对端粒酶的再认识

辽宁 傅忠扬

对端粒酶的再认识

辽宁 傅忠扬

一、相关试题

以端粒、端粒酶作为命题背景的相关试题如下：

【例1】（2015·全国新课标卷Ⅱ）端粒酶由RNA和蛋白质组成，该酶能结合到端粒上，以自身的RNA为模板合成端粒DNA的一条链。下列叙述正确的是 （ ）

A.大肠杆菌拟核的DNA中含有端粒

B.端粒酶中的蛋白质为RNA聚合酶

C.正常人细胞的每条染色体两端都含有端粒DNA

D.正常体细胞的端粒DNA随细胞分裂次数增加而变长

【答案】C

【解析】此题涉及的端粒酶内容出现在人教版必修1第六章第3节：细胞衰老的原因。书中提到端粒学说：每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA，称为端粒，故C正确。端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截，故D错误。随着细胞分裂次数的增加，截短的部分会逐渐向内延伸。在端粒DNA序列被“截”短后，端粒内侧的正常基因的DNA序列就会受到损伤，结果使细胞活动渐趋异常。根据已有知识分析此题，原核生物无染色体，所以无端粒，故A错。端粒酶是将RNA当模板合成DNA，类似于逆转录酶的作用，故B错。

【例2】控制细胞分裂次数的“时钟”是位于染色体两端的一种特殊结构（端粒），它随着细胞分裂而变短。癌细胞中，存在延长染色体端粒的酶，正常人的生殖细胞中也有。据此分析体细胞不能无限分裂的原因是 （ ）

A.缺少合成端粒酶的氨基酸

B.缺少控制端粒酶合成的基因

C.控制端粒酶合成的基因发生突变

D.控制端粒酶合成的基因没有表达

【答案】D

【解析】因为无端粒酶，体细胞不能无限分裂，但生殖细胞存在端粒酶，说明控制此酶的基因在细胞中存在，只是发生选择性表达。

【例3】克隆羊的来源有两种说法，可能来自成年羊的体细胞，也可能来自实验室中污染的胚胎细胞，下列支持克隆羊来自体细胞的证据是 （ ）

A.克隆羊的DNA指纹

B.克隆羊DNA的熔解温度

C.克隆羊的端粒长度

D.克隆羊的生物钟

【答案】C

【解析】此题关键是要明确考查的内容。体细胞与胚胎细胞分裂次数不同，端粒长度不同。

二、知识迁移

根据对端粒的相关认识，可以将其与细胞增殖、细胞衰老、疾病治疗、实验等知识点进行联系，实现学科内综合能力的考查。

1.端粒酶中，蛋白质成分的功能类似于_______，需要提供的原料是________。

2.正常体细胞中不存在端粒酶，你认为新复制出的DNA与亲代DNA完全相同吗？________为什么？_______________________________________________________。

3.依据“端粒学说”说明正常体细胞走向衰老的原因是什么？___________________________________________

提出延缓衰老的方法： _________________________。

4.依据“端粒学说”，提出一种抗肿瘤药物的作用机理。 ___________________________________________。

5.指出端粒酶、端粒长度和细胞分裂次数的关系__________________________________________________。

6.结合端粒的有关知识，指出癌基因使细胞无限增殖的可能途径： _____________________________________。

7.用端粒酶治疗HIV的途径： ___________________。

8.设计实验，探究端粒酶与细胞癌变的思路是_____________________________________________________。

【答案】

1.逆转录酶 脱氧核糖核苷酸

2.不完全相同 不存在端粒酶活性，染色体将随每次分裂变得越来越短，子代细胞中DNA要缺失

3.端粒酶活性的丧失 对产生端粒酶的基因进行修饰，使之在部分或全部细胞中表达高活性的端粒酶；将高活性的端粒酶导入某些细胞延缓细胞衰老；蛋白质工程将端粒酶进行改造使之保持高活性；使用激活剂激活端粒酶（开放式答案，合理即可）

4.抑制端粒酶基因的表达；剔除端粒酶基因；抑制端粒酶的活性（任选其一，合理即可）

5.端粒酶可使端粒伸长，于是细胞可继续分裂

6.癌基因指导合成端粒酶，端粒酶使已缩短的染色体末端伸长，细胞可持续增殖

7.从被HIV侵染早期的患者体内分离出骨髓造血干细胞，用端粒酶培养。在患者血细胞数量下降时，将之输回到患者体内（合理即可）

8.①将癌细胞分成A、B两组；②A组加入端粒酶抑制剂，B组不加，进行培养；③记录比较两组增殖的代数（分裂次数）结果预测及分析：A组比B组增殖代数少，说明端粒酶与细胞癌变有关；A组仍然无限增殖，说明端粒酶与细胞癌变无关

三、研究进展

1.真核生物DNA复制的终止

真核生物在DNA复制结束时面临着原核生物不曾遇到的困难：填补RNA引物去除后留下的空隙。对细菌的环形DNA而言，填补所有的空隙无任何问题，因为空隙的上游总有其他DNA片段的3′端起到引物的作用。但是，细想具有线性染色体的真核生物所面临的这个问题：一旦每条链上的第一个引物被去除，由于DNA分子不能按3′—5′方向延伸，也不像环形DNA分子那样拥有上游3′端，所以，留下的空隙是无法填补的。如果情况确实如此，这样，DNA每复制一次染色体就会缩短一段RNA引物的长度。这是一个终止问题，需要处理DNA链末端的形成，那么细胞将如何解决这个问题呢？

2.端粒维持

真核生物染色体末端的端粒（telomere）（图1）由短的富含GC的重复序列组成。端粒中富含G的链在端粒酶（telomerase）作用下以非半保留方式被添加在DNA链的3′端。富含G的端粒链由端粒酶合成，端粒酶短的RNA分子是端粒合成的模板（图2）。富含C的端粒链通过常规的RNA引发DNA复制的方式进行合成，类似于常规后随链的合成。该机制确保染色体末端被重建，避免因每轮复制而导致末端缩短。

图1 端粒(末端的深色区域为染色体上的端粒)

图2 四膜虫端粒酶对端粒DNA的复制

端粒中重复的准确序列具有种属特异性，这种种属特异性取决于端粒酶自身，因为端粒的合成需要以端粒酶的小RNA为模板。这样就解决了末端缩短的问题：端粒酶在染色体的3′端添加具有自身序列特征的许多重复序列，然后在端粒内引发富含G链的合成。即使引物被去除且无DNA序列填补也无关紧要，因为只是端粒序列发生了丢失，而且丢失的序列总能被端粒酶和新一轮的端粒合成所恢复。

在没有互补DNA链可阅读的情况下，端粒酶如何在端粒末端添加正确的碱基序列呢？端粒酶在合成端粒时，以自身的RNA组分为模板（注意：RNA作为模板而不是引物）。1982年证实：端粒酶是由基本RNA和蛋白质亚基组成的核糖核蛋白，已经克隆且测序了编码四膜虫端粒酶159ntRNA亚基的基因，含有CAACCCCCAA序列，从原理上讲，该序列可以作为模板，在四膜虫端粒末端添加额外的重复序列TTGGGG。

结论：端粒酶RNA是端粒合成的模板。端粒酶利用RNA为模板合成DNA链的事实提示端粒酶作为反转录酶而起作用。1996年，在一种纤毛类原生动物游仆虫中获得了纯化的端粒酶。该酶含有p43和p123蛋白质及作为模板延伸端粒的RNA亚基。p123蛋白质具有反转录酶的特征序列，说明该蛋白质为端粒酶提供了催化活性，所以称之为端粒酶反转录酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）。

除保护染色体末端、防止降解外，端粒还有另外一个重要的功能：防止DNA修复系统错误地将染色体末端识别为染色体断口而将染色体粘接起来。这种不适当的染色体连接可能是细胞的潜在致死因子。而且，细胞的 DNA损伤检测系统能够检出损伤，使细胞停止分裂直至损伤被修复。由于末端没有端粒的染色体看起来更像是断裂的染色体，导致DNA损伤检测系统启动，细胞停止分裂，最终死亡。

3.端粒、Hayflick极限与癌症

体外培养的正常细胞最大增殖次数称为Hayflick极限。但癌细胞属于永生细胞，并不遵从这个极限，可以无限传代。研究发现：人类癌细胞内存在大量组成型表达的端粒酶，而体细胞内一般只有微弱的端粒酶产物且为瞬时表达（生殖细胞内必须存在端粒酶，以保护传给下一代的染色体末端）。因此，癌细胞能够修复因复制而缩短的端粒，但绝大多数正常细胞不能修复短缩的染色体末端。所以，癌细胞能持续分裂且不会引起染色体的降解，但正常细胞的染色体会随着细胞的每次分裂而逐渐变短，迟早会导致端粒的丢失，缺失端粒的染色体末端如同断裂染色体的末端，大多数细胞通过停止复制、最终是通过死亡来防止这种伤害，这种情况不会在癌细胞中发生，因为端粒酶使癌细胞免于死亡。癌变细胞的本质变化之一就是端粒酶基因的再激活，这是癌细胞永生化特征的前提条件，同时这也揭示了对癌症潜在的治疗方法：关闭端粒酶基因的表达，更为简单的方法是用药物抑制端粒酶活性，这种药物对大多数正常细胞是无害的，因为正常细胞一开始就无端粒酶活性。但是，2003年发现，在培养条件下人的纤维原细胞能低水平表达hTERT（端粒酶反转录酶）基因，纤维原细胞获得了少量的端粒酶活性，从而使这种治疗癌症的策略受到了怀疑。而且，无活性形式的hTERT基因表达或通过RNAi（RNA干扰：由双链RNA诱发的基因沉默现象）抑制正常hTERT基因表达会引起人纤维原细胞提前衰老。还有迹象表明，简单地抑制端粒酶活性可能不会导致癌细胞的死亡。因此，端粒酶的存在并不是癌细胞发生的绝对必要条件。最后，重新激活人体细胞端粒酶活性能否延长寿命？或者使我们更容易患癌症疾病？科学家将hTERT基因导入培养的人类体细胞中，使这些细胞获得端粒酶活性，实验结果令人惊奇：这些细胞的端粒被延长了，细胞在超过其正常寿命期限后仍然能够分裂，其外观及染色体含量依然如同分裂旺盛时期的细胞。而且，这些细胞并没有表现出癌变的迹象。这些发现确实令人振奋，但并不是永葆青春的源泉。到目前为止，这还只是个科学幻想。

人们直到2003年才了解到，包括人类在内的高等真核生物的体细胞内无端粒酶活性，而生殖细胞则保留端粒酶活性。研究表明，培养的正常人类细胞也只是在DNA复制的S期内以较低水平短时表达端粒酶。但癌细胞却具有很高的端粒酶活性且呈组成型表达。这些发现对于了解癌细胞特性，甚至控制癌细胞都具有深远的意义。

（作者单位：辽宁省大连市理工大学附属高中）