遼寧 傅忠揚

對端粒酶的再認識

遼寧 傅忠揚

一、相關試題

以端粒、端粒酶作為命題背景的相關試題如下：

【例1】（2015·全國新課標卷Ⅱ）端粒酶由RNA和蛋白質(zhì)組成，該酶能結(jié)合到端粒上，以自身的RNA為模板合成端粒DNA的一條鏈。下列敘述正確的是 （ ）

A.大腸桿菌擬核的DNA中含有端粒

B.端粒酶中的蛋白質(zhì)為RNA聚合酶

C.正常人細胞的每條染色體兩端都含有端粒DNA

D.正常體細胞的端粒DNA隨細胞分裂次數(shù)增加而變長

【答案】C

【解析】此題涉及的端粒酶內(nèi)容出現(xiàn)在人教版必修1第六章第3節(jié)：細胞衰老的原因。書中提到端粒學說：每條染色體的兩端都有一段特殊序列的DNA，稱為端粒，故C正確。端粒DNA序列在每次細胞分裂后會縮短一截，故D錯誤。隨著細胞分裂次數(shù)的增加，截短的部分會逐漸向內(nèi)延伸。在端粒DNA序列被“截”短后，端粒內(nèi)側(cè)的正常基因的DNA序列就會受到損傷，結(jié)果使細胞活動漸趨異常。根據(jù)已有知識分析此題，原核生物無染色體，所以無端粒，故A錯。端粒酶是將RNA當模板合成DNA，類似于逆轉(zhuǎn)錄酶的作用，故B錯。

【例2】控制細胞分裂次數(shù)的“時鐘”是位于染色體兩端的一種特殊結(jié)構(gòu)（端粒），它隨著細胞分裂而變短。癌細胞中，存在延長染色體端粒的酶，正常人的生殖細胞中也有。據(jù)此分析體細胞不能無限分裂的原因是 （ ）

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發(fā)生突變

D.控制端粒酶合成的基因沒有表達

【答案】D

【解析】因為無端粒酶，體細胞不能無限分裂，但生殖細胞存在端粒酶，說明控制此酶的基因在細胞中存在，只是發(fā)生選擇性表達。

【例3】克隆羊的來源有兩種說法，可能來自成年羊的體細胞，也可能來自實驗室中污染的胚胎細胞，下列支持克隆羊來自體細胞的證據(jù)是 （ ）

A.克隆羊的DNA指紋

B.克隆羊DNA的熔解溫度

C.克隆羊的端粒長度

D.克隆羊的生物鐘

【答案】C

【解析】此題關鍵是要明確考查的內(nèi)容。體細胞與胚胎細胞分裂次數(shù)不同，端粒長度不同。

二、知識遷移

根據(jù)對端粒的相關認識，可以將其與細胞增殖、細胞衰老、疾病治療、實驗等知識點進行聯(lián)系，實現(xiàn)學科內(nèi)綜合能力的考查。

1.端粒酶中，蛋白質(zhì)成分的功能類似于_______，需要提供的原料是________。

2.正常體細胞中不存在端粒酶，你認為新復制出的DNA與親代DNA完全相同嗎？________為什么？_______________________________________________________。

3.依據(jù)“端粒學說”說明正常體細胞走向衰老的原因是什么？___________________________________________

提出延緩衰老的方法： _________________________。

4.依據(jù)“端粒學說”，提出一種抗腫瘤藥物的作用機理。 ___________________________________________。

5.指出端粒酶、端粒長度和細胞分裂次數(shù)的關系__________________________________________________。

6.結(jié)合端粒的有關知識，指出癌基因使細胞無限增殖的可能途徑： _____________________________________。

7.用端粒酶治療HIV的途徑： ___________________。

8.設計實驗，探究端粒酶與細胞癌變的思路是_____________________________________________________。

【答案】

1.逆轉(zhuǎn)錄酶 脫氧核糖核苷酸

2.不完全相同 不存在端粒酶活性，染色體將隨每次分裂變得越來越短，子代細胞中DNA要缺失

3.端粒酶活性的喪失 對產(chǎn)生端粒酶的基因進行修飾，使之在部分或全部細胞中表達高活性的端粒酶；將高活性的端粒酶導入某些細胞延緩細胞衰老；蛋白質(zhì)工程將端粒酶進行改造使之保持高活性；使用激活劑激活端粒酶（開放式答案，合理即可）

4.抑制端粒酶基因的表達；剔除端粒酶基因；抑制端粒酶的活性（任選其一，合理即可）

5.端粒酶可使端粒伸長，于是細胞可繼續(xù)分裂

6.癌基因指導合成端粒酶，端粒酶使已縮短的染色體末端伸長，細胞可持續(xù)增殖

7.從被HIV侵染早期的患者體內(nèi)分離出骨髓造血干細胞，用端粒酶培養(yǎng)。在患者血細胞數(shù)量下降時，將之輸回到患者體內(nèi)（合理即可）

8.①將癌細胞分成A、B兩組；②A組加入端粒酶抑制劑，B組不加，進行培養(yǎng)；③記錄比較兩組增殖的代數(shù)（分裂次數(shù)）結(jié)果預測及分析：A組比B組增殖代數(shù)少，說明端粒酶與細胞癌變有關；A組仍然無限增殖，說明端粒酶與細胞癌變無關

三、研究進展

1.真核生物DNA復制的終止

真核生物在DNA復制結(jié)束時面臨著原核生物不曾遇到的困難：填補RNA引物去除后留下的空隙。對細菌的環(huán)形DNA而言，填補所有的空隙無任何問題，因為空隙的上游總有其他DNA片段的3′端起到引物的作用。但是，細想具有線性染色體的真核生物所面臨的這個問題：一旦每條鏈上的第一個引物被去除，由于DNA分子不能按3′—5′方向延伸，也不像環(huán)形DNA分子那樣擁有上游3′端，所以，留下的空隙是無法填補的。如果情況確實如此，這樣，DNA每復制一次染色體就會縮短一段RNA引物的長度。這是一個終止問題，需要處理DNA鏈末端的形成，那么細胞將如何解決這個問題呢？

2.端粒維持

真核生物染色體末端的端粒（telomere）（圖1）由短的富含GC的重復序列組成。端粒中富含G的鏈在端粒酶（telomerase）作用下以非半保留方式被添加在DNA鏈的3′端。富含G的端粒鏈由端粒酶合成，端粒酶短的RNA分子是端粒合成的模板（圖2）。富含C的端粒鏈通過常規(guī)的RNA引發(fā)DNA復制的方式進行合成，類似于常規(guī)后隨鏈的合成。該機制確保染色體末端被重建，避免因每輪復制而導致末端縮短。

圖1 端粒(末端的深色區(qū)域為染色體上的端粒)

圖2 四膜蟲端粒酶對端粒DNA的復制

端粒中重復的準確序列具有種屬特異性，這種種屬特異性取決于端粒酶自身，因為端粒的合成需要以端粒酶的小RNA為模板。這樣就解決了末端縮短的問題：端粒酶在染色體的3′端添加具有自身序列特征的許多重復序列，然后在端粒內(nèi)引發(fā)富含G鏈的合成。即使引物被去除且無DNA序列填補也無關緊要，因為只是端粒序列發(fā)生了丟失，而且丟失的序列總能被端粒酶和新一輪的端粒合成所恢復。

在沒有互補DNA鏈可閱讀的情況下，端粒酶如何在端粒末端添加正確的堿基序列呢？端粒酶在合成端粒時，以自身的RNA組分為模板（注意：RNA作為模板而不是引物）。1982年證實：端粒酶是由基本RNA和蛋白質(zhì)亞基組成的核糖核蛋白，已經(jīng)克隆且測序了編碼四膜蟲端粒酶159ntRNA亞基的基因，含有CAACCCCCAA序列，從原理上講，該序列可以作為模板，在四膜蟲端粒末端添加額外的重復序列TTGGGG。

結(jié)論：端粒酶RNA是端粒合成的模板。端粒酶利用RNA為模板合成DNA鏈的事實提示端粒酶作為反轉(zhuǎn)錄酶而起作用。1996年，在一種纖毛類原生動物游仆蟲中獲得了純化的端粒酶。該酶含有p43和p123蛋白質(zhì)及作為模板延伸端粒的RNA亞基。p123蛋白質(zhì)具有反轉(zhuǎn)錄酶的特征序列，說明該蛋白質(zhì)為端粒酶提供了催化活性，所以稱之為端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）。

除保護染色體末端、防止降解外，端粒還有另外一個重要的功能：防止DNA修復系統(tǒng)錯誤地將染色體末端識別為染色體斷口而將染色體粘接起來。這種不適當?shù)娜旧w連接可能是細胞的潛在致死因子。而且，細胞的 DNA損傷檢測系統(tǒng)能夠檢出損傷，使細胞停止分裂直至損傷被修復。由于末端沒有端粒的染色體看起來更像是斷裂的染色體，導致DNA損傷檢測系統(tǒng)啟動，細胞停止分裂，最終死亡。

3.端粒、Hayflick極限與癌癥

體外培養(yǎng)的正常細胞最大增殖次數(shù)稱為Hayflick極限。但癌細胞屬于永生細胞，并不遵從這個極限，可以無限傳代。研究發(fā)現(xiàn)：人類癌細胞內(nèi)存在大量組成型表達的端粒酶，而體細胞內(nèi)一般只有微弱的端粒酶產(chǎn)物且為瞬時表達（生殖細胞內(nèi)必須存在端粒酶，以保護傳給下一代的染色體末端）。因此，癌細胞能夠修復因復制而縮短的端粒，但絕大多數(shù)正常細胞不能修復短縮的染色體末端。所以，癌細胞能持續(xù)分裂且不會引起染色體的降解，但正常細胞的染色體會隨著細胞的每次分裂而逐漸變短，遲早會導致端粒的丟失，缺失端粒的染色體末端如同斷裂染色體的末端，大多數(shù)細胞通過停止復制、最終是通過死亡來防止這種傷害，這種情況不會在癌細胞中發(fā)生，因為端粒酶使癌細胞免于死亡。癌變細胞的本質(zhì)變化之一就是端粒酶基因的再激活，這是癌細胞永生化特征的前提條件，同時這也揭示了對癌癥潛在的治療方法：關閉端粒酶基因的表達，更為簡單的方法是用藥物抑制端粒酶活性，這種藥物對大多數(shù)正常細胞是無害的，因為正常細胞一開始就無端粒酶活性。但是，2003年發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)條件下人的纖維原細胞能低水平表達hTERT（端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶）基因，纖維原細胞獲得了少量的端粒酶活性，從而使這種治療癌癥的策略受到了懷疑。而且，無活性形式的hTERT基因表達或通過RNAi（RNA干擾：由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現(xiàn)象）抑制正常hTERT基因表達會引起人纖維原細胞提前衰老。還有跡象表明，簡單地抑制端粒酶活性可能不會導致癌細胞的死亡。因此，端粒酶的存在并不是癌細胞發(fā)生的絕對必要條件。最后，重新激活人體細胞端粒酶活性能否延長壽命？或者使我們更容易患癌癥疾病？科學家將hTERT基因?qū)肱囵B(yǎng)的人類體細胞中，使這些細胞獲得端粒酶活性，實驗結(jié)果令人驚奇：這些細胞的端粒被延長了，細胞在超過其正常壽命期限后仍然能夠分裂，其外觀及染色體含量依然如同分裂旺盛時期的細胞。而且，這些細胞并沒有表現(xiàn)出癌變的跡象。這些發(fā)現(xiàn)確實令人振奮，但并不是永葆青春的源泉。到目前為止，這還只是個科學幻想。

人們直到2003年才了解到，包括人類在內(nèi)的高等真核生物的體細胞內(nèi)無端粒酶活性，而生殖細胞則保留端粒酶活性。研究表明，培養(yǎng)的正常人類細胞也只是在DNA復制的S期內(nèi)以較低水平短時表達端粒酶。但癌細胞卻具有很高的端粒酶活性且呈組成型表達。這些發(fā)現(xiàn)對于了解癌細胞特性，甚至控制癌細胞都具有深遠的意義。

（作者單位：遼寧省大連市理工大學附屬高中）