Wie in Abbildung 1.3 dargestellt, zeigen Viroide bei thermischer Denaturierung einen hoch kooperativen Übergang von der nativen Stäbchenkonformation zu einer verzweigten Struktur, in der alle Basenpaarungen des nativen Zustandes aufgelöst und drei neue stabile Haarnadelstrukturen gebildet werden. Diese neugebildeten Helices sind nicht Bestandteil der nativen Konformation, aber als einzige Strukturmotive bei höheren Temperaturen stabil (zur Übersicht: Riesner & Steger, 1990; Riesner et al., 1987). Eine dieser Haarnadelstrukturen, der HPII, ist hoch konserviert. Durch eine Reihe von in vitro-Experimenten konnte gezeigt werden, daß bei der Synthese von Replikationsintermediaten metastabile Strukturen entstehen (Loss et al., 1991; Hecker et al., 1988). Weitere Analysen ergaben, daß destabilisierende Mutationen im zentralen Stammbereich des HPII in vivo zur Wildtyp-Sequenz revertieren bzw. die offensichtlich essentiellen Basenpaare durch kompensatorische Mutationen wieder hergestellt werden (Loss et al., 1991; Qu et al., 1993). Nach diesen Ergebnissen wird der GC-reiche Stamm des HPII als strukturelles Erkennungsmotiv bei der Transkription der --strängigen Multimere in die +-Strang RNA für die PolymeraseII oder Transkriptionsfaktoren diskutiert.
Es stellt sich die Frage, warum dieses Strukturelement für die Replikation von Bedeutung zu sein scheint, obwohl es nicht Bestandteil der nativen Sekundärstrukturverteilung ist. Bei der Transkription der +-strängigen Viroid-RNA kann das nascierende Molekül durch sequentielle Faltung lokal Strukturelemente bilden, da die Geschwindigkeit der Transkription geringer ist als die für die Ausbildung kurzer Strukturelemente benötigte Faltungsdauer. Bei in vitro-Transkriptionsanalysen von PSTVd-cRNAs durch die T7-RNA-Polymerase wurde dieser Sachverhalt untersucht (Repsilber et al., 1999), wobei durch Verringerung der Nukleotidtriphosphat-Konzentration die Transkriptionsgeschwindigkeit auf die vermutete, in vivo durch die PolymeraseII erreichte herabgesetzt wurde. Es konnte gezeigt werden, daß die Höhe der Transkriptionsrate und die Inkubationsdauer Einfluß auf die Strukturverteilung haben. Hohe Syntheseraten und/oder lange Inkubationszeiten führen überwiegend zu thermodynamisch stabilen Strukturen. Im Gegensatz dazu ergeben sich bei geringen Transkriptionsraten und/oder kurzen Inkubationszeiten vermehrt metastabile Strukturen. Metastabilität ist eine temperaturabhängige Eigenschaft, durch die sequentiell gefaltete Moleküle in suboptimalen Zuständen gehalten werden, deren Konzentrationen nicht der Thermodynamik entsprechen. Anders ausgedrückt befinden sich diese Moleküle in einem von vielen möglichen lokalen Energieminima, welche erst wieder verlassen werden können, wenn Aktivierungsenergie, die für eine Umlagerung in thermodynamisch optimalere Zustände ausreichend ist, aus der Umgebung entnommen werden kann. Dabei ist die Aufenthaltsdauer in einem solchen Energieminimum proportional zur benötigten Aktivierungsenergie. Hat ein Molekül ein lokales Energieminimum verlassen, so kann es in weitere suboptimale Zustände oder in den nativen Zustand, der dem globalen Energieminimum entspricht, falten. Kinetisch stabilisierte, metastabile Strukturen sind deutlich von ko-existierenden Strukturen zu unterscheiden, da letztere im Gleichgewicht mit der thermodynamisch stabilsten Konformation stehen (zur Übersicht: Riesner et al., 1992).
Zusätzlich konnte gezeigt werden, daß der HPII als Strukturelement Bestandteil einiger dieser metastabilen, durch sequentielle Faltung gebildeten Strukturen ist, was wohl auch auf die in vivo auftretenden Replikationsintermediate zutrifft (Schröder, 1998).
Es wird deutlich, daß mit der Metastabilität eine biologische Funktion eng verküpft sein kann. Die Bildung des HPII als kinetisch stabilisiertes Strukturelement bei der Viroidreplikation würde die Erkennung durch einen Wirtsfaktor ermöglichen. Sekundärstrukturvorhersagen unter Berücksichtigung der beschriebenen kinetischen Aspekte mit Hilfe eines Computerprogramms ergaben, daß der Anteil an HPII enthaltenden Strukturen mit der Replikationsstartstelle variiert (Rachen, 1997; Schmitz & Steger, 1996). Damit stellt sich nach wie vor die Frage, welchen Einfluß die in vivo-Startstellen auf die Anzahl und Konzentration der bei der Replikation der Viroid-RNA entstehenden metastabilen Strukturen haben, bzw. welche metastabilen Strukturen den für die Viroidreplikation als essentiell postulierten HPII enthalten.