染色體的保護(hù)者—端粒與端粒酶

鄭俊敏

染色體的保護(hù)者—端粒與端粒酶

鄭俊敏

福建教育學(xué)院理科研修部

端粒是位于染色體末端、能保護(hù)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(dòng)了科學(xué)家對(duì)人類衰老和腫瘤發(fā)生機(jī)制的研究，有助于相關(guān)疾病的預(yù)防和治療。文章對(duì)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(yù)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(xué)院將諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了3位美國科學(xué)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(jiǎng)主頁上介紹他們獲獎(jiǎng)的原因是揭示了“染色體是如何被端粒和端粒酶保護(hù)的”。

端粒是一種在染色體末端部分的一個(gè)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(hù)染色體。絕大多數(shù)成體細(xì)胞缺乏端粒酶，導(dǎo)致端粒保護(hù)染色體的功能逐漸喪失，這被認(rèn)為是決定細(xì)胞壽命的一個(gè)重要因素〔1〕。而在一些細(xì)胞中，如胚胎干細(xì)胞和癌細(xì)胞，端粒酶的活性高度表達(dá)，使得這些細(xì)胞不斷分裂卻不會(huì)遭受染色體損傷，延遲了衰老〔2〕。同時(shí)，一些遺傳病也是由于端粒酶活性的缺失而導(dǎo)致的。正是由于這三位科學(xué)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(gè)端粒和端粒酶的研究進(jìn)程就像相繼解開一個(gè)個(gè)智力謎團(tuán)一樣有趣，充滿了思想的光輝。重現(xiàn)這個(gè)思路對(duì)廣大教師和學(xué)生都是有啟發(fā)意義的。本文也提供了一個(gè)很好的科學(xué)問題推演的教學(xué)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(duì)于染色體穩(wěn)定性的重要作用，最早是在上世紀(jì)30年代，Barbara Mclintock（因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)玉米的轉(zhuǎn)座子獲得諾獎(jiǎng)）和Hermann Muller（因?yàn)榘l(fā)明用X射線突變基因而獲得諾獎(jiǎng)）在對(duì)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(gè)單詞組成了端粒的新詞（telomere）。Mclintock猜測(cè)這些末端特殊結(jié)構(gòu)的缺少會(huì)使染色體在有絲分裂時(shí)易發(fā)生融合或斷裂，傷害細(xì)胞。20世紀(jì)60年代早期，Leonard Hayflick發(fā)現(xiàn)人的成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)增殖次數(shù)是有限的。后來許多實(shí)驗(yàn)證明，正常的動(dòng)物細(xì)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(gè)“極限值”。如人胚成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)只能增殖60~70代。而細(xì)胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關(guān)。例如體細(xì)胞染色體的端粒DNA會(huì)隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短。細(xì)胞DNA每復(fù)制一次，端粒就縮短一段，當(dāng)縮短到一定程度時(shí)，可能會(huì)相關(guān)基因表達(dá)，導(dǎo)致不可逆地退出細(xì)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(fù)制實(shí)驗(yàn)，推斷出模式生物四膜蟲（）的端粒中含有許多重復(fù)的5'-CCCCAA-3’六堿基序列〔5〕。同時(shí)，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(xì)胞中復(fù)制。但他構(gòu)建的人工染色體轉(zhuǎn)化入細(xì)胞后總是很快降解。1980年，當(dāng)伊麗莎白報(bào)道她關(guān)于端粒DNA的發(fā)現(xiàn)時(shí)，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(dǎo)入酵母細(xì)胞。奇跡出現(xiàn)了，人工染色體不再降解，可以在細(xì)胞內(nèi)正常復(fù)制〔6〕。這一方面證實(shí)了端粒對(duì)染色體的保護(hù)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(cè)序的基礎(chǔ)之一，這也是杰克·紹斯塔克共同獲得諾貝爾獎(jiǎng)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(dòng)物、植物和動(dòng)物的序列都很相似，又有種屬特異性。如人和哺乳動(dòng)物為TTAGGG，草履蟲為TTGGGG。

1984年，伊麗莎白發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：帶著四膜蟲端粒DNA的人工染色體導(dǎo)入到酵母后，復(fù)制后被加上的是酵母端粒序列〔7〕。于是第二個(gè)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(fù)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(shí)驗(yàn)室。她們精心討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用四膜蟲的核抽提液與體外的端粒DNA進(jìn)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(dòng)物、菌類、動(dòng)物和植物中，組成端粒的主要結(jié)構(gòu)是富含重復(fù)G的DNA序列。脊椎動(dòng)物中，組成端粒的DNA序列是一種串聯(lián)重復(fù)序列（TTAGGG/CCCTAA）n〔9〕。染色體末端著絲粒DNA的典型末端是在一個(gè)單鏈上，有一個(gè)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(gè)“環(huán)狀”結(jié)構(gòu)，構(gòu)成染色體末端的著絲粒。重復(fù)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(duì)的可檢測(cè)性端粒重復(fù)序列。根據(jù)組織類型，個(gè)人的年齡和細(xì)胞的復(fù)制歷史，重復(fù)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(xì)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(xì)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(fù)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(yùn)的機(jī)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(xì)胞信號(hào)途徑，對(duì)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(gè)特殊的反轉(zhuǎn)錄酶，能通過添加TTAGGG重復(fù)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(gè)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(shí)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(fù)序列進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)，在合成、延伸堿基序列中起催化作用。美國科學(xué)家近日利用X射線結(jié)晶學(xué)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(gè)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(jìn)化起源，這將有助于改進(jìn)抗HIV藥物以在癌細(xì)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(huì)導(dǎo)致端粒酶活性的改變，而hTEP1是一個(gè)在各種組織細(xì)胞中均存在活性的蛋白，其mRNA的表達(dá)也不局限于有端粒酶活性的組織和細(xì)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(fù)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(xì)胞衰老和健康

端粒酶通過調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)親代細(xì)胞分裂和DNA損傷所帶來影響的反應(yīng)，在細(xì)胞命運(yùn)和衰老中承擔(dān)重要任務(wù)。衰老可被定義為組織功能的衰微或下降，而最終導(dǎo)致死亡。這種功能的喪失可以是細(xì)胞分裂或復(fù)制過程中細(xì)胞功能的喪失或減少，或是細(xì)胞被功能喪失的細(xì)胞所取代。衰老并不是一種疾病，生物學(xué)上的衰老在個(gè)體之間多有不同，可以被認(rèn)為是進(jìn)化的一種內(nèi)容。一種觀點(diǎn)認(rèn)為哺乳動(dòng)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(zhǔn)確復(fù)制的增強(qiáng)。但DNA的準(zhǔn)確修復(fù)只是部分細(xì)胞、組織或生物種的一個(gè)可選項(xiàng)，而不是必選項(xiàng)。數(shù)百個(gè)端粒末端的重復(fù)序列必須“戴帽”于每個(gè)染色體末端，以避免DNA修復(fù)途徑的啟動(dòng)。在大多數(shù)體細(xì)胞或是衰老和凋亡的細(xì)胞中，端粒酶對(duì)于縮短或是沒有“戴帽”端粒的修復(fù)是很少啟動(dòng)的，但是當(dāng)沒有“戴帽”端粒積累過多時(shí)，這種修復(fù)機(jī)制會(huì)被觸發(fā)。另一方面，端粒的平均長度與細(xì)胞的種類和端粒酶的相關(guān)活性有關(guān)。在體細(xì)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(xì)胞的壽命，故而被稱為“生命的時(shí)鐘”。通過端粒的縮短，能導(dǎo)致細(xì)胞衰老和死亡，清除異?；蚴菒盒陨L的細(xì)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(duì)應(yīng)的是，人的端粒長度如果異常，會(huì)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(dāng)今人類社會(huì)的多發(fā)病。正常情況下，人類體細(xì)胞端粒酶活性是很低的。但在多數(shù)腫瘤細(xì)胞中能檢測(cè)出端粒酶的活性。腫瘤細(xì)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?？s短，而是繼持在一定長度，因此腫瘤細(xì)胞能無限增殖，成為“永生細(xì)胞”。端粒酶是正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤細(xì)胞的關(guān)鍵性物質(zhì)，是腫瘤治療的重要藥物靶點(diǎn)〔2〕。但是近來的一些研究表明，如果端粒功能喪失，會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致細(xì)胞非正常生長，也會(huì)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(jī)制，但它也可促進(jìn)腫瘤的生長。細(xì)胞中的染色體非整倍體和重排伴隨著短端粒和DNA傷反應(yīng)缺陷，與腫瘤生長起始和過程的許多分子機(jī)理相關(guān)。應(yīng)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(xué)發(fā)展史一再重復(fù)著一個(gè)現(xiàn)象，許多偉大的發(fā)現(xiàn)來自于對(duì)科學(xué)基本問題的探索，而這些重要問題的解決必然會(huì)有在當(dāng)時(shí)不能估量的應(yīng)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(cè)序做出重要貢獻(xiàn)。正如伊麗莎白和卡蘿爾·格雷德在回憶她們的發(fā)現(xiàn)時(shí)所說的：時(shí)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(gè)新的治療癌癥的方法或者研究某個(gè)疾病的機(jī)理，但是醫(yī)學(xué)的歷史充滿了從不可能的地方獲得重大進(jìn)展的例子〔19〕。這三位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)使人們了解端粒與端粒酶的復(fù)雜機(jī)理，還涉及了細(xì)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(tuán)還有待于我們?nèi)ソ忾_。

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