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逆転写酵素（RT ）は、RNA分子を鋳型として、逆転写と呼ばれるプロセスを経て相補的なDNA分子を合成する酵素です。逆転写酵素は、 HIVやB型肝炎ウイルスなどのウイルスがゲノムを複製するために、 レトロトランスポゾンなどの可動遺伝因子が宿主ゲノム内で増殖するために、そして真核細胞が線状染色体の末端にあるテロメアを伸長するために利用されます。このプロセスは、古典的なセントラルドグマで説明されている遺伝情報の流れに違反するものではなく、むしろRNAからDNAへの情報伝達を含むようにそれを拡張するものです。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
レトロウイルス逆転写酵素（RT）は、RNA依存性DNAポリメラーゼ活性、リボヌクレアーゼH（RNase H）、およびDNA依存性DNAポリメラーゼ活性という3つの連続した生化学的活性を有しています。これらの活性が一体となって、この酵素は一本鎖RNAを二本鎖cDNAに変換します。レトロウイルスやレトロトランスポゾンでは、このcDNAは宿主ゲノムに内在化され、宿主細胞の転写によって新たなRNAコピーが作られます。同様の反応シーケンスは、分子クローニング、RNAシーケンス、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、またはゲノム解析に用いるRNAからDNAへの変換に、実験室で広く利用されています。
逆転写酵素は、ウィスコンシン大学マディソン校のハワード・テミンによってラウス肉腫ウイルス粒子から発見され[ 5 ] 、 1970年にMITのデビッド・ボルティモアによって、マウス白血病ウイルスと再びラウス肉腫ウイルスという2つのRNA腫瘍ウイルスから独立して単離された[ 6 ]。彼らはその功績により、1975年のノーベル生理学・医学賞をレナート・ダルベッコと共同受賞した。
逆転写酵素は当初、RNA依存性DNAポリメラーゼと呼ばれていました。「逆転写酵素」という用語は、Nature誌への匿名の手紙で造語され[ 7 ]、1970年8月には既に掲載されていました[ 8 ]。
よく研究されている逆転写酵素には以下のようなものがある。
防御関連逆転写酵素（DRT）リボ核タンパク質複合体は、逆転写酵素と関連する非コードRNA （ncRNA）から構成される原核生物の抗ウイルスシステムのクラスです。これらの複合体は、バクテリオファージ感染に対する細菌および古細菌の防御機構の一部として機能し、核酸を合成する能力によって特徴付けられます[ 12 ]。
これらの酵素は、複製過程のステップとして逆転写を利用するウイルスによってコードされ、利用されます。レトロウイルスなどの逆転写RNAウイルスは、この酵素を用いてRNAゲノムをDNAに逆転写し、それが宿主ゲノムに組み込まれて共に複製されます。ヘパドナウイルスなどの逆転写DNAウイルスは、 RNAを鋳型としてDNA鎖を組み立て、合成することができます。HIVはこの酵素を利用してヒトに感染します。逆転写酵素がなければ、ウイルスゲノムは宿主細胞に組み込まれることができず、複製が失敗します。
逆転写酵素は、RNA鋳型から二本鎖DNAを合成する。
DNA依存性DNAポリメラーゼ活性を欠く逆転写酵素を持つウイルス種では、宿主由来のDNAポリメラーゼδがウイルスDNA-RNAをプライマーと誤認し、プライマー除去と同様のメカニズムで二本鎖DNAを合成することで、二本鎖DNAが生成される可能性がある。このメカニズムでは、新たに合成されたDNAが元のRNAテンプレートを置き換える。
逆転写（逆転写とも呼ばれる）の過程は非常にエラーが発生しやすく、この段階で突然変異が起こる可能性がある。このような突然変異は薬剤耐性を引き起こす可能性がある。[ 13 ]
レトロウイルスは、クラスVI ssRNA-RTウイルスとも呼ばれ、DNA中間体を持つRNA逆転写ウイルスです。そのゲノムは、5'キャップと3'ポリAテールを持つ2分子の正鎖一本鎖RNAから構成されています。レトロウイルスの例としては、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）やヒトTリンパ球向性ウイルス（HTLV ）などがあります。二本鎖DNAの生成は、細胞質内で一連のステップを経て起こります[ 14 ] 。
二本鎖DNAの生成には鎖転移も関与しており、これは、最初のRNA依存性DNA合成からゲノムの反対側のアクセプターテンプレート領域への短いDNA産物の転座であり、その後、逆転写酵素によってDNA依存性DNA活性のために処理される。[ 15 ]
レトロウイルスRNAは5'末端から3'末端の方向に配列している。プライマーがウイルスRNAにアニーリングする部位はプライマー結合部位（PBS）と呼ばれる。PBS部位の5'末端側のRNAはU5、3'末端側のRNAはリーダーと呼ばれる。tRNAプライマーは14～22ヌクレオチドの間でほどかれ、PBSでウイルスRNAと塩基対を形成して二重らせん構造を作る。PBSがウイルスRNAの5'末端付近に位置していることは、逆転写酵素がプライマーの3'末端から5'から3'の方向（新たに合成されたDNA鎖を基準として）にDNAを合成するため、異例である。したがって、プライマーと逆転写酵素はウイルスRNAの3'末端に移動する必要がある。この移動を実現するには、DNAポリメラーゼ、リボヌクレアーゼH（RNase H）、ポリヌクレオチドの巻き戻しなど、複数の段階と様々な酵素が必要となる。[ 16 ] [ 17 ]
HIV逆転写酵素は、cDNA合成中にウイルスRNAを分解するリボヌクレアーゼ活性と、センスcDNA鎖をアンチセンスDNAにコピーして二本鎖ウイルスDNA中間体（vDNA）を形成するDNA依存性DNAポリメラーゼ活性も有する。[ 18 ] HIVウイルスRNAの構造要素は逆転写の進行を制御する。[ 19 ]
レトロトランスポゾンとして知られる真核生物ゲノムの自己複製領域は、逆転写酵素を利用してRNA中間体を介してゲノム内の1つの位置から別の位置へ移動する。これらは植物や動物のゲノムに豊富に存在する。テロメラーゼは、ヒトを含む多くの真核生物に見られる別の逆転写酵素であり、独自のRNAテンプレートを持ち、このRNAはDNA複製のテンプレートとして使用される。[ 20 ]
原核生物における逆転写酵素の最初の報告は、1971年にフランスで（Beljanski et al., 1971a, 1972）、数年後にソ連で（Romashchenko 1977 [ 21 ] ）報告された。これらはその後、細菌レトロンの一部として広く記述され、逆転写酵素をコードする特徴的な配列であり、 msDNAの合成に使用される。DNA合成を開始するにはプライマーが必要である。細菌では、プライマーは複製中に合成される。[ 22 ]
オレゴン州立大学のヴァレリアン・ドルジャは、ウイルスはその多様性ゆえに細胞生命の発達において進化的な役割を果たしており、逆転写酵素が中心的な役割を果たしていると主張している。[ 23 ]
逆転写酵素は、他のウイルス核酸ポリメラーゼに見られるものと同様の「右手」構造を採用している。[ 24 ] [ 25 ]レトロウイルスの逆転写酵素は、転写機能に加えて、複製に不可欠なRNase Hファミリーに属するドメインを持っている。RNAテンプレートを分解することで、DNAのもう一方の鎖の合成が可能になる。 [ 26 ]消化によって生じた断片の一部は、もう一方の（プラス）鎖を作る役割を担うDNAポリメラーゼ（同じ酵素または宿主タンパク質）のプライマーとしても機能する。 [ 24 ]
レトロウイルスのライフサイクルには、3つの異なる複製システムがあります。最初のプロセスは、ウイルスRNAからウイルスDNAを逆転写酵素で合成し、新たに相補的なDNA鎖を形成することです。2番目の複製プロセスは、宿主細胞のDNAポリメラーゼが組み込まれたウイルスDNAを複製するときに起こります。最後に、RNAポリメラーゼIIがプロウイルスDNAをRNAに転写し、それがビリオンに詰め込まれます。これらの複製ステップの1つまたはすべてで突然変異が発生する可能性があります。[ 27 ]
逆転写酵素は、他のほとんどのDNAポリメラーゼとは異なり、校正機能がないため、RNAからDNAへの転写時にエラー率が高い。この高いエラー率により、校正機能のある複製に比べて変異が急速に蓄積する。Promega社が製造する市販の逆転写酵素のマニュアルには、AMVでは17,000塩基あたり1、M-MLVでは30,000塩基あたり1のエラー率が記載されている。[ 28 ]
逆転写酵素は、一塩基多型を生成する以外にも、転写産物の融合、エクソンのシャッフリング、人工アンチセンス転写産物の生成などのプロセスにも関与していることが示されています。[ 29 ] [ 30 ]生体内で完全に実証できるこの逆転写酵素のテンプレートスイッチング活性が、モデル生物のゲノムで数千の注釈のない転写産物が見つかった原因の1つである可能性があると推測されています。[ 31 ]
2 つのRNAゲノムが各レトロウイルス粒子にパッケージ化されていますが、感染後、各ウイルスは 1 つのプロウイルスのみを生成します。[ 32 ] 感染後、逆転写は 2 つのゲノムコピー間のテンプレート切り替え (コピー選択組換え) を伴います。[ 32 ] RNA 転写酵素がテンプレートを切り替える理由を示唆するモデルが 2 つあります。1 つ目の強制コピー選択モデルは、逆転写酵素がニックに遭遇したときに RNA テンプレートを変更することを提案しており、組換えはウイルス ゲノムの完全性を維持するために必須であることを示唆しています。2 つ目の動的選択モデルは、逆転写酵素が RNase 機能とポリメラーゼ機能が速度的に同期していないときにテンプレートを変更することを示唆しており、組換えはランダムに発生し、ゲノム損傷に応答するものではないことを示唆しています。Rawson らによる研究は、組換えの両モデルを支持しました。[ 32 ]ゲノムあたり 5 ～ 14 回の組換えイベントが、各複製サイクルで発生します。[ 33 ] テンプレートスイッチング（組換え）は、ゲノムの完全性を維持するため、また損傷したゲノムを修復するためのメカニズムとして必要であると思われる。[ 34 ] [ 32 ]
既知の天然の逆転写酵素はすべて、校正能力を持たない祖先から進化しており、前述の低忠実度の原因となっている。2016年、科学者たちは指向性進化を用いて、校正機能を持つTko DNAポリメラーゼを逆転写異種転写酵素（RTX）と呼ばれるものに改変することに成功した。この新しい酵素は、RNAとDNAのテンプレートからコピーし、校正することができる。RNAシーケンスやその他のRT-PCRの精度向上が期待されている。[ 35 ]
HIVは逆転写酵素を用いて遺伝物質を複製し、新たなウイルスを生成する（レトロウイルス増殖サイクルの一部）ため、このプロセスを阻害し、HIVの増殖を抑制する特定の薬剤が開発されてきた。これらの薬剤は総称して逆転写酵素阻害剤と呼ばれ、ヌクレオシドおよびヌクレオチド類似体であるジドブジン（商品名：レトロビル）、ラミブジン（エピビル）、テノホビル（ビリアード）のほか、ネビラピン（ビラムネ）などの非ヌクレオシド系阻害剤が含まれる。
逆転写酵素は、逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）と呼ばれる技術でRNAにポリメラーゼ連鎖反応技術を適用するために研究で一般的に使用されています。従来のPCR技術はDNA鎖にのみ適用できますが、逆転写酵素の助けを借りてRNAをDNAに転写できるため、RNA分子のPCR分析が可能になります。逆転写酵素は、 mRNAからcDNAライブラリーを作成するためにも使用されます。逆転写酵素が市販されるようになったことで、分子生物学の分野における知識が大幅に向上しました。他の酵素とともに、科学者がRNAをクローニング、配列決定、特性評価できるようになったためです。前述のRTx逆転写酵素は市販されています。[ 36 ]