Генетичну інформацію, закодовану в окремому гені, можна розглядати як інструкцію з виробництва певного білка в клітині. Така інструкція сприймається клітиною тільки в тому випадку, якщо вона надіслана у вигляді мРНК. Тому клітини, які мають генетичний матеріал представлений ДНК, повинні «переписати» (транскрибувати) цю інформацію на комплементарну копію мРНК. ДНК-віруси за способом реплікації відрізняються від РНК-вірусів.

ДНК зазвичай існує у вигляді дволанцюгових структур: два полінуклеотидні ланцюжки з'єднані водневими зв'язками і закручені таким чином, що утворюється подвійна спіраль. РНК, навпаки, зазвичай існує у вигляді одноланцюгових структур. Однак геном окремих вірусів являє собою одноланцюгову ДНК або дволанцюжкову РНК. Нитки (ланцюжка) вірусної нуклеїнової кислоти, подвійні або одинарні, можуть мати лінійну форму або замикатися в кільце.

Перший етап реплікації вірусів пов'язаний із проникненням вірусної нуклеїнової кислоти в клітину організму-господаря. Цьому процесу можуть сприяти спеціальні ферменти, що входять до складу капсиду або зовнішньої оболонки віріона, причому оболонка залишається зовні клітини або віріон втрачає її відразу після проникнення клітини. Вірус знаходить відповідну для його розмноження клітину, контактуючи окремими ділянками свого капсиду (або зовнішньої оболонки) зі специфічними рецепторами на поверхні клітини на кшталт «ключ – замок». Якщо специфічні («дізнаються») рецептори на поверхні клітини відсутні, то клітина не чутлива до вірусної інфекції: вірус у неї не проникає

Для того щоб реалізувати свою генетичну інформацію, вірусна ДНК, що проникла в клітину, транскрибується спеціальними ферментами в мРНК. МРНК, що утворилася, переміщається до клітинних «фабрик» синтезу білка – рибосом, де вона замінює клітинні «послання» власними «інструкціями» і транслюється (прочитується), в результаті чого синтезуються вірусні білки. Сама ж вірусна ДНК багаторазово подвоюється (дуплікується) за участю іншого набору ферментів, як вірусних, і належать клітині.

Синтезований білок, який використовується для будівництва капсиду, та розмножена у багатьох копіях вірусна ДНК поєднуються та формують нові, «дочірні» віріони. Сформоване вірусне потомство залишає використану клітину та заражає нові: цикл репродукції вірусу повторюється. Деякі віруси під час відгалужування від поверхні клітини захоплюють частину клітинної мембрани, в яку «завчасно» вбудувалися вірусні білки, і таким чином набувають оболонки. Що стосується клітини-господаря, то вона в результаті виявляється пошкодженою або навіть повністю зруйнованою. У деяких ДНК-вірусів сам цикл репродукції в клітині не пов'язаний з негайною реплікацією вірусної ДНК; натомість вірусна ДНК вбудовується (інтегрується) у ДНК клітини-господаря. На цій стадії вірус як єдине структурне утворення зникає: його геном стає частиною генетичного апарату клітини і навіть реплікується у клітинній складі. ДНКпід час поділу клітини. Однак згодом, іноді через багато років, вірус може з'явитися знову - запускається механізм синтезу вірусних білків, які, поєднуючись з вірусною ДНК, формують нові віріони.

У деяких РНК-вірусів геном (РНК) може безпосередньо виконувати роль мРНК. Однак ця особливість характерна лише для вірусів з «+» ниткою РНК (тобто з РНК, що має позитивну полярність). У вірусів з «» ниткою РНК остання має спочатку «переписатися» у «+» нитку; Тільки після цього починається синтез вірусних білків і відбувається реплікація вірусу.

Так звані ретровіруси містять як геному РНК і мають незвичайний спосіб транскрипції генетичного матеріалу: замість транскрипції ДНК в РНК, як це відбувається в клітині і характерно для ДНК-вірусів, їх РНК транскрибується в ДНК. Дволанцюжкова ДНК вірусу потім вбудовується в хромосомну ДНК клітини. На матриці такої вірусної ДНК синтезується нова вірусна РНК, яка, як інші, визначає синтез вірусних білків.

Реплікація вірусних РНКє унікальним феноменом. Істотна відмінність механізму синтезу вірусних РНК від механізму синтезу клітинних РНК у тому, що як матриці у разі використовується РНК, тоді як у другому - ДНК.

Для транскрипції РНКна РНК-матриці потрібна віріонна РНК-залежна РНК-полімераза. Реплікація вірусної РНК вимагає, передусім, синтезу комплементарної РНК, яка потім є матрицею для великої кількості вірусної РНК.

Коли вірусна РНКмає негативну полярність (орто-, параміксо-, рабдо-, філо-, борна-, арена- і буньявіруси), комплементарна РНК матиме позитивну полярність і РНК-полімераза, подібно до віріонної транскриптази, використовується для первинної транскрипції мРНК.

Оскільки більшість транскриптів, що синтезуються на кожному вірусному (-)ланцюзі РНК, є молекулами субгеномної РНК, деякі повнорозмірні ланцюги служать матрицями для синтезу (реплікації) вірусної РНК. Деякі віруси для транскрипції та реплікації використовують різні РНК-полімерази, тоді як в інших випадках одні й ті ж ферменти можуть виконувати різні функції.

У багатьох РНК-вірусів, (пікорна-, каліци-, астро-, тога-, флаві-, корона-, артері-, нодавіруси) комплементарна РНК є негативно полярною. На одній комплементарній РНК-матриці може одночасно транскрибуватися декілька молекул вірусної РНК, а на кожному РНК-транскрипті починається продукція полімерази. Утворюється структура, відома як реплікативний посередник, - частково дволанцюжкова структура з одноланцюжковими хвостами.

Для початку реплікації РНКПікорнавірусів і каліцівірусів, а також ДНК аденовірусів потрібно невеликий білок, пов'язаний ковалентно з 5"-кінцем знову синтезованих (+) або (-) ланцюгів РНК, так само як з батьківської віріонної РНК, але не з мРНК.

Знову синтезовані(+) РНК можуть мати різне призначення: включатися в реплікативний комплекс і служити матрицею для синтезу комплементарних (-) РНК; виконувати функції мРНК; включатися як геному в нові віріони. Механізм, що визначає долю новостворених (+)РНК, не відомий.

Ретровірусимають геномну (+) одноланцюгову РНК. На відміну від інших РНК-вірусів, вони реплікуються за допомогою посередника ДНК. Вірійна зворотна транскриптаза, використовуючи РНК-молекулу як праймер, створює односпіральну ДНК-копію. Потім, функціонуючи як рибонуклеаза, той же фермент видаляє батьківську молекулу РНК з ДНК-РНК-гібрида і копіює одноланцюговий ДНК-ланцюг, щоб утворити лінійну дволанцюгову ДНК, яка містить додаткову послідовність, відому як довгий кінцевий повтор (LTR) на кожному кінці.
Ця дволанцюжкова ДНКпотім циркулює та інтегрує з клітинною хромосомальною ДНК. Вірусна РНК транскрибується з інтегрованою (провірусною) ДНК.

Реплікація вірусів 99

бактерій реплікуються за тета-механізмом Механізм «кільця, що котиться» вивчався переважно на стафілококових і стрептококових плазмідах.

4.8 Реплікація вірусів

Реплікація вірусів відбувається у кілька стадій:

1. Адсорбція: вірус контактує з клітиною специфічними молекулами на своїй поверхні: наприклад, ортоміксовіруси та параміксовіруси адсорбуються за допомогою глікопротеїнів, а аденовіруси – за допомогою пентонових волокон. В адсорбції беруть участь специфічні клітинні рецептори: глікопротеїни , фосфоліпіди або гліколіпіди .

Адсорбція може бути порушена антитілами, що зв'язуються з вірусною оболонкою або клітиною господаря.

2. Проникнення (пенетрація) слід відразу за адсорбцією. Після цього вірусну частку вже неможливо відокремити від клітини господаря, не пошкодивши її. Механізми проникнення:

а. Пряме проникнення: капсид залишається пов'язаним із зовнішньою поверхнею клітинної мембрани, а його вміст потрапляє всередину клітини.

б. Злиття з мембраною. в. Ендоцитоз.

3. Руйнування оболонкивідбувається завдяки закисленню середовища ендосоми, в якій знаходиться вірусна частка, до pH = 5. За це відповідальні протонні насоси H+-АТФази у мембранах ендосом. Низькі значення pH призводять до зміни конформації компонентів вірусної оболонки, які своїми гідрофобними ділянками починають контактувати з мембранами ендосом, що призводить до потрапляння вірусу в цитозоль.

4. Реплікація вірусного геномустає можливою завдяки переключенню клітинних систем синтезу на реплікацію та транскрипцію вірусу. Для цього вірус зупиняє синтез білка клітиною та дисоціює полірибосоми. Деякі віруси як блокують клітинні синтези, а й прискорюють їх.

5. Складання віріонів.

6. Вихід віріонів із клітини.

А Реплікація геномуДНК-вірусів

У ДНК-вірусів тварин процеси транскрипції та трансляції не пов'язані (крім поксвірусів): транскрипція відбувається в ядрі, а трансляція – у цитоплазмі. Вірусна ДНК є матрицею для синтезу вірусної мРНК, яка є матрицею для синтезу вірусних білків. Вірусна ДНК містить «ранні» та «пізні» гени, які транскрибуються в різний час.

- «Ранні» гени кодують білки та ферменти, необхідні для початку реплікації вірусного геному.

- «Пізні» гени кодують білки, що беруть участь у дозріванні та збиранні вірусних частинок.

Реплікація вірусів із дцДНКсхожа з нормальною реплікацією клітинної ДНК. Геном більшості таких вірусів потрапляє в ядро, де транскрибується та реплікується клітинними полімеразами. Так реплікуються, наприклад, віруси герпесу та папіломавіруси. Однак є два винятки:

1. Кожна частина віріону поксвірусів синтезується та збирається у цитоплазмі. Ядро в їхній реплікації не бере участі.

2. Геном вірусу гепатиту B реплікується інакше: синтезуєтьсяРНК-посередник, а потім у ході зворотної транскрипції синтезується ДНК на

матриці РНК.

Реплікація вірусів з оцДНКтеж відбувається у ядрі, куди вірусна ДНК проникає після потрапляння у клітину. Там синтезується другий ланцюг ДНК, комплементарний вірусний. Разом вони утворюють дцДНК. Далі все відбувається за вищеописаним механізмом: синтез білків, реплікація вірусної ДНК та складання віріонів.

Приклади реплікації у різних родин вірусів:

1. Аденовіруси реплікують свій геном асиметрично: реплікація починається на 3'-кінці одного з ланцюгів за допомогою білкового праймера. Дочірній ланцюг ДНК, що росте, витісняє одну материнську і утворює повний дуплекс з іншим материнським ланцюгом. Витіснений ланцюг теж реплікується і утворює дуплекс.

2. Герпесвіруси мають лінійний геном із термінальними повторами. Після попадання в ядро ​​ці повтори частково відщеплюються та з'єднуються, утворюючи кільцевий дуплекс ДНК. Далі відбувається реплікація за механізмом «кільця, що котиться». У ході дозрівання вірусної частки кільцева ДНК розрізається і знову стає лінійною.

3. Паповавіруси мають кільцеву ДНК, а її реплікація відбувається за тета-механізмом (симетрично та двонаправлено).

4. Парвовіруси мають одноланцюгову ДНК (позитивну або негативну), тому їх реплікація починається, коли два ланцюги (+ і -) з різних вірусних частинок формують дуплексну спіраль ДНК.

5. Поксвіруси мають незвичну дволанцюжкову ДНК, кінці якої пов'язані. Їх проміжні репліковані ДНК, що виявляються в цитоплазмі, є конкатемерами, з'єднаними «голова-к-голові» або «хвіст-до-хвосту».

6. Гепаднавіруси, як, наприклад, вірус гепатиту B, використовують зворотну транскрипціюдля реплікації. Їх геном складається з частково дволанцюгової кільцевої ДНК з повним негативним ланцюгом і неповним позитивним. Після потрапляння в клітину позитивний ланцюг добудовується та транскрибується. Транскрипти РНК стають матрицею для синтезу ДНК під час зворотної транскрипції з допомогою вірусних ферментів.

Реплікація вірусів 101

Б Реплікація геному РНК-вірусів

РНК-віруси можна розділити на 4 групи (див. мал. 71 ▼ ):

1. Віруси з позитивною одноланцюжковою РНК (оцРНК+).

2. Ретровіруси (різновид оцРНК +).

3. Віруси з негативною одноланцюжковою РНК(ОцРНК-).

4. Віруси з дволанцюжковою РНК (дцРНК).

Одноланцюжкова РНК, здатна бути матрицею в біосинтезі білка (тобто виконувати роль мРНК), називається позитивної РНКчи РНК+ . Відповідно, негативна РНКабо РНК - не здатна служити матрицею в синтезі білка.

Реплікація вірусів з оцРНК+ . Як тільки віруснаоцРНК+ потрапляє в клітину господаря, вона одразу транслюється на білок рибосомами. У ній закодовані білки капсиду та вірусна.РНК-полімераза. Безпосередньо реплікація вірусної оцРНК+ йде у два етапи:

1. Спочатку на матриці позитивної вірусної оцРНК+ синтезується комплементарний ланцюгнегативної РНК(ОцРНК-). Цей синтез здійснює вірусна РНК-полімераза.

2. Потім така негативна РНК транскрибується та утворюються нові молекули.позитивної оцРНК+. Вони й беруть участь у складання віріо-

новий. Цей процес унікальний для вірусів, оскільки жодна клітина не транскрибує РНК із РНК.

Прикладом вірусу з оцРНК є поліовірус (вірус поліомієліту). Реплікація ретровірусів. Ретровіруси також містять оцРНК+. Однак у від-

На відміну від інших подібних вірусів, вони використовують її як мРНК. Реплікація ретровірусів триває так:

1. Зворотня транскриптазавірусу, що міститься усередині його капсиду, синтезує ДНК на матриці оцРНК+.

2. Потім ця ДНК потім служить матрицею у синтезі новихоцРНК+ , що виступають як мРНК і одночасно утворюють нові віріони.

Приклад ретровірусу є ВІЛ.

Реплікація вірусів зоцРНК-. РНК цих вірусів не може транслюватися на білок безпосередньо, оскільки не впізнається рибосомами. У цих вірусів реплікація відбувається за допомогою власної РНК-залежної. РНК-транскриптази(перебуває всередині капсиду і потрапляє в цитоплазму разом з вірусним геномом після проникнення в клітину):

1. РНК-транскриптазасинтезує оцРНК+ на матриці вірусної оцРНК-.

2. Синтезована оцРНК+ виступає у ролі мРНК і є матрицею у синтезі новихоцРНК-. Останні включаються до складу віріонів.

Прикладами вірусів з оцРНК є віруси грипу і сказу. Реплікація вірусів із дцРНК. Дволанцюжкова РНК цих вірусів складається з

РНК+ та РНК-ланцюгів. Їхня реплікація йде за наступним сценарієм:

1. Після влучення в цитоплазму віруснаРНК-полімераза використовує дцРНК для синтезу оцРНК+ (матрицею служить негативний ланцюг РНК). ОцРНК+ ланцюг виконує роль мРНК, тобто. транслюється рибосомами на

Нижче публікується стаття лауреата Великої золотої медалі ім. М.В. Ломоносова 2002 р., написана на основі доповіді, прочитаної 15 травня 2002 р. на Загальних зборах Російської академії наук при врученні цієї нагороди.

А. С. Спірін
Спірін Олександр Сергійович– академік, радник РАН.

У 30-х роках минулого століття моєму вчителю Андрію Миколайовичу Білозерському вдалося поставити останню крапку в суперечках, що затяглися, про приналежність двох. різних типівнуклеїнових кислот - рибонуклеїнової (РНК) та дезоксирибонуклеїнової (ДНК) - рослинному або тваринному царствам живого світу. Тоді про генетичні функції обох нуклеїнових кислот ще нічого не знали. Довгий час РНК вважалася компонентом рослин, включаючи гриби, а ДНК розглядалася як типовий компонент тварин клітин, як "тваринна нуклеїнова кислота", що найчастіше називалася тоді "тимонуклеїновою кислотою" (від thymus- Латинської назви зобної залози, з якої її виділяли). Потім виявилося, що РНК, поряд із ДНК, широко поширена у тварин. Однак щодо наявності ДНК у рослинних клітинах існували великі сумніви: прямих даних не було, а єдина непряма вказівка ​​- позитивна кольорова цитохімічна реакція Фейльгена, яку виявляли ядра рослинних клітин, - не могло вважатися надійним свідченням. О.М. Білозерським був спочатку виділений і ідентифікований тімін - найхарактерніший компонент ДНК - з насіння гороху, а потім сама ДНК була препаративно виділена з насіння кінського каштану. Так встановилося остаточне розуміння того, що і РНК, і ДНК – два універсальні типи нуклеїнових кислот, властивих усім царствам живого світу.

У 40-х роках на основі різних цитологічних і біохімічних спостережень та аналізів стало складатися уявлення, що ДНК, що постійно локалізується в ядрах клітин, у їх хромосомах, найтіснішим чином пов'язана з апаратом спадковості, а РНК – це обов'язковий компонент клітинної цитоплазми, відповідальний за біосинтез білка [ , ]. Прямі експерименти Т.Ейвері із співробітниками довели, що чиста, ізольована ДНК може бути носієм спадкових ознак організму. (Докладніше про ці експерименти, а також про склад і будову ДНК див. в огляді). Дедалі більше дослідників, насамперед біохіміків і цитологів, починали схилятися до думки, що ДНК чи її комплекси з білками може бути основними носіями генетичної інформації, а РНК - посередником, що сприймає цю інформацію від ДНК і реалізує її як біосинтезу білків.

До початку 50-х років Е. Чаргафф встановив факт видової специфічності складу ДНК, показавши, що співвідношення чотирьох сортів її мономерів - гуанілового (G), аденілового (А), цитидилового (С) та тиміділового (Т) - розрізняються у різних видіворганізмів [ , ]. Цей факт прямо відповідав передбачуваної генетичної ролі ДНК. При цьому були знайдені також дивовижні закономірності в нуклеотидному складі ДНК, названі "правилами Чаргаффа": незалежно від видових відмінностей, у всіх ДНК кількість G дорівнювала кількості С, а кількість А -кількості Т (G = С, А = Т). У 1953 р. Дж. Вотсон і Ф. Крик, використовуючи ці експериментальні дані по хімічного складуДНК, а також результати рентгеноструктурних аналізів орієнтованих ниток ДНК, що вказали на спіральний характер укладання полімерних молекул ДНК [ ], запропонували модель макромолекулярної структури ДНК . Це була подвійна спіраль, де дві полімерні нитки ДНК закручені одна щодо одної навколо загальної осі і утримуються разом за рахунок парних взаємодій G з С і А з Т. Їх здогад виявився геніальним: безпосередньо зі структури випливав механізм її точного відтворення, що вперше дало пояснення відтворення собі подібних структур у процесах розмноження та спадковості. Так півстоліття тому народилася нова наука – молекулярна біологія.

Природно, що молекулярна біологія почалася з епохи ДНК. ДНК була проголошена "головною молекулою життя", "ниткою життя", початком почав і основою всього живого. Білки, які раніше розглядалися як основний компонент живих систем, тепер "звільнялися" з усіх керівних позицій і "призначалися" на другорядні ролі каталізаторів, що обслуговують існування ДНК. Роль іншого типу нуклеїнових кислот - РНК - зводилася до функції посередників, що виробляються на матрицях ДНК та спрямовують синтез білків. Схема "ДНК->РНК -> білок" з незворотністю процесів передачі інформації, що позначаються стрілками, отримала назву "центральної догми молекулярної біології" (докладніше див [, 13]).

РНК: РЕПЛІКАЦІЯ НА ДНК І ГЕНЕТИЧНА ФУНКЦІЯ

В основі відтворення (реплікації) структури ДНК лежить так званий принцип комплементарності: у подвійній спіралі два полімерні ланцюги ДНК пов'язані пліч-о-пліч водневими зв'язками за рахунок утворення пар G-C, C-G, А-Т і Т-А (див. рис. 2 і 3). Якщо два ланцюги подвійної спіралі розходяться, то на кожному з них може будуватися (полімеризуватися) новий комплементарналанцюг, так що напроти G вихідного ланцюга встановиться З нового ланцюга, напроти З старого ланцюга - G нового ланцюга, навпроти А-Т, а навпроти Т-А; в результаті вийдуть дві дочірні подвійні спіралі, повністю ідентичні вихідній - материнській (див. рис. 4).

РНК хімічно подібна до ДНК. В обох випадках це лінійні, нерозгалужені полімери нуклеотидів з пентозо-фосфатним кістяком і чотирма типами азотистих (пуринових і піримідинових) основ як бічні групи (рис. 1). Існує лише дві невеликі відмінності ланцюга РНК від одиночного ланцюга ДНК:

1) п'ятивуглецевий цукор (пентоза) у РНК представлений рибозою, а в ДНК - його похідним 2"-дезоксирибозою;

2) один з двох піримідинових нуклеотидів в РНК представлений уридиловим залишком (U) замість його метильованого похідного Т ДНК.

Будучи копіями певних функціональних відрізків ланцюга ДНК – генів, ланцюги РНК покликані служити матрицями для синтезу іншого типу полімерів – поліпептидних ланцюгів білків. Так як білки складаються з двадцяти різних сортів мономерів (амінокислот), а РНК - тільки з чотирьох сортів мономерів (нуклеотидів), детермінація амінокислотної послідовності поліпептидного ланцюга нуклеотидною послідовністю РНК вимагає того, щоб кожна амінокислота кодувалася комбінацією з декількох - Саме триплетний код спочатку постулювали на підставі теоретичних міркувань, а потім і доведений експериментально. За РНК міцно закріпилася генетична рольпосередника між генами і білками: з одного боку, РНК представлялася як сукупність копій генів, тобто копій відрізків ДНК, з другого - як безпосередні матриці, послідовності нуклеотидних триплетів яких декодуються в амінокислотні послідовності поліпептидних ланцюгів у процесі синтезу білків.

Виходячи з цих уявлень, 1956 р. мною, тоді аспірантом О.М. Білозерського в Інституті біохімії АН СРСР, було розпочато роботу з експериментальної перевірки відповідності ДНК та РНК. Спочатку ми показали, що нуклеотидний склад (співвідношення чотирьох сортів нуклеотидів) ДНК може дуже різнитися у різних видів організмів, зокрема у бактерій різних таксономічних груп. Далі ми виходили з того, що якщо РНК - копія ДНК, то нуклеотидний склад цих двох типів нуклеїнових кислот повинен збігатися або принаймні бути подібним. Наші аналізи дали зовсім несподіваний результат: при сильних варіаціях складу ДНК співвідношення нуклеотидів у тотальній РНК різних видів виявилися напрочуд консервативними (табл.). Разом з тим, статистичний аналіз цих даних показав, що є надійна позитивна кореляція складу РНК зі складом ДНК, хоча і при малій величині регресії (рис. 3). Дані були інтерпретовані так, що на тлі основної маси еволюційно-консервативної, схожої у різних видів РНК, існує відносно мала фракція видоспецифічної РНК, що копіює ДНК.

У 1959 р. Ф. Крик описав цей ранній період історії молекулярної біології:

"Проблема кодування пройшла до теперішнього часу три фази. На першій - фазі блукань - були зроблені різні припущення, але жодне не було достатньо точним, щоб піддатися спростуванню. Друга фаза - оптимістична - була ініційована в 1954 Гамовим, який був досить сміливим, щоб запропонувати досить точний код, це стимулювало цілу низку дослідників, які прагнули показати, що його припущення неправильні, і тим самим вони дещо підняли точність мислення в цій галузі. Дані, представлені там, показували, що наші уявлення з багатьох важливих аспектів були надто спрощеними. .

Дещо раніше було встановлено, що ДНК-подібна РНК утворюється при зараженні бактерій вірусом (бактеріофагом): впровадження нового генетичного матеріалу - ДНК вірусу - в клітину індукувало синтез РНК, подібної до складу вірусної ДНК і, очевидно, що визначає синтез вірусних білків. У нашій роботі було вперше показано, що фракція ДНК-подібної РНК є нормальним компонентом звичайних, не заражених клітин, де вона, мабуть, виконує функцію переносу генетичної інформаціївід своєї ДНК, щоб визначити синтез своїх білків. Пізніше ця фракція РНК отримала назву messenger RNA, матричної РНК (мРНК), або інформаційної РНК

Подальші дослідження мРНК у моїй групі (з 1960 р. – лабораторії) в Інституті біохімії АН СРСР та перехід від вивчення мікроорганізмів до вищих організмів привели ще до одного відкриття. Виявилося, що у клітинах вищих організмів - тварин та вищих рослин - мРНК у вільному вигляді не існує, вона представлена ​​у вигляді рибонуклеопротеїдних частинок (мРНП-часток), названих нами інформосомами[ , ].

Цей новий тип внутрішньоклітинних частинок характеризувався низкою унікальних фізико-хімічних властивостей, і, зокрема, постійним співвідношенням структурного білка та мРНК зі значною перевагою білкового компонента. Роль нуклеопротеїдної форми існування мРНК у клітинах вищих організмів надалі вивчалася багатьма дослідниками у зв'язку з механізмами регулювання білкового синтезу на рівні трансляції. Ці роботи дали ключ до розуміння низки молекулярних механізмів оогенезу, сперматогенезу та раннього ембріогенезу, клітинного диференціювання та морфогенезу, еритропоезу та інших процесів у життєдіяльності багатоклітинних істот, включаючи людину (див. огляди [ , ]).

СТРУКТУРНА РНК

Після 1958 р. головні зусилля моєї групи були спрямовані вивчення консервативної, негенетичної РНК, що становить основну частину тотальної клітинної РНК. Швидко з'ясувалося, що переважна її частина (близько 90%) є компонентом рибосом - внутрішньоклітинних рибонуклеопротеїдних частинок, що є молекулярними "фабриками" з виробництва білків. У серії блискучих робіт англійських, французьких та американських дослідників [-] було доведено, що рибосоми та РНК рибосом самі не несуть генетичної інформації для синтезу білків, а служать універсальним, неспецифічним апаратом, який має бути програмований інформаційною РНК (мРНК), щоб синтезувати специфічні детерміновані відповідними генами білки

Перші ж дослідження рибосомних РНК в нашій лабораторії показали, що це - великі макромолекули (молекулярна вага порядку 10 6 ), кожна з яких являє собою один ковалентно-безперервний полінуклеотидний ланцюг [ , ] На противагу висунутому раніше уявленню про субодиничному характері. Дещо раніше при вивченні високополімерної біологічно активної (інфекційної) РНК з вірусу тютюнової мозаїки нам вдалося виявити її здатність до формування вторинної та третинної структур, тобто до складання та згортання її полінуклеотидного ланцюга в структури з ближніми та дальніми внутрішньоланцюговими взаємодіями [30]. Подібне ж поведінка виявилося можливим продемонструвати і у випадку рибосомних РНК у розчині [ , ]. У сукупності дослідження фізико-хімічних властивостей та структурних характеристик ізольованих високополімерних РНК у розчині, виконані у 1958-1962 рр., привели до формулювання наступних загальних принципів їхньої просторової організації:

РНК, на відміну від ДНК, - одноланцюжковий полімер",

РНК формує вторинну структуру- Набір коротких спіральних ділянок - в основному за рахунок антипаралельного комплементарного спарювання суміжних відрізків ланцюга;

РНК здатна утворювати третинну структуруза рахунок далеких комплементарних взаємодій усередині ланцюга та міжспіральних взаємодій;

Високополімерна РНК здатна згортатися в компактні частки;

РНК має значну конформаційною рухливістю(Рис. 4).

Цим спостереженням передували наші досліди з індукованих структурних перетворень рибосом типу розгортання рибосомних частинок у рибонуклеопротеїдні тяжі без втрати рибосомних білків [ , ], а також розбирання та зворотного самозбирання рибосомних білків на ядрі РНК (реконструкції риб) каркасом. Вивчення нейтронного розсіювання рибосом разом із групою І.М. Сердюка в Інституті білка АН СРСР дало додаткові фізичні свідоцтва про взаємне розташування РНК і білків у рибосомних частках. Загалом усе це дозволило сформулювати три загальні принципи структури рибосом:

рибосома побудована з двох нерівних субчасток, що розділяються - малої і великої рибосомних субодиниць;

Дві специфічно самозгортаються високополімерні РНК - рибосомні РНК - утворюють компактні структурні ядра двох рибосомних субодиниць;

Різноманітні рибосомні білки та їх групи специфічно зібрані на каркасі рибосомних РНК, переважно на периферії цих компактних ядер.

Крім інформації про детальному пристрої рибосоми, отримані результати повністю підтвердили вищезазначені загальні принципи її структури, і в першу чергу той факт, що форма субодиниць визначається їх компактно згорнутої РНК, а рибосомні білки розташовуються на периферії цих ядер. Повна рибосома - асоціат двох різних, компактно і специфічно згорнутих РНК, лише частини поверхні " декорованої " білками. Важливо, що саме рибосомна РНК, як виявилося, утворює основні функціональні центри рибосоми та визначає важливий пристрій рибосоми як молекулярної машини, що здійснює синтез білка за програмою, записаною в мРНК. Цілком ймовірно, що на зорі життя рибосома складалася тільки з РНК, а рибосомні білки - це еволюційне придбання для стабілізації рибосомної РНК або поліпшення її функції.

ВСІМОГУЧНА РНК

Здатність РНК до формування компактних тривимірних структур, як й у разі білків, дає основу специфічного взаємодії коїться з іншими молекулами - макромолекулами і малими лігандами. Для молекул РНК, згорнутих у специфічну глобулу, завдяки чому її поверхні створюється унікальний просторовий візерунок, доводиться можливість функції молекулярного впізнавання, як й у білків. У свою чергу, високовиборче впізнання призводить до можливості специфічного каталізу хімічних реакцій на кшталт ферментативного каталізу реакцій білками.

Мабуть, першими відомими "розпізнають" РНК можна вважати так звані "транспортні" РНК, або тРНК, що виконують адапторну роль в біосинтезі білка (див. рис. 1). Ці порівняно невеликі РНК (мол. вага близько 30000) є компактно згорнуті молекули з однотипною просторовою структурою (див. рис. 3). Їх призначення - перенесення амінокислот із вільного стану до складу синтезованої рибосоми поліпептидного ланцюга білка. Для виконання цього завдання тРНК має по черзі і дуже вибірково взаємодіяти з цілим рядом макромолекулярних структур у клітині: спочатку з білком-ферментом (аміноацил-тРНК-синтетазою), що несуть певну активовану амінокислоту, потім, несучи на собі ковалентно приєднану амінокислоту ( фактором елонгації EF-Tu), разом з яким вона надходить у рибосому, і потім одночасно з рибосомною РНК та мРНК у рибосомі. Хоча на цьому шляху, безсумнівно, реалізуються функції специфічного впізнавання молекулами тРНК інших макромолекул, довгий час все ж таки мовчазно приймалося, що основну роль грає впізнавання тРНК з боку білків - ферментів, факторів трансляції та рибосомних білків, але не навпаки.

Англійський вчений Еге. Кандліфф був першим, хто чітко і безперечно заявив про здатність структурованих ділянок рибосомної РНК специфічно дізнаватися малі ліганди ненуклеїнової та небілкової природи. Він представив експериментальні дані на користь виборчої взаємодії (зв'язування) саме ділянок згорнутої РНК, а не білків, з рядом антибіотиків рибосомної дії – тіострептоном, еритроміцином, аміноглікозидами (стрептоміцином, канаміцином, неоміцином). Через 10 років іншими вченими були представлені прямі структурні дані про специфічне зв'язування аміноглікозидних антибіотиків районом малої (16S) рибосомної РНК (див. також огляд).

Остаточне визнання за РНК здатності дізнаватися найрізноманітніші молекули і дуже специфічно взаємодіяти з ними прийшло завдяки аптамерам - невеликим за розмірами синтетичним РНК, одержуваним шляхом відбору багатьох варіантів нуклеотидних послідовностей за допомогою процедур так званої "безклітинної еволюції", "еволюції в пробірці" ]. Виявилося, що можна відібрати і розмножити РНК, що мають здатність вибірково пов'язувати практично будь-який вид молекул, починаючи від низькомолекулярних органічних сполук і закінчуючи різними індивідуальними пептидами і білками (див. огляди [ , ]). Іншими словами, РНК, як і білки, дійсно повною мірою можуть мати функцію специфічного молекулярного впізнавання.

Ще до цих досліджень, на початку 80-х років минулого століття, в лабораторіях Т. Чека та С. Олтмана в США було зроблено сенсаційне відкриття, що здійснило революцію в біохімії та молекулярній біології: було показано, що РНК може бути специфічним каталізатором біохімічних реакцій [ ,47]. Протягом усієї попередньої історії біохімії протягом десятиліть стверджувалося, що біохімічний каталіз - "прерогатива" виключно білків-ферментів. Тому всі теорії походження життя змушені були виходити з первинності білків як макромолекул, абсолютно необхідних виникнення біохімічного метаболізму (обміну речовин). Відкриття каталітичної функції РНК перевернуло всі попередні уявлення про виняткову роль білків у виникненні життя, а й у розумінні самого явища життя.

За аналогією з білками-ферментами - ензимами -каталітичні РНК були названі рибозимами.Очевидно, майже всі рибозими, які природно існують у живій природі в клітинах сучасних організмів, так чи інакше беруть участь у процесах, пов'язаних з перетвореннями полінуклеотидних ланцюгів самих РНК. Однак виявилося можливим створювати і штучні рибозими з ширшим спектром реакцій, що каталізуються. Крім того, як з'ясовується з усієї сукупності даних по структурі рибосом та особливостей каталізованої рибосоми реакції утворення пептидних зв'язків у процесі біосинтезу білка, каталітичний центр цієї реакції (пептидил-трансферазний центр рибосоми) формується певним доменом великої рибосомної РНК, без принципової участі риб тобто має рибозимну природу [50].

Отже, після відкриття каталітичної функції РНК змінилася парадигма, і погляди біологів звернулися до РНК. Насправді, молекули РНК здатні робити все те, що роблять білки: складатися в специфічні структури і визначати формоутворення біологічних частинок, з великою точністю дізнаватися про інші макромолекули і малі ліганди і взаємодіяти з ними здійснювати каталіз ковалентних перетворень відомих молекул. Звичайно, білки роблять все це більш ефективно та різнобічно, ніж РНК. Проте білки в принципі "не вміють" самовідтворюватися - не існує жодних власних білкових механізмів для відтворення їх структури, крім через РНК. У той самий час РНК містить всі необхідні структурні передумови для точного відтворення її структури.

РНК - близький аналог ДНК, сучасного "речовини спадковості". Структурно ніщо не заважає їй утворювати подвійні спіралі типу ДНК, з повним дотриманням принципу комплементарності за рахунок формування пар G-C, C-G, A-U і U-A між двома полірибонуклеотидними ланцюгами. У разі і відтворення (реплікація) РНК на РНК представляється цілком дозволеним процесом. Дійсно, добре відомо, що подвійні спіралі РНК існують у природі, і в першу чергу - як самостійні РНК-геноми у деяких вірусів (наприклад, реовірусів і ротавірусів тварин і людини). Взагалі геноми у вигляді РНК, а не ДНК досить поширені серед вірусів як тварин, так і рослин, а також бактеріальних вірусів (бактеріофагів), але в переважній більшості випадків їх геномна РНК представлена ​​одним ланцюгом РНК, де лише після попадання вірусу в клітину будується комплементарний ланцюг.

Так чи інакше, вірусологія давно довела наявність таких самих генетичних реплікативних функцій у РНК, які властиві ДНК у клітинних організмах.

Очевидно, сучасні клітинні організми не могли б існувати без генетичного "єдиноначалія" ДНК, і на самостійне відтворення РНК еволюцією було накладено сувору заборону, інакше відбувалася б дерегуляція генної активності в організмах, порушення контрольованого генами балансу продуктів і процесів у клітині та повна дезорган життя. Проте реплікація РНК на РНК у випадках може здійснюватися у нормальних клітинах. Про це свідчать останні відкриття нових класів малих негенетичних РНК у клітинах тварин і рослин - так званих інтерферуючих РНК (siRNA)та мікpoPHK (miRNA) -з регуляторною та антивірусною активністю: функціонування та відтворення цих РНК вимагає їх самостійної реплікації.

СВІТ РНК - СТАРОДАВНИЙ І СУЧАСНИЙ

Таким чином, РНК є найбільш самодостатньою речовиною живої матерії. Вона принципово здатна виконувати всі або майже всі функції, які властиві білкам, включаючи формоутворення та біохімічний каталіз, і в той же час може бути повноцінною генетичною речовиною з її реплікативною та кодуючою функціями. Усвідомлення цих фактів і призвело біологів, хіміків і геологів до гіпотези про давній "світ РНК", який еволюційно передував нашому нинішньому ДНК-РНК-білковому життю (докладніше див.). У світі РНК був ні білків, ні ДНК, лише ансамблі різних молекул РНК, виконують різні вищеперелічені функції. Це були, швидше за все, безклітинні системи.Формування клітинних структур, безумовно, вимагає участі принаймні білків і ліпідів, яких ще не було. Компартменталізація ансамблів РНК у вигляді коацерватних крапель також була малоймовірною через відсутність поліпептидів, полісахаридів та інших полімерів, здатних до коацервації. Тим не менш, для того, щоб кожен ансамбль РНК міг існувати як система, успадковувати набуті ознаки, корисні для всієї системи, і еволюціонувати, його РНК-реплікази, ліганд-зв'язуючі РНК, РНК-синтетази та продукти синтезів повинні бути, очевидно, як- то об'єднані у просторі. Тому в більшості теорій походження життя виникнення обмежувальних мембран або хоча б поверхонь розділу фаз постулюється необхідною умовою початку еволюції, у тому числі еволюції ансамблів РНК (наприклад, див.).

Можлива, однак, і альтернатива, як на мене, навіть більш ймовірна. Близько десятиліття тому в Інституті білка РАН моїм учнем А.Б. Четверіним із співробітниками була експериментально показана здатність молекул РНК формувати молекулярні колоніїна гелях або інших твердих середовищах, якщо на цих середовищах їм було надано умови для реплікації [55] (рис. 5). Змішані колонії РНК на твердих або напівтвердих поверхнях і могли бути першими еволюціонуючими безклітинними ансамблями, де одні молекули виконували генетичні функції (реплікацію молекул РНК всього ансамблю), а інші формували необхідні для успішного існування структури (наприклад, адсорбували потрібні речовини з довкілля) або були рибозимами, відповідальними за синтез та підготовку субстратів для синтезу РНК. Така безклітинна ситуація створювала умови для дуже швидкої еволюції: колонії РНК були відгороджені від довкілля і легко обмінюватися своїми молекулами - своїм генетичним матеріалом. Легке поширення молекул РНК через середовище, у тому числі атмосферне, також було продемонстровано у прямих експериментах. Більш того, як показали недавні експерименти тієї ж групи дослідників, молекули РНК при зіткненнях у водному середовищі можуть спонтанно обмінюватися шматками, тобто мають здатність до неензиматичної рекомбінації.

Рис. 5.Колонії молекул РНК, що реплікуються, на агарозному гелі [ , ]
ліворуч- колонії РНК, що виросли на закритій чашці Петрі
протягом однієї години за температури 25°С.
Праворуч- колонії РНК, що виросли на відкритій чашці Петрі в тих же умовах
(зараження молекулами РНК із повітря)

Саме такі умови постулював К. Вуз для виникнення Універсального Попередника живих істот на Землі: високий рівень мутацій (помилок реплікації) через примітивність та недосконалість механізмів реплікації генетичного матеріалу, вільний обмін генетичним матеріалом між попередниками клітин - "прогенотами" - і комун. цих попередників, коли будь-які продукти та інновації одних ставали надбанням усіх ("від кожного за здібностями - кожному за потребами"). Однак, на відміну від гіпотези К. Вуза, я віддав би перевагу віддати роль Універсального Попередника доклітинної - безклітинний -формі існування світу РНК, коли ще було ні ДНК, ні механізмів синтезу білка. Універсальним Попередником могло бути саме комунальне співтовариство колоній-ансамблів РНК, що існують і розмножуються на твердих або гелеподібних поверхнях первісної Землі, не обмежених фізично ніякими мембранами і фазовими розділами і тому вільно обмінюються як генетичним матеріалом, так і продуктами реакцій, що каталізуються.

Ця комунальна форма існування світу РНК – свого роду Соляріс, – як уже вказувалося, мала дуже швидко еволюціонувати. У всякому разі, весь шлях еволюції до індивідуальних організмів з клітинною структурою, ДНК і сучасним апаратом білкового синтезу було пройдено, мабуть, менш як півмільярда років (період від 4 млрд. до 3.5 млрд. років тому вони). Вдосконалення колоній-ансамблів РНК за рахунок природного відбору мало відбуватися у напрямку як поліпшення каталітичних механізмів, так і збільшення точності реплікації та спадкування. Колонії РНК, "що навчилися" робити білкові каталізатори, природно, набували величезну перевагу над іншими в швидкостях і як каталізованих реакцій і тому швидко витісняли "невмілих" - як за рахунок конкуренції, так і за рахунок передачі їм цієї здібності. За підсумками РНК виникав і вдосконалювався апарат білкового синтезу, а через комунального і пандемічного характеру світу РНК вироблявся універсальний генетичний код.

Проте синтезований синтез білків вимагав підвищеної точностіреплікації генетичного матеріалу та упорядкування продукції різних білків. Це призвело до необхідності диференціації частини РНК (генетичної РНК) та її модифікації в ДНК, що має здатність до більш точного копіювання, а також істотно більшої хімічної стабільністю, ніж РНК. Нарешті, ефективність і стійкість таких систем могла бути значно підвищена за рахунок їхнього відокремлення від навколишнього середовища, і вони оточуються мембранами білково-ліпідної природи. Комунальний світ розпадається на індивідуальні, але високо ефективні осередки - клітини, особини, організми, і починається їхня власна еволюція та власні родовід. З комунального Універсального Попередника виходять дві основні гілки мікроорганізмів - бактерії (еубактерії) і ар-хеї (архебактерії), формуються їх клітинні співтовариства на основі взаємодії їх метаболізмів, а потім їх симбіотичні відносини призводять до появи химер і перед еукаріями організмів.

Що сталося зі світом РНК після розпаду комуни? Хоча комуна розпалася, світ РНК зберігся у кожному клітині кожного живого організму. Основою сучасного життя є успадкований біосинтез білків, який визначає всі ознаки живих організмів, що нині існують. Як центральна ланка цього процесу біосинтезу білків виступає сукупність взаємодіючих один з одним молекул РНК різних типів, насамперед рибосомної РНК, що формує апарат білкового синтезу, тРНК, що доставляє в рибосому активовані амінокислоти для побудови поліпептидних ланцюгів білків, і мРНК, що несе нук-леотидної послідовності програму для синтезу білка (див. рис. 1). Крім цих трьох основних представників внутрішньоклітинного світу РНК, виявлено цілу низку мінорних РНК, що забезпечують процеси редуплікації ДНК і успадкування, копіювання генів і формування.

ня мРНК, регуляції синтезу білків, транспорту білків через мембрани, регуляції ембріогенезу та клітинної диференціювання, детермінації тривалості життя, і так далі. Щороку відкриваються нові види мінорних РНК у клітинах сучасних організмів, виявляється їх найважливіша роль життя організмів .

Ще донедавна ми дуже мало знали про внутрішньоклітинний світ РНК, і зараз відбувається серйозна переоцінка відносного внеску негенетичних РНК у функціонування живих систем. Можна сміливо сказати, що сукупність молекул РНК - світ РНК - як і становить ядро ​​життя. Сучасне життя – це РНК. що передала частину своїх генетичних функцій народженому нею ж спорідненому полімеру - ДНК, і синтезує білки для всеосяжного ефективного функціонування компартментів, що містять її - клітин і багатоклітинних організмів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Kiesel A., Бєлозерскій A. Uber die Nucleinsaure und die Nucleoproteide der Erbsenkeime // Hoppe-Seyler"s Z. physiol. Chemie. 1934. Bd. 229. H. 4-6. S. 160-166.

2. Білозерський A.H., Дубровська І.І.Про білки та тимонуклеїнову кислоту насіння кінського каштану // Біохімія. 1936. Т. 1. С. 665-675.

3. Касперсон Т., Landstrom-Hyden H., Aquilonius L. Cytoplasmanukieotide в eiweissproduzierenden Drusenzellen//Chromosoma. 1941. Bd. 2. S. Ill-131.

4. Bracket J. La detection histochimique et le microdosage des acides pentosenucleiques // Enzymologia. 1941-1942, V. 10. P. 87-96.

5. Avery О.Т., MacLeod CM., McCarty M. Studies на хімічної природи суб'єктів, що призводять до перетворення pneumococcal types // J. Exp. Med. 1944. V. 78. P. 137-158.

6. Спірін А.С.Сучасна біологія та біологічна безпека // Вісник РАН. 1997. № 7.

7. Chargaff E. Chemical specificity nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation // Experientia. 1950. V. 6. P. 201-209.

8. Chargaff E.Структура і функція нуклеїчних оксидів як селективних // Federation Proc. 1951. V. 10. P. 654-659.

9. Wilkins M.F.H., Stokes A.R., Wilson H.R. Molecular structure of deoxypentose nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740.

10. Franklin R.E., Gosling R.G. Molecular configuration in sodium thymonucleate // Nature. 1953. V. 171. P. 740-741.

11. Watson J. D., Crick F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid // Nature. 1953. V. 171. P. 737-738.

12. Watson J. D., Crick F. H. C. Genetic implications of structure of desoxyribose nucleic acid // Nature. 1953. V. 171. P. 964-967.

13. Спірін А.С.Біосинтез білків, світ РНК та походження життя // Вісник РАН. 2001. № 4.

14. Спірін А.С., Білозерський А.М., Шугаєва Н.В., Ванюшин Б.Ф.Вивчення видової специфічності нуклеїнових кислот у бактерій // Біохімія. 1957. Т. 22. С. 744-754.

15. Belozersky A.N., Spirin A.S.Наближення між комбінаціями з сульфатрибонуклеїчної та рибонуклеїчної хвороби//Nature. 1958. V. 182. P. 111-112.

16. Crick F.H.C.Сучасна позиція з питанням coding // Brookhaven Symposia in Biology. 1959. № 12. P. 35-39.

17. Volkin E., Astrachan L. Phosphorus incorporation in Escherichia coli ribonucleic acid after infection with bacteriophage T2 //Virology. 1956. V. 2. P. 149-161.

18. Jacob F., Monod J. Genetic regulatory mechanisms в synthesis of proteins // J. Mol. Biol. 1961. V. 3. P. 318-356.

19. Спірін А.С., Беліцина Н.В., Айтхожін М.А.Інформаційні РНК у ранньому ембріогенезі// Журнал загальної біології. 1964. Т. 25. С. 321-338.

20. Spirin A.S. Informosomes //European J. Biochem. 1969. V. 10. P. 20-35.

21. Spirin A.S.На "маскованих" формах messenger RNA в ранній embryogenesis і в інших differentiating systems // Current Topics in Developmental Biology. 1966. V. 1. P. 1-38.

22. Spirin A.S. Masked and translatable messenger ribonucleoproteins in higher eukaryotes // Translational Control / Eds. Hershey J.W.B., Mathews M.B., Sonenberg N., N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1996. P. 319-334.

23. Brenner S., Jacob F., Meselson M.На нестабільному intermediate carrying information з genes to ribosomes for protein synthesis//Nature. 1961. V. 190. P. 576-581.

24. Gros F., Gilbert W., Hiatt H. та ін.Нестабільний ribonucleic acid зазнали pulse labeling of Escherichia coli // Nature. 1961. V. 190. P. 581-585.

25. Spiegelman S.Поняття інформаційної RNA до DNA // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1961. V. 26. P. 75-90.

26. Богданова E.G., Гаврилова Л.П., Дворкін Г.А., Кисельов Н.А., Спірін А.С.Вивчення макромолекулярної структури високополімерної (рибосомальної) рибо нуклеїнової кислотиз Escherichia coli// Біохімія. 1962. Т. 27. С. 387-402.

27. Spirin A.S.Деякі аспекти макромолекулярної структури високополімерної RNA в поведінці // Acides ribonucleiques et polyphosphates: Structure, synthese et functions / Eds. Ebel J.P., Grunberg-Manago M. Paris: Editions du CNRS, 1962. P. 73-87.

28. Hall B.D., Doty P.Управління і фізичні хімічні властивості рибонуклеїчного acid від microsomal particles // J. Mol. Biol. 1959. V. 1. P. 111-126.

29. Спірін А.С., ГавриловаЛ.П., Бреслер С.Є., Мосевицький М.І.Вивчення макромолекулярної структури інфекційної рибонуклеїнової кислоти з вірусу тютюнової мозаїки // Біохімія. 1959. Т. 24. С. 938-947.

30. Spirin A.S.На макромолекулярній структурі природного високополімерного рібонуклеїчного оксиду в solution // J. Mol. Biol. 1960. V. 2. P. 436-446.

31. Васілієв В.Д., Селіванова О.М., Котельянський В.Е.Спеціальний self-packing ribosomal 16S RNA // FEBS Letters. 1978. V. 95. P. 273-276.

32. Vasiliev V.D., Serdyuk I.N., Гудков А.Т., Spirin A.S. Self-organization of ribosomal RNA // Structure, Function, і Genetics of Ribosomes / Eds. Hardesty B., KramerG. N.Y.: Springer-Verlag, 1986. P. 128-142.

33. Спірін А.С., Кисельов Н.А., Шакулов Р.С., Богданов А.А.Вивчення структури рибосом: Оборотне розгортання рибосомних частинок в рибо-нуклеопротеїдні тяжі та модель укладання // Біохімія. 1963. Т. 28. С. 920-930.

34. Lerman M.I., Spirin A.S., Gavrilova L.P., Golov V.F. Studies на structure of ribosomes: II. Stepwise dissociation of protein from ribosomes by caesium chloride and re-assembly of ribosome-like particles // J. Mol. Biol. 1966. V. 15. P. 268-281.

35. Гаврілова Л.П., Льванов Д.А., Спірін А.С. Studies на structure of ribosomes: III. Stepwise unfolding of 50S articlesout loss of ribosomal protein // J. Mol. Biol. 1966. V. 16. P. 473-489.

36. Wimberly B.T., Brodersen D.E., Clemons W.M. та ін.Структура 30S ribosomal subunit // Nature. 2000. V. 407. P. 327-339.

37. Schlunzen F., Tocilj A., Zarivach R. та ін.Структура функціонально-активованого малого ribosomal subunit at 3.3 angstroms resolution // Cell. 2000. V. 102. P. 615-623.

38. Ban N., Nissen P., Hansen J. та ін. Editions du CNRS, The complete atomic structure of large ribosomal subunit at 2.4 E resolution // Science. 2000. V. 289. P. 905-920.

39. Yusupov MM., Yusupova G.Zh., Baucom A. та ін.Кришталева структура рибосому в 5.5 A resolution // Science. 2001. V. 292. P. 883-896.

40. Cundliffe E.Удосконалення конкретних порцій рібосомальних RNA в конкретних рібосомальних функціях: Дослідження з використанням антібіотичних // Структура, Function, і Genetics of Ribosomes / Eds. Hardesty B., Kramer G. N.Y.: Springer-Verlag, 1986. P. 586-604.

41. Fourmy D., Recht M.I., Blanchard S.C., Puglisi J.D. Structure of the A site of E. coli 16S rRNA complexed with aminoglycoside antibiotic // Science. 1996. V. 274. P. 1364-1371.

42. Puglisi JD, Williamson JR. RNA interaction with male ligands and peptides // The RNA World, Second Edition / Eds. Gesteland R.F., Cech T.R., Atkins J.F. N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999. P. 40325.

43. Ellington A., SzostakJ. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands // Nature. 1990. V. 346. P. 818-822.

44. Tuerk С., Gold L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment // Science. 1990. V. 249. P. 505-510.

45. GoldL., Polisky B., Uhlenbeck 0., Yarus M. Diversity of oligonucleotide функцій // Annual Review Biochem. 1995. V. 64. P. 763-797.

46. Kruger К., Grahowski PJ, Zaug AJ. та ін. Self-splicing RNA: Autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahyrnena// Cell. 1982. V. 31. P. 147-157.

47. Guerrier-Takada С., Gardiner К., March Т. та ін. RNA moiety ribonuclease P is catalytic subunit of enzyme // Cell. 1983. V. 35. P. 849-857.

48. Cech T.R., Golden B.L. Building a catalytic active site using only RNA // The RNA World. Sec. Ed./Eds. Gesteland R.F., Cech T.R., Atkins J.F. N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999. P. 321-347.

49. Noller H.F., Hoffarth V., Zimniak L. Unusual resistance of peptidyl transferase to protein extraction methods // Science. 1992. V. 256. P. 1416-1419.

50. Nissen P., Hansen J., Ban N. та ін.Структуральна основа ribosome activity в peptide bond synthesis // Science. 2000. V. 289. P. 920-930.

51. Ahlquist P. RNA-dependent RNA polymerase, viruses, and RNA silencing // Science. 2002. V. 296. P. 1270-1273.

52. Gilbert W. The RNA world // Nature. 1986. V. 319. P. 618.

53. Gilbert W., Souza SJ. Introns and the RNA world // The RNA World. Sec. Ed./Eds. Gesteland R.F., Cech T.R., Atkins J.F. N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999. P. 221-231.

54. Chetverin A.B., Chetverina H.V., Munishkin A.V.На природі спонтанних RNA synthesis за Q (3 replicase // J. Mol. Biol. 1991. V. 222. P. 3-9.

55. Chetverina H.V., Chetverin A.B. Cloning of RNA molecules in vitro//Nucleic Acids Research. 1993. V. 21. P. 2349-2353.

56. Chetverina H.V., Demidenko А.А., Ugarov V.I., Chetverin A.B.Спонтанні реорганізації в RNA sequences // FEBS Letters. 1999. V. 450. P. 89-94.

57. Woese C.R. The universal ancestor // Proc. Natl. Acad. SCI. США. 1998. V. 95. P. 6854-6859.

58. Storz G. An expanding universe of non-coding RNAs // Science. 2002. V. 296. P. 1260-1263.

Основною функцією ДНК є її здатність до самоподвоєння (реплікації). Реплікація - дуже точний механізм, що практично не допускає помилок. У самій ДНК (у деяких вірусів - в РНК) закодовано інформацію про структуру ферментів, що здійснюють подвоєння нуклеїнових кислот, синтез нових нуклеотидів - будівельну базу реплікації, виправлення помилок реплікації, а також репараціюушкоджень ДНК, спричинених різними факторами. Нарешті, сама структура ДНК, а саме наявність двох ланцюгів у її складі, є умовою, що полегшує процес копіювання, оскільки в такому випадку кожен з ланцюжків може виконувати роль матриціпри синтезі нових молекул ДНК Подібне припущення висловили Джеймс Вотсон і Френсіс Крик ще 1953 р., і воно отримало експериментальне підтвердження. Такий механізм копіювання ДНК, коли кожен з ланцюгів виконує функцію шаблону, а знову синтезовані молекули є гібридними (складаються з одного старого та одного нового ланцюга), називається напівконсервативним.

Крім напівконсервативної, було запропоновано ще дві моделі реплікації: консервативнаі дисперсивна. Особливості цих моделей реплікації ДНК полягають у наступному. Згідно з дисперсивною моделлю, батьківська спіраль ДНК при подвоєнні розривається на кожному напівобороті шляхом множинної фрагментації, а синтез нових ланцюгів відбувається на фрагментах (рис. 1.9). За консервативною моделлю розкручування спіралі ДНК не відбувається зовсім, і вона служить матрицею для двох нових ланцюгів, внаслідок чого батьківська спіраль цілком складається зі старого, а дочірня – з нового матеріалу. Доказ реальності напівконсервативного механізму реплікації ДНК надали Месельсон та Сталь у 1958 р. в експериментах з ультрацентрифугуваннямміченої бактеріальної ДНК.

Суть цих експериментів полягала в наступному: ДНК E.coli метили радіоактивним ізотопом 15 N, а потім давали здійснитися одному раунду реплікації ДНК, вирощуючи клітини протягом ~ 50 хв на живильному середовищі, що містить нормальний ізотоп азоту - 14 N. Виділену з клітин ДНК піддавали ультрацентрифугування в градієнті щільності хлористого цезію. При такому центрифугуванні молекули CsCl створюють у пробірці градієнт густини, і молекули інших речовин розподіляються в цьому градієнті відповідно до своєї густини. ДНК E.coli, вирощених на середовищі, що містить 15 N, має щільність 1,724 г/см 3 тоді як ДНК клітин, вирощених на звичайному середовищі з ізотопом 14 N, характеризується щільністю 1,710 г/см 3 . Таким чином, суміш цих двох типів ДНК легко розділяється при центрифугуванні щільністю. Локалізацію ДНК у пробірці з градієнтом CsCl можна визначити за поглинанням ультрафіолетових променів (ДНК поглинає випромінювання з довжиною хвилі 260 нм). Таким чином, ДНК у пробірці виявляється у вигляді «смуг» - «легка» у верхнього краю пробірки, «важка» - ближче до дна. В даному експерименті в пробірці з градієнтом хлористого цезію утворилася всього одна, середня за «тяжкістю» смуга, положення якої відповідало гібридній ДНК, що включає обидва ізотопи азоту - 15 N і 14 N. Ця обставина виключала можливість реалізації тільки однієї моделі реплікації ДНК-консервативної. Для вибору між двома моделями реплікації Месельсон і Сталь, що залишилися, дозволили бактеріям, ДНК яких містила обидва ізотопи, зробити ще один поділ на середовищі з 14 N. Потім їх ДНК знову піддали ультрацентрифугування. Цього разу у пробірці сформувалося дві смуги ДНК – «легка» та середня за «вагою», що підтверджує справедливість напівконсервативного механізму реплікації ДНК.

Отже, всі вивчені до теперішнього часу способи реплікації нуклеїнових кислот зводяться до напівконсервативного механізму, згідно з яким після кожного раунду реплікації одна нитка в кожній із двох дочірніх молекул є батьківською, тобто консервативною, а інша - заново синтезованою. Реплікація одно- та дволанцюжкових нуклеїнових кислот, що представляють геноми різних організмів, здійснюється з дотриманням певних закономірностей при реалізації різних механізмів, які розглянуті нижче. Спільним всім цих процесів є: 1) участь складного комплексу ферментів, які здійснюють реплікацію; 2) наявність трьох основних стадій процесу – ініціації, елонгаціїта термінації; 3) дотримання принципу комплементарності при побудові нових ланцюгів, при якому шаблоном (матрицею) є батьківський ланцюжок; 4) висока точність процесу; 5) можливість виправлення помилок реплікації під час коректорського виправлення.

Реплікація дволанцюжкових ДНК. Дволанцюгові ДНК формують геноми всіх клітинних організмів - і прокаріотів та еукаріотів. Найкращим чином механізм реплікації ДНК вивчений до прокаріотичних клітин, зокрема бактерій E.coli. В експериментах з прокаріотами показано, що в умовах, що обмежують синтез білка, реплікація ДНК не відбувається, з чого можна зробити висновок, що цей процес потребує участі білків. В даний час показано, що в процесі реплікації ДНК беруть участь продукти більш як 10 генів. Це насамперед, ДНК-полімерази, а також топоізомерази, геліказиі лігази. З'являється все більше даних на користь участі в процесі реплікації високоорганізованого ДНК мультиферментного комплексу - реплісоми, що включає праймосомо-праймазнийкомплекс, гелікази, Pol III-холофермент та гірази.

ДНК-полімерази - це ключові ферменти реплікативного процесу, які, власне, і здійснюють нарощування полінуклеотидних ланцюгів, використовуючи принцип комплементарності. Найбільш повно вивчені ДНК-полімерази кишкової палички. У клітинах цих бактерій виявлено три різні типи ДНК-полімераз (Pol-I, Pol-II та Pol-III), які відрізняються в першу чергу швидкістю каталізу та нуклеазною активністю. ДНК-полімераза I (Pol-I) являє собою одиночний поліпептид, що містить близько 1000 залишків амінокислот. У клітині E.coli налічується близько 400 молекул цього ферменту. Pol-I має наступні активності: полімеразної - приєднання комплементарних матричного ланцюга дезоксинуклеотидів до вільної 3'-ОН-групи праймера в напрямку від 5'- до 3'-кінця (5'→3') молекули ДНК, що будується; екзонуклеазної - гідроліз фосфодіефірних зв'язків (відщеплення нуклеотидів) в одному ланцюгу ДНК або на неспареному кінці дуплексної ДНК, починаючи з 3-кінця ланцюга (3'→ 5') і 5'-кінця ланцюга (5'→3'). Екзонуклеазні активності відіграють дуже велику роль у реплікації та репарації хромосомної ДНК E.coli. 3'→5'-екзонуклеазна активність забезпечує контроль за приєднанням кожного нуклеотиду та видалення помилкових нуклеотидів з зростаючого кінця ланцюга (коректорська правка), а 5'→3'-екзонуклеазна активність використовується для видалення димерів піримідинів та рибонуклеотидів фрагментів Оказаки.

ДНК-полімераза II (Pol-II) присутня в клітинах кишкової палички в значно меншому числі копій і здійснює полімеразну активність набагато повільніше, ніж Pol-I (становить лише 5% активності ДНК-полімерази I). На відміну від Pol-I цей фермент не має 5'→3'-екзонуклеазної активності. Роль цієї полімерази в реплікації остаточно не з'ясована. Вважається, що цей фермент не є обов'язковим для реплікації ДНК, але може замінювати окремі функції Pol-I при її пошкодженні.

ДНК-полімераза III (Pol-III) – основний фермент, відповідальний за реплікацію хромосомальної ДНК E.coli. У кожній клітині міститься лише 10-20 молекул цього ферменту, але працює він приблизно в 60 разів швидше ДНК-полімерази I. Крім того, Pol-III має підвищену спорідненість до матриці і забезпечує більш високу ефективність копіювання. Для даного ферменту, як і для Pol-II, не властива 5'→3'-екзонуклеазна активність. Тому для реплікації ланцюга, що відстає, необхідна участь Pol-I, щоб відбулося видалення РНК-праймерів на 5'-кінці фрагментів Оказаки.

В еукаріотичних клітинах виявлено більша кількістьДНК-полімераз, та їх функції вивчені гірше.

Функція топоізомераз зводиться до вирішення механічних та топологічнихпроблем у процесі розкручування подвійної спіралі у реплікативній вилці. Ці ферменти змінюють ступінь надспіралізаціїта призводять до утворення «шарніру», який створює умови для безперервного руху реплікативної вилки. У різних організмах ідентифіковані топоізомерази двох основних типів: топоізомерази типу I надрізають один із двох ланцюгів, в результаті чого кінцева ділянка подвійної спіралі може повернутися навколо інтактноїланцюги, а потім з'єднують кінці розрізаного ланцюга. Топоізомерази типу II вносять тимчасові розриви в обидва комплементарні ланцюги, змінюють рівень надспіралізації, а потім з'єднують розірвані кінці.

Гелікази здійснюють освіту та просування вздовж спіралі ДНК реплікативної вилки- Ділянки молекули з розплетеними ланцюгами. Ці ферменти використовують для розплетення ланцюгів енергію, що вивільняється при гідролізі АТР. Для забезпечення більш високої швидкостіРозкручування кілька геліказів діють у комплексі з білками другого типу, які зв'язуються з одноланцюжковими ділянками молекули і тим самим стабілізують розплетений дуплекс.

Нарешті, ДНК-лігази каталізують процеси возз'єднання фрагментів ланцюгів ДНК, беручи участь в утворенні ковалентних зв'язків (фосфодіефірних містків) між 5'-P- та 3'-ОН-групами сусідніх дезоксирибонуклеотидів. Ці ферменти використовують енергію макроергічних зв'язків, що утворюється при гідролізі АТР або GTP.

Механізм реплікації дволанцюжкової ДНК найкраще досліджено для бактерій E.coli та буде розглянуто на даному прикладі. Ініціація реплікації Д ПК. Процес реплікації ДНК кишкової палички починається в строго певній точці, яка називається origin (ori), або точкою початку реплікації, і розташована на 85 хв. генетичні карти хромосоми цих бактерій. У реплікації на ДНК діють ферменти (топоізомерази, гелікази), що обумовлюють формування реплікативної вилки, в якій власне і відбувається копіювання ланцюгів. Для реплікації необхідна наявність: ДНК-матриці у вигляді одноланцюгової ділянки ДНК, суміші дезоксирибонуклеозидтрифосфатів, реплісоми (ансамблю ферментів, що беруть участь у реплікації) і 3'-ОН-групи нуклеїнової кислоти-затравки, до якої ДНК-полімераза повинна приєднувати наступну ну. Справа в тому, що жодна з ДНК-полімераз не може починати процес полімеризації нуклеотидів de novo. Цю функцію виконують РНК-полімерази, які дізнаються про реплікації в реплікативної вилці і синтезують коротенькі (10-60 рибонуклеотидів) послідовності - РНК-затравки (праймери). При цьому синтез затравок здійснюється в напрямку від 5'- до 3'-кінця, і в результаті утворюється вільний 3'-ОН-кінець, який може використовувати ДНК-полімеразу для продовження процесу полімеризації ланцюгів на стадії елонгації реплікації (рис. 1.10).

Елонгація реплікації ДНК. Синтез нових ланцюгів ДНК здійснюється з дотриманням принципу комплементарності: кожен нуклеотид, що підбирається в ланцюг, що росте, повинен бути комплементарний відповідному (розташованому навпаки) нуклеотиду у вихідному (матричному) ланцюгу.

Оскільки всі ДНК-полімерази здійснюють процес полімеризації нуклеотидів тільки в одному напрямку (5'→3'), а реплікативна вилка рухається вздовж ДНК в обох напрямках, безперервно синтезуватися в кожному напрямі може лише одна нитка, яку називають лідируючою. Друга (протилежна) нитка синтезується короткими фрагментами (фрагменти Оказаки) і називається відсталою (рис. 1.10). Фрагменти Оказаки у прокаріотів містять близько 1000 нуклеотидів, а у еукаріотів - 100-200 нуклеотидів.

Крім полімеризації ланцюгів, яку здійснює в основному ДНК-полімераза III, у процесі реплікації ДНК відбуваються такі події:

Вирізання РНК-затравок з лідируючого ланцюга та з кожного фрагмента Оказаки. Цю функцію виконує Pol-I за допомогою своєї 5'→3'-екзонуклеазної активності;

Заповнення "проломів", що залишилися після вирізання РНК-затравок. Цю роботу також здійснює ДНК-полімераза I, використовуючи вільну 3'-ОН-групу сусіднього фрагмента Оказаки;

З'єднання фрагментів ДНК у відстаючої ланцюга за допомогою ферменту ДНК-лігази: коли зростаючий 3'-гідроксильний кінець кожного фрагмента Оказаки доходить до 5'-дезоксинуклеотидного кінця сусіднього фрагмента, вступає в дію ДНК-лігаза і утворюється безперервна ланцюг, що відстає;

Виправлення помилок реплікації – коректорське виправлення. Цей механізм характерний як для Pol-I, так і для Pol-III і ґрунтується на їх 3'→5'-екзонуклеазній активності. Відомо, що ДНК-полімераза перевіряє комплементарність нуклеотиду, що підбирається, контролюючи розмір нової передбачуваної пари нуклеотидів у своєму активному центрі, і її полімеразна активність включається лише тоді, коли ця комплементарність встановлена. З іншого боку, кожен нововбудований нуклеотид також перевіряється на відповідність своїй парі в активному центрі ферменту. Якщо розмір пари нуклеотидів, що утворилася, не відповідає істинному (коли підстави протилежних нуклеотидів не комплементарні один одному), за допомогою своєї 3'→5'-екзонуклеазної активності фермент вирізує некомплементарний нуклеотид і шукає йому заміну. Додатковим механізмом, що зменшує помилки реплікації, є репарація ДНК. В результаті частота помилкового включення нуклеотидів у ланцюг ДНК, що утворюється при реплікації, вкрай низька (10 -8 -10 -10).

Термінація реплікації. При двонаправленій реплікації кільцевого геному (як і кишкової палички) реплікативні виделки зустрічаються з відривом 180° від точки реплікації, й у цьому місці реплікація завершується. Кільцеві ДНК у місці зустрічі з'єднуються лігазою, при цьому вони виявляються попарно зчепленими, і надалі відбувається їх поділ на окремі геноми за допомогою топоізомерази типу II.

Швидкість реплікації ДНК у бактерій E.coli становить приблизно 1500 пар нуклеотидів на секунду. Таким чином, повний геномкишкової палички (4*10 6 п. н.) реплікується приблизно за 40 хв. Однак клітини E.coli діляться швидше - кожні 20 хв, і це означає, що при колишній швидкості копіювання збільшується частота актів ініціації в тій же точці початку реплікації. Т. е. ще до завершення першого раунду реплікації геному в сайті ori ініціюється другий раунд реплікації. Швидкість руху реплікативної виделки в еукаріотичних клітинах значно менша (10-100 п.н. в секунду), але завершення реплікації в розумний час забезпечується одночасною ініціацією у безлічі точок. В результаті хромосома дрозофіли, наприклад, що містить 6,5 * 107 п.н., реплікується за кілька хвилин.

У цілому нині закономірності реплікації, виявлені для прокариот, характерні й у більшості еукаріотичних геномів. Відмінності складаються, в першу чергу, в наявності у еукаріотів безлічі сайтів ініціації реплікації на кожній хромосомі, інших, ніж у прокаріотів, механізмах виправлення помилок реплікації, а також у ферментативному оснащенні процесу реплікації. Схематичне зображенняпроцесів реплікації циклічних, що формують геноми прокаріотів та плазмід, та лінійних (еукаріотичних) геномів представлені на рис. 1.11.

У лінійній ДНК розкручування ланцюгів здійснюється шляхом обертання одного ланцюга навколо іншого. У кільцевій ДНК розкручування та реплікація ведуть до утворення структури, що нагадує кільце із внутрішньою петлею. Її називають ця-петляоскільки за формою вона схожа на грецьку букву Q. Такі петлі можна спостерігати на радіоавтографахреплікованих бактеріальних ДНК, що вперше здійснив Кернс для ДНК E.coli. Наведений механізм двонаправленої реплікації ДНК є найпоширенішим, але з єдиним. ДНК фагів Р22, 186, Р2, а також фагів Т4 і l на пізніх стадіях літичного циклу реплікується за односпрямованим механізмом (тип кільця, що котиться). У цьому випадку дволанцюжкова кільцева ДНК надрізається специфічним ферментом в унікальному сайті одного ланцюга (точці початку кільця, що котиться). Що Утворився в результаті надрізу 5'-кінець ланцюга зв'язується з ферментом, що здійснив надріз. Синтез ДНК починається з витіснення 5'-кінця, пов'язаного з ферментом, розчин, що дозволяє ДНК-полімеразі приєднувати нуклеотиди до 3'-ОН-кінця. Відбувається напівконсервативна реплікація, в ході якої 5'-кінець розірваного ланцюга витісняється у вигляді вільного хвоста і його довжина все збільшується, а матрицею служить замкнутий інтактний ланцюг. Цю структуру, що реплікується (рис. 1.12) називають кільцем, що котиться, так як розмотування вільного одиночного ланцюга супроводжується обертанням дволанцюжкової матриці навколо своєї осі.

Якщо цей механізм використовується для реплікації дволанцюгової ДНК, то 5'-кінцеві хвости є матрицями для синтезу невеликих фрагментів ДНК, які відразу ж зшиваються разом під дією ДНК-лігази. В результаті хвости, що ростуть, незабаром після своєї освіти набувають дволанцюжкової структури. Елонгація хвостів призводить іноді до

тому, що їхня довжина багаторазово перевищує загальну довжину вихідної кільцевої молекули. Такий спосіб реплікації використовує, наприклад, фаг l. При упаковці ДНК у капсиди в спеціальних ділянках, званих cos-сайтами і віддалених один від одного на довжину вірусного геному, утворюються надрізи, в результаті чого довгі дуплекси багаторазово повтореної фагової ДНК розчленовуються на фрагменти, що відповідають за розмірами зрілої ДНК, що виявляється у віріонах бактеріоф. . Реплікація за типом кільця, що котиться характерна також для утворення копії бактеріальної хромосоми E.coli Hfr і фактора F + , що передаються при кон'югації в реципієнтну клітину.

Реплікація одноланцюжкових ДНК. У фагів М13 або fХ174, чиї зрілі геноми представлені одиночними кільцевими ДНК, реплікація здійснюється за механізмом кільця, що котиться (рис. 1.12). Це відбувається на пізніх стадіях інфекційного процесу після того, як

інфікуюча ДНК перетворюється на дволанцюжкову кільцеву форму. У даному випадкуне здійснюється реплікація 5'-кінцевих ділянок, на відміну від реплікації геномів фага l (рис. 1.12, поз. 5), тому продуктом реплікації є довгі одиночні ланцюги ДНК, постійно відокремлюються від рулону, що «котиться» Ці ланцюги надрізаються в кожній точці початку реплікації та замикаються з утворенням зрілих кільцевих форм, що упаковуються в капсиди.

Реплікація РНК.Утворення РНК-вірусів відбувається шляхом реплікації їх РНК, тоді як всі клітинні РНК утворюються в результаті транскрипції ДНК. За винятком ретровірусів реплікація РНК переважно повторює процес реплікації ДНК. Як і за реплікації ДНК, порядок розташування нуклеотидів визначається комплементарним копіюванням матриці, у разі обов'язково ланцюга РНК. Ферменти, які здійснюють цей процес, називаються РНК-залежними репліказами. РНК бактеріальних вірусів R17 та MS2, а також поліовірусів та вірусу Синдбіс, що інфікують тварин, завжди позначається знаком (+), оскільки послідовність їх РНК-геномів ідентична послідовності мРНК. Таким чином, геном інфікуючого вірусу може служити мРНК і містить інформацію про синтез деяких, якщо не всіх, вірусних білків. Специфічна репліказу, що кодується геномом вірусу і утворюється незабаром після інфекції, зв'язується з одним або декількома білками клітини-господаря та ініціює процес копіювання (+)-ланцюга з її 3'-кінця з утворенням повного (-)-ланцюга, асоційованого з (+) -ланцюгом-матрицею. Потім та ж репліказу синтезує безліч копій (+)-ланцюга РНК, використовуючи новосинтезовану (-)-ланцюг як матрицю. Геноми деяких вірусів (вірус везикулярного стоматиту, грипу) представлені одним або кількома (-)-ланцюгами. У цьому випадку вони є матрицями для синтезу (+)-ланцюгів, які грають роль мРНК і використовуються при синтезі дочірніх (-)-ланцюгів.

Відмінною особливістюреплікації геномів ретровірусівє те, що після проникнення їхньої РНК у клітину господаря вірусний геном піддається зворотній транскрипції. При цьому спочатку утворюється дуплекс РНК-ДНК, а потім - дволанцюжкова ДНК. Фермент, що каталізує комплементарне копіювання РНК з утворенням ДНК, називається зворотною траскриптазою ( ревертазою). Він міститься в ретровірусних частинках (віріонах) та активується після потрапляння в клітину. З'являється все більше даних про те, що зворотна транскрипція відбувається в різних еукаріотичних клітинах, а зворотна транскриптаза відіграє важливу роль у процесах перебудови геному. Реплікація дволанцюгової форми ретровірусної ДНК не починається доти, доки вона не вбудується в клітинну ДНК. Механізм рекомбінаційного вбудовування поки що повністю не встановлений. Після інтеграції ретровірусна ДНК реплікується як частина клітинної ДНК. РНК дочірніх віріонів утворюється внаслідок транскрипції інтегрованих копій вірусної ДНК.