Вопрос: Во всемирно известном Институте Желтка (г. Дедмихейск-на-Оке) из эукариотических клеток была выделена обратная транскриптаза (белок, который синтезирует ДНК, используя в качестве матрицы и-РНК). Как бы Вы объяснили наличие обратной транскриптазы у эукариот?
Категория: школьный раздел
Ответы:
Возможно, что обратная транскриптаза /далее - ОТ/ принадлежит не собственно эукариотической клетке, а особой группе поражающих их вирусов (ретровирусам). Эти вирусы в качестве информационной молекулы содержат одноцепочечную РНК, один из генов в которой и кодирует ОТ. При попадании вируса в клетку сначала с вирусной РНК транслируется ОТ, затем ОТ на матрице вирусной РНК синтезирует двухцепочечную ДНК, одна из цепей которой соответсствует, а другая - комплементарна матрице, и далее специальные ферменты в клетке /сайт-специфические нуклеазы/ встраивают эту ДНК между определенными участками клеточной ДНК /сайтами/, или, что бывает чаще, другие клеточные нуклеазы втраивают эту ДНК в разные места клеточного генома случайным образом. Далее в большинстве мест вирус будет "молчать", его гены не будут экспрессироваться, и клетка проживет положенный срок, передавая встроенный вирус своим потомкам /а если клетка половая - то и целым организмам/.
Лишь встроившись в определенное или даже единственное место в геноме, либо попав в определенную ткань /в то время как имеется в неактивной форме и в других тканях/ вирус обретает способность размножиться и выйти из клетки. В первом случае это определяется особенностями соседних с вирусом участков клеточной ДНК, а во втором - внешними специфическими для этой ткани воздействиями /например ретровирус молочной железы мышей содержится во всех тканях больного животного, но усиленно транскрибируется и образует вирусные частицы только в ткани молочной железы у мышей определенного возраста. Это связано с наличием именно в этой ткани /в ее клетках/ специфических белков рецепторов для ряда половых гормонов, вызывающих созревание клеток железы у мышей определенного возраста. Гормоны свободно проникают через липидную мембрану клеток, связываются в цитоплазме с белками-рецепторами и в составе этого комплекса присоединяются к ДНК клетки для регуляции транскрипции некоторых клеточных генов, продукты которых и вызывают созревание клеток железы. Это, таким образом, нормальный процесс. Но поскольку место их присоединения оказывается очень близко к промотору (регуляторной последовательности) вирусной ДНК, это одновременно активирует промотор и начинается экспрессия вирусного генома и размножение вируса /синтез вирусных РНК и белков, в том числе ОТ/.
Бывает, что ретровирусы теряют способность нормально размножаться и выходить из клетки вследствие мутаций одного или нескольких белков их оболочки /не происходит самосборки/, но другие их гены, и в том числе ген ОТ, могут нормально транскрибироваться и транслироваться при указанных выше условиях. Возможно, что именно в этом причина того, что из клеток все большего числа эукариот выделяется обратная транскриптаза при отсутствии признаков вирусной инфекции. Вероятно также, что она там каким-то образом функционирует, поскольку встречается в цитоплазме в комплексе с клеточной РНК и белками.
В чем смысл ее активности - пока достоверно не известно, что, однако, никак не мешает школьникам выдвигать более или менее обоснованные гипотезы на основе знания ее функции как фермента и основных закономерностей устроцйства и работы генома и синтетического аппарата клетки. Возможны такие основные группы идей:
1) группа ответов, связанных с амплификацией (увеличением числа копий) генов в геноме. ОТ синтезирует копии гена на матрице и-РНК этого гена, и далее эти копии встраиваются в геном. Это может приводить: 
а. К каскадному увеличению числа копий гена, что может быть важно при необходимости синтеза большого количества молекул белка /напр., при секреции/ или РНК /рибосомальных и транспортных/. Реально в геноме эукариот действительно встречаются высокоповторяющиеся последовательности (от ста тысяч до миллиона копий на геном), умеренно повторяющиеся (от ста до десяти тысяч копий на геном) и уникальные (до 10 копий на геном). 
б. копии могут встраиваться в тех же местах, что и ранее существующие гены, а могут и в другие места генома, в том числе в разные хромосомы, что может приводить к увеличению рекомбинации или изменению групп сцепления. Такие события должны быть достаточно редкими - иначе не выполнялись бы законы наследования. 
в. В геноме эукариот есть транскрибируемые и нетранскрибируемые участки, а в первых - кодирующие и некодирующие /гл. обр. регуляторные/ участки (экзоны и интроны). Последние вырезаются ферментами из первичного транскрипта в ходе его созревания - процессинга, происходящего в ядре, и в цитоплазму поступают не содержащие этих участков и-РНК. Поскольку в ходе процессинга вырезается до 55% длины первичного транскрипта, можно предположить, что наличие в геноме синтезированных ОТ копий без интронов позволило бы увеличить скорость синтеза генных продуктов, обойдясь без процессинга /который занимает, конечно, значительное время/, а заодно навести экономию генного материала. Реально это натыкается на трудно преодолимые препятствия: как тогда обеспечивать регуляцию транскрипции и как обеспечить стабильность и-РНК (устойчивость к расщеплению нуклеазами, достигаемая в норме добавлением с обоих концов транскрипта определенных нуклеотидов и модификацией, напр., метилированием, некоторых оснований внутри транскрипта - все это достигается в ходе процессинга).
2) группа ответов, связанных с дополнительными механизмами мутаций (общая идея в том, что изменения в РНК после транскрипции не утрачиваются, а от ражаются в геноме в результате активности ОТ)
3) группа ответов, связанная с отбором более стабильных (долгоживущих) РНК, так как с них может быть сделано больше копий
4) группа ответов, связанных с использованием возникающего в ходе работы ОТ комплекса РНК-ДНК для восстановления нарушений в ДНК генома, и т.п.
В целом очевидно, что данный вопрос является по сути лишь затравкой для выяснения глубины и правильности понимания школьниками процессов синтеза нуклеиновых кислот и регуляции генной экспрессии, и его проверка должна осуществляться именно с этих позиций.