反轉錄酶

**反轉錄酶**（全稱：**依賴於 RNA 的 DNA 聚合酶**）是一類存在於部分 RNA 病毒中具有反轉錄活性、能以單鏈 RNA 為模板合成 DNA 的酶。由反轉錄酶催化反轉錄合成的 DNA 稱為互補 DNA（cDNA）。

通常情況下，細胞內的轉錄是以 DNA 為模板合成 RNA 的，所得 RNA 為信使 RNA（mRNA）供蛋白質合成作模板用。而在部分 RNA 病毒中，要實現自身的擴增，必須具有 DNA，因此先由 RNA 反轉錄合成 cDNA 再由 cDNA 轉錄出 RNA。

反轉錄酶可用於反轉錄聚合酶連鎖反應，將 RNA 轉變爲 DNA 後擴增，以獲得某生物體表現 RNA 的序列。

這些活化因子會將反轉錄病毒裡的單股 RNA 轉化成雙股 cDNA 並且將之插入宿主細胞的基因裡，在一段時間內繁殖。相同的反應被廣泛的應用在實驗室中將 RNA 轉換成 DNA 如分子克隆，RNA 定序，聚合酶連鎖反應（PCR），或是 DNA 微陣列。
良好的反轉錄酶研究物質包含:

* 人類免疫缺陷病毒 1 型的反轉錄（PDB 1HMV）
* 莫洛尼鼠白血病病毒的反轉錄酶
* 禽成髓細胞瘤病毒的反轉錄酶
* 維持真核細胞的染色體端粒存在的端粒酶反轉錄酶。

## 發現

反轉錄酶是在美國威斯康星大學麥迪遜分校中的勞氏肉瘤病毒由霍華德・馬丁・特明發現的，並且 1970 在麻省理工學院由戴維・巴爾的摩獨立從兩種 RNA 腫瘤病毒:R-MLV 以及再一次勞氏肉瘤病毒中分離出來。由於這些成就，兩人在 1975 年共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎（和羅納托・杜爾貝科）

反轉錄這種想法因為違背了分子生物學中心法則，即 DNA 轉錄成 RNA 再轉譯成蛋白質的過程，因此非常不受到歡迎。然而，在 1970 時，當科學家霍華德・馬丁・特明和戴維・巴爾的摩兩人各自都從酶中發現反轉錄的反應，將此命名為反轉錄酶，此種反轉錄的機制才被當時的主流接受。

## 病毒的功能

反轉錄酶在反轉錄病毒裡是用來在複製以及編碼的反應過程中。反轉錄 RNA 病毒像是反轉錄病毒，利用該酵素將他們的 RNA 基因組轉換成 DNA，再將該 DNA 送至宿主細胞中，並且和宿主細胞的基因組一起進行複製。反轉錄 DNA 病毒，像是嗜肝 DNA 病毒，可以在組裝時，將 RNA 當作模板製造出 DNA。HIV 藉由此酵素感染人類。若是沒有反轉錄酶，這些病毒的基因組就不能和宿主細胞結合，進而導致複製失敗。

### 反轉錄的過程

反轉錄酶從 RNA 模板中製造出單股 DNA。在缺乏 DNA-dependent DNA 聚合酶的病毒中，雙股 DNA 的製造可以經由宿主編碼 DNA 聚合酶 δ 完成，過程中可能會將病毒的 DNA-RNA 引子誤認並且藉由和引子去除類似的機制合成出雙股 DNA，而在新的合成的 DNA 即取代了舊有的 RNA 模板。反轉錄的過程的錯誤率很高，因此在整個步驟中突變有很大的機會會發生。這種突變的現象可能會形成病毒的抗藥性。

#### 反轉錄病毒的反轉錄

反轉錄病毒，或稱 VIssRNA-RT 病毒，是用 DNA 當作中間產物的 RNA 反轉錄病毒。他們的基因組通常由兩個正感知且有 5』端帽和 3』端聚線苷酸尾的單股 RNA。反轉錄酶如人類免疫缺乏病毒（HIV）和人類 T 淋巴球病毒 HTLV。在細胞質中製造雙股 DNA 的過程有以下步驟

1. 由特殊細胞的 tRNA 當作引子，並且和互補的病毒基因組進行雜交，稱為引子黏接位或 PBS。
2. 互補 DNA 接下來和病毒 RNA 的 U5（非編碼區）和 R 區（在 RNA 的兩邊末端的重複區域）結合。
3. 在反轉錄酶上的核糖核酸酶 H 會將用來移除 U5 和 R 區的 5』端的 RNA 降解。
4. 引子接下來會跳到病毒基因組中的 3』端並且和新製造的一股 DNA 在 RNA 上雜交組合成互補的 R 區。
5. 第一股互補 DNA（cDNA）會被延展並且病毒的主要 RNA 會被 RNAse H 降解。
6. 一旦一股完成了，第二股就會從病毒的 RNA 的一開始進行合成
7. 接下來另外一個引子就會跳到第二股的 PBS 處，與第一股互補的 PBS 進行雜交
8. 雙股會被延展並藉由整合酶被併入宿主細胞

製造雙股 DNA 也牽涉到股的轉移，即從一開始的 RNA dependent DNA 合成出來較短的 DNA 轉移至其他基因組模板中的受體，而此受體接下來會藉由反轉錄酶進行 DNA-dependent DNA 的活化。

反轉錄病毒的 RNA 在 5』端和 3』端被重新排列。引子黏接在 RNA 病毒的位置的區域稱為引子結合位點（PBS）。PBS 區的 5』端稱為 U5，而 PBS 的 3』端稱為領先區。tRNA 的引子在 14 和 22 區的核苷酸被解開且和病毒的 RNA 與 PBS 形成鹼基對。事實上 PBS 在病毒的 RNA 的 5』端上是不正常的，因為反轉錄酶是從 3』端合成出 DNA，方向是 5』到 3』(相對於 RNA 模板)。因此引子和反轉錄酶必須位在病毒的 RNA 的 3』端。為了成功的將之重新定位，需要許多的步驟以及酵素，包含 DNA 聚合酶，RNAse H 以及已解開的的聚合苷酸來參與反應。

HIV 的反轉錄酶也有核糖核酸酶用來活化，目的是將在合成 cDNA 的過程中將病毒的 RNA 降解，如同 DNA 依賴的 DNA 聚合酶將 cDNA 股合成為無意義的 DNA 來組成病毒的雙股 DNA 中間產物（vDNA）。

## 在真核生物

自行複製真核細胞的延長基因組稱為反轉錄轉座子，藉由反轉錄酶去移除 RNA 的其中一個位置。他們在植物和動物中的基因組中大量發現。端粒酶是另外一種反轉錄酶，在許多真核生物，像是有自己的 RNA 模板的人類中發現，這些 RNA 會被用來當作 DNA 複製的模板。

## 在原核生物

反轉錄酶亦從細菌的 Retron msr RNAs，一種特殊的片段，由反轉錄酶編碼，且拿來合成 msDNA。合成 DNA 時需要引子。在細菌裡，引子的合成是在複製的過程中製造。

## 構造

反轉錄酶包含 RNA-dependent DNA 聚合酶和 DNA-polymerase DNA 聚合酶，兩者一起用來表現轉錄的過程。在一開始轉錄因子中，反轉錄病毒的反轉錄酶有 RNase H 家族的重要區域。

## 複製保真度

反轉錄病毒的生活史中有三種不同的複製系統。第一種，反轉錄酶從病毒的 RNA 合成出病毒的 DNA，進而製造出新的互補 DNA。第二種複製方式則是在宿主細胞的 DNA 聚合酶開始複製黏合上去的病毒 DNA 後，RNA 聚合酶 II 就會將原病毒的 DNA 轉錄成之後和病毒顆粒包裝在一起的 RNA。因此，突變可以在這些步驟中發生。

反轉錄酶在將 RNA 變成 DNA 時有很高的錯誤率，不像其他的 DNA 聚合酶，他沒有校正的功能。這種較高的錯誤率相對於有校正的複製過程，可以促進突變的累積。一般市面上由 Promega 購買到的反轉錄酶，說在 AMV 中有每 17000 個鹼基就有一個是突變的，而在 M-MLV 中每 30000 個鹼基就有一個是突變的。

除了創造單核甘酸的基因多樣性外，反轉錄酶也在一些步驟初級產物融合或外顯子重組並且做出人造的反義 RNA 轉錄產物。這種「模板的切換」被推測，這種可以完整的在體內中進行反應的反轉錄酶，通常有著可以找出在模式生物中數千個未註明的轉錄產物。

## 應用

### 抗病毒藥物

更多有關抗病毒藥物的細節，請參照反轉錄酶抑制劑。當 HIV 利用反轉錄酶將基因的物質複製並且產生出新的病毒（部分反轉錄病毒的增殖圈），特殊的藥物被設計成用來阻斷反轉錄酶反應的過程，並且抑制反轉錄病毒的生長，這些藥物被稱作反轉錄酶抑制劑且包含核甘以及核甘酸相似的物質，齊多夫定（多夫），拉米夫定（博路定），和非核甘抑制劑奈韋拉平（維樂命）。

### 分子生物學

更多有關分子生物學的細節，請參照反轉錄聚合酶連鎖反應。反轉錄酶常用來應用在聚合酶連鎖反應這種研究方式中，以 RNA 為主的技術稱作反轉錄聚合酶連鎖反應（RT-PCR）。典型的 PCR 技術只能用來用在 DNA 上，但是有著反轉錄酶的幫助下，RNA 亦可以被反轉錄成 DNA，因此使 PCR 可以分析 RNA 分子。反轉錄酶也同時被應用在從 MRNA 製作 cDNA 基因庫，市面上買的到的反轉錄酶通常在分子生物界裡都是被改良過的。其他酵素可被科學家用來進行複製或者定義 RNA。

反轉錄酶也被拿來用在胰島素的製作。藉由將真核細胞的胰島素的 mRNA 和反轉錄酶注入細菌中，mRNA 就可以插入原生生物的基因組裡，大量的胰島素就可被製造，可用來取代從豬隻的胰島萃取等的傳統方式 直接將真核細胞的 DNA 注入到細菌的染色質裡。在真核細胞 mRNA 的生產過程中，去除內含子，並且提供一個適當的模板。反轉錄酶將 RNA 重新編成 DNA，因此可以拿來和基因組黏合。

## 參見

* 基因庫
* DNA 聚合酶
* MsDNA
* 反轉錄病毒
* RNA 聚合酶
* 端粒酶
* 反轉錄轉座標記子

## 參考文獻

## 外部連結

* 醫學主題詞表（MeSH）：_RNA + 轉錄酶_
* 反轉錄酶的動畫以及三種反轉錄酶的抑制劑
* 分子月 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（9 月 2002）在 RCSB PDB
* 愛滋病病毒複製的 3D 醫學動畫. (11 月 2008). 由 Boehringer Ingelheim 製作. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Goodsell DS. 分子月：反轉錄酶 (Sep 2002). 結構生物資訊學（RCSB）的合作研究實驗室。蛋白質資料銀行（PDB）. [2013-01-13]. （原始內容存檔於 2015-10-19）.