鄭俊敏

染色體的保護者—端粒與端粒酶

鄭俊敏

福建教育學院理科研修部

端粒是位于染色體末端、能保護染色體不被降解的特殊結(jié)構(gòu)。端粒酶則是能合成端粒DNA的酶，使得端粒的長度和結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定。端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)推動了科學家對人類衰老和腫瘤發(fā)生機制的研究，有助于相關(guān)疾病的預防和治療。文章對端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)過程、其主要結(jié)構(gòu)和功能、以及與相關(guān)疾病的預防和治療作了簡要介紹。

端粒 端粒酶 結(jié)構(gòu) 功能

2009年10月5日，瑞典皇家科學院將諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了3位美國科學家：伊麗莎白·布萊克本（Elizabeth H.Blackburn），卡蘿爾·格雷德（Carol W. Greider）和杰克·紹斯塔克（Jack W. Szostak）。諾貝爾獎主頁上介紹他們獲獎的原因是揭示了“染色體是如何被端粒和端粒酶保護的”。

端粒是一種在染色體末端部分的一個帽子樣的特殊結(jié)構(gòu)（圖1），其主要作用是使染色體不被降解。端粒酶則是幫助端粒合成的分子，它維持著端粒的長度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而保護染色體。絕大多數(shù)成體細胞缺乏端粒酶，導致端粒保護染色體的功能逐漸喪失，這被認為是決定細胞壽命的一個重要因素〔1〕。而在一些細胞中，如胚胎干細胞和癌細胞，端粒酶的活性高度表達，使得這些細胞不斷分裂卻不會遭受染色體損傷，延遲了衰老〔2〕。同時，一些遺傳病也是由于端粒酶活性的缺失而導致的。正是由于這三位科學家開創(chuàng)性的工作，向人們揭開了端粒和端粒的神秘面紗，并了解了它們與人體衰老和許多疾病的關(guān)系。而整個端粒和端粒酶的研究進程就像相繼解開一個個智力謎團一樣有趣，充滿了思想的光輝。重現(xiàn)這個思路對廣大教師和學生都是有啟發(fā)意義的。本文也提供了一個很好的科學問題推演的教學案例。

圖1 端粒及其基本結(jié)構(gòu)

1 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)

染色體末端對于染色體穩(wěn)定性的重要作用，最早是在上世紀30年代，Barbara Mclintock（因為發(fā)現(xiàn)玉米的轉(zhuǎn)座子獲得諾獎）和Hermann Muller（因為發(fā)明用X射線突變基因而獲得諾獎）在對玉米和果蠅的研究中提出來的〔3，4〕。Muller用希臘“末端”（telos）和“部分”(meros)這兩個單詞組成了端粒的新詞（telomere）。Mclintock猜測這些末端特殊結(jié)構(gòu)的缺少會使染色體在有絲分裂時易發(fā)生融合或斷裂，傷害細胞。20世紀60年代早期，Leonard Hayflick發(fā)現(xiàn)人的成纖維細胞在體外培養(yǎng)時增殖次數(shù)是有限的。后來許多實驗證明，正常的動物細胞無論是在體內(nèi)生長還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存在一個“極限值”。如人胚成纖維細胞在體外培養(yǎng)時只能增殖60~70代。而細胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關(guān)。例如體細胞染色體的端粒DNA會隨細胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短。細胞DNA每復制一次，端粒就縮短一段，當縮短到一定程度時，可能會相關(guān)基因表達，導致不可逆地退出細胞周期，從而走向衰亡。

那么端粒為什么與眾不同呢？它的DNA序列有沒有特殊性？1978年伊麗莎白通過體外DNA復制實驗，推斷出模式生物四膜蟲（）的端粒中含有許多重復的5'-CCCCAA-3’六堿基序列〔5〕。同時，杰克·紹斯塔克正試圖在酵母中建構(gòu)人工線性染色體，希望它能夠像自然染色體一樣在細胞中復制。但他構(gòu)建的人工染色體轉(zhuǎn)化入細胞后總是很快降解。1980年，當伊麗莎白報道她關(guān)于端粒DNA的發(fā)現(xiàn)時，引起了杰克的極大興趣。于是二人合作將新發(fā)現(xiàn)的四膜蟲端粒序列和人工染色體連接到一起，而后導入酵母細胞。奇跡出現(xiàn)了，人工染色體不再降解，可以在細胞內(nèi)正常復制〔6〕。這一方面證實了端粒對染色體的保護作用，也使DNA的大片段克隆成為可能。后來，這一發(fā)明成為基因組大規(guī)模測序的基礎(chǔ)之一，這也是杰克·紹斯塔克共同獲得諾貝爾獎的重要原因。隨后的一系列研究還表明，端粒DNA既有高度的保守性，如原生動物、植物和動物的序列都很相似，又有種屬特異性。如人和哺乳動物為TTAGGG，草履蟲為TTGGGG。

1984年，伊麗莎白發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：帶著四膜蟲端粒DNA的人工染色體導入到酵母后，復制后被加上的是酵母端粒序列〔7〕。于是第二個問題產(chǎn)生了，為什么在四膜蟲端粒上加的是酵母的端粒序列而不是四膜蟲端粒本身的序列呢？是否酵母中存在專門的 “酶”來復制端粒DNA？正是這年，卡蘿爾女士作為博士生加盟了伊麗莎白實驗室。她們精心討論設(shè)計實驗，用四膜蟲的核抽提液與體外的端粒DNA進行溫育，證明了存在一種“酶”來延伸端粒DNA。這種酶后來被命名為“端粒酶”（telomerase）〔8〕。

2 端粒的結(jié)構(gòu)與功能

在各種原生動物、菌類、動物和植物中，組成端粒的主要結(jié)構(gòu)是富含重復G的DNA序列。脊椎動物中，組成端粒的DNA序列是一種串聯(lián)重復序列（TTAGGG/CCCTAA）n〔9〕。染色體末端著絲粒DNA的典型末端是在一個單鏈上，有一個50~300nt長的富含G的突出部分。在3’末端，突出部分反向折回形成一個“環(huán)狀”結(jié)構(gòu)，構(gòu)成染色體末端的著絲粒。重復片段的長度在染色體和物種之間有所不同。在人染色體末端，典型性戴著0.5~15kb堿基對的可檢測性端粒重復序列。根據(jù)組織類型，個人的年齡和細胞的復制歷史，重復序列的長度也有所不同。例如，染色體17p的端粒長度比其它染色體都短〔10,11〕。 在人有核血細胞，平均端粒長度隨年齡增大而顯著減小，特別是免疫系統(tǒng)的細胞。有研究表明，端粒存在開放（能被端粒酶延伸）和關(guān)閉（不能結(jié)合端粒酶）兩種狀態(tài)，而重復的長度與開放狀態(tài)改變與否有關(guān)〔12〕。

除了DNA序列以外，還有大量的蛋白直接或是間接與端粒DNA相互作用。其中一些蛋白總是與端粒相結(jié)合，其另一些蛋白可能僅是瞬間結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，許多與端粒DNA瞬間結(jié)合的蛋白在端粒外還有其它作用，調(diào)節(jié)這些蛋白結(jié)合的因子和轉(zhuǎn)運的機制還不是十分清楚。但可以確定，這些蛋白之間的相互作用參與了端粒的功能和各種細胞信號途徑，對于端粒的正常功能是必需的。

3 端粒酶的結(jié)構(gòu)與功能

端粒酶是一個特殊的反轉(zhuǎn)錄酶，能通過添加TTAGGG重復片段，來延長染色體的3’末端〔13，14〕。人類端粒酶主要由RNA成分（hTR）、端粒酶相關(guān)蛋白1(hTEP1)和催化亞基（hTERT）三部分組成。其中核心酶是反轉(zhuǎn)錄酶蛋白hTERT，由hTERT基因編碼的1132個氨基酸殘基組成〔15〕。作為RNA依賴的DNA聚合酶，與一般的逆轉(zhuǎn)錄酶不同，hTERT可以識別單鏈富含G的寡核苷酸引物，以其RNA組分為模板與端粒重復序列進行堿基互補配對，在合成、延伸堿基序列中起催化作用。美國科學家近日利用X射線結(jié)晶學方法，揭示了赤擬谷盜（）端粒酶的TERT蛋白具體晶體結(jié)構(gòu)。它呈一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)（圖2），由3部分組成，分別是RNA結(jié)合區(qū)、逆轉(zhuǎn)錄區(qū)和羧基末端延伸區(qū)。在外形上，TERT與HIV病毒中的逆轉(zhuǎn)錄酶相似，研究者表示，這種相似并非巧合，它們表明了一種共同的進化起源，這將有助于改進抗HIV藥物以在癌細胞中抑制端粒酶活性。hTR為一段451nt的RNA（包括CAAUCCCAAUC端粒模板），由端粒酶RNA基因hTERC編碼，位于染色體3q21-q28。它的突變會導致端粒酶活性的改變，而hTEP1是一個在各種組織細胞中均存在活性的蛋白，其mRNA的表達也不局限于有端粒酶活性的組織和細胞，但它的存在也是端粒酶活性所必需的〔16〕。此外，位于X染色體的DKC1基因編碼的核蛋白dyskerin也是人基礎(chǔ)端粒酶酶促復合物的組分之一，是正確折疊和維持端粒酶RNA穩(wěn)定性所必需的〔17〕。

圖2 端粒酶結(jié)構(gòu)示意圖

4 端粒與細胞衰老和健康

端粒酶通過調(diào)節(jié)細胞對親代細胞分裂和DNA損傷所帶來影響的反應，在細胞命運和衰老中承擔重要任務。衰老可被定義為組織功能的衰微或下降，而最終導致死亡。這種功能的喪失可以是細胞分裂或復制過程中細胞功能的喪失或減少，或是細胞被功能喪失的細胞所取代。衰老并不是一種疾病，生物學上的衰老在個體之間多有不同，可以被認為是進化的一種內(nèi)容。一種觀點認為哺乳動物壽命的增長是由于生殖和生長速率的降低以及生物大分子準確復制的增強。但DNA的準確修復只是部分細胞、組織或生物種的一個可選項，而不是必選項。數(shù)百個端粒末端的重復序列必須“戴帽”于每個染色體末端，以避免DNA修復途徑的啟動。在大多數(shù)體細胞或是衰老和凋亡的細胞中，端粒酶對于縮短或是沒有“戴帽”端粒的修復是很少啟動的，但是當沒有“戴帽”端粒積累過多時，這種修復機制會被觸發(fā)。另一方面，端粒的平均長度與細胞的種類和端粒酶的相關(guān)活性有關(guān)。在體細胞中，端粒長度不一，但都隨著年齡的增長而縮短。端粒的長度決定了細胞的壽命，故而被稱為“生命的時鐘”。通過端粒的縮短，能導致細胞衰老和死亡，清除異?；蚴菒盒陨L的細胞。官能不良的端粒還能促使染色體異常和非整倍性的發(fā)生。相對應的是，人的端粒長度如果異常，會引起一些臨床癥狀，如再生障礙性貧血，免疫缺陷和肺纖維化，先天胰島功能不良和腫瘤。

腫瘤是當今人類社會的多發(fā)病。正常情況下，人類體細胞端粒酶活性是很低的。但在多數(shù)腫瘤細胞中能檢測出端粒酶的活性。腫瘤細胞中的端粒酶活性因某些因素被激活，使染色體末端的端粒不能正常縮短，而是繼持在一定長度，因此腫瘤細胞能無限增殖，成為“永生細胞”。端粒酶是正常細胞轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤細胞的關(guān)鍵性物質(zhì)，是腫瘤治療的重要藥物靶點〔2〕。但是近來的一些研究表明，如果端粒功能喪失，會導致如下結(jié)果：染色體融合、破裂、易位、非整倍體產(chǎn)生和染色體的斷裂－融合－橋循環(huán)。這種遺傳的不穩(wěn)定性會導致細胞非正常生長，也會促使遺傳變異快速獲得〔18〕。因此，盡管端粒功能的喪失可能是一種腫瘤抑制機制，但它也可促進腫瘤的生長。細胞中的染色體非整倍體和重排伴隨著短端粒和DNA傷反應缺陷，與腫瘤生長起始和過程的許多分子機理相關(guān)。應該說，端粒異常和端粒的生物作用在人疾病中的作用還是被低估。

5 結(jié)語

科學發(fā)展史一再重復著一個現(xiàn)象，許多偉大的發(fā)現(xiàn)來自于對科學基本問題的探索，而這些重要問題的解決必然會有在當時不能估量的應用前景。四膜蟲端粒序列的發(fā)現(xiàn)使人工染色體得以發(fā)明，而后者又為基因組測序做出重要貢獻。正如伊麗莎白和卡蘿爾·格雷德在回憶她們的發(fā)現(xiàn)時所說的：時間將告訴人們端粒酶和人類健康的何種聯(lián)系才能持久下去，我們最初并不是著手于想要找到一個新的治療癌癥的方法或者研究某個疾病的機理，但是醫(yī)學的歷史充滿了從不可能的地方獲得重大進展的例子〔19〕。這三位科學家的發(fā)現(xiàn)使人們了解端粒與端粒酶的復雜機理，還涉及了細胞壽命、衰老、死亡以及疾病等等。但是端粒與端粒酶的發(fā)現(xiàn)僅是有關(guān)于人類衰老、疾病等研究謎題拼圖中重要的一片，更多的迷團還有待于我們?nèi)ソ忾_。

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