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).

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.