1970年Temin等在致癌RNA病毒中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的DNA聚合酶，該酶以RNA為核板，根據(jù)堿基配對(duì)原則，按照RNA的核苷酸順序(其中V與A配對(duì))合成DNA。這一過(guò)程與一般遺傳信息流轉(zhuǎn)錄的方向相反，故稱為反轉(zhuǎn)錄，催化此過(guò)程的DNA聚合酶叫做反轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶不僅普遍存在于RNA病毒中，哺乳動(dòng)物的胚胎細(xì)胞和正在分裂的淋巴細(xì)胞中也有反轉(zhuǎn)錄酶。
反轉(zhuǎn)錄酶的作用是以dNTP為底物，以RNA為模板，tRNA(主要是色氨酸t(yī)RNA)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(bǔ)的DNA單鏈，這條DNA單鏈叫做互補(bǔ)DNA(complementary DNA, cDNA)，它與RNA模板形成RNA桪NA雜交體。隨后又在反轉(zhuǎn)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(dǎo)的DNA合成過(guò)程(圖16－17)。
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圖16－17 反轉(zhuǎn)錄酶催化的反轉(zhuǎn)錄作用
攜帶反轉(zhuǎn)錄酶的病毒又稱為反轉(zhuǎn)錄病毒，它侵入宿主細(xì)胞后先以病毒RNA為模板靠反轉(zhuǎn)錄酶催化合成DNA，隨后這種DNA環(huán)化并整合到宿主細(xì)胞的染色體DNA中去，以原病毒(provirus)的形式在宿主細(xì)胞中一代代傳遞下去。以后又發(fā)現(xiàn)許多反轉(zhuǎn)錄病毒基因組中都含有癌基因(ozxtf.net.cn/yaoshi/ncogene)，如果由于某種因素激活了癌基因就可使宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞。(將在專門一章中敘述)。
大多數(shù)反轉(zhuǎn)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(guò)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(zhuǎn)錄酶中不具有3′→5′外切酶活性，因此沒(méi)有校正功能，所以由反轉(zhuǎn)錄酶催化合成的DNA出錯(cuò)率比較高。②RNase H活性；由反轉(zhuǎn)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(dǎo)的DNA聚合酶活性；以反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄酶還有DNA內(nèi)切酶活性，這可能與病毒基因整合到宿主細(xì)胞染色體DNA中有關(guān)。反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)于遺傳工程技術(shù)起了很大的推動(dòng)作用，目前它已成為一種重要的工具酶。用組織細(xì)胞提取mRNA并以它為模板，在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，合成出互補(bǔ)的DNA(cDNA)，由此可構(gòu)建出cDNA文庫(kù)(cDNa library)，從中篩選特異的目的基因，這是在基因工程技術(shù)中最常用的獲得目的基因的方法，詳見(jiàn)基因工程一章。
DNA是攜帶遺傳信息的載體，細(xì)胞分裂前，通過(guò)DNA的復(fù)制作用，遺傳信息從親代DNA分子傳到子代DNA分子中。DNA復(fù)制時(shí)，是從一個(gè)特定的起始點(diǎn)開(kāi)始的，兩條DNA鏈分別做模板，在DNA聚合酶等許多酶和蛋白質(zhì)分子的參與下，以四種脫氧單核苷酸為原料(dNTP)，以堿基配對(duì)為原則合成新一代的DNA分子，合成方向是5′→3′。經(jīng)過(guò)復(fù)制后的DNA分子中，一條鏈來(lái)自親代DNA分子，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻�，這種復(fù)制方式叫做半保留復(fù)制。由于DNA分子復(fù)制時(shí)，兩條鏈分別做模板，有一條鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，這條鏈為前導(dǎo)鏈，而另一條鏈合成時(shí)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(lái)，形成隨從鏈，所以DNA復(fù)制是半不連續(xù)的合成。
DNA復(fù)制時(shí)，先要由DNA拓?fù)洚悩?gòu)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(kāi)雙鏈，此時(shí)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(xù)地合成DNA鏈。隨從鏈的合成靠多種酶和蛋白質(zhì)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(bǔ)，最后在連接酶作用下，形成長(zhǎng)鏈。
真核生物中DNA的復(fù)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(zhì)因子參與。
DNA復(fù)制中的準(zhǔn)確性很高，因?yàn)樵思?xì)胞靠DNA聚合酶Ⅰ而真核細(xì)胞靠DNA聚合酶δ，都具有3′→5′外切酶活性，可以校正復(fù)制中出現(xiàn)的堿基錯(cuò)配。DNA的合成也可以靠反轉(zhuǎn)錄酶的催化而完成，這是以RNA分子為模板，合成DNA分子的過(guò)程，在致癌的RNA病毒中，有反轉(zhuǎn)錄酶的存在，真核生物中的端粒酶就是一種反轉(zhuǎn)錄酶，它催化染色體端區(qū)DNA的合成。
1.DNA復(fù)制起始有哪些特點(diǎn)?
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(fù)制時(shí)前導(dǎo)鏈與隨從鏈的合成有哪些不同?
4.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用如何?
5.連接酶催化的連接反應(yīng)與DNA聚合酶5′→3′聚合活性有何異同?
6.什么是反轉(zhuǎn)錄，有什么生物學(xué)意義?
