Sinh học hiện đại gây kinh ngạc với tính độc đáo và quy mô khám phá của nó. Ngày nay, khoa học này nghiên cứu hầu hết các quá trình bị che giấu khỏi mắt chúng ta. Đây là điều đáng chú ý đối với sinh học phân tử - một trong những lĩnh vực đầy hứa hẹn giúp làm sáng tỏ những bí ẩn phức tạp nhất của vật chất sống.
Phiên âm ngược là gì
Phiên mã ngược (viết tắt là RT) là một quá trình đặc trưng của hầu hết các virus RNA. Tính năng chính của nó là tổng hợp phân tử DNA sợi đôi dựa trên RNA thông tin.
OT không phải là đặc trưng của vi khuẩn hoặc sinh vật nhân chuẩn. Enzyme chính, reverseetase, đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp DNA sợi đôi.
Lịch sử khám phá
Ý tưởng rằng một phân tử axit ribonucleic có thể trở thành khuôn mẫu để tổng hợp DNA được coi là vô lý cho đến những năm 1970. Sau đó B altimore và Temin, làm việc riêng biệt với nhau, gần như đồng thời phát hiện ra một loại enzym mới. Họ gọi nó là polymerase DNA phụ thuộc RNA, hay enzyme sao chép ngược.
Việc phát hiện ra enzyme này đã xác nhận vô điều kiện sự tồn tại của các sinh vậtcó khả năng phiên mã ngược. Cả hai nhà khoa học đều nhận giải Nobel năm 1975. Sau một thời gian, Engelhardt đề xuất một tên thay thế cho men sao chép ngược - revertase.
Tại sao Cựu ước lại mâu thuẫn với giáo điều trung tâm của sinh học phân tử
Giáo điều Trung tâm là khái niệm về quá trình tổng hợp protein tuần tự trong bất kỳ tế bào sống nào. Một sơ đồ như vậy được xây dựng từ ba thành phần: DNA, RNA và protein.
Theo giáo điều trung tâm, RNA có thể được tổng hợp độc quyền trên khuôn mẫu DNA, và chỉ khi đó RNA mới tham gia vào việc xây dựng cấu trúc chính của protein.
Giáo điều này chính thức được chấp nhận trong cộng đồng khoa học trước khi phát hiện ra sự sao chép ngược. Không có gì ngạc nhiên khi ý tưởng tổng hợp ngược DNA từ RNA từ lâu đã bị các nhà khoa học bác bỏ. Chỉ đến năm 1970, cùng với việc phát hiện ra enzym reverseetase, vấn đề này đã chấm dứt, được phản ánh trong khái niệm tổng hợp protein.
Hoàn nguyên các virus retrovirus ở gia cầm
Quá trình phiên mã ngược không hoàn thành nếu không có sự tham gia của DNA polymerase phụ thuộc RNA. Sự phục hồi của retrovirus gia cầm đã được nghiên cứu ở mức tối đa cho đến nay.
Chỉ có khoảng 40 phân tử protein này có thể được tìm thấy trong một virion của họ vi rút này. Protein bao gồm hai tiểu đơn vị có số lượng bằng nhau và thực hiện ba chức năng quan trọng của reversease:
1) Tổng hợp phân tử DNA cả trên khuôn mẫu RNA chuỗi đơn / chuỗi kép và trên cơ sở axit deoxyribonucleic.
2) Kích hoạt RNase H, vai trò chính của nó làsự phân cắt của phân tử RNA trong phức hợp RNA-DNA.
3) Phá hủy các phần của phân tử DNA để đưa vào hệ gen sinh vật nhân chuẩn.
Cơ chế OT
Các bước phiên mã ngược có thể khác nhau tùy thuộc vào họ vi rút, tức là về loại axit nucleic của chúng.
Đầu tiên chúng ta hãy xem xét những loại vi-rút sử dụng cơ chế đảo ngược. Ở đây quy trình Cựu ước được chia thành 3 bước:
1) Tổng hợp sợi RNA “-” trên khuôn mẫu “+” của sợi RNA.
2) Phá hủy sợi "+" của RNA trong phức hợp RNA-DNA bằng cách sử dụng enzyme RNase H.
3) Tổng hợp phân tử DNA mạch kép trên khuôn mẫu "-" của chuỗi RNA.
Phương pháp tái tạo virion này là điển hình cho một số vi rút gây ung thư và vi rút gây suy giảm miễn dịch ở người (HIV).
Cần lưu ý rằng để tổng hợp bất kỳ axit nucleic nào trên khuôn mẫu RNA, thì cần phải có hạt giống hoặc đoạn mồi. Đoạn mồi là một chuỗi ngắn các nucleotit bổ sung cho đầu 3 'của phân tử ARN (khuôn mẫu) và đóng một vai trò quan trọng trong việc bắt đầu tổng hợp.
Khi các phân tử DNA sợi kép đã tạo sẵn có nguồn gốc virut được tích hợp vào hệ gen của sinh vật nhân chuẩn, cơ chế thông thường của quá trình tổng hợp protein virion sẽ bắt đầu. Kết quả là tế bào bị vi rút “bắt giữ” trở thành một nhà máy sản xuất virion, nơi các phân tử protein và RNA cần thiết được hình thành với số lượng lớn.
Một cách khác để phiên mã ngược dựa trên hoạt động của RNA synthetase. Protein này hoạt động trong paramyxovirus, rhabdovirus, picornovirus. Trong trường hợp này, không có giai đoạn thứ ba của Cựu ước - sự hình thànhDNA sợi kép, và thay vào đó, chuỗi RNA “+” được tổng hợp trên khuôn mẫu của chuỗi RNA “-” của virus và ngược lại.
Sự lặp lại của các chu kỳ như vậy dẫn đến sự sao chép của bộ gen virus và hình thành mRNA có khả năng tổng hợp protein trong các điều kiện của một tế bào nhân thực bị nhiễm bệnh.
Ý nghĩa sinh học của phiên mã ngược
Quá trình OT có tầm quan trọng hàng đầu trong vòng đời của nhiều loại virus (chủ yếu là virus retrovirus như HIV). RNA của virion tấn công tế bào nhân thực sẽ trở thành khuôn mẫu để tổng hợp chuỗi DNA đầu tiên, trên đó không khó để hoàn thành chuỗi thứ hai.
DNA sợi kép thu được của virus được tích hợp vào bộ gen của sinh vật nhân chuẩn, dẫn đến việc kích hoạt các quá trình tổng hợp protein virion và xuất hiện một số lượng lớn các bản sao của nó bên trong tế bào bị nhiễm. Đây là nhiệm vụ chính của Revertase và OT nói chung đối với virus.
Phiên mã ngược cũng có thể xảy ra ở sinh vật nhân chuẩn trong bối cảnh các retrotransposon - các yếu tố di truyền di động có thể vận chuyển độc lập từ phần này sang phần khác của bộ gen. Theo các nhà khoa học, những yếu tố như vậy đã gây ra sự tiến hóa của các sinh vật sống.
Retrotransposon là một đoạn DNA nhân chuẩn mã hóa cho một số protein. Một trong số chúng, reverseetase, liên quan trực tiếp đến việc phân định vị trí của retrotransporozone như vậy.
Sử dụng Cựu ước trong khoa học
Kể từ thời điểm khi reverseetase được phân lập ở dạng tinh khiết, quá trình phiên mã ngược đã được các nhà sinh học áp dụng. Nghiên cứu về cơ chế OT vẫn giúp đọc trình tự của các protein quan trọng nhất của con người.
Thực tế là bộ gen của sinh vật nhân chuẩn, bao gồm cả chúng ta, chứa các vùng không cung cấp thông tin được gọi là intron. Khi trình tự nucleotide được đọc từ DNA như vậy và RNA chuỗi đơn được hình thành, chuỗi sau sẽ mất các intron và mã dành riêng cho protein. Nếu DNA được tổng hợp bằng cách sử dụng reverseetase trên khuôn mẫu RNA, thì sẽ dễ dàng giải mã trình tự và tìm ra thứ tự của các nucleotide.
Axit nucleic được tạo thành bởi enzym phiên mã ngược được gọi là cDNA. Nó thường được sử dụng trong phản ứng chuỗi polymerase (PCR) để tăng số lượng bản sao của bản sao cDNA thu được một cách giả tạo. Phương pháp này không chỉ được sử dụng trong khoa học mà còn được sử dụng trong y học: các trợ lý phòng thí nghiệm xác định sự tương đồng của DNA đó với bộ gen của nhiều loại vi khuẩn hoặc vi rút khác nhau từ một thư viện chung. Sự tổng hợp các vector và đưa chúng vào vi khuẩn là một trong những lĩnh vực sinh học đầy hứa hẹn. Nếu RT được sử dụng để hình thành DNA của con người và các sinh vật khác không có intron, các phân tử như vậy có thể dễ dàng được đưa vào hệ gen của vi khuẩn. Vì vậy, sau này trở thành nhà máy sản xuất các chất cần thiết cho một người (ví dụ, enzym).
