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。
HIV的基因组。J Gen Virol. 2016所以病毒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。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，RTX），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）。
RTX的分子进化策略。Science. 2016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。
端粒的末端有一段富含G的3'单链突出端，它可以与双链区的重复序列结合，形成一种置换环结构，称为端粒环或T环（telomere-loop，T-loop）。T环表面还覆盖着Shelterin复合物（端粒蛋白复合物），以避免染色体末端被修复系统当作双链断裂（DSB），从而维持其稳定性。
脊椎动物和酵母的端粒结。Genes (Basel). 2019人的shelterin复合物由6种核心蛋白质组成：TRF1 and 2（端粒重复结合因子1和2）、TIN2（TRF1相互作用核蛋白2）、RAP1（TRF2相互作用端粒蛋白1，也称为 Repressor/activator protein 1）、POT1（端粒保护蛋白1）和TPP1（POT1和TIN2 相互作用蛋白1）。
其中POT1与单链末端结合，TRF1和TRF2可以与双链部分的TTAGGG重复序列结合。另外三个蛋白是被前三个蛋白募集来的，其中RAP1与TRF2结合，TPP1与POT1和TIN2结合，而TIN2是个桥梁，它与TRF1、TRF2和TPP1结合，这样就形成一个完整的复合物。复合物的一个重要作用是阻断DNA损伤反应（DDR）。
Shelterin复合物保护端粒免受DDR影响。Cells. 2021
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添加端粒DNA的重复序列。然后，DNA 聚合酶α /primase 合成互补链。CST复合物通过调节端粒酶和DNA聚合酶α/primase复合物的活性来调控端粒DNA的合成。
端粒延长机制。Genes (Basel). 2019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。
参考文献：
Dalibor Blazek, et al. The CD8+ cell non-cytotoxic antiviral response affects RNA polymerase II-mediated human immunodeficiency virus transcription in infected CD4+ cells. J Gen Virol. 2016 Jan;97(1):220-224.
Jared W Ellefson, et al. Synthetic evolutionary origin of a proofreading reverse transcriptase. Science. 2016 Jun 24;352(6293):1590-3.
Anna Y Aksenova, et al. At the Beginning of the End and in the Middle of the Beginning: Structure and Maintenance of Telomeric DNA Repeats and Interstitial Telomeric Sequences. Genes (Basel). 2019 Feb 5;10(2):118.
Denis Nalobin, et al. Telomeres and Telomerase in Heart Ontogenesis, Aging and Regeneration.Cells.2020 Feb; 9(2): 503.
Claire Ghilain, et al. Multifunctionality of the Telomere-Capping Shelterin Complex Explained by Variations in Its Protein Composition.Cells.2021 Jul; 10(7): 1753.
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