逆转录的过程与端粒复制

逆转录酶通常具有多种活性，如逆转录活性、复制活性与RNA酶H活性。逆转录活性可以RNA为模板，合成与其序列互补的DNA链，生成DNA-RNA杂合双链。RNA酶H活性可以水解杂合双链中的RNA，得到与RNA互补的DNA单链（cDNA）。复制活性则用来合成双链DNA。

HIV逆转录酶的活性部位。引自PDB-101

与复制类似，逆转录也是由5’向3’合成DNA，要求有模板和不少于四个核苷酸的引物。各种DNA聚合酶活性都需要引物，只有确认引物正确配对，才会进行DNA的合成。这是保证其忠实性的重要手段，逆转录酶也不例外。

实验室合成cDNA时，经常会用合成的寡聚T（oligo dT）作为引物，与mRNA的polyA配对。这个过程比较简单，因为引物结合在RNA链的末端，所以整条链的逆转录是一次性完成的。

生物体中的逆转录过程就比较复杂，比如逆转录病毒（retrovirus）。病毒是真正的“极简风”，所有东西都压缩到极致。比如它的基因组中，经常有些基因是重叠、嵌套结构，充分利用每一个碱基。所以它也不会专门编码一个引发酶来合成引物，它一般是在组装时带走宿主的tRNA，在下次侵染时当作引物使用。

HIV的基因组。J Gen Virol. 2016 Jan; 97(Pt 1): 220–224.

被用作引物的tRNA会结合在病毒基因组RNA链的中间，所以第一次只能合成出一部分cDNA，然后利用基因组RNA两端的一段重复序列，“跳”回另一端，完成整条链的逆转录。

逆转录病毒的cDNA合成过程

之后水解RNA链的时候，会留下一些片段作为复制的引物。双链DNA的合成同样也需要经过一次跳跃（jump），以合成完整双链。最后两端具有相同的序列，称为长末端重复（long terminal repeats，LTR）。LTR不仅包含跳跃时用来配对的序列（图1中的R），还有整合信号、启动子、增强子、poly A位点等重要结构。

逆转录病毒的双链DNA合成

逆转录经常与细胞恶性转化有关，艾滋病、乙肝等很多疾病也有逆转录过程。所以相关研究可以为很多疾病的研究和防治提供帮助。逆转录酶抑制剂就一直是药物研发热点，例如抗HIV的nevirapine（奈韦拉平）。

HIV逆转录酶与抑制剂。引自PDB-101

逆转录酶缺乏校对（3'-5'核酸外切酶）功能，所以容易出错。这也是很多病毒容易突变进化的原因，比如nevirapine就很容易被抵抗。不过，校对功能与逆转录活性并不冲突。

有人使用改良的定向进化策略从具有校对功能的DNA聚合酶（古细菌的DNA聚合酶B）进化出高保真的耐热逆转录酶，称为逆转录异种聚合酶（reverse transcription xenopolymerase），证明校对与逆转录是兼容的。在科研中，RTX可用于RT-PCR等过程，能够提高精确度及简化操作程序（Science. 2016 Jun 24;352 (6293): 1590-3.）。

RTX的分子进化策略。Science. 2016 Jun 24;352 (6293): 1590-3.

人体中也有逆转录过程，比如端粒的复制。端粒（telomere）是染色体末端的特殊结构，由重复的DNA序列（TTAGGG）和核蛋白组成，可以保护染色体末端，维持基因组完整性。

端粒的末端是单链3'末端，形成一种紧凑的T环结构，可保持其稳定性。其表面覆盖着Shelterin复合物，包括TRF1（端粒重复结合因子1）、TRF2（端粒重复结合因子2）、TIN2（TRF1相互作用核蛋白2）、RAP1（rif相关蛋白）、POT1 （端粒保护）和TPP1（端粒保护蛋白1）

脊椎动物和酵母的端粒结。Genes (Basel). 2019 Feb 5;10(2). pii: E118.

对于线性基因组，其滞后链的末端是无法完整复制的，每次约损失30-200个核苷酸（Cells. 2020 Feb 22;9(2).）。这样随着细胞分裂，端粒会持续缩短，造成复制性衰老。对于大多数体细胞来说，端粒磨损是一种控制其分裂潜力的机制，但对于需要多次增殖的干细胞来说，必须设法维持端粒长度。

端粒酶（telomerase）可以通过逆转录过程延长端粒。端粒酶由端粒酶RNA（TERC）和端粒酶逆转录酶（TERT）组成。TERT使用TERC作为模板，在染色体的单链末端合成端粒DNA的重复序列。

端粒延长机制。Genes (Basel). 2019 Feb 5;10(2). pii: E118.

大多数体细胞缺乏端粒酶活性，因而容易衰老。但未分化的生殖细胞，干细胞，活化的淋巴细胞和大多数肿瘤细胞具有高水平的端粒酶活性，可以克服端粒磨损并维持无限的细胞分裂。