Кіріспе
ДНК-ны жасайтын фермент. Кері транскриптаза (КТ) – РНК геномын ДНК-ға түрлендіру үшін қолданылатын фермент, бұл процесс кері транскрипция деп аталады. Кері транскриптазалар ВИЧ және В гепатиті сияқты вирустар геномдарын көбейту үшін, ретротранспозонды жылдам қозғалатын генетикалық элементтердің жұқындырушы геномның ішінде көбейіп, эукариоттық жасушалардың сызықтық хромосомаларының ұштарындағы теломерлерді ұзарту үшін пайдаланылады. Көптеген адамдардың қате пікіріне қарамастан, бұл процесс классикалық орталық догмада сипатталған генетикалық ақпарат ағынына қайшы келмейді, себебі РНК-дан ДНК-ға ақпарат беру мүмкіндігі нақты көрсетілген. Ретровирустық КТ үш тізбекті биохимиялық белсенділікке ие: РНК-ға тәуелді ДНК полимераза белсенділігі, H рибонуклеазасы (RNase H) және ДНК-ға тәуелді ДНК полимераза белсенділігі. Бұл белсенділіктер ферментке бір тізбекті РНК-ны екі тізбекті кДНК-ға түрлендіруге мүмкіндік береді. Ретровирустар мен ретротранспозондарда бұл кДНК жұқындырушы геномға енгізілуі мүмкін, содан кейін жұқындырушы жасушаның транскрипциясы арқылы жаңа РНК көшірмелері жасалуы мүмкін. Дәл осы реакциялар тізбегі зертханада молекулалық клондау, РНК тізбектеу, полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) немесе геномды талдау үшін РНК-ны ДНК-ға түрлендіру үшін кеңінен қолданылады.
A reverse transcriptase (RT) is an enzyme used to convert RNA genome to DNA , a process termed reverse transcription. Reverse transcriptases are used by viruses such as HIV and hepatitis B to replicate their genomes, by retrotransposon mobile genetic elements to proliferate within the host genome, and by eukaryotic cells to extend the telomeres at the ends of their linear chromosomes. Contrary to a widely held belief, the process does not violate the flows of genetic information as described by the classical central dogma, as transfers of information from RNA to DNA are explicitly held possible. Retroviral RT has three sequential biochemical activities: RNA dependent DNA polymerase activity, ribonuclease H (RNase H), and DNA dependent DNA polymerase activity. Collectively, these activities enable the enzyme to convert single stranded RNA into double stranded cDNA. In retroviruses and retrotransposons, this cDNA can then integrate into the host genome, from which new RNA copies can be made via host cell transcription. The same sequence of reactions is widely used in the laboratory to convert RNA to DNA for use in molecular cloning, RNA sequencing, polymerase chain reaction (PCR), or genome analysis.
Вирустардағы қызметі
Ферменттер кері транскрипцияны репликация процесінің бір қадамы ретінде пайдаланатын вирустармен кодталған және қолданылады. РНК-ны кері транскрипциялайтын вирустар, мысалы ретровирустар, өздерінің РНК геномдарын ДНК-ға айналдыру үшін осы ферментті пайдаланады, содан кейін ол жаңақтанған жасушаның геномына енгізіліп, оның бірге көбейтіледі. Гепаднавирустар сияқты ДНК-ны кері транскрипциялайтын вирустар РНК-ны ДНК тізбектерін құрастыру және жасау үшін қалыптық материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. ВИЧ осы ферменттің көмегімен адамдарға жұғады. Кері транскриптаза болмаса, вирус геномы жаңақтанған жасушаға еніге алмайды, нәтижесінде көбейе алмайды.
Кері транскрипция немесе ретротранскрипция процесі
Кері транскриптаза РНК үлгісінен қос жіпті ДНК жасайды. ДНҚ-ға тәуелді ДНҚ полимераза активтілігі жоқ кері транскриптазасы бар вирус түрлерінде, қос жіпті ДНК құруы мүмкін, егер жаңаша иесінің ДНҚ полимеразасы δ вирустық ДНК РНҚ-ны праймер ретінде қателікпен танып, жаңа синтезделген ДНК бастапқы РНҚ шаблонын ығыстыратын, праймерді алып тастау механизміне ұқсас жолмен қос жіпті ДНК-ны синтездесе. Кері транскрипция процесі, сондай-ақ ретротранскрипция немесе ретротра деп те аталады, өте қатеге бой ұсынады, және осы кезеңде мутациялар пайда болуы мүмкін. Мұндай мутациялар дәріге төзімділіктің пайда болуына әкелуі мүмкін.
Ретровирустық кері транскрипция
Ретровирустар, сондай-ақ VI ssRNA RT класының вирустары деп аталады, РНК-ны кері транскрипциялайтын вирустар, олардың арасында ДНК аралық түрі бар. Олардың геномдары 5' қапшы және 3' полиаденолирленген құйрығы бар оң мағыналы бір тізбекті РНК-ның екі молекуласынан тұрады. Ретровирустардың мысалдары ретінде адамның иммуножеткіліксіздік вирусы (АИВ) және адам Т лимфотроптық вирусы (АТЛВ) жатады. Екі тізбекті ДНК-ның пайда болуы цитозолда мынадай қадамдар сериясы ретінде жүреді: Лизильді тРНК праймер ретінде әрекет етеді және вирустың РНК геномның толықтыратын бөлігіне гибридтеседі, оны праймерді байланыстыру орны немесе PBS деп атайды. Одан кейін кері транскриптаза ДНК нуклеотидтерін праймердің 3' ұшына қосып, U5 (кодталмаған аймақ) және R аймағына (РНК молекуласының екі ұшында кездесетін тікелей қайталану) вирустық РНК-ға толықтыратын ДНК синтездейді. РНК-H деп аталатын кері транскриптаза ферментіндегі домен РНК-ның 5' шетіндегі U5 және R аймақтарын ыдыратады. Содан кейін тРНК праймері вирустық геномның 3' ұшына "секіреді", ал жаңа синтезделген ДНК тізбектері РНК-дағы R толықтыратын аймағына гибридтеседі. (2) қосымша ДНК (cDNA) одан әрі кеңейтіледі. Вирустық РНК-ның басым бөлігі РНК-H ферментінің әсерінен ыдырайды, тек PP тізбегі ғана қалады. Вирустық РНК-ның қалған PP фрагментін праймер ретінде пайдалана отырып, екінші ДНК тізбегінің синтезі басталады. тРНК праймері шығып, "секіру" болады. Екінші тізбектегі PBS бірінші тізбектегі толықтыратын PBS-пен гибридтеседі. Екі тізбек те түпнұсқа вирустық РНК геномның толық екі тізбекті ДНК көшірмесін қалыптастыру үшін кеңейтіледі, содан кейін оны фермент интеграза арқылы қабылдаушы жасушаның геномына енгізуге болады. Екі тізбекті ДНК-ны жасау сонымен қатар тізбектерді ауыстыруды қамтиды, онда қысқа ДНК өнімінің бастапқы РНК-ға тәуелді ДНК синтезінен геномның екінші шетіндегі қабылдаушы шаблондық аймақтарға транслокациясы болады, олар кейіннен кері транскриптазамен қол жеткізіледі және өңделеді, оның ДНК-ға тәуелді ДНК белсенділігі үшін. Ретровирустық РНК 5' ұшынан 3' ұшына дейін орналасқан. Праймердің вирустық РНК-мен байланысқан жері праймерді байланыстыру орны (PBS) деп аталады. PBS-ке дейінгі РНК 5' ұшы U5 деп аталады, ал PBS-ден кейінгі РНК 3' ұшы жетекші деп аталады. тРНК праймері 14 және 22 нуклеотид арасында ажыратылып, PBS-де вирустық РНК-мен базалық жұптасқан дуплекс құрайды. PBS вирустық РНК-ның 5' ұшына жақын орналасқандығы ерекше, өйткені кері транскриптаза 5'-тен 3'-ке дейін (жаңа синтезделген ДНК тізбегіне қатысты) праймердің 3' ұшынан ДНК синтездейді. Сондықтан, праймер мен кері транскриптаза вирустық РНК-ның 3' ұшына қайта орналастырылуы керек. Бұл қайта орналасуды жүзеге асыру үшін бірнеше қадамдар мен әртүрлі ферменттер, соның ішінде ДНК полимераза, рибонуклеаза H (RNase H) және полинуклеотидтерді ажырату қажет. АИВ кері транскриптазасының да рибонуклеазалық белсенділігі бар, ол сДНК синтезі кезінде вирустық РНК-ны ыдыратады, сондай-ақ ДНК-ға тәуелді ДНК полимеразалық белсенділігі сезімді сДНК тізбектерін антисезімді ДНК-ға көшіріп, екі тізбекті вирустық ДНК аралық (vDNA) құрайды. АИВ вирусының РНК құрылымдық элементтері кері транскрипцияның прогрессиясын реттейді.
Lysyl tRNA acts as a primer and hybridizes to a complementary part of the virus RNA genome called the primer binding site or PBS. Reverse transcriptase then adds DNA nucleotides onto the 3' end of the primer, synthesizing DNA complementary to the U5 (non coding region) and R region (a direct repeat found at both ends of the RNA molecule) of the viral RNA. A domain on the reverse transcriptase enzyme called RNAse H degrades the U5 and R regions on the 5’ end of the RNA. The tRNA primer then "jumps" to the 3’ end of the viral genome, and the newly synthesised DNA strands hybridizes to the complementary R region on the RNA. The complementary DNA (cDNA) added in (2) is further extended. The majority of viral RNA is degraded by RNAse H, leaving only the PP sequence. Synthesis of the second DNA strand begins, using the remaining PP fragment of viral RNA as a primer. The tRNA primer leaves and a "jump" happens. The PBS from the second strand hybridizes with the complementary PBS on the first strand. Both strands are extended to form a complete double stranded DNA copy of the original viral RNA genome, which can then be incorporated into the host's genome by the enzyme integrase. Creation of double stranded DNA also involves strand transfer, in which there is a translocation of short DNA product from initial RNA dependent DNA synthesis to acceptor template regions at the other end of the genome, which are later reached and processed by the reverse transcriptase for its DNA dependent DNA activity. Retroviral RNA is arranged in 5’ terminus to 3’ terminus. The site where the primer is annealed to viral RNA is called the primer binding site (PBS). The RNA 5’end to the PBS site is called U5, and the RNA 3’ end to the PBS is called the leader. The tRNA primer is unwound between 14 and 22 nucleotides and forms a base paired duplex with the viral RNA at PBS. The fact that the PBS is located near the 5’ terminus of viral RNA is unusual because reverse transcriptase synthesize DNA from 3’ end of the primer in the 5’ to 3’ direction (with respect to the newly synthesized DNA strand). Therefore, the primer and reverse transcriptase must be relocated to 3’ end of viral RNA. In order to accomplish this reposition, multiple steps and various enzymes including DNA polymerase, ribonuclease H(RNase H) and polynucleotide unwinding are needed. The HIV reverse transcriptase also has ribonuclease activity that degrades the viral RNA during the synthesis of cDNA, as well as DNA dependent DNA polymerase activity that copies the sense cDNA strand into an antisense DNA to form a double stranded viral DNA intermediate (vDNA). The HIV viral RNA structural elements regulate the progression of reverse transcription.
Жасушалық тіршілікте
Ретротранспозон деп аталатын эукариоттық геномдардың өзін-өзі көбейтуге қабілетті бөліктері РНК аралық арқылы геномдағы бір орналасқан жерден екіншісіне жылжу үшін кері транскриптазаны пайдаланады. Олар өсімдіктер мен жануарлар геномдарында кеңінен таралған. Теломераза – көптеген эукариоттарда, адамдарды қоса, кездесетін, өзімен бірге РНК матрицасын алып жүретін тағы бір кері транскриптаза; бұл РНК ДНК репликациясы үшін матрица ретінде қолданылады. Прокариоттарда кері транскриптазаның табылуы туралы алғашқы хабарламалар 1971 жылы Францияда (Beljanski және авторлар тобы, 1971a, 1972) және бірнеше жылдан кейін КСРО-да (Ромащенко 1977) жарияланды. Кейіннен олар бактериялық ретрондардың құрамы ретінде кеңінен сипатталды – кері транскриптазаны кодтайтын ерекше тізбектер, олар msDNA синтезінде қолданылады. ДНК синтезін бастау үшін праймер қажет. Бактерияларда праймер репликация барысында синтезделеді. Орегон штатының ғалымы Валериан Должа вирустардың әртүрлілігіне байланысты олардың клеткалық өмірдің дамуындағы эволюциялық рөлі зор екенін, ал кері транскриптаза орталық рөл атқаратынын айтады.
Құрылымы
Кері транскриптаза "оң қол" құрылымын қолданады, бұл құрылым басқа вирустық нуклеин қышқылы полимеразаларында да кездеседі. Транскрипция функциясынан өзге, ретровирустық кері транскриптазалардың репликациясы үшін өте маңызды RNase H отбасысына жататын домені бар. РНҚ матрицасын ыдырату арқылы, ол ДНК-ның екінші тізбегінің синтезделуін мүмкін етеді. Бұл ыдыраудан алынған кейбір фрагменттер ДНК полимераза үшін праймер ретінде қызмет етеді (сол фермент немесе жаңашыл ақуыз), ол ДНК-ның екінші (плюс) тізбегін жасауға жауапты.
Көшіру сенімділігі
Ретровирустың өмірлік циклында үш түрлі репликация жүйесі бар. Бірінші процесс – вирустық РНК-дан вирустық ДНК-ның кері транскриптаза арқылы синтезі, содан кейін жаңадан түзілген комплементарлы ДНК тізбектері пайда болады. Екінші репликация процесі, иесі жасушаның ДНК полимеразасы интеграцияланған вирустық ДНК-ны көшірген кезде жүреді. Соңында, РНК полимераза II провирустық ДНК-ны РНК-ға транскрипциялайды, ол вириондарға жиналады. Мутация осы репликация қадамдарының біреуінде немесе барлығында да пайда болуы мүмкін. Кері транскриптаза РНК-ны ДНК-ға транскрипциялағанда жоғары қателік деңгейіне ие, себебі көптеген басқа ДНК полимеразалардан айырмашылығы, оның түзету қабілеті жоқ. Бұл жоғары қателік деңгейі, репликацияның түзетулі түрлерімен салыстырғанда, мутациялардың жылдам жиналуына мүмкіндік береді. Promega компаниясы шығарған коммерциялық кері транскриптазалардың нұсқаулықтарында AMV үшін 17 000 негізге 1, ал M-MLV үшін 30 000 негізге 1 қателік деңгейі көрсетілген. Бір нуклеотидтік полиморфизмдерді жасаудан басқа, кері транскриптазалар транскрипттердің бірігуі, экзондардың ауысуы және жасанды антисенс транскрипттерді жасау сияқты процестерге де қатысатыны дәлелденді. Кері транскриптазаның осы үлгі ауыстыру белсенділігі, in vivo жағдайында толыққанды көрсетілуі мүмкін, модельді организмдердің геномдарында мыңдаған белгісіз транскрипттердің табылуына себеп болуы мүмкін деп болжануда.
Үлгілерді ауыстыру
Әр ретровирустық бөлшегіне екі РНК геном жинақталады, бірақ инфекциядан кейін әр вирус тек бір ғана провирус жасайды. Инфекциядан кейін кері транскрипция екі геном көшірмесі арасында үлгі ауыстырумен (көшірме таңдау рекомбинациясы) бірге жүреді. Үлгі ауыстыру (рекомбинация) геномның тұтастығын сақтау және зақымдалған геномдарды қалпына келтіру механизмі ретінде қажет болып көрінеді.
Вирусқа қарсы дәрілер
АИТВ өз генетикалық материалының көшірмесін жасау және жаңа вирустарды (ретровирустың көбею циклінің бір бөлігі) өндіру үшін кері транскриптазаны пайдаланады, сондықтан осы процесті тоқтату және оның өсуін басу үшін арнайы препараттар әзірленген. Бұл препараттар кері транскриптаза ингибиторлары деп аталады және зидовудин (саудалық атауы Retrovir), ламивудин (Эпивир) және тенофовир (Viread) сияқты нуклеозидтік және нуклеотидтік аналогтарды, сондай-ақ невирапин (Вирамун) сияқты нуклеозидтік емес ингибиторларды қамтиды.
Молекулалық биология
Кері транскрипция полимеразасы зерттеулерде РНК-ға полимераза тізбекті реакциясы (ПТР) әдісін қолдану үшін жиі пайдаланылады, бұл әдіс кері транскрипция полимераза тізбекті реакциясы (RT ПТР) деп аталады. Классикалық ПТР әдісі тек ДНК тізбектеріне ғана қолданылады, бірақ кері транскрипция полимеразасының көмегімен РНК ДНК-ға түрлендіріледі, соның арқасында РНК молекулаларын ПТР арқылы талдау мүмкін болады. Кері транскрипция полимеразасы мРНК-дан кДНК кітапханаларын жасау үшін де қолданылады. Кері транскрипция полимеразасының коммерциялық қолжетімділігі молекулалық биология саласындағы білімді едәуір арттырды, себебі ол басқа ферменттермен бірге ғалымдарға РНК-ны клондауға, тізбектеуге және сипаттауға мүмкіндік берді.