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逆转录病毒和逆转录酶的机理和应用

作者:Magigen


逆转录酶的定义


逆转录酶,英文名:Reverse transcriptase,又称反转录酶,RT酶,是RNA定向DNA聚合酶,是一种由逆转录病毒遗传物质编码的酶,对逆转录病毒RNA(核糖核酸)转录成DNA(脱氧核糖核酸)进行催化。

这种催化转录是正常细胞将DNA转录成RNA的逆过程,因此被称为逆转录酶和逆转录病毒。

逆转录酶是逆转录病毒感染属性的核心,其中一些会导致人类疾病,包括导致获得性免疫缺陷综合症(AIDS)的人类免疫缺陷病毒(HIV)和导致白血病的人类T细胞淋巴营养病毒I型(HTLV-I)。

逆转录酶也是被称为逆转录聚合酶链反应RT-PCR实验室技术的基本组成部分,RT-PCR是用于研究和诊断癌症等疾病的有力工具。

逆转录病毒/逆转录酶/反转录酶/RT酶逆转录过程图解,美格生物

图1. 逆转录病毒、逆转录酶、逆转录过程图解

感染逆转录病毒后,逆转录酶将病毒RNA转化为前病毒DNA,然后将其整合到细胞核内宿主细胞的DNA中。


逆转录病毒的结构


逆转录病毒由一个RNA基因组组成,该基因组包含在一个包裹在脂质膜中的蛋白质外壳中。

逆转录病毒基因组通常由三个基因组成:群体特异性抗原基因(gag)、聚合酶基因(pol)和包膜基因(env)。

pol基因编码三种酶:蛋白酶、逆转录酶和整合酶,这些酶催化逆转录病毒感染的过程。

一旦逆转录病毒进入宿主细胞(一个由蛋白酶介导的过程),它就会接管宿主的基因转录机制,来构建DNA前病毒。

逆转录病毒RNA向前病毒DNA转化这个过程由逆转录酶催化,是前病毒DNA插入宿主DNA所必需的,这一步骤是由整合酶启动的。

致癌逆转录病毒

逆转录病毒的插入可以将控制细胞分裂的原癌基因转化为癌基因,癌基因是负责将健康细胞转化为癌细胞的因子。


逆转录病毒/逆转录酶/反转录酶/RT酶逆转录感染过程图解,美格生物

图2. 逆转录病毒感染过程

如图2所示,急性转化的逆转录病毒(见图2上部分),在感染后数周内产生肿瘤,在感染后将宿主细胞的遗传物质整合到自己的基因组中,形成一种病毒癌基因。

当病毒癌基因感染另一个细胞时,一种名为逆转录酶的酶将单链遗传物质复制成双链DNA,然后整合到细胞基因组中。

缓慢转化的逆转录病毒(如图2下部分所示)需要数月才能诱导肿瘤生长,它不会通过插入病毒癌基因而破坏细胞功能。

相反,它携带一个启动子基因,该启动子基因与原癌基因相邻或在原癌基因内整合到宿主细胞的细胞基因组中,允许原癌基因转化为癌基因。

早期逆转录病毒观察

多年来,分子生物学中存在着一种被称为“中心法则”的模式。


什么是分子生物学的中心法则?


分子生物学的中心法则:DNA首先被转录成RNA,RNA被翻译成氨基酸,氨基酸被组装成长链,称为多肽,组成蛋白质,而蛋白是细胞生命的功能单位。中心法则描述了从一个基因到相应蛋白质的信息流的途径。遗传信息贮存在DNA中,DNA被复制传给子代细胞,信息被拷贝或由DNA转录成RNA,然后RNA翻译成多肽,最后形成蛋白。

分子生物学中心法则图解,美格生物

图3. 中心法则图解

然而,尽管这个中心法则是正确的,就像许多生物学的范例一样,也有一些重要的例外。

第一个违反中心法则的重要发现出现在20世纪初。两位丹麦研究人员,维尔赫尔姆和奥卢夫用6只鸡做实验,通过用一种可过滤剂(现在称为病毒)感染第一只鸡,然后用这只鸡的血液感染下一只鸡,这样一个接一个,成功地将白血病传染给了六只鸡。

当时,只有可触摸到的恶性肿瘤才被认为是癌症。因此,当时这一观察结果没有将病毒与引起恶性肿瘤相联系,因为那时白血病还不被认为是癌症。当时,白血病被认为是某种细菌感染的结果。

1911年,在洛克菲勒医学研究所(现为洛克菲勒大学)工作的美国病理学家佩顿·劳斯(Peyton Rous)报告说,健康的鸡在感染其他鸡的肿瘤细胞时,会患上恶性肉瘤(结缔组织癌)。

劳斯进一步研究了肿瘤细胞,并从中分离出一种病毒,后来命名为劳斯肉瘤病毒(RSV)。

然而,传染性癌症的概念几乎得不到支持,由于无法从其他癌症中分离出病毒,劳斯在1915年放弃了这项工作,直到1934年才重返这项工作。

几十年后,他的发现的意义被人们认识,1966年,在他第一次实验55年后,87岁的劳斯因发现了诱发肿瘤的病毒而被授予诺贝尔生理学、医学奖。


在20世纪中叶,分子生物学有了许多进展,包括1953年美国遗传学家和生物物理学家詹姆士和英国生物物理学家克里克和威尔金斯做出了很多贡献。

到了20世纪60年代,人们已经知道肉瘤是由导致细胞分裂失控的突变引起的。RSV在癌细胞分裂过程中也是遗传的。

这种遗传是以一种符合孟德尔遗传定律的方式发生的,到目前为止,孟德尔遗传定律被认为只适用于DNA分子。


什么是孟德尔定律?


孟德尔定律由奥地利遗传学家 格里哥·孟德尔在1865年发表并催生了遗传学诞生的著名定律。他揭示出遗传学的两个基本定律—— 分离定律和 自由组合定律,统称为 孟德尔遗传规律。

分离定律:在生物的体细胞中,控制同一性状的遗传因子成对存在,不相融合;在形成配子时,成对的遗传因子发生分离,分离后的遗传因子分别进入不同的配子中,随配子遗传给后代的现象叫做孟德尔分离定律。

自由组合规律(law of independent assortment)是现代生物遗传学三大基本定律之一 。当具有两对(或更多对)相对性状的亲本进行杂交,在子一代产生配子时,在等位基因分离的同时,非同源染色体上的基因表现为自由组合。其实质是非等位基因自由组合,即一对染色体上的等位基因与另一对染色体上的等位基因的分离或组合是彼此间互不干扰的,各自独立地分配到配子中去。因此也称为独立分配律


什么是DNA前病毒假说?


科学家们假设,为了实现这种病毒遗传,病毒需要将其RNA基因组转录成DNA,然后将DNA插入宿主细胞基因组。

一旦整合到宿主基因组中,病毒将被转录成另一个基因,并能从其DNA中产生更多的RNA病毒。

这个假说,被称为“DNA前病毒假说”,是由美国病毒学家霍华德·马丁·泰明(Howard Martin Temin)在20世纪50年代末提出的。

泰明假说于1964年正式提出。当实验证明一种名为放线菌素D的抗生素能够抑制DNA和RNA的合成、抑制RSV的繁殖时,前病毒假说就产生了。

然而,RNA分子将自身转化为DNA的概念支持者不多。


逆转录酶的发现

1970年,Temin和日本病毒学家Satoshi Mizutani以及美国病毒学家David Baltimore独立工作,报告发现了一种可以从RSV的RNA基因组合成前病毒DNA的酶。

这种酶被称为RNA定向DNA聚合酶,通常被称为逆转录酶。这一发现确立了一个独特的病毒家族,逆转录病毒科,而对这些病毒的发病机制的理解促使人们加快发现其他传染性致癌因子。

1975年,泰明、巴尔的摩和杜尔贝科(同时指导泰明和巴尔的摩)因“关于肿瘤病毒和细胞遗传物质相互作用的发现”而获得诺贝尔生理学或医学奖。

在20世纪80年代早期,HTLV-I和HTLV-II逆转录病毒被发现,并证实能引起白血病。

1983年,HIV被分离出来并确认为艾滋病的病原体。HIV感染被称为辅助性T细胞的白细胞,导致更多病毒的产生,最终导致细胞死亡和免疫系统的破坏。


逆转录酶的用途与应用


抑制逆转录酶的药物是艾滋病病毒感染者的第一种治疗方法。核苷逆转录酶抑制剂NRTIs,如AZT(齐多夫定),这是美国食品和药物管理局批准的第一种延长艾滋病患者生命的药物,其作用是在酶完成转录之前终止前病毒DNA链。

NRTIs通常与非核苷逆转录酶抑制剂 (NNRTIs)联合使用,如依法韦仑,通过结合和改变酶本身的形状来发挥作用,从而阻断酶的功能。

逆转录酶从RNA中合成DNA的能力已在实验室得到应用。例如,RT-PCR通常用于量化从基因转录的信使RNA(mRNA)的数量。由于RNA的脆弱性和研究的难度,在RT-PCR过程中利用逆转录酶从RNA中合成了一条互补DNA(cDNA)链。然后可以通过聚合酶链反应扩增cDNA并用于随后的实验。


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