端粒和端粒酶簡介

劉曉菊

(河北省盧龍縣中學 066400)

2009年10月，舉世矚目的諾貝爾生理學醫學獎揭曉，3位美國科學家伊麗莎白·布萊克本和她的學生卡羅爾·格雷德以及杰克·紹斯塔克因發現端粒的結構和端粒酶保護染色體的機制而獲獎。布萊克本和紹斯塔克發現端粒能使染色體不被降解；而格雷德和布萊克本則找到了幫助端粒合成的分子——端粒酶[1]。

1端粒

1.1 端粒的概念 端粒是在真核細胞染色體末端部分的像帽子一樣的特殊結構，端粒含有特定的DNA重復序列，不同物種間的這段DNA重復序列有所不同。端粒由端粒蛋白和端粒DNA組成，研究人員在哺乳動物中先后鑒定出了十余種端粒蛋白，它們通過與端粒DNA結合和相互作用，從而抵御各種因子對染色體末端的襲擊。

1.2 端粒的發現和命名 對端粒的研究最早是在20世紀70年代對DNA聚合酶特性的深入研究中引伸出的一個染色體復制問題。研究發現，染色體并沒有隨著復制后RNA引物的降解而縮短，其自然末端也沒有相互融合。人們漸漸了解了這個染色體末端特定的DNA-蛋白質復合體結構，并將其命名為端粒。

1.3 端粒的功能和種屬差異 端粒可以保持染色體的穩定性，使DNA分子的末端不會成為DNA修復系統及核酸外切酶的靶標；端粒可以使真核生物的線形染色體能順利進行復制；端粒還像是細胞分裂的“計數器”，因此認為端粒DNA可能決定細胞的壽命[2]。

端粒由許多成串且短的重復序列所組成。該重復序列通常一條鏈上富含G，而其互補鏈上富含C。例如，原生動物四膜蟲端粒的重復序列為TTGGGG(僅列一條鏈的序列)。原核生物的染色體是環狀的，其5′最末端岡崎片段的RNA引物被除去后可借助另半圈DNA鏈向前延伸來填補。但是，真核生物線性染色體在復制后不像原核生物那樣填補5′末端的空缺，從而會使5′末端序列因此縮短。真核生物通過形成端粒結構來解決這個問題。例如，人的端粒的功能為穩定染色體末端的結構，防止染色體間末端連接，并補償滯后鏈5′末端在消除RNA引物后造成的空缺。

不同物種或同一物種的不同染色體，其端粒長度不同，人類的體細胞中端粒的平均長度介于6～12kb,隨細胞年齡和細胞種類的不同產生差異。在DNA復制過程中，線性DNA的末尾端粒區域產生一個單鏈區域，導致部分端粒DNA丟失。于是，細胞每經過一次分裂，染色體復制一次，大約丟失50～100個堿基，端粒便會慢慢縮短，當縮短到一定程度(約5～7kb)不能再縮短時，細胞無法繼續分裂，并在形態功能上表現出衰老，最后直至凋亡。

2端粒酶

2.1 端粒酶的發現 1984年，布萊克本實驗室發現帶有四膜蟲端粒DNA的人工染色體導入酵母細胞后，被加上的是酵母的端粒而不是四膜蟲的端粒序列。這一現象用同源重組是無法解釋的，布萊克本推測應該存在一種酶專職端粒DNA復制的工作。1984年末，格雷德證實細胞分離液中包含一種酶，它能在體外以端粒序列為底物合成端粒六核苷酸重復序列。1985年，這項研究結果發表在《細胞》雜志上。

2.2 端粒酶的成分和作用 端粒酶是一種核糖核蛋白，即含有RNA鏈的逆轉錄酶，它以所含RNA為模板來合成DNA端粒結構。通常端粒酶含有約150個堿基的RNA鏈，其中包含1個拷貝的端粒重復單位的模板。例如，四膜蟲端粒酶的RNA為159個堿基分子，含有CAACCCCAA序列。端粒酶可結合到端粒的3′末端上，RNA模板的5′末端識別DNA的3′末端堿基并互相配對，以RNA鏈為模板使DNA鏈延伸，合成一個重復單位后，酶再向前移動一個單位。端粒的3′單鏈末端又可以回折作為引物，合成其互補鏈。

在細胞分裂過程中，隨著染色體的復制會使端粒5′末端縮短，而端粒酶可加重復單位到5′末端上，結果維持端粒一定的長度。端粒酶在多個物種中均存在，是目前發現的參與端粒長度保持的最重要的酶。端粒酶主要由一段RNA和蛋白質成分的端粒酶催化亞基(TERT)組成。TERT以RNA為模板合成端粒DNA，實現端粒長度的延伸。

TERT在正常體細胞中非常少，只在造血干細胞和其他干細胞、生殖細胞以及大約85%以上的腫瘤細胞中存在。腫瘤細胞和干細胞是具備無限增殖能力的細胞，而體細胞是有壽命的，端粒長度和端粒酶在其中起重要的調節作用。

端粒酶像“修復工”，它能及時將磨損的端粒修好，讓它恢復原長度，對于干細胞來說，這一特性是必需的；而腫瘤細胞的發生則與端粒酶活性的不正常增加密切相關。由于在主要的腫瘤細胞中均發現存在端粒酶活性，因此，在醫學研究中，設想將端粒酶作為抗癌治療的靶位點。