Введение
Фермент, генерирующий ДНК, – это фермент, используемый для преобразования РНК-генома в ДНК, процесс, называемый обратной транскрипцией. Обратные транскриптазы используются такими вирусами, как ВИЧ и гепатит B, для репликации своих геномов, ретротранспозонами – мобильными генетическими элементами для размножения в геноме хозяина, и эукариотическими клетками для удлинения теломер на концах их линейных хромосом. Вопреки распространенному мнению, этот процесс не нарушает направление потока генетической информации, описанное классической центральной догмой, поскольку передача информации от РНК к ДНК считается допустимой. Ретровирусная обратная транскриптаза обладает тремя последовательными биохимическими активностями: РНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью, активностью рибонуклеазы H (РНКазы H) и ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью. В совокупности эти активности позволяют ферменту преобразовывать одноцепочечную РНК в двухцепочечную кДНК. В ретровирусах и ретротранспозонах эта кДНК затем может интегрироваться в геном хозяина, из которого новые копии РНК могут быть синтезированы посредством транскрипции клеткой хозяина. Эта же последовательность реакций широко используется в лаборатории для преобразования РНК в ДНК с целью применения в молекулярном клонировании, секвенировании РНК, полимеразной цепной реакции (ПЦР) или анализе генома.
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.
Функция в вирусах
Ферменты кодируются и используются вирусами, использующими обратную транскрипцию как один из этапов репликации. РНК-вирусы, осуществляющие обратную транскрипцию, такие как ретровирусы, используют этот фермент для обратной транскрипции своих РНК-геномов в ДНК, которая затем интегрируется в геном хозяина и реплицируется вместе с ним. ДНК-вирусы, осуществляющие обратную транскрипцию, такие как гепаднавирусы, могут использовать РНК в качестве матрицы при сборке и синтезе цепей ДНК. ВИЧ инфицирует людей, используя этот фермент. Без обратной транскриптазы вирусный геном не смог бы встроиться в клетку хозяина, что привело бы к невозможности репликации.
Процесс обратной транскрипции или ретротранскрипции
Обратная транскриптаза создает двухцепочечную ДНК из РНК-матрицы. У видов вирусов, обратная транскриптаза которых не обладает ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью, создание двухцепочечной ДНК возможно при участии ДНК-полимеразы δ, кодируемой клеткой-хозяином, которая ошибочно может принять вирусную ДНК-РНК за праймер и синтезировать двухцепочечную ДНК по механизму, схожему с удалением праймера, когда вновь синтезированная ДНК вытесняет исходную РНК-матрицу. Процесс обратной транскрипции, также называемый ретротранскрипцией или ретротрас, крайне подвержен ошибкам, и именно на этом этапе могут возникать мутации. Эти мутации могут приводить к лекарственной устойчивости.
Ретровирусная обратная транскрипция
Ретровирусы, также известные как вирусы класса VI ssRNA RT, являются РНК-содержащими вирусами обратной транскрипции с ДНК-промежуточным звеном. Их геномы состоят из двух молекул одноцепочечной РНК положительной полярности с 5'-кэпом и 3'-полиаденилированным хвостом. Примерами ретровирусов служат вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) и вирус Т-лимфотропной инфекции человека (ТЛВ). Образование двухцепочечной ДНК происходит в цитозоле в виде последовательности следующих этапов: лизильная тРНК выступает в роли праймера и гибридизируется с комплементарной областью генома вирусной РНК, называемой сайтом связывания праймера или PBS. Затем обратная транскриптаза добавляет нуклеотиды ДНК к 3'-концу праймера, синтезируя ДНК, комплементарную областям U5 (некодирующая область) и R (прямой повтор, обнаруженный на обоих концах молекулы РНК) вирусной РНК. Домен фермента обратной транскриптазы, называемый РНКазой H, деградирует области U5 и R на 5'-конце РНК. Затем тРНК-праймер "перескакивает" к 3'-концу вирусного генома, и вновь синтезированные цепи ДНК гибридизуются с комплементарной областью R на РНК. Дополнительная ДНК (кДНК), добавленная на этапе (2), подвергается дальнейшему удлинению. Большая часть вирусной РНК деградируется РНКазой H, оставляя только последовательность PP. Начинается синтез второй цепи ДНК, используя оставшийся фрагмент PP вирусной РНК в качестве праймера. тРНК-праймер покидает молекулу, и происходит "перескакивание". PBS со второй цепи гибридизируется с комплементарной PBS на первой цепи. Обе цепи удлиняются, образуя полную двухцепочечную ДНК-копию исходного вирусного РНК-генома, которая затем может быть встроена в геном хозяина ферментом интегразой. Образование двухцепочечной ДНК также включает перенос цепи, при котором происходит транслокация короткого продукта ДНК от начального синтеза ДНК, зависимого от РНК, в области-акцепторы на другом конце генома, которые впоследствии достигаются и обрабатываются обратной транскриптазой для осуществления ее ДНК-зависимой ДНК-активности. Вирусная РНК ретровирусов организована от 5'-конца к 3'-концу. Участок, к которому праймер аннелируется к вирусной РНК, называется сайтом связывания праймера (PBS). Участок РНК от 5'-конца до PBS называется U5, а участок РНК от PBS до 3'-конца – лидером. тРНК-праймер раскручивается на 14–22 нуклеотидах и образует парные основания с вирусной РНК в PBS. Тот факт, что PBS расположен вблизи 5'-конца вирусной РНК, необычен, поскольку обратная транскриптаза синтезирует ДНК от 3'-конца праймера в направлении 5'–3' (относительно вновь синтезированной цепи ДНК). Следовательно, праймер и обратная транскриптаза должны быть перемещены к 3'-концу вирусной РНК. Для достижения этой репозиции необходимы многочисленные этапы и различные ферменты, включая ДНК-полимеразу, рибонуклеазу H (РНКазу H) и фермент, расплетающий полинуклеотиды. Обратная транскриптаза ВИЧ также обладает рибонуклеазной активностью, которая деградирует вирусную РНК во время синтеза кДНК, а также ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью, которая копирует смысловую цепь кДНК в антисмысловую ДНК, образуя двухцепочечное вирусное ДНК-промежуточное соединение (вДНК). Структурные элементы вирусной РНК ВИЧ регулируют ход обратной транскрипции.
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.
В клеточной жизни
Самовоспроизводящиеся участки геномов эукариотов, известные как ретротранспозоны, используют обратную транскриптазу для перемещения из одной позиции в геноме в другую через РНК-промежуточный продукт. Они в изобилии встречаются в геномах растений и животных. Теломераза – это еще одна обратная транскриптаза, обнаруженная у многих эукариотов, включая человека, которая содержит собственный РНК-шаблон; эта РНК используется как матрица для репликации ДНК. Первые сообщения об обратной транскриптазе у прокариотов появились еще в 1971 году во Франции (Beljanski et al., 1971a, 1972) и спустя несколько лет в СССР (Romashchenko 1977). Впоследствии они были широко описаны как часть бактериальных ретронов – различных последовательностей, кодирующих обратную транскриптазу, и используемых в синтезе msDNA. Для инициации синтеза ДНК необходим праймер. У бактерий праймер синтезируется в процессе репликации. Валериан Должа из Орегонского университета утверждает, что вирусы, благодаря своему разнообразию, сыграли эволюционную роль в развитии клеточной жизни, при этом обратная транскриптаза играет центральную роль.
Структура
В обратной транскриптазе используется структура "правой руки", подобная той, что наблюдается у других вирусных нуклеиновых кислотных полимераз. Помимо функции транскрипции, ретровирусные обратные транскриптазы содержат домен, принадлежащий к семейству RNase H, который необходим для их репликации. Разрушая матричную РНК, он обеспечивает синтез комплементарной цепи ДНК. Некоторые фрагменты, образующиеся при деградации, также служат праймером для ДНК-полимеразы (либо того же фермента, либо белка клетки-хозяина), ответственной за синтез другой (плюс)-цепи.
Верность репликации
В течение жизненного цикла ретровируса действуют три различные системы репликации. Первый процесс – синтез вирусной ДНК из вирусной РНК обратной транскриптазой, который затем формирует вновь синтезированные комплементарные цепи ДНК. Второй процесс репликации происходит, когда ДНК-полимераза клеток-хозяев реплицирует интегрированную вирусную ДНК. И, наконец, РНК-полимераза II транскрибирует провирусную ДНК в РНК, которая затем упаковывается в вирионы. Мутации могут возникать на одном или нескольких из этих этапов репликации. Обратная транскриптаза обладает высокой частотой ошибок при транскрипции РНК в ДНК, поскольку, в отличие от большинства других ДНК-полимераз, она не обладает функцией коррекции ошибок. Эта высокая частота ошибок приводит к ускоренному накоплению мутаций по сравнению с репликацией с коррекцией ошибок. Согласно руководствам, коммерчески доступные обратные транскриптазы производства Promega имеют частоту ошибок в диапазоне 1 на 17 000 нуклеотидов для AMV и 1 на 30 000 нуклеотидов для M-MLV. Помимо создания однонуклеотидных полиморфизмов, обратные транскриптазы также участвуют в процессах, таких как слияние транскриптов, перетасовка экзонов и создание искусственных антисмысловых транскриптов. Предполагается, что эта способность обратной транскриптазы к переключению матрицы, которую можно полностью продемонстрировать in vivo, могла быть одной из причин обнаружения нескольких тысяч неаннотированных транскриптов в геномах модельных организмов.
Переключение шаблонов
В каждой частице ретровируса упакованы два генома РНК, но после инфицирования каждый вирус генерирует только один провирус. После инфицирования обратная транскрипция сопровождается переключением между двумя копиями генома (рекомбинация выбора копий). Переключение шаблонов (рекомбинация) представляется необходимым для поддержания целостности генома и как механизм восстановления поврежденных геномов.
Антивирусные препараты
Поскольку ВИЧ использует обратную транскриптазу для копирования своего генетического материала и создания новых вирусов (элемент цикла размножения ретровирусов), были разработаны специальные препараты, нарушающие этот процесс и тем самым подавляющие его рост. Эти препараты в совокупности известны как ингибиторы обратной транскриптазы и включают нуклеозидные и нуклеотидные аналоги – зидовудин (торговое название Retrovir), ламивудин (Эпивир) и тенофовир (Viread), – а также ненуклеозидные ингибиторы, такие как невирапин (Viramune).
Молекулярная биология
Обратная транскриптаза широко используется в исследованиях для применения метода полимеразной цепной реакции к РНК с помощью техники, называемой обратной транскрипционной полимеразной цепной реакцией (ОТ-ПЦР). Классический метод ПЦР применим только к цепям ДНК, но благодаря обратной транскриптазе РНК может быть транскрибирована 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, поскольку, наряду с другими ферментами, она позволила ученым клонировать, секвенировать и характеризовать РНК.