生物化學與分子生物學/反轉錄作用
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1970年Temin等在致癌RNA病毒中發現了一種特殊的DNA聚合酶，該酶以RNA為核板，根據堿基配對原則，按照RNA的核苷酸順序(其中V與A配對)合成DNA。這一過程與一般遺傳信息流轉錄的方向相反，故稱為反轉錄，催化此過程的DNA聚合酶叫做反轉錄酶(reverse transcriptase)。后來發現反轉錄酶不僅普遍存在于RNA病毒中，哺乳動物的胚胎細胞和正在分裂的淋巴細胞中也有反轉錄酶。
反轉錄酶的作用是以dNTP為底物，以RNA為模板，tRNA(主要是色氨酸tRNA)為引物，在tRNA3′桹H末端上，按5′→3′方向，合成一條與RNA模板互補的DNA單鏈，這條DNA單鏈叫做互補DNA(complementary DNA, cDNA)，它與RNA模板形成RNA桪NA雜交體。隨后又在反轉錄酶的作用下，水解掉RNA鏈，再以cDNA為模板合成第二條DNA鏈。至此，完成由RNA指導的DNA合成過程(圖16－17)。
圖16－17 反轉錄酶催化的反轉錄作用
攜帶反轉錄酶的病毒又稱為反轉錄病毒，它侵入宿主細胞后先以病毒RNA為模板靠反轉錄酶催化合成DNA，隨后這種DNA環化并整合到宿主細胞的染色體DNA中去，以原病毒(provirus)的形式在宿主細胞中一代代傳遞下去。以后又發現許多反轉錄病毒基因組中都含有癌基因(oncogene)，如果由于某種因素激活了癌基因就可使宿主細胞轉化為癌細胞。(將在專門一章中敘述)。
大多數反轉錄酶都具有多種酶活性，主要包括以下幾種活性。①DNA聚合酶活性；以RNA為模板，催化dNTP聚合成DNA的過程。此酶需要RNA為引物，多為色氨酸的tRNA，在引物tRNA3′－末端以5′→3′方向合成DNA。反轉錄酶中不具有3′→5′外切酶活性，因此沒有校正功能，所以由反轉錄酶催化合成的DNA出錯率比較高。②RNase H活性；由反轉錄酶催化合成的cDNA與模板RNA形成的雜交分子，將由RNaseH從RNA5′端水解掉RNA分子。③DNA指導的DNA聚合酶活性；以反轉錄合成的第一條DNA單鏈為模板，以dNTP為底物，再合成第二條DNA分子。除此之外，有些反轉錄酶還有DNA內切酶活性，這可能與病毒基因整合到宿主細胞染色體DNA中有關。反轉錄酶的發現對于遺傳工程技術起了很大的推動作用，目前它已成為一種重要的工具酶。用組織細胞提取mRNA并以它為模板，在反轉錄酶的作用下，合成出互補的DNA(cDNA)，由此可構建出cDNA文庫(cDNa library)，從中篩選特異的目的基因，這是在基因工程技術中最常用的獲得目的基因的方法，詳見基因工程一章。
小結
DNA是攜帶遺傳信息的載體，細胞分裂前，通過DNA的復制作用，遺傳信息從親代DNA分子傳到子代DNA分子中。DNA復制時，是從一個特定的起始點開始的，兩條DNA鏈分別做模板，在DNA聚合酶等許多酶和蛋白質分子的參與下，以四種脫氧單核苷酸為原料(dNTP)，以堿基配對為原則合成新一代的DNA分子，合成方向是5′→3′。經過復制后的DNA分子中，一條鏈來自親代DNA分子，另一條鏈是新合成的，這種復制方式叫做半保留復制。由于DNA分子復制時，兩條鏈分別做模板，有一條鏈是連續合成的，這條鏈為前導鏈，而另一條鏈合成時只能以5′→3′方向先合成崗崎片段，然后再靠連接酶將這些片段連接起來，形成隨從鏈，所以DNA復制是半不連續的合成。
DNA復制時，先要由DNA拓撲異構酶作用于DNA分子雙螺旋，使之松馳，然后才能由解鏈酶作用，解開雙鏈，此時引物酶合成一段RNA分子做為引物，在DNA聚合酶Ⅲ催化下，連續地合成DNA鏈。隨從鏈的合成靠多種酶和蛋白質因子參與，在引物酶作用下合成RNA引物，在DNA聚合酶Ⅲ作用下合成DNA片段，它們共同形成了崗崎片段，RNA引物是靠DNA聚合酶Ⅰ的5'→3'外切活性切除的，切除引物后的空隙，再靠DNA聚合酶Ⅰ填補，最后在連接酶作用下，形成長鏈。
真核生物中DNA的復制靠DNA聚合酶，它有多種不同的形式(α、β、γ、δ等)此外，還有像PCNA等多種蛋白質因子參與。
DNA復制中的準確性很高，因為原核細胞靠DNA聚合酶Ⅰ而真核細胞靠DNA聚合酶δ，都具有3′→5′外切酶活性，可以校正復制中出現的堿基錯配。DNA的合成也可以靠反轉錄酶的催化而完成，這是以RNA分子為模板，合成DNA分子的過程，在致癌的RNA病毒中，有反轉錄酶的存在，真核生物中的端粒酶就是一種反轉錄酶，它催化染色體端區DNA的合成。
思考題
1.DNA復制起始有哪些特點?
2.原核生物與真核生物中的DNA聚合酶有哪些種類，它們各自的功能是什么?
3.DNA復制時前導鏈與隨從鏈的合成有哪些不同?
4.DNA拓撲異構酶的作用如何?
5.連接酶催化的連接反應與DNA聚合酶5′→3′聚合活性有何異同?
6.什么是反轉錄，有什么生物學意義?
 真核生物DNA復制的特點 | DNA的損傷與修復  |
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