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逆转录
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逆转录(reverse transcription)是以RNA为模板合成DNA的过程,即RNA指导下的DNA合成。此过程中,核酸合成与转录(DNA到RNA)过程与遗传信息的流动方向(RNA到DNA)相反,故称为逆转录。逆转录过程是病毒的复制形式之一,如RNA病毒中的逆转录病毒,DNA病毒中的拟逆转录病毒的复制均需要经过逆转录。逆转录过程在真核细胞中也同样存在,例如逆转座子和端粒DNA的延长均存在逆转录过程,需逆转录酶的催化,端粒酶即为真核细胞中的逆转录酶。 逆转录过程的揭示是分子生物学研究中的重大发现,是对中心法则的重要修正和补充。人们通过体外模拟该过程,以样本中提取的mRNA为模板,在逆转录酶的作用下,合成出互补的cDNA,构建cDNA文库,并从中筛选特异的目的基因。该方法已成为基因工程技术中最常用的获得目的基因的策略之一。

  • 外文名:reverse transcription
  • 发现于:RNA病毒
  • 应 用:cDNA合成;cDNA文库的建立

简介

逆转录(reverse transcription)是以RNA为模板合成DNA的过程,即RNA指导下的DNA合成。是某些病毒的复制形式,需逆转录酶的催化。艾滋病病毒(HIV)就是一种典型的逆转录病毒。

逆转录与反转录严格意义上来说没有什么区别,但是逆转录是某些病毒的自主行为,如逆转录病毒,它们在整合到宿主细胞内前以RNA为模板形成DNA的过程;反转录是进行基因工程过程中,人为地提取出所需要的目的基因的信使RNA,并以之为模板人工合成DNA的过程。二者虽同为RNA→DNA的过程,但地点不同,相对性的来说,逆转录在体内,反转录在体外。

逆转录
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过程

逆转录过程由逆转录酶催化,此酶也称依赖RNA的DNA聚合酶(RDDP),即以RNA为模板催化DNA链的合成。合成的DNA链称为与RNA互补DNA(complementary DNA, cDNA)。逆转录酶在生物界存在于逆转录病毒以及真核细胞(如端粒酶)中,拟逆转录病毒没有单独的逆转录酶,其DNA聚合酶带有逆转录酶的活性,可能与病毒的恶性转化有关。人类免疫缺陷病毒(HIV)就是一种逆转录病毒,含有逆转录酶。在小鼠及人的正常细胞和胚胎细胞中也有逆转录酶,例如端粒酶就是一种逆转录酶,推测可能与细胞分化胚胎发育有关。

大多数逆转录酶都具有多种酶活性,主要包括以下几种活性。①DNA聚合酶活性;以RNA为模板,催化dNTP聚合成DNA的过程。此酶需要RNA为引物,多为赖氨酸的tRNA,在引物tRNA 3'-末端以5'→3'方向合成DNA。反转录酶中不具有3'→5'外切酶活性,因此没有校正功能,所以由反转录酶催化合成的DNA出错率比较高。②RNase H活性;由反转录酶催化合成的cDNA与模板RNA形成的杂交分子,将由RNase H从RNA 5'端水解掉RNA分子。③DNA指导的DNA聚合酶活性;以反转录合成的第一条DNA单链为模板,以dNTP为底物,再合成第二条DNA分子。除此之外,有些逆转录酶还有DNA内切酶活性,这可能与病毒基因整合到宿主细胞染色体DNA中有关。逆转录酶的发现对于遗传工程技术起了很大的推动作用,它已成为一种重要的工具酶。用组织细胞提取mRNA并以它为模板,在逆转录酶的作用下,合成出互补的cDNA,由此可构建出cDNA文库(cDNA library),从中筛选特异的目的基因,这是在基因工程技术中最常用的获得目的基因的方法。

简要过程表示 逆转录酶的作用是以dNTP为底物,以RNA为模板,tRNA(主要是色氨酸tRNA)为引物,在tRNA3'-末端上,按5'→3'方向,合成一条与RNA模板互补的cDNA单链,它与RNA模板形成RNA-cDNA杂交体。随后又在反转录酶的作用下,水解掉RNA链,再以cDNA为模板合成第二条DNA链。至此,完成由RNA指导的DNA合成过程。

病毒复制方式 逆转录病毒(属于RNA病毒):RNA→DNA→RNA

包括RNA肿瘤病毒科、慢病毒科和泡沫病毒科,广为人知的有人类免疫缺陷病毒(HIV)和人类嗜T细胞病毒(HTLV)以及劳氏肉瘤病毒(RV)等。此类病毒遗传物质为两条相同的线状正链RNA,自带逆转录酶和整合酶。病毒进入细胞后,以正链RNA为模板,逆转录合成双链DNA,双链DNA由整合酶整合至染色体DNA上形成前病毒。前病毒活化时,转录出作为病毒遗传物质的正链RNA和mRNA。

拟逆转录病毒(属于DNA病毒):DNA→RNA→DNA

包括嗜肝DNA病毒科和花椰菜花叶病病毒科,广为人知的乙肝病毒(HBV)即属于此类。此类病毒的遗传物质为一个双链的环状DNA,但该DNA的两条链长度不相等,导致DNA上存在一部分单链区,被称为rcDNA。病毒进入细胞后,rcDNA进入细胞核,由DNA聚合酶修补单链部分,形成完整的双链环状DNA,并形成超螺旋结构,即cccDNA。cccDNA转录出多种mRNA,其中一种是前基因组RNA。其合成的病毒DNA聚会酶具有逆转录酶功能,能以前基因组RNA为模板,逆转录合成病毒的遗传物质DNA。

意义

逆转录的发现有重要的理论意义和实践意义。

(1)对分子生物学中心法则[1] 进行了修正和补充。经典的中心法则认为:DNA的功能兼有遗传信息的传递和表达,因此,DNA处于生命活动的中心位置。逆转录现象说明:至少在某些生物中,RNA同样兼有遗传信息传递和表达功能。修正后的中心法则表示为:是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA,即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。某些病毒中的RNA自我复制(如烟草花叶病毒等)和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程(某些致癌病毒)。有些亚病毒(例如朊病毒,这种亚病毒没有核酸,是一种因错误折叠而形成的结构异常的蛋白质)以蛋白质直接形成蛋白质(可促使与自身具有相同氨基酸序列的蛋白质发生同样的折叠错误,从而导致大量结构异常的蛋白质的形成)。当然,一般不认为亚病毒属于生物

(2)在致癌病毒的研究中发现了癌基因,在人类一些癌细胞如膀胱癌、小细胞肺癌等细胞中,也分离出与病毒癌基因相同的碱基序列,称为细胞癌基因原癌基因。癌基因的发现为肿瘤发病机理的研究提供了很有前途的线索。

(3)在实际工作中有助于基因工程的实施。由于目的基因的转录产物易于制备,可将mRNA反向转录形成DNA用以获得目的基因。

参考文献