劉曉菊

(河北省盧龍縣中學(xué) 066400)

2009年10月，舉世矚目的諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉，3位美國(guó)科學(xué)家伊麗莎白·布萊克本和她的學(xué)生卡羅爾·格雷德以及杰克·紹斯塔克因發(fā)現(xiàn)端粒的結(jié)構(gòu)和端粒酶保護(hù)染色體的機(jī)制而獲獎(jiǎng)。布萊克本和紹斯塔克發(fā)現(xiàn)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(xì)胞染色體末端部分的像帽子一樣的特殊結(jié)構(gòu)，端粒含有特定的DNA重復(fù)序列，不同物種間的這段DNA重復(fù)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(dòng)物中先后鑒定出了十余種端粒蛋白，它們通過(guò)與端粒DNA結(jié)合和相互作用，從而抵御各種因子對(duì)染色體末端的襲擊。

1.2 端粒的發(fā)現(xiàn)和命名 對(duì)端粒的研究最早是在20世紀(jì)70年代對(duì)DNA聚合酶特性的深入研究中引伸出的一個(gè)染色體復(fù)制問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，染色體并沒(méi)有隨著復(fù)制后RNA引物的降解而縮短，其自然末端也沒(méi)有相互融合。人們漸漸了解了這個(gè)染色體末端特定的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，并將其命名為端粒。

1.3 端粒的功能和種屬差異 端?？梢员３秩旧w的穩(wěn)定性，使DNA分子的末端不會(huì)成為DNA修復(fù)系統(tǒng)及核酸外切酶的靶標(biāo)；端粒可以使真核生物的線(xiàn)形染色體能順利進(jìn)行復(fù)制；端粒還像是細(xì)胞分裂的“計(jì)數(shù)器”，因此認(rèn)為端粒DNA可能決定細(xì)胞的壽命[2]。

端粒由許多成串且短的重復(fù)序列所組成。該重復(fù)序列通常一條鏈上富含G，而其互補(bǔ)鏈上富含C。例如，原生動(dòng)物四膜蟲(chóng)端粒的重復(fù)序列為T(mén)TGGGG(僅列一條鏈的序列)。原核生物的染色體是環(huán)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(lái)填補(bǔ)。但是，真核生物線(xiàn)性染色體在復(fù)制后不像原核生物那樣填補(bǔ)5′末端的空缺，從而會(huì)使5′末端序列因此縮短。真核生物通過(guò)形成端粒結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。例如，人的端粒的功能為穩(wěn)定染色體末端的結(jié)構(gòu)，防止染色體間末端連接，并補(bǔ)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(zhǎng)度不同，人類(lèi)的體細(xì)胞中端粒的平均長(zhǎng)度介于6～12kb,隨細(xì)胞年齡和細(xì)胞種類(lèi)的不同產(chǎn)生差異。在DNA復(fù)制過(guò)程中，線(xiàn)性DNA的末尾端粒區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)單鏈區(qū)域，導(dǎo)致部分端粒DNA丟失。于是，細(xì)胞每經(jīng)過(guò)一次分裂，染色體復(fù)制一次，大約丟失50～100個(gè)堿基，端粒便會(huì)慢慢縮短，當(dāng)縮短到一定程度(約5～7kb)不能再縮短時(shí)，細(xì)胞無(wú)法繼續(xù)分裂，并在形態(tài)功能上表現(xiàn)出衰老，最后直至凋亡。

2端粒酶

2.1 端粒酶的發(fā)現(xiàn) 1984年，布萊克本實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)帶有四膜蟲(chóng)端粒DNA的人工染色體導(dǎo)入酵母細(xì)胞后，被加上的是酵母的端粒而不是四膜蟲(chóng)的端粒序列。這一現(xiàn)象用同源重組是無(wú)法解釋的，布萊克本推測(cè)應(yīng)該存在一種酶專(zhuān)職端粒DNA復(fù)制的工作。1984年末，格雷德證實(shí)細(xì)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(fù)序列。1985年，這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《細(xì)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(zhuǎn)錄酶，它以所含RNA為模板來(lái)合成DNA端粒結(jié)構(gòu)。通常端粒酶含有約150個(gè)堿基的RNA鏈，其中包含1個(gè)拷貝的端粒重復(fù)單位的模板。例如，四膜蟲(chóng)端粒酶的RNA為159個(gè)堿基分子，含有CAACCCCAA序列。端粒酶可結(jié)合到端粒的3′末端上，RNA模板的5′末端識(shí)別DNA的3′末端堿基并互相配對(duì)，以RNA鏈為模板使DNA鏈延伸，合成一個(gè)重復(fù)單位后，酶再向前移動(dòng)一個(gè)單位。端粒的3′單鏈末端又可以回折作為引物，合成其互補(bǔ)鏈。

在細(xì)胞分裂過(guò)程中，隨著染色體的復(fù)制會(huì)使端粒5′末端縮短，而端粒酶可加重復(fù)單位到5′末端上，結(jié)果維持端粒一定的長(zhǎng)度。端粒酶在多個(gè)物種中均存在，是目前發(fā)現(xiàn)的參與端粒長(zhǎng)度保持的最重要的酶。端粒酶主要由一段RNA和蛋白質(zhì)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(shí)現(xiàn)端粒長(zhǎng)度的延伸。

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

端粒酶像“修復(fù)工”，它能及時(shí)將磨損的端粒修好，讓它恢復(fù)原長(zhǎng)度，對(duì)于干細(xì)胞來(lái)說(shuō)，這一特性是必需的；而腫瘤細(xì)胞的發(fā)生則與端粒酶活性的不正常增加密切相關(guān)。由于在主要的腫瘤細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)存在端粒酶活性，因此，在醫(yī)學(xué)研究中，設(shè)想將端粒酶作為抗癌治療的靶位點(diǎn)。