Modern biologi förvånar med det unika och omfattningen av dess upptäckter. Idag studerar denna vetenskap de flesta av de processer som är dolda för våra ögon. Detta är anmärkningsvärt för molekylärbiologi - ett av de lovande områdena som hjälper till att reda ut de mest komplexa mysterierna med levande materia.
Vad är omvänd transkription
Omvänd transkription (RT för kort) är en specifik process som är karakteristisk för de flesta RNA-virus. Dess huvudsakliga egenskap är syntesen av en dubbelsträngad DNA-molekyl baserad på budbärar-RNA.
OT är inte karakteristiskt för bakterier eller eukaryota organismer. Huvudenzymet, reversetas, spelar en nyckelroll i syntesen av dubbelsträngat DNA.
Upptäcktshistorik
Tanken att en ribonukleinsyramolekyl skulle kunna bli en mall för DNA-syntes ansågs absurd fram till 1970-talet. Sedan upptäckte B altimore och Temin, som arbetade separat från varandra, nästan samtidigt ett nytt enzym. De kallade det RNA-beroende DNA-polymeras, eller omvänt transkriptas.
Upptäckten av detta enzym bekräftade villkorslöst existensen av organismerkapabel till omvänd transkription. Båda forskarna fick Nobelpriset 1975. Efter en tid föreslog Engelhardt ett alternativt namn för omvänt transkriptas - revertas.
Varför OT motsäger molekylärbiologins centrala dogm
The Central Dogma är konceptet med sekventiell proteinsyntes i alla levande celler. Ett sådant schema är byggt av tre komponenter: DNA, RNA och protein.
I enlighet med den centrala dogmen kan RNA syntetiseras uteslutande på DNA-mallen, och först då är RNA involverat i att bygga proteinets primära struktur.
Denna dogm accepterades officiellt i det vetenskapliga samfundet innan upptäckten av omvänd transkription. Inte överraskande har idén om omvänd syntes av DNA från RNA länge avvisats av forskare. Först 1970, tillsammans med upptäckten av reversetas, var ett slut på denna fråga, vilket återspeglades i konceptet med proteinsyntes.
Revertase av fågelretrovirus
Processen med omvänd transkription är inte komplett utan deltagande av RNA-beroende DNA-polymeras. Revertas av fågelretroviruset har studerats i maximal utsträckning hittills.
Bara cirka 40 molekyler av detta protein kan hittas i en virion av denna familj av virus. Proteinet består av två underenheter som är lika många och utför tre viktiga funktioner för reversease:
1) Syntes av en DNA-molekyl både på en enkelsträngad/dubbelsträngad RNA-mall och på basis av deoxiribonukleinsyror.
2) RNase H-aktivering, vars huvudroll är attklyvning av RNA-molekylen i RNA-DNA-komplexet.
3) Destruktion av sektioner av DNA-molekyler för insättning i det eukaryota genomet.
Mekanism OT
De omvända transkriptionsstegen kan variera beroende på virusfamiljen, dvs. på typen av deras nukleinsyror.
Låt oss först överväga de virus som använder reversetase. Här är OT-processen uppdelad i 3 steg:
1) Syntes av "-" RNA-strängen på mallen "+" för RNA-strängen.
2) Destruktion av "+"-strängen av RNA i RNA-DNA-komplexet med användning av enzymet RNase H.
3) Syntes av en dubbelsträngad DNA-molekyl på mallen "-" av RNA-kedjan.
Denna metod för virionreproduktion är typisk för vissa onkogena virus och humant immunbristvirus (HIV).
Det är värt att notera att för syntesen av vilken nukleinsyra som helst på en RNA-mall behövs ett frö eller primer. En primer är en kort sekvens av nukleotider som är komplementär till 3'-änden av en RNA-molekyl (mall) och spelar en viktig roll för att initiera syntes.
När färdiga dubbelsträngade DNA-molekyler av vir alt ursprung integreras i det eukaryota genomet, startar den vanliga mekanismen för virionproteinsyntes. Som ett resultat blir cellen "fångad" av viruset en virionproduktionsfabrik, där de nödvändiga protein- och RNA-molekylerna bildas i stora mängder.
Ett annat sätt för omvänd transkription är baserat på verkan av RNA-syntetas. Detta protein är aktivt i paramyxovirus, rhabdovirus, picornovirus. I det här fallet finns det inget tredje steg av OT - bildningendubbelsträngat DNA, och istället syntetiseras en "+" RNA-kedja på mallen för den virala "-" RNA-kedjan och vice versa.
Upprepningen av sådana cykler leder både till replikering av virusgenomet och till bildning av mRNA som kan proteinsyntes under betingelserna för en infekterad eukaryot cell.
Biologisk betydelse av omvänd transkription
OT-processen är av största vikt i livscykeln för många virus (främst retrovirus som HIV). RNA:t från en virion som attackerade en eukaryot cell blir en mall för syntesen av den första DNA-strängen, på vilken det inte är svårt att komplettera den andra strängen.
Det erhållna dubbelsträngade DNA:t från viruset integreras i det eukaryota genomet, vilket leder till aktivering av processerna för virionproteinsyntes och uppkomsten av ett stort antal av dess kopior inuti den infekterade cellen. Detta är huvuduppdraget för Revertase och OT i allmänhet för viruset.
Omvänd transkription kan också förekomma i eukaryoter i samband med retrotransposoner - mobila genetiska element som oberoende kan transportera från en del av genomet till en annan. Sådana element, enligt forskare, orsakade utvecklingen av levande organismer.
Retrotransposon är en sträcka av eukaryot DNA som kodar för flera proteiner. En av dem, reversetase, är direkt involverad i delokaliseringen av sådan retrotransporozon.
Användning av OT i vetenskap
Sedan ögonblicket då reversetase isolerades i sin rena form, antogs processen med omvänd transkription av biologer. Studiet av OT-mekanismen hjälper fortfarande till att läsa sekvenserna för de viktigaste mänskliga proteinerna.
Faktum är att genomet hos eukaryoter, inklusive oss, innehåller icke-informativa regioner som kallas introner. När en nukleotidsekvens läses från sådant DNA och ett enkelsträngat RNA bildas, förlorar det senare introner och kodar uteslutande för protein. Om DNA syntetiseras med hjälp av reversetas på en RNA-mall är det lätt att sekvensera det och ta reda på nukleotidernas ordning.
Nukleinsyra som har bildats av omvänt transkriptas kallas cDNA. Det används ofta i polymeraskedjereaktionen (PCR) för att artificiellt öka antalet kopior av den resulterande cDNA-kopian. Denna metod används inte bara inom vetenskapen, utan också inom medicin: laboratorieassistenter bestämmer likheten mellan sådant DNA med genomerna från olika bakterier eller virus från ett gemensamt bibliotek. Syntesen av vektorer och deras införande i bakterier är ett av biologins lovande områden. Om RT används för att bilda DNA från människor och andra organismer utan introner, kan sådana molekyler lätt införas i bakteriegenomet. Så de senare blir fabriker för tillverkning av ämnen som är nödvändiga för en person (till exempel enzymer).
