第二节 反转录作用(reverse transcription)

1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶,该酶以RNA为核板,根据碱基配对原则,按照RNA的核苷酸顺序(其中V与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反,故称为反转录,催化此过程的DNA聚合酶叫做反转录酶(reverse transcriptase)。后来发现反转录酶不仅普遍存在于RNA病毒中,哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶。

反转录酶的作用是以dNTP为底物,以RNA为模板,tRNA(主要是色氨酸tRNA)为引物,在tRNA3′桹H末端上,按5′→3′方向,合成一条与RNA模板互补的DNA单链,这条DNA单链叫做互补DNA(complementary DNA, cDNA),它与RNA模板形成RNA桪NA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(图16-17)。

反转录酶催化的反转录作用

图16-17 反转录酶催化的反转录作用

携带反转录酶的病毒又称为反转录病毒,它侵入宿主细胞后先以病毒RNA为模板靠反转录酶催化合成DNA,随后这种DNA环化并整合到宿主细胞的染色体DNA中去,以原病毒(provirus)的形式在宿主细胞中一代代传递下去。以后又发现许多反转录病毒基因组中都含有癌基因(oncogene),如果由于某种因素激活了癌基因就可使宿主细胞转化为癌细胞。(将在专门一章中叙述)。

大多数反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,多为色氨酸的tRNA,在引物tRNA3′-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RNaseH从RNA5′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,有些反转录酶还有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。反转录酶的发现对于遗传工程技术起了很大的推动作用,目前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,在反转录酶的作用下,合成出互补的DNA(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,详见基因工程一章。