逆轉錄的過程與端粒複製

2020-12-10 李老師談生化

逆轉錄酶通常具有多種活性,如逆轉錄活性、複製活性與RNA酶H活性。逆轉錄活性可以RNA為模板,合成與其序列互補的DNA鏈,生成DNA-RNA雜合雙鏈。RNA酶H活性可以水解雜合雙鏈中的RNA,得到與RNA互補的DNA單鏈(cDNA)。複製活性則用來合成雙鏈DNA。

HIV逆轉錄酶的活性部位。引自PDB-101

與複製類似,逆轉錄也是由5』向3』合成DNA,要求有模板和不少於四個核苷酸的引物。各種DNA聚合酶活性都需要引物,只有確認引物正確配對,才會進行DNA的合成。這是保證其忠實性的重要手段,逆轉錄酶也不例外。

實驗室合成cDNA時,經常會用合成的寡聚T(oligo dT)作為引物,與mRNA的polyA配對。這個過程比較簡單,因為引物結合在RNA鏈的末端,所以整條鏈的逆轉錄是一次性完成的。

生物體中的逆轉錄過程就比較複雜,比如逆轉錄病毒(retrovirus)。病毒是真正的「極簡風」,所有東西都壓縮到極致。比如它的基因組中,經常有些基因是重疊、嵌套結構,充分利用每一個鹼基。所以它也不會專門編碼一個引發酶來合成引物,它一般是在組裝時帶走宿主的tRNA,在下次侵染時當作引物使用。

HIV的基因組。J Gen Virol. 2016 Jan;

被用作引物的tRNA會結合在病毒基因組RNA鏈的中間,所以第一次只能合成出一部分cDNA,然後利用基因組RNA兩端的一段重複序列,「跳」回另一端,完成整條鏈的逆轉錄。

逆轉錄病毒的cDNA合成過程

之後水解RNA鏈的時候,會留下一些片段作為複製的引物。雙鏈DNA的合成同樣也需要經過一次跳躍(jump),以合成完整雙鏈。最後兩端具有相同的序列,稱為長末端重複(long terminal repeats,LTR)。LTR不僅包含跳躍時用來配對的序列(圖1中的R),還有整合信號、啟動子、增強子、poly A位點等重要結構。

逆轉錄病毒的雙鏈DNA合成

逆轉錄經常與細胞惡性轉化有關,愛滋病、B肝等很多疾病也有逆轉錄過程。所以相關研究可以為很多疾病的研究和防治提供幫助。逆轉錄酶抑制劑就一直是藥物研發熱點,例如抗HIV的nevirapine(奈韋拉平)。

HIV逆轉錄酶與抑制劑。引自PDB-101

逆轉錄酶缺乏校對(3'-5'核酸外切酶)功能,所以容易出錯。這也是很多病毒容易突變進化的原因,比如nevirapine就很容易被抵抗。不過,校對功能與逆轉錄活性並不衝突。

有人使用改良的定向進化策略從具有校對功能的DNA聚合酶(古細菌的DNA聚合酶B)進化出高保真的耐熱逆轉錄酶,稱為逆轉錄異種聚合酶(reverse transcription xenopolymerase),證明校對與逆轉錄是兼容的。在科研中,RTX可用於RT-PCR等過程,能夠提高精確度及簡化操作程序(Science. 2016 Jun 24;352 (6293): 1590-3.)。

RTX的分子進化策略。Science. 2016 Jun

人體中也有逆轉錄過程,比如端粒的複製。端粒(telomere)是染色體末端的特殊結構,由重複的DNA序列(TTAGGG)和核蛋白組成,可以保護染色體末端,維持基因組完整性。

端粒的末端是單鏈3'末端,形成一種緊湊的T環結構,可保持其穩定性。其表面覆蓋著Shelterin複合物,包括TRF1(端粒重複結合因子1)、TRF2(端粒重複結合因子2)、TIN2(TRF1相互作用核蛋白2)、RAP1(rif相關蛋白)、POT1 (端粒保護)和TPP1(端粒保護蛋白1)

脊椎動物和酵母的端粒結。Genes (Basel

對於線性基因組,其滯後鏈的末端是無法完整複製的,每次約損失30-200個核苷酸(Cells. 2020 Feb 22;9(2).)。這樣隨著細胞分裂,端粒會持續縮短,造成複製性衰老。對於大多數體細胞來說,端粒磨損是一種控制其分裂潛力的機制,但對於需要多次增殖的幹細胞來說,必須設法維持端粒長度。

端粒酶(telomerase)可以通過逆轉錄過程延長端粒。端粒酶由端粒酶RNA(TERC)和端粒酶逆轉錄酶(TERT)組成。TERT使用TERC作為模板,在染色體的單鏈末端合成端粒DNA的重複序列。

端粒延長機制。Genes (Basel). 2019 Fe

大多數體細胞缺乏端粒酶活性,因而容易衰老。但未分化的生殖細胞,幹細胞,活化的淋巴細胞和大多數腫瘤細胞具有高水平的端粒酶活性,可以克服端粒磨損並維持無限的細胞分裂。

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