Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Обратной транскриптазы (RT) представляет собой фермент , используемый для создания комплементарной ДНК (кДНК) из РНК матрицы, процесс называется обратной транскрипции . Обратные транскриптазы используются некоторыми вирусами, такими как ВИЧ и вирус гепатита В, для репликации своих геномов, мобильными генетическими элементами ретротранспозона для размножения в геноме хозяина и эукариотическими клетками для удлинения теломер на концах их линейных хромосом.. Вопреки широко распространенному мнению, этот процесс не нарушает потоки генетической информации, описанные в классической центральной догме , поскольку передача информации от РНК к ДНК явно считается возможной. [2] [3] [4]

Ретровирусная ОТ имеет три последовательных биохимических активности: активность РНК-зависимой ДНК-полимеразы, активность рибонуклеазы H (РНКаза H) и ДНК-зависимая активность ДНК-полимеразы. В совокупности эти активности позволяют ферменту превращать одноцепочечную РНК в двухцепочечную кДНК. В ретровирусах и ретротранспозонах эта кДНК может затем интегрироваться в геном хозяина, из которого могут быть созданы новые копии РНК посредством транскрипции клетки-хозяина . Та же последовательность реакций широко используется в лаборатории для преобразования РНК в ДНК для использования в молекулярном клонировании , секвенировании РНК , полимеразной цепной реакции (ПЦР) или анализе генома .

История [ править ]

Ревертазами обнаружены Темин в Университете Висконсин-Мэдисон в саркомы Рауса вирионов [5] и независимо друг от друга , выделенных Дэвид Балтимор в 1970 году в MIT от вирусов опухолевые две РНК: вирус мышиного лейкоза и снова вируса саркомы Рауса . [6] За свои достижения они разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1975 года (вместе с Ренато Дульбекко ).

Хорошо изученные обратные транскриптазы включают:

  • Обратная транскриптаза ВИЧ-1 из вируса иммунодефицита человека типа 1 ( PDB : 1HMV ) имеет две субъединицы, которые имеют соответствующие молекулярные массы 66 и 51 кДа . [7]
  • Обратная транскриптаза M-MLV вируса лейкемии мышей Молони представляет собой единственный мономер 75 кДа. [8]
  • Обратная транскриптаза AMV вируса миелобластоза птиц также имеет две субъединицы: субъединицу 63 кДа и субъединицу 95 кДа. [8]
  • Теломеразной обратной транскриптазы , которая поддерживает теломеры из эукариотических хромосом . [9]

Функция в вирусах [ править ]

Обратная транскриптаза показана на пальцах, ладонях и больших пальцах. Каталитические аминокислоты по РНКазы H активного сайта и полимеразной активного сайта показаны в виде шарика и пряника.

Ферменты кодируются и используются вирусами, которые используют обратную транскрипцию в качестве шага в процессе репликации. Вирусы с обратной транскрипцией РНК , такие как ретровирусы , используют фермент для обратной транскрипции своих геномов РНК в ДНК, которая затем интегрируется в геном хозяина и реплицируется вместе с ним. Вирусы с обратной транскрипцией ДНК , такие как гепаднавирусы , могут позволить РНК служить в качестве матрицы при сборке и создании цепей ДНК. ВИЧ заражает людей с помощью этого фермента. Без обратной транскриптазы вирусный геном не смог бы интегрироваться в клетку-хозяин, что привело бы к невозможности репликации.

Процесс обратной транскрипции или ретротранскрипции [ править ]

Обратная транскриптаза создает двухцепочечную ДНК из матрицы РНК.

У видов вирусов с обратной транскриптазой, лишенной ДНК-зависимой активности ДНК-полимеразы, создание двухцепочечной ДНК может быть выполнено с помощью ДНК-полимеразы , кодируемой хозяином, путем ошибочного принятия вирусной ДНК-РНК за праймер и синтеза двухцепочечной ДНК аналогичным механизм, как при удалении праймера , когда вновь синтезированная ДНК замещает исходную матрицу РНК.

Процесс обратной транскрипции, также называемый ретротранскрипцией или ретротрами, чрезвычайно подвержен ошибкам, и именно на этом этапе могут происходить мутации. Такие мутации могут вызвать лекарственную устойчивость .

Обратная транскрипция ретровирусов [ править ]

Механизм обратной транскрипции ВИЧ. Номера шагов не совпадают.

Ретровирусы , также называемые оцРНК-ОТ класса VI , представляют собой вирусы с обратной транскрипцией РНК с промежуточным ДНК. Их геномы состоят из двух молекул одноцепочечной РНК с положительным смыслом, с 5'-кэпом и 3'-полиаденилированным хвостом . Примеры ретровирусов включают вирус иммунодефицита человека ( ВИЧ ) и Т-лимфотропный вирус человека ( HTLV ). Создание двухцепочечной ДНК происходит в цитозоле [10] в виде серии следующих шагов:

  1. Лизил тРНК действует как праймер и гибридизуется с комплементарной частью генома вирусной РНК, называемой сайтом связывания праймера или PBS.
  2. Затем обратная транскриптаза добавляет нуклеотиды ДНК на 3'-конец праймера, синтезируя ДНК, комплементарную U5 (некодирующая область) и R-области (прямой повтор, обнаруженный на обоих концах молекулы РНК) вирусной РНК.
  3. Домен фермента обратной транскриптазы, называемый РНКазой H, разрушает области U5 и R на 5'-конце РНК.
  4. Праймер тРНК затем «перескакивает» на 3'-конец вирусного генома, и вновь синтезированные цепи ДНК гибридизуются с комплементарной областью R на РНК.
  5. Комплементарная ДНК (кДНК), добавленная в (2), дополнительно удлиняется.
  6. Большая часть вирусной РНК расщепляется РНКазой H, оставляя только последовательность PP.
  7. Начинается синтез второй цепи ДНК с использованием оставшегося фрагмента РР вирусной РНК в качестве праймера.
  8. Праймер тРНК уходит, и происходит «скачок». PBS из второй цепи гибридизуется с комплементарным PBS на первой цепи.
  9. Обе нити удлиняются с образованием полной двухцепочечной ДНК-копии исходного генома вирусной РНК, которая затем может быть включена в геном хозяина с помощью фермента интегразы .

Создание двухцепочечной ДНК также включает перенос цепи , при котором происходит перемещение короткого продукта ДНК от начального РНК-зависимого синтеза ДНК в области акцепторной матрицы на другом конце генома, которые позже достигаются и обрабатываются обратной транскриптазой. за его ДНК-зависимую активность ДНК. [11]

Ретровирусная РНК расположена от 5'-конца до 3'-конца. Сайт, в котором праймер отжигается с вирусной РНК, называется сайтом связывания праймера (PBS). 5'-конец РНК к сайту PBS называется U5, а 3'-конец РНК к PBS называется лидером. Праймер тРНК разматывается между 14 и 22 нуклеотидами и образует спаренный по основанию дуплекс с вирусной РНК в PBS. Тот факт, что PBS расположен рядом с 5'-концом вирусной РНК, необычен, поскольку обратная транскриптаза синтезирует ДНК с 3'-конца праймера в направлении от 5 'до 3' (по отношению к вновь синтезированной цепи ДНК). Следовательно, праймер и обратная транскриптаза должны быть перемещены на 3'-конец вирусной РНК. Чтобы выполнить эту репозицию, несколько этапов и различные ферменты, включая ДНК-полимеразунеобходимы рибонуклеаза H (РНКаза H) и полинуклеотидное раскручивание. [12] [13]

Обратной транскриптазы ВИЧ также имеет рибонуклеазы активность , что приводит к ухудшению вирусной РНК в ходе синтеза кДНК, а также ДНК-зависимой ДНК - полимеразы активности , которая копирует смысл цепь кДНК в антисмысловой ДНК с образованием двухцепочечной вирусной ДНК промежуточного (vDNA) . [14]

В клеточной жизни [ править ]

Самореплицирующиеся участки геномов эукариот, известные как ретротранспозоны, используют обратную транскриптазу для перемещения из одного положения в геноме в другое через промежуточную РНК. Их много в геномах растений и животных. Теломераза - еще одна обратная транскриптаза, обнаруженная у многих эукариот, включая людей, которая несет свою собственную матрицу РНК ; эта РНК используется в качестве матрицы для репликации ДНК . [15]

Первые сообщения об обратной транскриптазе у прокариот появились еще в 1971 г. во Франции ( Beljanski et al., 1971a, 1972) и несколькими годами позже в СССР (Ромащенко 1977 [16] ). С тех пор они были широко описаны как часть бактериальных ретронов , отдельных последовательностей, которые кодируют обратную транскриптазу, и используются в синтезе мсДНК . Чтобы инициировать синтез ДНК, нужен праймер. У бактерий праймер синтезируется во время репликации. [17]

Валериан Доля из штата Орегон утверждает, что вирусы из-за своего разнообразия сыграли эволюционную роль в развитии клеточной жизни, причем обратная транскриптаза играет центральную роль. [18]

Структура [ править ]

Обратная транскриптаза использует структуру «правой руки», аналогичную структуре, обнаруженной в других полимеразах вирусных нуклеиновых кислот . [19] [20] В дополнение к функции транскрипции ретровирусные обратные транскриптазы имеют домен, принадлежащий семейству РНКаз H , который жизненно важен для их репликации. Разлагая матрицу РНК, он позволяет синтезировать другую цепь ДНК. [21] Некоторые фрагменты переваривания также служат праймером для ДНК-полимеразы (того же фермента или белка-хозяина), ответственной за создание другой (плюсовой) цепи. [19]

Точность репликации [ править ]

В течение жизненного цикла ретровируса существует три разные системы репликации. Прежде всего, обратная транскриптаза синтезирует вирусную ДНК из вирусной РНК, а затем из вновь созданной комплементарной цепи ДНК. Второй процесс репликации происходит, когда ДНК-полимераза клетки-хозяина реплицирует интегрированную вирусную ДНК. Наконец, РНК-полимераза II транскрибирует провирусную ДНК в РНК, которая будет упакована в вирионы. Следовательно, мутация может происходить на одном или на всех этапах репликации. [22]

Обратная транскриптаза имеет высокий процент ошибок при транскрипции РНК в ДНК, поскольку, в отличие от большинства других ДНК-полимераз , она не имеет возможности корректуры . Такой высокий уровень ошибок позволяет мутациям накапливаться с большей скоростью по сравнению с корректируемыми формами репликации. Коммерчески доступные обратные транскриптазы, производимые Promega , указаны в их руководствах как имеющие частоту ошибок в диапазоне 1 из 17 000 оснований для AMV и 1 из 30 000 оснований для M-MLV. [23]

Помимо создания однонуклеотидных полиморфизмов , обратные транскриптазы также участвуют в таких процессах, как слияние транскриптов , перетасовка экзонов и создание искусственных антисмысловых транскриптов. [24] [25] Было высказано предположение, что эта активность обратной транскриптазы по переключению матрицы , которая может быть полностью продемонстрирована in vivo , могла быть одной из причин обнаружения нескольких тысяч неаннотированных транскриптов в геномах модельных организмов. [26]

Переключение шаблона [ править ]

В каждую частицу ретровируса упакованы два генома РНК , но после заражения каждый вирус генерирует только один провирус . [27] После заражения обратная транскрипция сопровождается переключением матрицы между двумя копиями генома (рекомбинация по выбору копии). [27] Есть две модели, которые предполагают, почему РНК-транскриптаза переключает шаблоны. Первая, модель принудительного выбора копии, предполагает, что обратная транскриптаза изменяет матрицу РНК, когда встречает «ник», подразумевая, что рекомбинация является обязательной для поддержания целостности вирусного генома. Вторая, модель динамического выбора, предполагает, что обратная транскриптаза изменяет шаблоны, когда функция РНКазы и функция полимеразы не синхронизированы по скорости, подразумевая, что рекомбинация происходит случайным образом, а не в ответ на повреждение генома. Исследование Rawson et al. поддержали обе модели рекомбинации. [27] В каждом цикле репликации происходит от 5 до 14 событий рекомбинации на геном. [28] Переключение шаблона (рекомбинация), по-видимому, необходимо для поддержания целостности генома и в качестве механизма восстановления для восстановления поврежденных геномов. [29] </ref> [27]

Приложения [ править ]

Молекулярная структура зидовудина (AZT), препарата, подавляющего обратную транскриптазу

Противовирусные препараты [ править ]

Поскольку ВИЧ использует обратную транскриптазу для копирования своего генетического материала и создания новых вирусов (часть круга распространения ретровируса), были разработаны специальные лекарства, которые нарушают этот процесс и тем самым подавляют его рост. В совокупности эти препараты известны как ингибиторы обратной транскриптазы и включают нуклеозидные и нуклеотидные аналоги зидовудин (торговое название Ретровир), ламивудин (Эпивир) и тенофовир (Виреад), а также ненуклеозидные ингибиторы, такие как невирапин (Вирамун).

Молекулярная биология [ править ]

Обратная транскриптаза обычно используется в исследованиях для применения метода полимеразной цепной реакции к РНК в методе, называемом полимеразной цепной реакцией с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР). Классический метод ПЦР можно применять только к цепям ДНК , но с помощью обратной транскриптазы РНК можно транскрибировать в ДНК, что делает возможным ПЦР- анализ молекул РНК. Обратная транскриптаза также используется для создания библиотек кДНК из мРНК . Коммерческая доступность обратной транскриптазы значительно расширила знания в области молекулярной биологии, а также других ферментов., это позволило ученым клонировать, секвенировать и характеризовать РНК.

Обратная транскриптаза также использовалась в производстве инсулина . Встраивая эукариотическую мРНК для производства инсулина вместе с обратной транскриптазой в бактерии, мРНК может быть вставлена ​​в геном прокариота. Затем можно получить большое количество инсулина, что позволяет избежать сбора поджелудочной железы свиньи и других подобных традиционных источников. Прямая вставка эукариотической ДНК в бактерии не сработает, потому что она несет интроны , поэтому не будет успешно транслироваться с использованием бактериальных рибосом. Процессинг в эукариотической клетке во время производства мРНК удаляет эти интроны, чтобы обеспечить подходящую матрицу. Обратная транскриптаза преобразует эту отредактированную РНК обратно в ДНК, чтобы ее можно было включить в геном.

См. Также [ править ]

  • библиотека кДНК
  • ДНК-полимераза
  • мсДНК
  • Вирус с обратной транскрипцией
  • РНК-полимераза
  • Теломераза
  • Маркер ретротранспозона

Ссылки [ править ]

  1. ^ PDB : 3KLF ; Ту Х, Дас К., Хан К., Бауман Д. Д., Кларк А. Д., Хоу Х, Френкель Ю. В., Гаффни Б. Л., Джонс Р. А., Бойер П. Л., Хьюз С. Г., Сарафианос С. Г., Арнольд Э. (октябрь 2010 г.). «Структурные основы устойчивости ВИЧ-1 к AZT путем удаления» . Структурная и молекулярная биология природы . 17 (10): 1202–9. DOI : 10.1038 / nsmb.1908 . PMC  2987654 . PMID  20852643 .
  2. Crick F (август 1970). «Центральная догма молекулярной биологии». Природа . 227 (5258): 561–3. Bibcode : 1970Natur.227..561C . DOI : 10.1038 / 227561a0 . PMID 4913914 . S2CID 4164029 .  
  3. Перейти ↑ Sarkar S (1996). Философия и история молекулярной биологии: новые перспективы . Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. С. 187–232.
  4. ^ Даншен Э., Pocheville А, Рей О, Пуйоль В, Бланше S (2019). «Эпигенетически облегченная мутационная ассимиляция: эпигенетика как центр всеобъемлющего эволюционного синтеза» . Биологические обзоры . 94 : 259–282. DOI : 10.1111 / brv.12453 . S2CID 67861162 . 
  5. ^ Темин HM, Мизутани S (июнь 1970). «РНК-зависимая ДНК-полимераза в вирионах вируса саркомы Рауса». Природа . 226 (5252): 1211–3. DOI : 10.1038 / 2261211a0 . PMID 4316301 . S2CID 4187764 .  
  6. Перейти ↑ Baltimore D (июнь 1970). «РНК-зависимая ДНК-полимераза в вирионах РНК опухолевых вирусов». Природа . 226 (5252): 1209–11. DOI : 10.1038 / 2261209a0 . PMID 4316300 . S2CID 4222378 .  
  7. ^ Феррис А.Л., Hizi А, Showalter SD, Pichuantes S, детка L, Крейк CS, Хьюз SH (апрель 1990 г.). «Иммунологический и протеолитический анализ структуры обратной транскриптазы ВИЧ-1» (PDF) . Вирусология . 175 (2): 456–64. DOI : 10.1016 / 0042-6822 (90) 90430-у . PMID 1691562 .  
  8. ^ a b Кониси А., Ясукава К., Иноуэ К. (июль 2012 г.). «Повышение термостабильности α-субъединицы обратной транскриптазы вируса миелобластоза птиц путем сайт-направленного мутагенеза» (PDF) . Письма о биотехнологии . 34 (7): 1209–15. DOI : 10.1007 / s10529-012-0904-9 . hdl : 2433/157247 . PMID 22426840 . S2CID 207096569 .   
  9. ^ Autexier C, Луэ NF (июнь 2006). «Структура и функция обратной транскриптазы теломеразы». Ежегодный обзор биохимии . 75 (1): 493–517. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.75.103004.142412 . PMID 16756500 . 
  10. ^ Bio-Medicine.org - ретровирус Проверены 17 февраля 2009 года
  11. ^ Telesnitsky A, Гофф SP (1993). «Перенос сильной остановки цепи при обратной транскрипции». В Скалке М.А., Гофф С.П. (ред.). Обратная транскриптаза (1-е изд.). Нью-Йорк: Колд-Спринг-Харбор. п. 49. ISBN 978-0-87969-382-4.
  12. ^ Бернштейн А, Вайс R, Tooze J (1985). «РНК опухолевых вирусов». Молекулярная биология опухолевых вирусов (2-е изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор.
  13. ^ Moelling K, Broecker F (апрель 2015). «Обратная транскриптаза-РНКаза H: от вирусов к противовирусной защите». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 1341 (1): 126–35. Bibcode : 2015NYASA1341..126M . DOI : 10.1111 / nyas.12668 . PMID 25703292 . S2CID 42378727 .  
  14. Kaiser GE (январь 2008 г.). «Жизненный цикл ВИЧ» . Домашняя страница микробиологии Дока Кайзера . Общественный колледж графства Балтимор. Архивировано из оригинала на 2010-07-26.
  15. ^ Кригер M, Скотт MP, Matsudaira PT, Lodish HF, Darnell JE, Zipursky L, Kaiser C, Berk A (2004). Молекулярная клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and CO. ISBN 978-0-7167-4366-8.
  16. ^ Ромащенко А.Г., и др. (1977). "Отделение от препаратов ДНК-полимераз и РНК-зависимой ДНК-полимераз; ошистка и свойства фермента". Известия АН СССР . 233 : 734–737.
  17. Перейти ↑ Hurwitz J, Leis JP (январь 1972 г.). «РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность РНК-опухолевых вирусов. I. Направляющее влияние ДНК на реакцию» . Журнал вирусологии . 9 (1): 116–29. DOI : 10,1128 / JVI.9.1.116-129.1972 . PMC 356270 . PMID 4333538 .  
  18. Перейти ↑ Arnold C (17 июля 2014 г.). "Могут ли гигантские вирусы быть источником жизни на Земле?" . National Geographic . Дата обращения 29 мая 2016 .
  19. ^ a b Сарафианос С.Г., Маршан Б., Дас К., Химмель Д.М., Парняк М.А., Хьюз С.Х., Арнольд Э. (январь 2009 г.). «Структура и функция обратной транскриптазы ВИЧ-1: молекулярные механизмы полимеризации и ингибирования» . Журнал молекулярной биологии . 385 (3): 693–713. DOI : 10.1016 / j.jmb.2008.10.071 . PMC 2881421 . PMID 19022262 .  
  20. ^ Hansen JL, Лонг - AM, Schultz SC (август 1997). «Структура РНК-зависимой РНК-полимеразы полиовируса». Структура . 5 (8): 1109–22. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (97) 00261-X . PMID 9309225 . 
  21. ^ Schultz SJ, Champoux JJ (июнь 2008). «Активность РНКазы H: структура, специфичность и функция в обратной транскрипции» . Исследование вирусов . 134 (1–2): 86–103. DOI : 10.1016 / j.virusres.2007.12.007 . PMC 2464458 . PMID 18261820 .  
  22. ^ Bbenek K, Kunkel AT (1993). «Верность ретровирусных обратных транскриптаз». В Скалке М.А., Гофф П.С. (ред.). Обратная транскриптаза . Нью-Йорк: Лаборатория издательства Колд-Спринг-Харбор. п. 85. ISBN 978-0-87969-382-4.
  23. ^ "Руководство по эксплуатации комплекта Promega" (PDF) . 1999. Архивировано из оригинального (PDF) 21 ноября 2006 года.
  24. ^ Houseley J, Tollervey D (август 2010). «Видимый неканонический транс-сплайсинг создается обратной транскриптазой in vitro» . PLOS ONE . 5 (8): e12271. Bibcode : 2010PLoSO ... 512271H . DOI : 10.1371 / journal.pone.0012271 . PMC 2923612 . PMID 20805885 .  
  25. Zeng XC, Wang SX (июнь 2002 г.). «Доказательства того, что кДНК BmTXK beta-BmKCT китайского скорпиона Buthus martensii Karsch является артефактом, созданным в процессе обратной транскрипции» . Письма FEBS . 520 (1–3): 183–4, ответ автора 185. doi : 10.1016 / S0014-5793 (02) 02812-0 . PMID 12044895 . S2CID 24619868 .  
  26. ^ Ван Бакель Н, Nislow С, Blencowe BJ, Хьюз TR (2011). «Ответ на« Реальность всеобъемлющей транскрипции » » . PLOS Биология . 9 (7): e1001102. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001102 . PMC 3134445 . 
  27. ^ a b c d Роусон Дж. М., Николайчик О. А., Кил Б. Ф., Патак В. К., Ху В. С. (ноябрь 2018 г.). «Рекомбинация необходима для эффективной репликации ВИЧ-1 и поддержания целостности вирусного генома» . Исследования нуклеиновых кислот . 46 (20): 10535–10545. DOI : 10.1093 / NAR / gky910 . PMC 6237782 . PMID 30307534 .  
  28. ^ Кромера D, Гримм AJ, Schlub TE, Mak J, Davenport MP (январь 2016). «Оценка скорости переключения и рекомбинации шаблонов ВИЧ in vivo». СПИД (Лондон, Англия) . 30 (2): 185–92. DOI : 10,1097 / QAD.0000000000000936 . PMID 26691546 . 
  29. ^ Ху WS, Тёмин HM (ноябрь 1990). «Ретровирусная рекомбинация и обратная транскрипция». Наука . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк 250 (4985): 1227–33. DOI : 10.1126 / science.1700865 . PMID 1700865 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • РНК + транскриптаза в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)
  • анимация действия обратной транскриптазы и трех ингибиторов обратной транскриптазы
  • Молекула месяца (сентябрь 2002 г.) в RCSB PDB
  • Репликация ВИЧ Медицинская 3D-анимация. (Ноябрь 2008 г.). Видео Берингер Ингельхайм.
  • Goodsell DS. «Молекула месяца: обратная транскриптаза (сентябрь 2002 г.)» . Научно-исследовательское объединение структурной биоинформатики (RCSB) Protein Data Bank (PDB) . Проверено 13 января 2013 .
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P03366 (обратная транскриптаза вируса иммунодефицита человека) в PDBe-KB .