Введение
Техника синтеза ДНК Репликация с помощью скатывающегося круга (RCR) — это процесс однонаправленной репликации нуклеиновой кислоты, который позволяет быстро синтезировать множество копий кольцевых молекул ДНК или РНК, таких как плазмиды, геномы бактериофагов и кольцевой РНК-геном вироидов. Некоторые эукариотические вирусы также реплицируют свою ДНК или РНК посредством механизма скатывающегося круга. На основе упрощенной версии естественной репликации скатывающегося круга была разработана изотермическая техника амплификации ДНК – амплификация скатывающегося круга. Механизм RCA широко используется в молекулярной биологии и биомедицинской нанотехнологии, особенно в области биосенсорики (как метод усиления сигнала).
Rolling circle replication (RCR) is a process of unidirectional nucleic acid replication that can rapidly synthesize multiple copies of circular molecules of DNA or RNA, such as plasmids, the genomes of bacteriophages, and the circular RNA genome of viroids. Some eukaryotic viruses also replicate their DNA or RNA via the rolling circle mechanism. As a simplified version of natural rolling circle replication, an isothermal DNA amplification technique, rolling circle amplification was developed. The RCA mechanism is widely used in molecular biology and biomedical nanotechnology, especially in the field of biosensing (as a method of signal amplification).
Репликация вирусной ДНК
Некоторые ДНК-вирусы реплицируют свою геномную информацию в клетках хозяина посредством репликации с катящимся кругом. Например, вирус герпеса человека 6 (HHV 6) (hibv) экспрессирует набор "ранних генов", которые, как считается, участвуют в этом процессе. Длинные конкатемеры, образующиеся в результате, впоследствии расщепляются между областями pac 1 и pac 2 генома HHV 6 рибозимами при упаковке в отдельные вирионы. Папилломавирус человека 16 (HPV 16) – еще один вирус, использующий репликацию с катящимся кругом для производства потомства с высокой скоростью. HPV 16 инфицирует эпителиальные клетки человека и имеет двухцепочечный циркулярный геном. Во время репликации, в точке начала, гексамер E1 обворачивается вокруг одноцепочечной ДНК и перемещается в направлении 3'–5'. При нормальной двунаправленной репликации два белка репликации диссоциируют при столкновении, но в случае HPV 16 предполагается, что гексамер E1 не диссоциирует, что приводит к непрерывной репликации с катящимся кругом. Считается, что этот механизм репликации HPV может иметь физиологические последствия для интеграции вируса в хромосому хозяина и последующего прогрессирования в рак шейки матки. Кроме того, геминивирусы также используют репликацию с катящимся кругом в качестве своего механизма репликации. Это вирусы, ответственные за уничтожение многих важных сельскохозяйственных культур, таких как маниок, хлопок, бобовые, кукуруза, томаты и окра. Вирус имеет циркулярную одноцепочечную ДНК, которая реплицируется в клетках растений-хозяев. Весь процесс инициируется белком-инициатором репликации геминивируса Rep, который также отвечает за изменение среды хозяина для функционирования в качестве части репликационного механизма. Rep также поразительно похож на большинство других белков-инициаторов репликации эубактерий, с наличием мотивов I, II и III в его N-конце. Во время репликации с катящимся кругом одноцепочечная ДНК геминивируса превращается в двухцепочечную ДНК, а Rep затем присоединяется к двухцепочечной ДНК в последовательности начала TAATATTAC. После того, как Rep, вместе с другими белками репликации, связывается с двухцепочечной ДНК, образуется шпильковая петля, где ДНК затем расщепляется в последовательности наномера, вызывая смещение цепи. Это смещение позволяет репликационной вилке продвигаться в направлении 3'–5', что в конечном итоге приводит к образованию новой одноцепочечной ДНК и конкатемерной цепи ДНК. Промежуточные продукты репликации ДНК бактериофага T4 включают циркулярные и разветвленные циркулярные конкатемерные структуры. Эти структуры, вероятно, отражают механизм репликации с катящимся кругом.
Репликация вирусной РНК
Некоторые РНК-вирусы и вироиды также реплицируют свой геном посредством репликации РНК по механизму кругового качения. Для вироидов существуют два альтернативных пути репликации РНК, которые используют соответственно представители семейств Pospivirodae (асимметричная репликация) и Avsunviroidae (симметричная репликация). В семействе Pospiviroidae (подобных PSTVd) круговая позитивная нить РНК транскрибируется РНК-полимеразой хозяина в олигомерные негативные нити, а затем в олигомерные позитивные нити. Эти олигомерные позитивные нити расщепляются РНКазой хозяина и лигируются РНК-лигазой хозяина для восстановления мономерной позитивной круговой РНК. Этот процесс называется асимметричным путем репликации кругового качения. Вироиды семейства Avsunviroidae (подобных ASBVd) реплицируют свой геном по симметричному пути репликации кругового качения. В этом симметричном пути олигомерные негативные нити сначала расщепляются и лигируются с образованием мономерных негативных нитей, а затем транскрибируются в олигомерные позитивные нити. После этого эти олигомерные позитивные нити расщепляются и лигируются для восстановления мономерной позитивной нити. Симметричный путь репликации получил свое название, поскольку как позитивные, так и негативные нити образуются одинаковым образом. Расщепление олигомерных позитивных и негативных нитей опосредуется саморасщепляющейся структурой рибозима «молот», присутствующей у Avsunviroidae, но отсутствующей у Pospiviroidae.
Применение RCA
RCA может усиливать событие единичного молекулярного связывания более чем в тысячу раз, что делает его особенно полезным для обнаружения мишеней с ультранизкой концентрацией. Реакции RCA могут проводиться не только в растворе, но и на твердой поверхности, такой как стекло, микро- или наночастицы, планшеты с лунками, микрофлюидные устройства или даже бумажные полоски. Эта особенность делает его очень мощным инструментом для усиления сигналов в твердофазных иммуноанализах (например, ELISA). Таким образом, RCA становится высокоуниверсальным инструментом усиления сигнала с широким спектром применения в геномике, протеомике, диагностике и биосенсорике.
Иммуно-РСА на основе аптамара
В дополнение к иммуно-RCA, опосредованному антителами, праймер ssDNA RCA также может быть конъюгирован с 3'-концом ДНК-аптамера. Хвост праймера может быть амплифицирован посредством репликации с помощью скатывающейся цепи. Продукт может быть визуализирован посредством маркировки флуоресцентным репортером. Процесс иллюстрируется на рисунке справа.
Другие применения RCA
Различные производные RCA широко использовались в области биосенсорики. Например, RCA успешно применялась для обнаружения вирусной и бактериальной ДНК в клинических образцах, что очень полезно для быстрой диагностики инфекционных заболеваний. Она также использовалась как метод усиления сигнала на чипе при анализе микромассивов нуклеиновых кислот (как ДНК, так и РНК) и для формирования наноостровов.