế bào nhiễm ban đầu qua sợi liên bào đã được biến đổi để sang tếbào khỏe bên cạnh Tại tế bào khỏe, virus lại thực tiếp quá trình tái bản bộ gen vàdịch mã các protein chức năng

Chiến lược này đã được chứng minh chi tiết đối với TMV (hình 5.4) Protein

MP của TMV có thể tăng kích thước SEL từ 7 kDa tới 94 kDa

Hình 5.3 Mô hình di chuyển giữa các tế bào của TMV

5.2 Di chuyển hệ thống qua khoảng cách xa

Về cơ bản, kiểu di chuyển này tương đối tự do đối với virus Ngoại trừ một số

ít virus như các sobemovirus di chuyển theo mạch xylem thì phần lớn virus di chuyểntheo mạch phloem Sau khi đạt tới mạch phloem, virus có thể di chuyển hệ thốngkhắp cây

Thời gian virus phát tán từ vị trí xâm nhiễm ban đầu tới khắp cả cây phụ thuộcrất nhiều yếu tố như tổ hợp cây và virus, loại cây, loại và tuổi cây, loại virus, kiểu xâmnhiễm và nhiệt độ Nhìn chung virus di chuyển trông cây rất chậm (Hình 5.4)

Hướng di chuyển của virus trong cây theo mạch phloem nhìn chung là từ mônguồn “source” tới mô tiêu thụ “sink” Nguồn là nơi carbohydrates được tạo ra (trên

lá thành thục) hoặc được giải phóng từ mô dự trữ (rễ, thân) Mô tiêu thụ là nơicarbohydrates được sử dụng để tăng trưởng và dự trữ (Hình 5.4)

Hình 5.4 Hướng và tốc độ di chuyển hệ thống của virus trong cây (Agrios, 2005).

VI QUAN HỆ VIRUS THỰC VẬT - VECTOR CÔN TRÙNG

* Các kiểu truyền virus thực vật nhờ vector côn trùng: gồm 4 kiểu truyền

1 Không bền vững (non-persistence)

2 Bán bền vững (semi-persistence)

3 Bền vững tuần hoàn (circulative persistence)

4 Bền vững tái sinh (propagative persistence)

6.1 Lan truyền virus theo kiểu không bền vững

6.1.1 Đặc điểm truyền theo kiểu không bền vững

• Thời gian chích nạp ngắn, thường chỉ cần vài giây

• Quá trình chích nạp và chích truyền diễn ra tại tế bào biểu bì Các virustruyền theo kiểu này thường không đặc hiệu mô và có mặt ở tế bào biểu bìcủa cây

• Virus chỉ tồn tại ở tầng cutile ở phần vòi mà tầng này sẽ bị tách bỏ sau mỗilần lột xác => virus sẽ mất sau mỗi lần lột xác => vector trở nên sạch virus

=> virus không thể truyền qua giao phối cũng như qua thế hệ sau

• Virus có thời gian tồn tại khả nhiễm ngắn, tối đa vài giờ Nhìn chung, khảnăng truyền virus của rệp giảm ngay lập tức sau khi chích nạp Tốc độ mấtkhả năng truyền virus phụ thuộc nhiều yếu tố nhưng có lẽ chủ yếu do bảnchất tồn tại chỉ ở phần vòi của của virus

• Virus không có thời gian ẩn có nghĩa sau khi chích nạp, vector có thể truyềnngay virus

• Việc giải phóng virus từ vector trong quá trình chích truyền chưa được hiểu

rõ nhưng vì virus tồn tại ở phần vòi nên 2 cơ chế đã được đề xuất: “chỉ dohành vi bơm nước bọt”, (ii) kết hợp giữa “bơm nước bọt và chớ(regurgitation) thức ăn”

6.1.2 Cơ chế tương tác virus - vector

Nhìn qua kiểu truyền thấy có vẻ không có liên hệ sinh học giữa virus và vector.Tuy nhiên các bằng chứng khoa học cho thấy có sự tương tác giữa protein của virus

và phần vòi của vector Tương tác này qui định khả năng, hiệu quả truyền và tính đặchiệu virus – vector Hiện có 2 mô hình tương tác giữa virus và vector:

• Mô hình vỏ protein (tương tác trực tiếp):

Theo mô hình này, vỏ protein của phân tử virus sẽ liên kết với receptor nằmphía trong vòi chích của aphid Tương tác giữa vỏ protein virus với vòi của rệp quiđịnh cả khả năng truyền lẫn tính đặc hiệu Không có tương tác tác này, virus sẽ khôngthể truyền được bằng aphid Mô hình này đã được chứng minh ở nhiều virus, đặc biệt

là CMV (Cucumber mosaic virus)

CMV là một virus hình cầu đa diện, với bộ gen gồm 3 phân tử RNA (RNA-1,RNA-1 và RNA-3), sợi đơn, cực (+) Virus có phổ ký chủ rộng nhất trong số các virusthực vật và lan truyền bằng nhiều loài rệp muôi theo kiểu không bền vững Vỏ proteincủa virus có kích thước 218 amino acid Người ta đã chứng minh rằng thay đổi các aa

ở 2 vị trí 129 và 162 có thể làm một chủng CMV mất hoặc phục hồi khả năng truyềnnhờ rệp bông A phis gosypii; và thay đổi ở các vị trí 24, 168 và 214 có thể làm một

chủng CMV vốn chỉ truyền được bằng rệp bông có thể truuyền được bằng rệp đào M persicae

• Mô hình bắc cầu (tương tác gián tiếp):

Theo mô hình này, vòi của aphid sẽ liên kết với một protein vỏ của phân tử

virus thông qua một cầu nối là một protein cũng của virus gọi là protein hỗ trợ Mô

hình này đã được nghiên cứu rất kỹ đối với các potyvirus

Potyvirus là các virus có phân tử dạng sợi mềm, có bộ gen RNA sợi đơn, cực (+) Sốlượng các potyvirus lớn nhất trong số các virus thực vật (khoảng 200 virus) Cácpotyvirus lan truyền theo kiểu không bền vững bằng nhiều loài aphid và gây rât nhiềubệnh có ý nghĩa kinh tế (Ví dụ PRSV gây bệnh đốm hình nhẫn đu đủ, PVY gây bệnhkhảm lá khoai tây…)

Tất cả các potyvirus mã hóa cho 1 protein hỗ trợ ký hiệu là Hc-Pro (helpercomponent protein) Hc-Pro có một motif gồm 4 aa bảo thủ (KITC) nằm ở đầu aminchịu trách nhiệm tương tác với receptor của vòi aphid và một motif gồm 3 aa bảo thủ(PTK) nằm ở đầu carboxyl chịu trách nhiệm tương tác với motif bảo thủ DAG củaprotein vỏ (CP) của phân tử virus Bất kỳ một đột biến nào ở các motif bảo thủ nàyđều làm mất khả năng truyền của virus bằng aphid Có thể minh họa tương tác môhình bắc cầu này như sau:

Vòi aphid (receptor) <=> (KITC)-HcPro-(PTK) <=> (DAG)-CP-Virion

6.2 Lan truyền virus theo kiểu bán bền vững