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Reverse Transkriptase

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Reverse Transkriptase

Die Reverse Transkriptase wird in der Gentechnik eingesetzt. Sie ist ein Enzym, welches RNA in DNA umwandeln kann.

Die Entdeckung der Reverse Transkriptase

Im Jahre 1970 wurde die Reverse Transkriptase entdeckt. Dies geschah zufälligerweise gleichzeitig durch zwei Wissenschaftler, die unabhängig voneinander arbeiteten. Dafür bekamen beide, die US-Amerikaner David Baltimore und Howard Temin, den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin im Jahre 1975.

Das Enzym Reverse Transkriptase

Wie schon oben erwähnt, gehört die Reverse Transkriptase (kurz RT) zu der Klasse der Enzyme. Im Allgemeinen sind Enzyme sogenannte Biokatalysatoren. Das bedeutet, dass chemische Reaktionen mit ihrer Hilfe schneller ablaufen können. Dabei wird aber das Reaktionsgleichgewicht der beteiligten Stoffe nicht verändert. Zudem werden Enzyme bei diesen Reaktionen nicht verbraucht. Dementsprechend wird auch die Reverse Transkriptase bei ihrer Arbeit ebenfalls nicht verbraucht.

Dass das Reaktionsgleichgewicht bei Enzymreaktionen unverändert bleibt, bedeutet, dass die Reaktion durch das Enzym schneller abläuft. Trotzdem ändert sich aber nicht die Menge an Substrat und Produkt, die durch die Reaktion gebildet werden würde.

Reversen Transkriptase: Funktion

Die Reverse Transkriptase sorgt dafür, dass RNA in DNA umgeschrieben wird. Dabei wird zunächst ein RNA-DNA-Hybridstrang synthetisiert. Im Anschluss wird der RNA-Anteil entfernt. Zum Schluss erfolgt die Replikation zum DNA Doppelstrang. Dies passiert normalerweise meist in Viren, kann aber auch in der Gentechnik und Molekularbiologie genutzt werden.

RNA- und DNA-Polymerasen unterscheiden sich insofern, als bei den DNA-Polymerasen ein DNA-Doppelstrang bei der Replikation entsteht. Wohingegen bei der RNA-Polymerase nur ein einsträngiger RNA oder DNA-Strang entsteht.

Die Reverse Transkription

Die Hauptfunktion der Reverse Transkriptase ist die Reverse Transkription. Diese kann in mehrere Schritte unterteilt werden.

  1. Zunächst gibt es eine Ausgangs RNA, welche in eine DNA umgewandelt werden soll.

  2. Die spezifischen Primer setzen sich an die RNA und danach kann die Reverse Transkriptase andocken.

  3. Die Reverse Transkriptase läuft an der RNA entlang und bildet einen komplementären cDNA Strang.

  4. Dadurch entsteht ein RNA-DNA-Hybrid-Doppelstrang.

  5. RNAsen bauen nun die RNA ab, die cDNA bleibt erhalten.

  6. DNA Polymerasen können jetzt (durch einen Primer) an diesen cDNA Strang andocken und den komplementären Strang ergänzen.

  7. Das Ergebnis ist ein DNA Doppelstrang

Die Reverse Transkription bei Viren

Retroviren benötigen die Reverse Transkriptase. Sie enthalten nämlich lediglich RNA, benötigen aber DNA, um die gewünschte Zelle zu befallen. Der Ablauf dieses Virenangriffs von Retroviren ist folgender Abbildung 1 (am Beispiel HIV) dargestellt.

Reverse Transkriptase Retrovirus StudySmarterAbbildung 1: Vermehrung eines Retrovirus. Quelle: wikipedia.de

  1. Zu Beginn gibt das Virus seine RNA in die Zielzelle ab.
  2. Die Reverse Transkriptase schreibt indessen die RNA in DNA (ähnlich wie oben beschrieben) um.
  3. Durch das Enzym Integrase werden diese Viren DNA soeben in den Zellkern befördert.
  4. Dadurch, wird diese DNA von den zelleigenen Organellen abgelesen (transkribiert).
  5. Es werden Virus-Bauteile und neue Virus RNA synthetisiert.
  6. Wenn genug Organellen gebildet wurden, können sich diese zu neuen Viren zusammenschließen.
  7. Diese neuen Retroviren verlassen die befallene Zelle und beginnen damit, weitere Zellen zu befallen.

Reverse Transkriptase: Vorkommen

Das Enzym Reverse Transkriptase kommt unterschiedlichsten Organismen vor. Einige kannst du der Tabelle entnehmen:

Form der Reverse TranskriptaseOrganismus

HIV-1 Reverse Transkriptase

HI-Virus Typ 1

M-MLV Reverse Transkriptase

Murines Leukämievirus

Telomerase Reverse Transkriptase

Menschliche embryonale Zellen

Die Reverse Transkriptase kommt häufig in Retroviren vor. Ein Beispiel für ein Retrovirus wäre HIV. Das Retrovirus muss erst seine RNA in DNA umschreiben, bevor es die Wirtszelle damit befallen kann. In der Wirtszelle entfaltet es seine onkogene Wirkung, ist also krebsauslösend.

Telomerase Reverse Transkriptase

Die Telomerase RT kommt im menschlichen Körper nur in embryonalen Zellen, also Zellen der Keimbahn vor. Dabei ist sie zuständig für die Herstellung von Telomeren. Diese gehen bei der Zellteilung verloren.

Telomere sind die Enden der Chromosomen, die nicht codierend sind. Sie sind einzelsträngig und haben eine Stabilitätsfunktion in der DNA.

Momentan wird an der Verteilung der Telomerase Reverse Transkriptase in den Zellen geforscht. Genauer gesagt wird geschaut, welche Rückschlüsse man damit auf die Alterung der Zelle und mit dem Altern assoziierte Krankheiten ziehen kann. Die Telomerase synthetisiert DNA, wenn eine RNA als Vorlage vorhanden ist. Zu dieser Art gehört auch die Reverse Transkriptase.

Hemmung der Reversen Transkriptase

Für die meisten Stoffe und Enzyme im menschlichen Körper gibt es auch Hemmstoffe, sogenannte Antagonisten (Gegenspieler). Bei Retroviren, wie beispielsweise HIV, kann eine Hemmung der Reversen Transkriptase wichtig sein. Dadurch, dass die RT gehemmt wird, kann sich das Retrovirus weniger schnell vermehren. Weil aber die Reverse Transkriptase eine vergleichsweise hohe Mutationsrate besitzt, ist die Entwicklung eines Hemmstoffes zur Therapie von HIV infizierten Menschen relativ schwierig.

Die Reverse Transkriptase in der Gentechnik

Größtenteils wird die Reverse Transkriptase in der Gentechnik bei der PCR, also der Polymerase Kettenreaktion eingesetzt. Genauer gesagt bei der Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion, kurz RT-PCR.

Die PCR ist eine Vorgehensweise, welche zur Vervielfältigung der DNA dient.

Funktion der RT-PCR

Bei der RT-PCR werden zwei gentechnische Methoden miteinander kombiniert. Einerseits die RT-Reaktion und zum anderen die PCR. Die RT-PCR wird in der Diagnostik verwendet, denn durch diese Reaktion kann RNA nachgewiesen werden oder auch RNA Viren. Der Begriff RT-PCR wird teilweise auch mit Realtime PCR übersetzt. Dafür wird diese Methode überwiegend mit qPCR abgekürzt, um Verwechslungen zu vermeiden.

Durch diese Methode lassen sich sowohl HIV Viren, als auch das neuartige Coronavirus (SARS-CoV-2) nachweisen.

Dabei gehen Wissenschaftler*innen bei der RT-PCR in dieser Reihenfolge vor:

  1. Die Isolierung der gesamt RNA / mRNA
  2. Die Umschreibung in komplementäre cDNA
  3. Danach folgt die PCR

Wie genau diese Schritte ablaufen, lernst du nun im Detail.

Isolierung der RNA

Im ersten Schritt werden Stücke von Geweben oder Zellen lysiert, also die Zellmembran aufgelöst. Danach werden diese Bruchstücke durch Silica-Säulen zentrifugiert. Die Stücke, die an der Silica Membran gebunden sind, stellen die gesamte RNA dar.

Bei der Silica-Säulen Zentrifugation reicht es sich zu merken, dass durch dieses Verfahren dir RNA von anderen Zellbestandteilen getrennt werden kann. Dabei werden diese ausgewählten Stoffe durch Zentrifugalkraft in der Säule gehalten.

Die Umschreibung

Die vorhandene gesamt RNA muss jetzt in DNA übersetzt werden. Dabei kommt unsere Reverse Transkriptase zum Einsatz. Zuerst wird die gesamt RNA mit Primern markiert, damit daran die Reverse Transkriptase arbeiten kann.

Das Enzym braucht, wie oben erwähnt, sogenannte Primer. Dies sind kurze Nukleotidketten, welche komplementär zum abzulesenden DNA-Strang sind. Das Enzym benötigt Primer, an welche es an die DNA andocken kann. Die Reverse Transkriptase kann also nur arbeiten, wenn sie an so einen Primer andocken kann.

Die Reverse Transkriptase schreibt jetzt die gesamt RNA in cDNA um. Das ist wichtig, weil diese als Matrize (Vorlage) für die Polymerase Kettenreaktion (PCR) gilt.

Die verwendete Reverse Transkriptase wird dabei meist aus Retroviren gewonnen.

Die Polymerase Kettenreaktion (PCR)

Zuletzt wird eine Polymerase Kettenreaktion (PCR) durchgeführt. Dies siehst du in Abbildung 2 dargestellt. Dabei können Zielgen Primer an die cDNA andocken, die fluoreszenzmarkiert sind. Dadurch kann eine realtime-PCR ablaufen. Das bedeutet, dass die Primer nur andocken und fluoreszieren, wenn die cDNA das gewünschte Zielgen enthält. Die Fluoreszenz ist direkt sichtbar. Wenn also eine Fluoreszenz auftritt, ist das Zielgen in der Probe vorhanden.

Primer sind in der Biologie kleine DNA Stücke, die häufig bei der PCR verwendet werden. Sie sind komplementäre Stücke für spezielle Abschnitte der zu untersuchenden DNA.

Reverse Transkriptase Ablauf RT-PCR StudySmarterAbbildung 2: Ablauf der RT-PCR.Quelle: sawakinome.com

Reverse Transkriptase - Das Wichtigste

  • Die Reverse Transkriptase ist ein Enzym
  • Sie katalysiert die Umwandlung von RNA in DNA
  • Die RT ist in Retroviren von großer Bedeutung
  • Sie kann für die Gentechnik nützlich sein, z. B. im Rahmen der RT-PCR

Häufig gestellte Fragen zum Thema Reverse Transkriptase

Die Reverse Transkriptase ist ein Enzym, welches RNA in DNA, beziehungsweise cDNA übersetzen kann.

Die cDNA wird durch das Enzym Reverse Transkriptase (RT) hergestellt. Dabei lagert sich zunächst ein Primer an die RNA an, und die RT kann daran andocken. Sie synthetisiert nun an der RNA entlang die cDNA.

Die Reverse Transkriptase (RT) wird aus Retroviren gewonnen und ist in diesen natürlich vorhanden. Die Retroviren besitzen nur eine RNA. Um die Zielzellen zu befallen und cDNA, in den Zellkern einzuschleusen benötigen sie die RT als Übersetzer. Durch die eingeschleuste DNA entstehen neue Retroviren.

Finales Reverse Transkriptase Quiz

Frage

Welche Abkürzung wird häufig für die Reverse Transkriptase verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Abkürzung 'RT' wird meist verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Hauptaufgabe der Reverse Transkriptase?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Hauptaufgabe ist die Umschreibung der RNA in DNA.

Frage anzeigen

Frage

Wannn wurde die RT entdeckt?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie wurde 1970 entdeckt.

Frage anzeigen

Frage

Zu welcher Stoffklasse gehört die RT?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie gehört zu Stoffklasse der Enzyme.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel, wo die RT in der Natur vorkommt.

Antwort anzeigen

Antwort

Sie kommt beispielsweise in Retroviren vor.

Frage anzeigen

Frage

Wo kommt die RT in menschlichen Körper vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie RT kommt in den Embryonalzellen vor.

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Frage

Was sind Telomere?

Antwort anzeigen

Antwort

Telomere sind die Enden der Chromosomen, die nicht codierend sind. Sie sind einzelsträngig und haben eine Stabilitätsfunktion in der DNA.

Frage anzeigen

Frage

Woran wird im Zusammenhang mit RT gerade geforscht?

Antwort anzeigen

Antwort

Es wird daran geforscht, welche Rückschlüsse man auf die Alterung und mit dem Altern assoziierte Krankheiten ziehen kann.

Frage anzeigen

Frage

Warum ist es schwer, bei HIV ein RT Medikament zu entwickeln?

Antwort anzeigen

Antwort

Es ist schwierig, da das Virus eine hohe Mutationsrate aufweist.

Frage anzeigen

Frage

In welchem Bereich der Biologie kann die RT zum Einsatz kommen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die RT kommt in der Gentechnik zum Einsatz.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die PCR?

Antwort anzeigen

Antwort

Die PCR ist eine Vorgehensweise, welche zur Vervielfältigung der DNA dient.

Frage anzeigen

Frage

Woraus wird die RT der Gentechnik meist gewonnen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die verwendete Reverse Transkriptase wird meist aus Retroviren gewonnen.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet PCR?

Antwort anzeigen

Antwort

PCR steht für Polymerase-Kettenreaktion.

Frage anzeigen

Frage

Wie werden die Ergebnisse der RT-PCR meist sichtbar gemacht?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ergebnisse werden durch Fluoreszenzfarbstoff sichtbar gemacht.

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Frage

Was sind Primer?

Antwort anzeigen

Antwort

Primer sind in der Biologie kleine DNA Stücke, die häufig bei der PCR verwendet werden. Sie sind komplementäre Stücke für spezielle Abschnitt der zu untersuchenden DNA.

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