mini|Schemazeichnung von Viroid-Partikeln. Viroide sind die kleinsten bekannten infektiösen subzellulären Erreger mit Genom,Die Prionen, auch subzelluläre Krankheitserreger, sind noch kleiner, aber besitzen kein eigenes Erbgut. 80- bis 100-fach kleiner als die kleinsten VirenR. Flores, R. A. Owens: Viroids. In: Brian W. J. Mahy und Marc H. van Regenmortel (eds.): Encyclopedia of Virology, 3. Auflage, San Diego 2008, Band 5, S. 332–342, ISBN 978-0-12-373935-3., besitzen aber im Gegensatz zu ihnen weder ein Kapsid noch eine Virushülle. Sie zählen nicht zu den Lebewesen (Organismen), da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben und sich nur innerhalb lebender Zellen vermehren können. Viroide besitzen allgemein die Fähigkeit, ihre Replikation zu steuern, und die Fähigkeit zur Evolution.Karin Mölling: Supermacht des Lebens. Reisen in die erstaunliche Welt der Viren. 1. Auflage, Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66969-9.
Alle bekannten Viroide sind Bewohner höherer Pflanzen und verursachen meist Krankheiten, deren jeweilige wirtschaftliche Bedeutung sehr unterschiedlich ist. Manche davon sind bedeutende Pflanzenpathogene der Landwirtschaft. Die American Phytopathological Society hat (in einer im Jahr 2000 erschienenen Zusammenstellung der wichtigsten Meilensteine des vergangenen Millenniums in der Pflanzenpathologie) Theodor Otto Dieners Entdeckung der Viroide im Jahr 1971 als eine der zehn wichtigsten Erreger-Entdeckungen des Millenniums anerkannt.Thor Kommedahl (University of Minnesota): From Y1K to 2K: Millennial Milestones in Plant Pathology, American Phytopathological Society Publications, APSnet Features, 2000. DOI:10.1094/APSnetFeature-2000-0100.
Geschichte mini|hochkant=1.2|Theodor O. Diener vor einem TEM-Bild des PSTVd (kurze Stäbchen) mit einer doppelsträngigen DNA von Bakterienviren (Bakteriophagen) zum Vergleich (lange Schleife) Zur Entdeckung des ersten Viroids führten Bestrebungen, den Erreger der Spindelknollensucht der Kartoffelpflanze zu isolieren und zu charakterisieren. Anfang der 1920er Jahre wurde in den US-Bundesstaaten New York und New Jersey diese Erkrankung von Kartoffeln erstmals beobachtet.R. A. Owens, J. Th. J. Verhoeven: Potato Spindle Tuber. In: Plant Health Instructor. 2009, . Die infektiöse Natur der Krankheit wurde 1923 von Eugene S. Schultz und Donald Folsom erkannt, doch blieb die besondere Natur des Erregers zunächst unbekannt und er wurde den Pflanzenviren zugeordnet.E. S. Schultz, D. Folsom: A "spindling-tuber disease" of irish potatoes. Science (1923) 2;57(1466): S. 149, PMID 17831586.
Dem am Pioneering Laboratory for Plant Virology des Agricultural Research Service in Beltsville, Maryland tätigen Pflanzenpathologen Theodor O. Diener gelang 1971 die Isolierung und Charakterisierung des Erregers als eine zum damaligen Kenntnisstand ungewöhnlich kleine, proteinfreie und unabhängig replizierende RNA. Diener schlug den Namen Viroid – also Virus-ähnlich – für diese Erregergruppe vor.T. O. Diener: Potato spindle tuber "virus". IV. A replicating, low molecular weight RNA. In: Virology. Band 45, Nummer 2, August 1971, S. 411–428, PMID 5095900.B. D. Stollar, T. O. Diener: Potato spindle tuber viroid. V. Failure of immunological tests to disclose double-stranded RNA or RNA-DNA hybrids. In: Virology. Band 46, Nummer 1, Oktober 1971, S. 168–170, PMID 5166353.T. O. Diener: Potato spindle tuber viroid. 8. Correlation of infectivity with a UV-absorbing component and thermal denaturation properties of the RNA. In: Virology. Band 50, Nummer 2, November 1972, S. 606–609, PMID 4636118.
In den folgenden Jahren klärten Diener und andere Gruppen viele der molekularen Eigenschaften von Viroiden auf. So konnten Stollar und Diener im Jahr 1971 mit immunologischen Versuchen zeigen, dass Viroide nicht doppelsträngige, sondern einzelsträngige RNA sind und dass keine Viroid-spezifischen RNA-DNA Hybride existieren. Sogo et al. untersuchten 1973 Viroid-RNA mit Hilfe der Elektronenmikroskopie und bestätigten die einsträngige Natur der RNA und die ringförmige Sekundärstruktur der RNA.J. M. Sogo, T. Koller, T. O. Diener: Potato spindle tuber viroid. X. Visualization and size determination by electron microscopy. In: Virology. Band 55, Nummer 1, September 1973, S. 70–80, PMID 4728831.
Heinz L. Sänger et al. konnten 1976 am Institut für Virologie der Justus-Liebig-Universität Gießen die Struktur der Viroide als kovalent geschlossene, einzelsträngige RNA-Ringe mit spezifischen Basenpaarungen innerhalb des RNA-Stranges nachweisen.H. L. Sänger, G. Klotz, D. Riesner, H. J. Gross, A. K. Kleinschmidt: Viroids are single-stranded covalently closed circular RNA molecules existing as highly base-paired rod-like structures. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 73, Nummer 11, November 1976, S. 3852–3856, PMID 1069269, . Henco et al. wiesen helikal gewundene Abschnitte innerhalb des RNA-Ringes nach,K. Henco, D. Riesner, H. L. Sänger: Conformation of viroids. Nucleic Acids Research. (1977) 4(1): S. 177–194, PMID 866174, . mit denen die besondere energetische Stabilität der RNA erklärbar war. Im Jahr 1978 publizierten Hans Joachim Gross et al. die erste Nukleotidsequenz eines Viroids – des PSTVd.H. J. Gross, H. Domdey, C. Lossow, P. Jank, M. Raba, H. Alberty, H. L. Sänger: Nucleotide sequence and secondary structure of potato spindle tuber viroid. In: Nature. Band 273, Nummer 5659, Mai 1978, S. 203–208, PMID 643081. Seitdem werden Viroide mit der üblichen drei- oder vier-stelligen Abkürzung benannt, zu der ein „d“ zugefügt wird – also PSTVd für Potato Spindle Tuber Viroid.
Eigenschaften Viroide bestehen nur aus einer ringförmig geschlossenen, einzelsträngigen Ribonukleinsäure (RNA). Im Gegensatz zu Viren besitzen Viroide keine zusätzlichen Proteine oder Lipide zur Verpackung in Form einer Hülle oder eines Kapsids. Viroide können sich nur innerhalb lebender Zellen vermehren (obligat intrazelluläre Parasiten), weshalb sie auch zusammen mit den Viren, Virusoiden und Prionen die Gruppe der subzellulären Erreger bilden. Für Viroide, zusammen mit Viroid-ähnlichen Satelliten-RNA, hat das International Committee for Taxonomy of Viruses (ICTV) eine eigene Ordnung von subviralen Erregern definiert.A. M. Q. King, M. J. Adams, E. B. Carstens, E. J. Lefkovitz et al.: Virus Taxonomy. Elsevier Academic Press, 2012. S. 1221–1259, TN: 949565
Die RNA der Viroide ist zwischen 241 und 401 Nukleotide lang. Typischerweise wird von dieser genomischen RNA während der Vermehrung in der Zelle keine mRNA transkribiert und damit keine Viroid-eigenen Proteine hergestellt. Die Viroid-RNA besitzt eine eigene katalytische Aktivität unter anderem in Form eines Ribozyms. Der Mechanismus der RNA-Vermehrung und Wechselwirkung mit zellulären Bestandteilen ist ein Modell zum Studium der Funktionalität von RNA in der Zelle. Diese Mechanismen der Viroide werden von vielen als ein molekulares Fossil aus einer frühen Stufe der chemischen Evolution angesehen.T. O. Diener: Viroids: "living fossils" of primordial RNAs? In: Biology direct. Band 11, Nummer 1, März 2016, S. 15, , PMID 27016066, .B. Ding, A. Itaya: Viroid: a useful model for studying the basic principles of infection and RNA biology. Mol Plant Microbe Interact. (2007) 20(1): S. 7–20 (Review), PMID 17249418 (Volltext).
Genom und Struktur mini|Strukturvergleich von PSTVd, HSVd und PLMVd. Die RNA der Viroide enthält viele komplementäre Bereiche, wodurch sich doppelsträngige, lineare Strukturen ausbilden, die im Elektronenmikroskop als circa 50 nm lange stäbchenförmige Strukturen beobachtet werden können.
Das Genom des PSTVd wird in fünf Bereiche unterteilt: terminal left (TL), pathogenicity (P), central (C), variable (V) und terminal right (TR). Innerhalb der central-Region liegt die konservierte Sequenz der central conserved region (CCR), in der ein UV-sensitives E-Schleifenmotiv mit ungewöhnlicher Basenpaarung liegt. Innerhalb der central conserved region liegt die stark konservierte RNA-Sequenz GAAAC, die in allen Viroiden vorkommt.
mini|ohne|hochkant=4.3|Sekundärstruktur des Potato-Spindle-Tuber-Viroid mit zahlreichen Basenpaarungen (Striche) und CCR-Region (gelb)
Bei einer Dichtegradientenzentrifugation liegen die Sedimentationskoeffizienten für PSTVd bei 6,7 ± 0,1 S (359 nt Länge), für CEVd bei 6,7 ± 0,1 S (371 nt Länge), für CCCVd-1s bei 5,9 S (247 nt Länge), für CCCVd-1l bei 6,3 ± 0,1 S (302 nt Länge), für CCCVd-2s bei 7,6 ± 0,1 S (494 nt Länge) und für CCCVd-2l bei 8,2 S (604 nt Länge). Unter der Annahme einer ellipsoiden Form der Viroide beträgt das Axialverhältnis (a/b) 20. Das partielle spezifische Volumen v2 der Viroide wurde als 0,53 cm3 / g bestimmt.
Replikation Im Gegensatz zu Viren codieren Viroide keine Proteine.E. M. Tsagris, A. E. Martínez de Alba, M. Gozmanova, K. Kalantidis: Viroids. In: Cellular microbiology. Band 10, Nummer 11, November 2008, S. 2168–2179, , PMID 18764915. Deshalb sind sie bei ihrer Replikation und ihrem Transport ausschließlich auf Enzyme der Wirtspflanze angewiesen. Dies unterscheidet Viroide grundlegend von Satelliten-Viren, die bei ihrer Replikation auf Helferviren angewiesen sind.
Die Replikation erfolgt per rolling circle replication durch die zelluläre RNA-Polymerase II, die sonst normalerweise DNA als Vorlage verwendet.R. Flores, P. Serra, S. Minoia, F. Di Serio, B. Navarro: Viroids: from genotype to phenotype just relying on RNA sequence and structural motifs. In: Frontiers in microbiology. Band 3, 2012, S. 217, , PMID 22719735, .J. A. Daròs, S. F. Elena, R. Flores: Viroids: an Ariadne's thread into the RNA labyrinth. In: EMBO reports. Band 7, Nummer 6, Juni 2006, S. 593–598, , PMID 16741503, . Die Mutationsrate bei der Replikation von Viroiden ist die höchste unter allen Nukleinsäure-Replikons.B. Ding: Viroids: self-replicating, mobile, and fast-evolving noncoding regulatory RNAs. In: Wiley interdisciplinary reviews. RNA. Band 1, Nummer 3, 2010 Nov-Dec, S. 362–375, , PMID 21956936. Durch die Ungenauigkeit der Replikation kommen Viroide innerhalb eines Organismus als Quasispezies vor. Allerdings wirken sich viele Mutationen auf die Infektiosität und Pathogenität aus.R. W. Hammond: Analysis of the virulence modulating region of potato spindle tuber viroid (PSTVd) by site-directed mutagenesis. In: Virology. Band 187, Nummer 2, April 1992, S. 654–662, PMID 1546460. Durch die rolling circle replication entsteht ein langer RNA-Strang aus mehreren seriellen Kopien des Genoms (ein Multimer), der vermutlich erst durch die zelluläre RNase (DCL1 und DCL4 hydrolysieren Pospiviroidae, DCL2 und DCL3 bei allen Viroiden)M. V. Nayudu: Plant Viruses. Tata McGraw-Hill Education, 2008, ISBN 978-0-070-65660-4, S. 454. in die einzelnen Genome geschnitten werden (zum Monomer). Die Viroide aus der Gruppe der Avsunviroidae können sich zudem autokatalytisch hydrolysieren.Nicholas H. Acheson. Fundamentals of Molecular Virology. 2. Auflage. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-0-470-90059-8, S. 379–383. Der Ringschluss der neu erzeugten Viroid-RNA erfolgt vermutlich durch eine zelluläre DNA-Ligase, die sonst normalerweise DNA als Vorlage verwendet.R. Flores, S. Minoia, A. Carbonell, A. Gisel, S. Delgado, A. López-Carrasco, B. Navarro, F. Di Serio: Viroids, the simplest RNA replicons: How they manipulate their hosts for being propagated and how their hosts react for containing the infection. In: Virus research. Band 209, November 2015, S. 136–145, , PMID 25738582. Bei Avsunviroidae erfolgt eine Ligation autokatalytisch.
Das Hepatitis-D-Virus (HDV) besitzt eine Ribozymaktivität ähnlich zu den Viroiden.C. Alves, C. Branco, C. Cunha: Hepatitis delta virus: a peculiar virus. In: Advances in virology. Band 2013, 2013, S. 560105, , PMID 24198831, .
Pathogenität