Сучасна біологія вражає унікальністю і масштабністю своїх відкриттів. На сьогоднішній день ця наука вивчає більшість процесів, які приховані від нашого ока. Цим примітна молекулярна біологія – один з перспективних напрямків, що допомагає розгадати найскладніші таємниці живої матерії.

Що таке зворотна транскрипція

Зворотна транскрипція (скорочено) – це специфічний процес, характерний для більшості РНК-вмісних вірусів. Головною його особливістю є синтез дволанцюжкової молекули ДНК на базі матричної РНК.


ВІД не характерна для бактерій або эукариотических організмів. Головний фермент – ревертаза – відіграє ключову роль у синтезі дволанцюжкової ДНК.

Історія відкриття

Ідея про те, що молекула рибонуклеїнової кислоти може стати матрицею для синтезу ДНК, вважалася абсурдною аж до 1970 року. Тоді Балтімор і Темін, працювали окремо один від одного, майже одночасно відкрили новий фермент. Вони назвали його РНК-залежна ДНК-полімераза, або зворотна транскриптаза. Відкриття даного ензиму беззастережно підтвердило існування організмів, здатних до зворотної транскрипції. У 1975 році обидва вчені отримали Нобелівську премію. Через деякий час Енгельгардт запропонував альтернативне назва зворотної транскриптази – ревертаза.

Чому суперечить ВІД центральної догмі молекулярної біології

Центральна догма – це принципова схема послідовного синтезу білка в будь-якій живій клітині. Така схема будується з трьох компонентів: ДНК, РНК і білок.


Згідно з центральної догмі, РНК може синтезуватися виключно на матриці ДНК, а вже потім РНК бере участь у побудові первинної структури білка. Ця догма була офіційно прийнята в науковому товаристві раніше, ніж відбулося відкриття зворотної транскрипції. Не дивно, що ідея про зворотне синтезі ДНК із РНК довго відкидалася вченими. Лише в 1970 році разом з відкриттям ревертази була поставлена крапка в цьому питанні, що відбилося і в принциповій схемі синтезу білка.

Ревертаза ретровірусів птахів

Процес зворотної транскрипції не обходиться без участі РНК-залежної ДНК-полімерази. Максимально вивчена на сьогоднішній день ревертаза ретровірусу птахів. Всього близько 40 молекул цього білка можна виявити в одному віріона цього сімейства вірусів. Протеїн складається з двох субодиниць, які знаходяться в рівній кількості і виконують три найважливіші функції ревертази: 1) Синтез молекул ДНК на матриці одноланцюгової/дволанцюжкової РНК, так і на основі дезоксирибонуклеинових кислот. 2) Активація Рнкази Н, головна роль якої полягає в розщепленні молекули РНК в комплексі РНК-ДНК. 3) Руйнування ділянок молекул ДНК для вбудовування в геном еукаріотів.

Механізм ВІД

Етапи зворотної транскрипції можуть змінюватись в залежності від сімейства вірусів, тобто від виду їх нуклеїнових кислот. Розглянемо спочатку ті віруси, які використовують ревертазу. Тут процес ВІД поділяється на 3 етапи: 1) Синтез «-» ланцюга РНК на матриці «+» ланцюга РНК. 2) Руйнування «+» ланцюга РНК в комплексі РНК-ДНК за допомогою ферменту Рнкази Н. 3) Синтез дволанцюжкової молекули ДНК на матриці «-» ланцюга РНК. Такий спосіб розмноження характерний віріонів для деяких онкогенних вірусів і вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ). Варто зазначити, що для синтезу будь нуклеїнової кислоти на матриці РНК потрібна затравка, або праймер. Мастика являє собою коротку послідовність нуклеотидів, комплементарну 3'-кінця молекули РНК (матриці) і відіграє важливу роль в ініціації синтезу.
Коли готові двухцепочечниє молекули ДНК вірусного походження вбудовуються в геном еукаріотів, запускається звичайний механізм синтезу білків віріона. У підсумку "захоплена" вірусом клітина стає фабрикою віріонів, де у великих кількостях утворюються необхідні молекули білків і РНК. Ще один спосіб зворотної транскрипції здійснюється на основі дії РНК-синтетази. Цей білок активний у параміксовірусів, рабдовирусов, пикорновирусов. У цьому випадку відсутня третя стадія – утворення дволанцюговою ДНК, а замість цього на матриці вірусної «-» ланцюга РНК синтезується «+» ланцюг РНК і навпаки. Повторення таких циклів призводить як до реплікації геному вірусу, так і до утворення мРНК, здатних до синтезу білка в умовах зараженої эукариотической клітини.

Біологічне значення зворотної транскрипції

Процес ВІД має першорядне значення в життєвому циклі багатьох вірусів (в першу чергу ретровірусів, таких як ВІЛ). РНК віріона, іспанця клітку еукаріотів, стає матрицею для синтезу першої ланцюжки ДНК, на якій не важко добудувати і другу ланцюг. Отримана двухцепочечная ДНК вірусу вбудовується в геном еукаріотів, що призводить до активації процесів синтезу білків віріона і появи великої кількість його копій всередині зараженої клітини. В цьому і полягає основна місія ревертази і в цілому для вірусу. У еукаріотів також може зустрічатися зворотна транскрипція в контексті ретротранспозонів – мобільних генетичних елементів, здатних самостійно перевозити з однієї ділянки геному в інший. Такі елементи, як вважають вчені, стали причиною еволюції живих організмів.
Ретротранспозон являє собою ділянку ДНК еукаріотів, який кодує кілька білків. Один з них, ревертаза, бере безпосередню участь у делокалізації такого ретротраспорозона.

Використання в науці

З того моменту, як вдалося виділити ревертазу в чистому вигляді, процес зворотної транскрипції взяли на озброєння вчені-біологи. Вивчення механізму ВІД і зараз допомагає прочитати послідовності найважливіших білків людини. Справа в тому, що геном еукаріотів, у тому числі і нас, містить неінформативні ділянки під назвою интрони. Коли з такою ДНК зчитується послідовність нуклеотидів і формується одноланцюжкова РНК, остання позбавляється інтронів і кодує виключно білок. Якщо з допомогою ревертази на матриці РНК синтезувати ДНК, її легко потім секвенувати і дізнатися порядок нуклеотидів. Нуклеїнова кислота, яка була утворена за допомогою зворотної транскриптази, називається кДНК. Вона часто використовується в полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), щоб штучно збільшити кількість копій отриманої копії кДНК. Даний метод використовується не тільки в науці, але і в медицині: лаборанти визначають подібність такої ДНК з геномами різних бактерій або вірусів із загальної бібліотеки. Синтез векторів і впровадження їх у бактерії – один з перспективних напрямків біології. Якщо з допомогою формувати ДНК людини та інших організмів без інтронів, такі молекули легко впроваджуються у геном бактерій. Так останні стають фабриками по виробництву необхідних людині речовин (наприклад, ферментів).