Mūsdienu bioloģija pārsteidz ar savu atklājumu unikalitāti un mērogu. Mūsdienās šī zinātne pēta lielāko daļu procesu, kas ir apslēpts mūsu acīm. Tas ir ievērojams molekulārajā bioloģijā - vienai no daudzsološākajām jomām, kas palīdz atklāt vissarežģītākos dzīvās vielas noslēpumus.
Kas ir apgrieztā transkripcija
Reversā transkripcija (īsumā RT) ir specifisks process, kas raksturīgs lielākajai daļai RNS vīrusu. Tās galvenā iezīme ir divpavedienu DNS molekulas sintēze, kuras pamatā ir vēstnesis RNS.
OT nav raksturīga baktērijām vai eikariotu organismiem. Galvenais enzīms, reversetāze, spēlē galveno lomu divpavedienu DNS sintēzē.
Atklājumu vēsture
Ideja, ka ribonukleīnskābes molekula varētu kļūt par DNS sintēzes veidni, tika uzskatīta par absurdu līdz 70. gadiem. Tad B altimora un Temins, strādājot atsevišķi viens no otra, gandrīz vienlaikus atklāja jaunu fermentu. Viņi to sauca par RNS atkarīgo DNS polimerāzi jeb reverso transkriptāzi.
Šī fermenta atklāšana bez nosacījumiem apstiprināja organismu esamībukas spēj veikt reverso transkripciju. Abi zinātnieki saņēma Nobela prēmiju 1975. gadā. Pēc kāda laika Engelhards ierosināja alternatīvu nosaukumu reversajai transkriptāzei - revertāze.
Kāpēc OT ir pretrunā ar molekulārās bioloģijas centrālo dogmu
Centrālā dogma ir secīgas olb altumvielu sintēzes jēdziens jebkurā dzīvā šūnā. Šāda shēma ir veidota no trim komponentiem: DNS, RNS un proteīna.
Saskaņā ar centrālo dogmu RNS var sintezēt tikai uz DNS veidnes, un tikai tad RNS tiek iesaistīta proteīna primārās struktūras veidošanā.
Šī dogma tika oficiāli pieņemta zinātnieku aprindās pirms reversās transkripcijas atklāšanas. Nav pārsteidzoši, ka zinātnieki jau sen ir noraidījuši ideju par DNS reverso sintēzi no RNS. Tikai 1970. gadā līdz ar reversetāzes atklāšanu šī problēma tika izbeigta, un tas tika atspoguļots proteīnu sintēzes koncepcijā.
Putnu retrovīrusu atcelšana
Reversās transkripcijas process nav pilnīgs bez no RNS atkarīgas DNS polimerāzes līdzdalības. Putnu retrovīrusa revertāze līdz šim ir pētīta maksimāli.
Vienā šīs vīrusu saimes virionā var atrast tikai aptuveni 40 šī proteīna molekulas. Proteīns sastāv no divām apakšvienībām, kuru skaits ir vienāds un veic trīs svarīgas reversās funkcijas:
1) DNS molekulas sintēze gan uz vienpavedienu/divpavedienu RNS šablona, gan uz dezoksiribonukleīnskābju bāzes.
2) RNāzes H aktivācija, kuras galvenā loma irRNS molekulas šķelšanās RNS-DNS kompleksā.
3) DNS molekulu sekciju iznīcināšana ievietošanai eikariotu genomā.
Mehānisms OT
Reversās transkripcijas darbības var atšķirties atkarībā no vīrusu saimes, t.i. par to nukleīnskābju veidu.
Vispirms aplūkosim tos vīrusus, kas izmanto reversetāzi. Šeit OT process ir sadalīts 3 posmos:
1) RNS virknes “-” sintēze uz RNS virknes “+” šablona.
2) RNS "+" virknes iznīcināšana RNS-DNS kompleksā, izmantojot fermentu RNāzi H.
3) Divpavedienu DNS molekulas sintēze uz RNS ķēdes veidnes "-".
Šī virionu reprodukcijas metode ir raksturīga dažiem onkogēniem vīrusiem un cilvēka imūndeficīta vīrusam (HIV).
Ir vērts atzīmēt, ka jebkuras nukleīnskābes sintēzei uz RNS šablona ir nepieciešama sēkla vai primer. Praimeris ir īsa nukleotīdu secība, kas papildina RNS molekulas (veidnes) 3' galu un spēlē svarīgu lomu sintēzes ierosināšanā.
Kad eikariotu genomā tiek integrētas gatavās vīrusu izcelsmes divpavedienu DNS molekulas, sākas parastais virionu proteīnu sintēzes mehānisms. Rezultātā vīrusa “sagūstītā” šūna kļūst par virionu ražošanas rūpnīcu, kurā lielos daudzumos veidojas nepieciešamās olb altumvielas un RNS molekulas.
Cits reversās transkripcijas veids ir balstīts uz RNS sintetāzes darbību. Šis proteīns ir aktīvs paramiksovīrusos, rabdovīrusos, pikornovīrusos. Šajā gadījumā nav trešā OT posma - veidošanāsdivpavedienu DNS, un tā vietā tiek sintezēta “+” RNS ķēde uz vīrusa “-” RNS ķēdes veidnes un otrādi.
Šādu ciklu atkārtošanās izraisa gan vīrusa genoma replikāciju, gan mRNS veidošanos, kas spēj proteīnu sintēzi inficētas eikariotu šūnas apstākļos.
Reversās transkripcijas bioloģiskā nozīme
OT process ir ārkārtīgi svarīgs daudzu vīrusu (galvenokārt retrovīrusu, piemēram, HIV) dzīves ciklā. Viriona RNS, kas uzbruka eikariotu šūnai, kļūst par veidni pirmās DNS virknes sintēzei, uz kuras nav grūti pabeigt otro virkni.
Iegūtā vīrusa divpavedienu DNS tiek integrēta eikariotu genomā, kas izraisa virionu proteīnu sintēzes procesu aktivizēšanos un liela skaita tā kopiju parādīšanos inficētajā šūnā. Šī ir Revertase un OT galvenā misija attiecībā uz vīrusu.
Reversā transkripcija var notikt arī eikariotos retrotransposonu kontekstā – mobilie ģenētiskie elementi, kas var neatkarīgi pārvietoties no vienas genoma daļas uz citu. Šādi elementi, pēc zinātnieku domām, izraisīja dzīvo organismu evolūciju.
Retrotransposons ir eikariotu DNS daļa, kas kodē vairākus proteīnus. Viena no tām, reversetāze, ir tieši saistīta ar šāda retrotransporozona delokalizāciju.
OT izmantošana zinātnē
Kopš brīža, kad reversetāze tika izolēta tīrā veidā, biologi ir pieņēmuši reversās transkripcijas procesu. OT mehānisma izpēte joprojām palīdz nolasīt svarīgāko cilvēka proteīnu secības.
Fakts ir tāds, ka eikariotu, tostarp mūsu, genoms satur neinformatīvus reģionus, ko sauc par introniem. Kad no šādas DNS tiek nolasīta nukleotīdu secība un veidojas vienpavedienu RNS, pēdējā zaudē intronus un kodē tikai olb altumvielas. Ja DNS tiek sintezēta, izmantojot reversetāzi uz RNS šablona, tad to ir viegli secināt un noskaidrot nukleotīdu secību.
Nukleīnskābi, ko veido reversā transkriptāze, sauc par cDNS. To bieži izmanto polimerāzes ķēdes reakcijā (PCR), lai mākslīgi palielinātu iegūtās cDNS kopijas kopiju skaitu. Šo metodi izmanto ne tikai zinātnē, bet arī medicīnā: laboranti nosaka šādas DNS līdzību ar dažādu baktēriju vai vīrusu genomiem no kopīgas bibliotēkas. Vektoru sintēze un to ievadīšana baktērijās ir viena no daudzsološākajām bioloģijas jomām. Ja RT izmanto, lai veidotu cilvēku un citu organismu DNS bez introniem, šādas molekulas var viegli ievadīt baktēriju genomā. Tātad pēdējie kļūst par rūpnīcām cilvēkam nepieciešamo vielu (piemēram, fermentu) ražošanai.
