ชีววิทยาสมัยใหม่ตื่นตาตื่นใจกับความเป็นเอกลักษณ์และขนาดของการค้นพบ วันนี้วิทยาศาสตร์นี้ศึกษากระบวนการส่วนใหญ่ที่ซ่อนอยู่จากสายตาของเรา นี่เป็นเรื่องน่าทึ่งสำหรับอณูชีววิทยา - หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มว่าจะช่วยในการไขความลึกลับที่ซับซ้อนที่สุดของสิ่งมีชีวิต
การถอดเสียงแบบย้อนกลับคืออะไร
Reverse transcription (RT for short) เป็นลักษณะเฉพาะของกระบวนการของไวรัส RNA ส่วนใหญ่ คุณสมบัติหลักคือการสังเคราะห์โมเลกุล DNA แบบสองสายโดยอาศัย RNA ของผู้ส่งสาร
OT ไม่ใช่ลักษณะของแบคทีเรียหรือสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอต เอนไซม์หลัก รีเวิร์เทส มีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์ DNA แบบสองสาย
ประวัติการค้นพบ
ความคิดที่ว่าโมเลกุลของกรดไรโบนิวคลีอิกสามารถกลายเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ DNA นั้นถือว่าไร้สาระจนถึงปี 1970 จากนั้นบัลติมอร์และเทมินซึ่งทำงานแยกจากกัน เกือบจะพร้อมกันได้ค้นพบเอนไซม์ใหม่ พวกเขาเรียกมันว่า RNA-dependent-DNA polymerase หรือ reverse transcriptase
การค้นพบเอ็นไซม์นี้ยืนยันการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตอย่างไม่มีเงื่อนไขสามารถถอดความแบบย้อนกลับได้ นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลในปี 2518 หลังจากนั้นไม่นาน Engelhardt ก็เสนอชื่ออื่นสำหรับ reverse transcriptase - revertase
เหตุใด OT จึงขัดแย้งกับความเชื่อหลักของอณูชีววิทยา
The Central Dogma คือแนวคิดของการสังเคราะห์โปรตีนตามลำดับในเซลล์ที่มีชีวิต โครงร่างดังกล่าวสร้างขึ้นจากสามองค์ประกอบ: DNA, RNA และโปรตีน
ตามหลักความเชื่อ RNA สามารถสังเคราะห์ได้เฉพาะในแม่แบบ DNA และจากนั้น RNA เท่านั้นที่มีส่วนเกี่ยวข้องในการสร้างโครงสร้างหลักของโปรตีน
ความเชื่อนี้ได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการในชุมชนวิทยาศาสตร์ก่อนการค้นพบการถอดความแบบย้อนกลับ ไม่น่าแปลกใจที่นักวิทยาศาสตร์ปฏิเสธแนวคิดเรื่องการสังเคราะห์ DNA จาก RNA แบบย้อนกลับมาเป็นเวลานาน เฉพาะในปี 1970 พร้อมกับการค้นพบการย้อนกลับของปัญหานี้ ซึ่งสะท้อนให้เห็นในแนวคิดของการสังเคราะห์โปรตีน
การย้อนกลับของไวรัสนกย้อนยุค
กระบวนการถอดความแบบย้อนกลับไม่สมบูรณ์หากไม่มีการมีส่วนร่วมของพอลิเมอเรสที่ขึ้นกับ DNA ของ RNA การย้อนกลับของไวรัส retrovirus นกได้รับการศึกษาในระดับสูงสุดจนถึงปัจจุบัน
โปรตีนนี้ประมาณ 40 โมเลกุลเท่านั้นที่สามารถพบได้ในไวรัสกลุ่มเดียวในตระกูลนี้ โปรตีนประกอบด้วยหน่วยย่อยสองหน่วยที่มีจำนวนเท่ากันและทำหน้าที่สำคัญสามประการของการย้อนกลับ:
1) การสังเคราะห์โมเลกุล DNA ทั้งในแม่แบบ RNA สายเดี่ยว/สายคู่ และบนพื้นฐานของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก
2) การเปิดใช้งาน RNase H บทบาทหลักคือเพื่อความแตกแยกของโมเลกุล RNA ในคอมเพล็กซ์ RNA-DNA
3) การทำลายส่วนของโมเลกุลดีเอ็นเอเพื่อแทรกเข้าไปในจีโนมของยูคาริโอต
กลไก OT
ขั้นตอนการถอดเสียงแบบย้อนกลับอาจแตกต่างกันไปตามตระกูลของไวรัส เช่น เกี่ยวกับชนิดของกรดนิวคลีอิก
เรามาพิจารณาไวรัสที่ใช้การ Reversetase กันก่อน ที่นี่กระบวนการ OT แบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอน:
1) การสังเคราะห์สาย RNA “-” บนเทมเพลต “+” ของสาย RNA
2) การทำลายสาย "+" ของ RNA ใน RNA-DNA complex โดยใช้เอ็นไซม์ RNase H.
3) การสังเคราะห์โมเลกุล DNA แบบสองสายบนเทมเพลต "-" ของสาย RNA
วิธีการสืบพันธุ์ของ virion นี้เป็นเรื่องปกติสำหรับไวรัสก่อมะเร็งบางชนิดและไวรัสภูมิคุ้มกันบกพร่องของมนุษย์ (HIV)
น่าสังเกตว่าสำหรับการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิกบนเทมเพลต RNA จำเป็นต้องใช้เมล็ดพืชหรือไพรเมอร์ ไพรเมอร์คือลำดับนิวคลีโอไทด์สั้นๆ ที่ประกอบกับส่วนท้าย 3' ของโมเลกุลอาร์เอ็นเอ (เทมเพลต) และมีบทบาทสำคัญในการเริ่มต้นการสังเคราะห์
เมื่อโมเลกุล DNA แบบสองสายสำเร็จรูปที่มีต้นกำเนิดจากไวรัสถูกรวมเข้ากับจีโนมของยูคาริโอต กลไกตามปกติของการสังเคราะห์โปรตีน virion จะเริ่มต้นขึ้น เป็นผลให้เซลล์ "จับ" โดยไวรัสกลายเป็นโรงงานผลิต virion ซึ่งโปรตีนที่จำเป็นและโมเลกุล RNA จะเกิดขึ้นในปริมาณมาก
การถอดความแบบย้อนกลับอีกวิธีหนึ่งขึ้นอยู่กับการกระทำของ RNA synthetase โปรตีนนี้มีฤทธิ์ใน paramyxoviruses, rhabdoviruses, picornoviruses ในกรณีนี้ไม่มี OT ขั้นตอนที่สาม - การก่อตัวDNA ที่มีเกลียวสองเส้น และแทนที่ “+” RNA chain จะถูกสังเคราะห์บนแม่แบบของไวรัส “-” RNA chain และในทางกลับกัน
การทำซ้ำของวัฏจักรดังกล่าวนำไปสู่การจำลองแบบของจีโนมไวรัสและการก่อตัวของ mRNA ที่สามารถสังเคราะห์โปรตีนภายใต้สภาวะของเซลล์ยูคาริโอตที่ติดเชื้อ
ความสำคัญทางชีวภาพของการถอดความแบบย้อนกลับ
กระบวนการ OT มีความสำคัญยิ่งในวงจรชีวิตของไวรัสหลายชนิด (โดยหลักแล้วไวรัส retrovirus เช่น HIV) RNA ของ virion ที่โจมตีเซลล์ยูคาริโอตกลายเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์สาย DNA สายแรก ซึ่งทำให้สายที่สองสมบูรณ์ได้ไม่ยาก
DNA แบบสองสายที่ได้รับของไวรัสถูกรวมเข้ากับจีโนมของยูคาริโอต ซึ่งนำไปสู่การกระตุ้นกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน virion และการปรากฏตัวของสำเนาจำนวนมากภายในเซลล์ที่ติดเชื้อ นี่คือภารกิจหลักของRevertaseและ OT โดยทั่วไปสำหรับไวรัส
การถอดความแบบย้อนกลับอาจเกิดขึ้นในยูคาริโอตในบริบทของรีโทรทรานส์โพซอน ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ที่สามารถขนส่งจากส่วนหนึ่งของจีโนมไปยังอีกส่วนหนึ่งได้อย่างอิสระ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าองค์ประกอบดังกล่าวทำให้เกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต
Retrotransposon คือ DNA ของยูคาริโอตที่เข้ารหัสโปรตีนหลายชนิด หนึ่งในนั้นคือ reversetase เกี่ยวข้องโดยตรงในการขยายเขตของ retrotransporozone
การใช้ OT ในวิทยาศาสตร์
ตั้งแต่ตอนที่การแยกสารย้อนกลับถูกแยกออกมาในรูปแบบที่บริสุทธิ์ กระบวนการถอดความแบบย้อนกลับถูกนำมาใช้โดยนักชีววิทยาการศึกษากลไก OT ยังช่วยในการอ่านลำดับของโปรตีนที่สำคัญที่สุดของมนุษย์
ความจริงก็คือจีโนมของยูคาริโอต รวมทั้งเรา มีส่วนที่ไม่ให้ข้อมูลที่เรียกว่าอินตรอน เมื่อลำดับนิวคลีโอไทด์ถูกอ่านจากดีเอ็นเอดังกล่าวและเกิดอาร์เอ็นเอสายเดี่ยว ลำดับหลังจะสูญเสียอินตรอนและรหัสสำหรับโปรตีนโดยเฉพาะ หาก DNA ถูกสังเคราะห์โดยใช้ reversetase บนเทมเพลต RNA มันก็จะง่ายต่อการจัดลำดับและค้นหาลำดับของนิวคลีโอไทด์
กรดนิวคลีอิกที่เกิดขึ้นจาก reverse transcriptase เรียกว่า cDNA มักใช้ในปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) เพื่อเพิ่มจำนวนสำเนาของสำเนา cDNA ที่เป็นผลเทียม วิธีนี้ใช้ไม่เพียง แต่ในวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังใช้ในทางการแพทย์ด้วย: ผู้ช่วยในห้องปฏิบัติการกำหนดความคล้ายคลึงกันของ DNA ดังกล่าวกับจีโนมของแบคทีเรียหรือไวรัสต่างๆ จากห้องสมุดทั่วไป การสังเคราะห์พาหะนำโรคและการแนะนำของพวกมันสู่แบคทีเรียเป็นหนึ่งในประเด็นทางชีววิทยาที่มีแนวโน้มดี ถ้า RT ถูกใช้เพื่อสร้าง DNA ของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ โดยไม่มีอินตรอน โมเลกุลดังกล่าวจะถูกนำเข้าสู่จีโนมของแบคทีเรียได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นโรงงานหลังนี้จึงกลายเป็นโรงงานผลิตสารที่จำเป็นสำหรับบุคคล (เช่น เอนไซม์)