თანამედროვე ბიოლოგია გაოცებულია მისი აღმოჩენების უნიკალურობითა და მასშტაბებით. დღეს ეს მეცნიერება სწავლობს პროცესების უმეტესობას, რომლებიც დაფარულია ჩვენი თვალიდან. ეს გასაოცარია მოლეკულური ბიოლოგიისთვის - ერთ-ერთი პერსპექტიული სფერო, რომელიც ეხმარება ცოცხალი მატერიის ყველაზე რთული საიდუმლოებების ამოხსნას.
რა არის საპირისპირო ტრანსკრიფცია
შებრუნებული ტრანსკრიფცია (მოკლედ RT) რნმ ვირუსების უმეტესობისთვის დამახასიათებელი სპეციფიკური პროცესია. მისი მთავარი მახასიათებელია მესინჯერ რნმ-ზე დაფუძნებული ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულის სინთეზი.
OT არ არის დამახასიათებელი ბაქტერიებისა და ევკარიოტული ორგანიზმებისთვის. მთავარი ფერმენტი, რევერსიტაზა, მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ორჯაჭვიანი დნმ-ის სინთეზში.
აღმოჩენის ისტორია
იდეა, რომ რიბონუკლეინის მჟავის მოლეკულა შეიძლება გახდეს დნმ-ის სინთეზის შაბლონი, აბსურდულად ითვლებოდა 1970-იან წლებამდე. შემდეგ ბალტიმორმა და ტემინმა, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად მუშაობდნენ, თითქმის ერთდროულად აღმოაჩინეს ახალი ფერმენტი. მათ უწოდეს მას რნმ-დამოკიდებულ-დნმ პოლიმერაზა, ან საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა.
ამ ფერმენტის აღმოჩენამ უპირობოდ დაადასტურა ორგანიზმების არსებობაშეუძლია საპირისპირო ტრანსკრიფცია. ორივე მეცნიერმა მიიღო ნობელის პრემია 1975 წელს. გარკვეული პერიოდის შემდეგ, ენგელჰარდტმა შესთავაზა საპირისპირო ტრანსკრიპტაზას ალტერნატიული სახელი - რევერტაზა.
რატომ ეწინააღმდეგება OT მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალურ დოგმას
ცენტრალური დოგმა არის ცილის თანმიმდევრული სინთეზის კონცეფცია ნებისმიერ ცოცხალ უჯრედში. ასეთი სქემა აგებულია სამი კომპონენტისგან: დნმ, რნმ და ცილა.
ცენტრალური დოგმის თანახმად, რნმ შეიძლება სინთეზირებული იყოს ექსკლუზიურად დნმ-ის შაბლონზე და მხოლოდ ამის შემდეგ რნმ მონაწილეობს ცილის პირველადი სტრუქტურის აგებაში.
ეს დოგმა ოფიციალურად იქნა მიღებული სამეცნიერო საზოგადოებაში საპირისპირო ტრანსკრიპციის აღმოჩენამდე. გასაკვირი არ არის, რომ რნმ-დან დნმ-ის საპირისპირო სინთეზის იდეა დიდი ხანია უარყოფილია მეცნიერების მიერ. მხოლოდ 1970 წელს, რევერსიტაზას აღმოჩენასთან ერთად, დასრულდა ეს საკითხი, რაც აისახა ცილის სინთეზის კონცეფციაში.
ფრინველის რეტროვირუსების რევერტაზა
შებრუნებული ტრანსკრიფციის პროცესი არ არის დასრულებული რნმ-დამოკიდებული დნმ პოლიმერაზას მონაწილეობის გარეშე. ფრინველის რეტროვირუსის რევერტაზა დღემდე შესწავლილია მაქსიმალური მასშტაბით.
ამ ცილის მხოლოდ 40 მოლეკულა შეიძლება მოიძებნოს ამ ოჯახის ვირუსების ერთ ვირიონში. ცილა შედგება ორი ქვეერთეულისაგან, რომლებიც თანაბარი რაოდენობითაა და ასრულებენ რევერსიის სამ მნიშვნელოვან ფუნქციას:
1) დნმ-ის მოლეკულის სინთეზი როგორც ერთჯაჭვიან/ორჯაჭვიან რნმ-ის შაბლონზე, ასევე დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავების საფუძველზე.
2) RNase H აქტივაცია, რომლის მთავარი როლი არისრნმ-ის მოლეკულის დაშლა რნმ-დნმ კომპლექსში.
3) დნმ-ის მოლეკულების სექციების განადგურება ევკარიოტული გენომში შესაყვანად.
მექანიზმი OT
საპირისპირო ტრანსკრიფციის ეტაპები შეიძლება განსხვავდებოდეს ვირუსების ოჯახის მიხედვით, ე.ი. მათი ნუკლეინის მჟავების ტიპზე.
მოდი პირველ რიგში განვიხილოთ ის ვირუსები, რომლებიც იყენებენ რევერსტაზას. აქ OT პროცესი დაყოფილია 3 ნაბიჯად:
1) "-" რნმ ჯაჭვის სინთეზი რნმ ჯაჭვის შაბლონზე "+".
2) რნმ-ის "+" ჯაჭვის განადგურება რნმ-დნმ კომპლექსში ფერმენტის RNase H.
3) ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულის სინთეზი რნმ-ის ჯაჭვის შაბლონზე "-".
ვირიონის გამრავლების ეს მეთოდი დამახასიათებელია ზოგიერთი ონკოგენური ვირუსისა და ადამიანის იმუნოდეფიციტის ვირუსისთვის (აივ).
აღსანიშნავია, რომ რნმ-ის შაბლონზე ნებისმიერი ნუკლეინის მჟავის სინთეზისთვის საჭიროა თესლი ან პრაიმერი. პრაიმერი არის ნუკლეოტიდების მოკლე თანმიმდევრობა, რომელიც ავსებს რნმ-ის მოლეკულის 3' ბოლოს (თარგი) და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სინთეზის დაწყებაში.
როდესაც ვირუსული წარმოშობის მზა ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულები ინტეგრირდება ევკარიოტულ გენომში, იწყება ვირიონის ცილის სინთეზის ჩვეულებრივი მექანიზმი. შედეგად, ვირუსის მიერ „დატყვევებული“უჯრედი იქცევა ვირიონის წარმოების ქარხანად, სადაც დიდი რაოდენობით წარმოიქმნება საჭირო ცილა და რნმ მოლეკულები.
საპირისპირო ტრანსკრიფციის სხვა გზა ემყარება რნმ სინთეზის მოქმედებას. ეს ცილა აქტიურია პარამიქსოვირუსებში, რაბდოვირუსებში, პიკორნოვირუსებში. ამ შემთხვევაში, არ არსებობს OT-ის მესამე ეტაპი - ფორმირებაორჯაჭვიანი დნმ და ამის ნაცვლად, სინთეზირებულია რნმ-ის „+“ჯაჭვი ვირუსული „-“რნმ ჯაჭვის შაბლონზე და პირიქით.
ასეთი ციკლების გამეორება იწვევს როგორც ვირუსის გენომის რეპლიკაციას, ასევე mRNA-ს ფორმირებას, რომელსაც შეუძლია ცილის სინთეზი ინფიცირებული ევკარიოტული უჯრედის პირობებში.
შებრუნებული ტრანსკრიპციის ბიოლოგიური მნიშვნელობა
OT პროცესს უდიდესი მნიშვნელობა აქვს მრავალი ვირუსის (ძირითადად რეტროვირუსების, როგორიცაა აივ) სასიცოცხლო ციკლში. ვირიონის რნმ, რომელიც თავს დაესხა ევკარიოტულ უჯრედს, ხდება დნმ-ის პირველი ჯაჭვის სინთეზის შაბლონი, რომელზედაც ძნელი არ არის მეორე ჯაჭვის დასრულება.
ვირუსის მიღებული ორჯაჭვიანი დნმ ინტეგრირებულია ევკარიოტულ გენომში, რაც იწვევს ვირიონის ცილის სინთეზის პროცესების გააქტიურებას და ინფიცირებულ უჯრედში მისი ასლების დიდი რაოდენობის გამოჩენას. ეს არის Revertase-ის და ზოგადად OT-ის მთავარი მისია ვირუსისთვის.
შებრუნებული ტრანსკრიფცია ასევე შეიძლება მოხდეს ევკარიოტებში რეტროტრანსპოზონების კონტექსტში - მობილური გენეტიკური ელემენტები, რომლებსაც შეუძლიათ დამოუკიდებლად გადაიტანონ გენომის ერთი ნაწილიდან მეორეში. ასეთმა ელემენტებმა, მეცნიერთა აზრით, გამოიწვია ცოცხალი ორგანიზმების ევოლუცია.
რეტროტრანსპოზიონი არის ევკარიოტული დნმ-ის მონაკვეთი, რომელიც კოდირებს რამდენიმე ცილას. ერთ-ერთი მათგანი, რევერსიტაზა, უშუალოდ მონაწილეობს ასეთი რეტროტრანსპოროზონის დელოკალიზაციაში.
OT-ის გამოყენება მეცნიერებაში
იმ მომენტიდან, როდესაც რევერსეტაზა იზოლირებული იქნა მისი სუფთა სახით, საპირისპირო ტრანსკრიფციის პროცესი ბიოლოგებმა მიიღეს. OT მექანიზმის შესწავლა მაინც ეხმარება ადამიანის ყველაზე მნიშვნელოვანი ცილების თანმიმდევრობის წაკითხვას.
ფაქტია, რომ ევკარიოტების გენომი, მათ შორის ჩვენც, შეიცავს არაინფორმაციულ რეგიონებს, რომლებსაც ინტრონები ეწოდება. როდესაც ასეთი დნმ-დან იკითხება ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა და იქმნება ერთჯაჭვიანი რნმ, ეს უკანასკნელი კარგავს ინტრონებს და კოდებს ექსკლუზიურად პროტეინისთვის. თუ დნმ სინთეზირდება რევერსიტაზას გამოყენებით რნმ-ის შაბლონზე, მაშინ ადვილია მისი თანმიმდევრობის დადგენა და ნუკლეოტიდების რიგის დადგენა.
ნუკლეინის მჟავა, რომელიც წარმოიქმნება საპირისპირო ტრანსკრიპტაზას მიერ, ეწოდება cDNA. ის ხშირად გამოიყენება პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციაში (PCR) შედეგად მიღებული cDNA ასლის ასლის რაოდენობის ხელოვნურად გაზრდის მიზნით. ეს მეთოდი გამოიყენება არა მხოლოდ მეცნიერებაში, არამედ მედიცინაშიც: ლაბორანტები ადგენენ ასეთი დნმ-ის მსგავსებას საერთო ბიბლიოთეკიდან სხვადასხვა ბაქტერიების ან ვირუსების გენომებთან. ვექტორების სინთეზი და მათი შეყვანა ბაქტერიებში ბიოლოგიის ერთ-ერთი პერსპექტიული სფეროა. თუ RT გამოიყენება ადამიანის და სხვა ორგანიზმების დნმ-ის ფორმირებისთვის ინტრონების გარეშე, ასეთი მოლეკულები შეიძლება ადვილად შევიდეს ბაქტერიის გენომში. ასე რომ, ეს უკანასკნელი ხდება ქარხნები ადამიანისთვის აუცილებელი ნივთიერებების (მაგალითად, ფერმენტების) წარმოებისთვის.
