Viroides observados con un microscopio de fuerza atómica

Por Francisco R. Villatoro, el 15 febrero, 2019. Categoría(s): Biología • Ciencia • Noticias • Science • Virología ✎ 6

Un viroide es una pequeña molécula de ARN desnudo (sin la cubierta proteica de los virus) capaz de infectar a las células de una planta. Se conocen unas 30 especies de viroides que causan enfermedades como el «ahusamiento de la patata» o la «exocortis de los cítricos». Se acaban de publicar en la revista RNA Biology las primeras imágenes de viroides obtenidas con un microscopio de fuerza atómica (AFM); supongo que no tardarán en llegar las imágenes con criomicroscopía electrónica. Las imágenes se ajustan bien a las reconstrucciones por ordenador de su forma plegada tridimensional.

Firma el artículo Ricardo Flores (IBMCP, CSIC/UPV, Valencia), experto en la determinación estructural de los viroides, en sus mecanismos de replicación y en su evolución. Da la casualidad que impartió el pasado viernes 8 de febrero en Málaga la charla “Viroides y virus: en la frontera de la vida” en el ciclo de conferencias Encuentros con la ciencia. Allí nos presentó en primicia las primeras imágenes AFM de virodies. Y además anunció que era coautor del artículo el famoso divulgador Carlos Briones (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid), exobiólogo experto en el origen de la vida. Igual que en el caso de los priones, proteínas mal plegadas que actúan como agentes infecciones, parece increíble que un viroide pueda alcanzar las células de una planta e infectarlas (según me contó Ricardo, aprovechan roturas en la membrana celular que aparecen como efecto del envejecimiento de las células).

Pero lo más increíble es que los viroides son el peldaño inferior de la escala biológica (por ahora). Por ello se consideran un modelo ideal para estudiar la emergencia de la vida en el marco de la hipótesis del mundo de ARN. He ahí el interés de los viroides en exobiología. Me atrevo a soñar que la detección espectroscópica de viroides podría ser la primera evidencia de la existencia de vida fuera de la Tierra. El nuevo artículo es M. Moreno, …, R. Flores, C. Briones, “Direct visualization of the native structure of viroid RNAs at single-molecule resolution by atomic force microscopy,” RNA Biology (08 Feb 2019), doi: https://doi.org/10.1080/15476286.2019.1572436.

También recomiendo leer R. Flores, S. Delgado, …, M. De la Peña, “Viroids: the minimal non-coding RNAs with autonomous replication,” FEBS Letters 567: 42-48 (2004), doi: 10.1016/j.febslet.2004.03.118; y la tesis doctoral de Alberto-Tomás Carbonell Olivares, “Resistencia a viroides inducida por ribozimas de cabeza de martillo y RNAs interferentes,” IBMCP, Valencia (2008) [PDF]. Sobre la labor de investigación del IBMCP en viroides recomiendo Vicente Pallás, Luis Cañas y Lynne Yenush, “Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas. 25 años (1992-2017)”, IBMCP (2017) [PDF].

Las plantas padecen enfermedades causadas por virus, como la «tristeza de los cítricos». En el estudio del agente causal de la «exocortis de los cítricos» Semancik y Weathers descubrieron el primer viroide, aunque el término fue acuñado por Diener en 1971. El propio Diener los descubrió en la enfermedad del «ahusamiento de la patata» (potato spindle tuber), que había sido descrita en 1922; su agente causal se llamó PSTVd (potato spindle tuber viroid). Los viroides son moléculas de ARN no codificante (ncRNA) patogénicas de pequeño tamaño, entre 246 y 401 nucleótidos.

El análisis de las estructuras primarias de los viroides permite clasificarlos en dos familias, Pospiviroidae y Avsunviroidae, que se dividen en cinco y tres géneros, respectivamente. La especie tipo de la primera familia es el PSTVd; todos ellos se caracterizan por una serie de motivos conservados de secuencia y estructura. En concreto, la región central conservada (Central Conserved Region, CCR), la región terminal conservada (Terminal Conserved Region, TCR) y la horquilla terminal conservada (Terminal Conserved Hairpin, TCH). Además, se replican y se acumulan en el núcleo, careciendo de ribozimas de cabeza de martillo.

Estructura secundaria del viroide PLMVd-ml(+)wt que tiene una longitud de 337 nucleótidos, así como imágenes obtenidas por AFM. Fuente: Moreno et al. (2019).

Mediante cálculos termodinámicos se puede determinar la estructura secundaria de mínima energía libre que adoptan los viroides in vitro. Para la familia Pospiviroidae es de tipo varilla, presentando cinco dominios: el dominio central (C) flanqueado por los dominios patogénico (P) y variable (V), y los dominios terminales derecho e izquierdo (TR y TL). La CCR está localizada en el dominio C, y la TCR y la TCH en el dominio TL. A estos dominios estructurales se les ha asociado funciones específicas.

Estructura secundaria del el viroide PLMVd-ml(+)mut, también con 337 nucleótidos.

Los viroides de la familia Avsunviroidae adoptan estructuras secundarias de cuasi‐varilla. Presentan una conformación ramificada estabilizada por elementos de estructura terciaria denominados pseudonudos del tipo kissing‐loops. También se han caracterizado elementos de estructura terciaria en los miembros de la familia Pospiviroidae, como el bucle E (en el dominio C en la imagen anterior a esta); se cree que el bucle E juega un papel clave en la replicación del viroide, en su especificidad al huésped y en su patogénesis.

El mecanismo de replicación estándar de los viroides se llama mecanismo de círculo rodante (propuesto en 1981 para el PSTVd). Hay dos variantes en función del molde empleado en la segunda parte del ciclo. La variante simétrica usa un molde circular; la parte derecha de esta figura muestra la variante seguida por los miembros de la familia Avsunviroidae en el cloroplastocon, dos círculos rodantes. La variante asimétrica usa un molde lineal; la parte izquierda de esta figura muestra la variante seguida por los miembros de la familia Pospiviroidae, con un único círculo rodante. Para completar su ciclo replicativo, los viroides requieren una serie de actividades catalíticas que median la transcripción (RNA polimerasa), el corte (RNasa), y la ligación (RNA ligasa) de sus cadenas de RNA. Más información en español para los interesados en los detalles en la tesis doctoral de Alberto Carbonell [PDF].

Las enfermedades de plantas causadas por viroides son un asunto muy interesante. Pero lo que más me llamó la atención de la de Ricardo Flores fue que los viroides se acumulan en las células de las plantas como moléculas de ARN desnudas, sin asociarse de forma estrecha con proteínas. Esto refuerza la idea de que los viroides pueden ser fósiles del mundo de ARN que pudo existir en las primeras etapas de la vida en nuestro planeta. La hipótesis del mundo de ARN como posible origen de la vida aún oculta muchos misterios. El estudio de los viroides podría ayudar desvelar algunos de ellos. Como, por ejemplo, cómo aparecieron las polimerasas de ribozimas dependientes de ARN a partir de moléculas pequeñas de ARN por un proceso aleatorio de polimerización en superficies minerales. Esta figura muestra una posible hipótesis publicada por Carlos Briones, Michael Stich, Susanna C. Manrubia, “The dawn of the RNA World: Toward functional complexity through ligation of random RNA oligomers,” RNA 15: 743-749 (2009), doi: 10.1261/rna.1488609.

Sin lugar a dudas un tema apasionante, que también tiene implicaciones tecnológicas. Las herramientas CRISPR-Cas9 de edición genética se inspiraron en un sistema inmune observado por Francis Mojica en procariotas. Ya hay estudios pioneros que pretenden convertir a los viroides (microARN artificiales) en herramientas biotecnológicas en plantas. Tanto como métodos de diagnóstico de enfermedades, como métodos para favorecer la resistencia contra virus y viroides en plantas. Sin lugar a dudas los viroides prometen revolucionar la biotecnología en plantas. Pero más allá de sus aplicaciones prácticas, es su relación con el origen de la vida lo que me motiva a explorar con más atención los avances futuros en esta área.



6 Comentarios

    1. José G, en neurociencia se llama inteligencia a un fenómeno emergente en sistemas de redes de neuronas. Obviamente, ni viroides, ni virus, ni bacterias, ni … Se cree que la primera neurona surgió durante el período Ediacárico en animales diblásticos como los cnidarios. Todos los organismos más simples carecen de ellas. Por tanto, con la definición actual de inteligencia no pueden ser inteligentes.

  1. Interesantísimo.

    “Me atrevo a soñar que la detección espectroscópica de viroides podría ser la primera evidencia de la existencia de vida fuera de la Tierra”

    Bueno, aquí se trata del famoso “qué fue primero, el huevo o la gallina”. Quiero decir, que un agente infeccioso necesita que previamente exista algo a lo que infectar. Cuesta creer que resulte más sencillo detectar al agente infeccioso con su diminuto y casi inerte comportamiento que al ser al que infecta con toda su maquinaria celular (o su “exo-equivalente”).

    Saludos y gracias por traernos estos interesantísimos temas.

    1. esto me preguntaba yo.
      Es el ARN producto de una combinación estocástica primordial? o el subproducto de un ‘experimento evolutivo’ más primordial aún que terminó por conquistar y convertirse en el ladrillo de la vida en la Tierra?
      Podría ser que (y sé que ahí me marco un crackpot porque no tengo ni idea), más que el peldaño inferior, los viroides (y virus) fueran subproductos de algún organismo más complejo que ‘lanzase’ cadenas de ARN para colonizar o esterilizar su entorno?
      Por otro lado, me impresiona pensar cuanto ARN ‘pringa’ o anda suelto (nunca mejor dicho) allí donde puede. Quizás por ello, una misma ‘cepa’ de vida podría haber sobrevivido al eón Hádico …

      muchas gracias otra vez por la entrada

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