单分子光镊技术研究HIV-1逆转录酶的分子马达机制

Reverse transcription is an important biological phenomenon relevant to many diseases. Reverse transcriptase is also an important molecular biological tool. Although reverse transcriptase is a critical drug target and widely used in molecular biology research, its mechanical and kinetic properties as a motor protein remain unclear. In this project, optical tweezers will be utilized to measure the motion and force of a single HIV-1 reverse transcriptase. Interactions between HIV-1 reverse transcriptase and mechanical obstacles, such as folded structures of the template strand and non-templated complementary strands, will be also investigated. Additionally, we will study effects of inhibitors on the motor activities of reverse transcriptase at the single-molecule level. Our studies will unravel the kinetic and mechanical details of the motor activities of HIV-1 reverse transcriptase, which will provide insights for antiretroviral drug development and for optimization of the tool enzymes for reverse transcription.

逆转录是一种与多种疾病相关的重要生物现象，同时逆转录酶也是重要的分子生物学工具。虽然逆转录酶是重要的药物靶点，同时也广泛应用于分子生物学实验，但其作为分子马达的力学特性和运动机制一直未被阐明。本项目将利用光镊技术，研究单个HIV-1逆转录酶在不同核酸模板上的运动机制，测量其产生的力，并考察模板链上的折叠结构以及非模板互补链对逆转录过程的影响。本项目还将研究逆转录酶抑制剂对逆转录酶马达蛋白运动机制的调节作用。本项目研究成果将阐明HIV-1逆转录酶的力学特性，揭示其运动细节，从而为未来开发和优化抗逆转录药物，以及优化逆转录工具酶提供启示。

逆转录酶是一类对人体健康与生物工程都有重要意义的特殊DNA聚合酶，其马达蛋白运动特性与其生物学功能高度相关。例如，逆转录酶的运动速率、持续合成能力以及失速力等参数直接影响了逆转录病毒的复制效率。本项目利用单分子操纵技术，实现了追踪单个HIV-1以及MuLV逆转录酶以DNA为模板进行链取代延伸的运动过程，并观察到了这个过程中逆转录酶的停顿现象。我们还发现逆转录酶会非特异性吸附到DNA双链上并显著提高DNA双链的力学稳定性。在项目执行过程中，为实现用单分子操纵技术追踪逆转录酶以RNA为模板合成DNA的运动过程，我们还研究了DNA:RNA杂交双链的拉伸力学性质，获得了其拉伸力学性能参数。本项目的研究结果将有助于加深对HIV-1以及其他逆转录酶的生物学功能的理解。