端粒和端粒酶简介

刘晓菊

(河北省卢龙县中学 066400)

2009年10月，举世瞩目的诺贝尔生理学医学奖揭晓，3位美国科学家伊丽莎白·布莱克本和她的学生卡罗尔·格雷德以及杰克·绍斯塔克因发现端粒的结构和端粒酶保护染色体的机制而获奖。布莱克本和绍斯塔克发现端粒能使染色体不被降解；而格雷德和布莱克本则找到了帮助端粒合成的分子——端粒酶[1]。

1端粒

1.1 端粒的概念 端粒是在真核细胞染色体末端部分的像帽子一样的特殊结构，端粒含有特定的DNA重复序列，不同物种间的这段DNA重复序列有所不同。端粒由端粒蛋白和端粒DNA组成，研究人员在哺乳动物中先后鉴定出了十余种端粒蛋白，它们通过与端粒DNA结合和相互作用，从而抵御各种因子对染色体末端的袭击。

1.2 端粒的发现和命名 对端粒的研究最早是在20世纪70年代对DNA聚合酶特性的深入研究中引伸出的一个染色体复制问题。研究发现，染色体并没有随着复制后RNA引物的降解而缩短，其自然末端也没有相互融合。人们渐渐了解了这个染色体末端特定的DNA-蛋白质复合体结构，并将其命名为端粒。

1.3 端粒的功能和种属差异 端粒可以保持染色体的稳定性，使DNA分子的末端不会成为DNA修复系统及核酸外切酶的靶标；端粒可以使真核生物的线形染色体能顺利进行复制；端粒还像是细胞分裂的“计数器”，因此认为端粒DNA可能决定细胞的寿命[2]。

端粒由许多成串且短的重复序列所组成。该重复序列通常一条链上富含G，而其互补链上富含C。例如，原生动物四膜虫端粒的重复序列为TTGGGG(仅列一条链的序列)。原核生物的染色体是环状的，其5′最末端冈崎片段的RNA引物被除去后可借助另半圈DNA链向前延伸来填补。但是，真核生物线性染色体在复制后不像原核生物那样填补5′末端的空缺，从而会使5′末端序列因此缩短。真核生物通过形成端粒结构来解决这个问题。例如，人的端粒的功能为稳定染色体末端的结构，防止染色体间末端连接，并补偿滞后链5′末端在消除RNA引物后造成的空缺。

不同物种或同一物种的不同染色体，其端粒长度不同，人类的体细胞中端粒的平均长度介于6～12kb,随细胞年龄和细胞种类的不同产生差异。在DNA复制过程中，线性DNA的末尾端粒区域产生一个单链区域，导致部分端粒DNA丢失。于是，细胞每经过一次分裂，染色体复制一次，大约丢失50～100个碱基，端粒便会慢慢缩短，当缩短到一定程度(约5～7kb)不能再缩短时，细胞无法继续分裂，并在形态功能上表现出衰老，最后直至凋亡。

2端粒酶

2.1 端粒酶的发现 1984年，布莱克本实验室发现带有四膜虫端粒DNA的人工染色体导入酵母细胞后，被加上的是酵母的端粒而不是四膜虫的端粒序列。这一现象用同源重组是无法解释的，布莱克本推测应该存在一种酶专职端粒DNA复制的工作。1984年末，格雷德证实细胞分离液中包含一种酶，它能在体外以端粒序列为底物合成端粒六核苷酸重复序列。1985年，这项研究结果发表在《细胞》杂志上。

2.2 端粒酶的成分和作用 端粒酶是一种核糖核蛋白，即含有RNA链的逆转录酶，它以所含RNA为模板来合成DNA端粒结构。通常端粒酶含有约150个碱基的RNA链，其中包含1个拷贝的端粒重复单位的模板。例如，四膜虫端粒酶的RNA为159个碱基分子，含有CAACCCCAA序列。端粒酶可结合到端粒的3′末端上，RNA模板的5′末端识别DNA的3′末端碱基并互相配对，以RNA链为模板使DNA链延伸，合成一个重复单位后，酶再向前移动一个单位。端粒的3′单链末端又可以回折作为引物，合成其互补链。

在细胞分裂过程中，随着染色体的复制会使端粒5′末端缩短，而端粒酶可加重复单位到5′末端上，结果维持端粒一定的长度。端粒酶在多个物种中均存在，是目前发现的参与端粒长度保持的最重要的酶。端粒酶主要由一段RNA和蛋白质成分的端粒酶催化亚基(TERT)组成。TERT以RNA为模板合成端粒DNA，实现端粒长度的延伸。

TERT在正常体细胞中非常少，只在造血干细胞和其他干细胞、生殖细胞以及大约85%以上的肿瘤细胞中存在。肿瘤细胞和干细胞是具备无限增殖能力的细胞，而体细胞是有寿命的，端粒长度和端粒酶在其中起重要的调节作用。

端粒酶像“修复工”，它能及时将磨损的端粒修好，让它恢复原长度，对于干细胞来说，这一特性是必需的；而肿瘤细胞的发生则与端粒酶活性的不正常增加密切相关。由于在主要的肿瘤细胞中均发现存在端粒酶活性，因此，在医学研究中，设想将端粒酶作为抗癌治疗的靶位点。