逆轉錄的過程與端粒複制
逆轉錄酶通常具有多種活性，如逆轉錄活性、複制活性與RNA酶H活性。逆轉錄活性可以RNA為模闆，合成與其序列互補的DNA鍊，生成DNA-RNA雜合雙鍊。RNA酶H活性可以水解雜合雙鍊中的RNA，得到與RNA互補的DNA單鍊（cDNA）。複制活性則用來合成雙鍊DNA。
HIV逆轉錄酶的活性部位。引自PDB-101與複制類似，逆轉錄也是由5’向3’合成DNA，要求有模闆和不少于四個核苷酸的引物。各種DNA聚合酶活性都需要引物，隻有确認引物正确配對，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鍊的末端，所以整條鍊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緻。比如它的基因組中，經常有些基因是重疊、嵌套結構，充分利用每一個堿基。
HIV的基因組。J Gen Virol. 2016所以病毒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。被用作引物的tRNA會結合在病毒基因組RNA鍊的中間，所以第一次隻能合成出一部分cDNA，然後利用基因組RNA兩端的一段重複序列，“跳”回另一端，完成整條鍊的逆轉錄。
逆轉錄病毒的cDNA合成過程之後水解RNA鍊的時候，會留下一些片段作為複制的引物。雙鍊DNA的合成同樣也需要經過一次跳躍（jump），以合成完整雙鍊。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），還有整合信号、啟動子、增強子、poly A位點等重要結構。
逆轉錄病毒的雙鍊DNA合成逆轉錄經常與細胞惡性轉化有關，艾滋病、乙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并不沖突。
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，RTX），證明校對與逆轉錄是兼容的。在科研中，RTX可用于RT-PCR等過程，能夠提高精确度及簡化操作程序（Science. 2016）。
RTX的分子進化策略。Science. 2016人體中也有逆轉錄過程，比如端粒的複制。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。
端粒的末端有一段富含G的3'單鍊突出端，它可以與雙鍊區的重複序列結合，形成一種置換環結構，稱為端粒環或T環（telomere-loop，T-loop）。T環表面還覆蓋着Shelterin複合物（端粒蛋白複合物），以避免染色體末端被修複系統當作雙鍊斷裂（DSB），從而維持其穩定性。
脊椎動物和酵母的端粒結。Genes (Basel). 2019人的shelterin複合物由6種核心蛋白質組成：TRF1 and 2（端粒重複結合因子1和2）、TIN2（TRF1相互作用核蛋白2）、RAP1（TRF2相互作用端粒蛋白1，也稱為 Repressor/activator protein 1）、POT1（端粒保護蛋白1）和TPP1（POT1和TIN2 相互作用蛋白1）。
其中POT1與單鍊末端結合，TRF1和TRF2可以與雙鍊部分的TTAGGG重複序列結合。另外三個蛋白是被前三個蛋白募集來的，其中RAP1與TRF2結合，TPP1與POT1和TIN2結合，而TIN2是個橋梁，它與TRF1、TRF2和TPP1結合，這樣就形成一個完整的複合物。複合物的一個重要作用是阻斷DNA損傷反應（DDR）。
Shelterin複合物保護端粒免受DDR影響。Cells. 2021
對于線性基因組，其滞後鍊的末端是無法完整複制的，每次約損失30-200個核苷酸（Cells. 2020 Feb 22;9(2).）。這樣随着細胞分裂，端粒會持續縮短，造成複制性衰老。對于大多數體細胞來說，端粒磨損是一種控制其分裂潛力的機制，但對于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作為模闆，在染色體的單鍊末端添加端粒DNA的重複序列。然後，DNA 聚合酶α /primase 合成互補鍊。CST複合物通過調節端粒酶和DNA聚合酶α/primase複合物的活性來調控端粒DNA的合成。
端粒延長機制。Genes (Basel). 2019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，可以克服端粒磨損并維持無限的細胞分裂。
參考文獻：
Dalibor Blazek, et al. The CD8+ cell non-cytotoxic antiviral response affects RNA polymerase II-mediated human immunodeficiency virus transcription in infected CD4+ cells. J Gen Virol. 2016 Jan;97(1):220-224.
Jared W Ellefson, et al. Synthetic evolutionary origin of a proofreading reverse transcriptase. Science. 2016 Jun 24;352(6293):1590-3.
Anna Y Aksenova, et al. At the Beginning of the End and in the Middle of the Beginning: Structure and Maintenance of Telomeric DNA Repeats and Interstitial Telomeric Sequences. Genes (Basel). 2019 Feb 5;10(2):118.
Denis Nalobin, et al. Telomeres and Telomerase in Heart Ontogenesis, Aging and Regeneration.Cells.2020 Feb; 9(2): 503.
Claire Ghilain, et al. Multifunctionality of the Telomere-Capping Shelterin Complex Explained by Variations in Its Protein Composition.Cells.2021 Jul; 10(7): 1753.
最新文章
-
“豫西中醫界之泰鬥喬保均”治療疑難病60年經驗賞析
9小時前 -
回憶、健忘和灑脫
9小時前 -
弘一法師：“真的不忍心告訴你，這個世界隻是一個夢。你一輩子執
9小時前 -
心理學，準的讓你驚叫
9小時前 -
人生，成大器者有四識，知識、見識、膽識、遠識
10小時前 -
俞和：被遺忘的書法家，以古為師，創新在手！
10小時前 -
2024屆新高考II卷語文真題答案及解析
10小時前 -
生前隻是小人物，死後震驚史學界
10小時前
熱門文章
-
每日一誦傷寒論第241條
1周前 -
老張老李侃門球之140篇
2天前 -
這個穴位可以治療多種胃痛腹痛，還可以減肥
5天前 -
診餘雜記（師傳經驗）
4天前 -
為什麼五點鐘要起床答案讓人吃驚！（現在知道還不晚）
1周前 -
治療坐骨神經痛藥酒５方
1周前 -
美麗中國-2870：中國最大的内陸河，塔裡木河
2天前 -
二十四山開門放水作竈真訣開門放水作竈直訣——子山
2天前
有話要說...