端粒和端粒酶的结构与功能及其应用

第31卷第1期湖南农业大学学报(自然科学版) V ol．31 No．1 2005年2月Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences) Feb．2005

文章编号：1007-1032(2005)01-0098-08

端粒和端粒酶的结构与功能及其应用

朱雅新1，2，麻 浩1＊

(1.南京农业大学大豆研究所，江苏南京 210095；2.新疆农业大学农学院，新疆乌鲁木齐 830052)

摘要：端粒是构成真核生物线状染色体末端重要的DNA—蛋白质复合结构，DNA由简单的串联重复序列组成．它的合成由一个特殊的具有反转录活性的核糖核蛋白端粒酶完成．端粒对染色体、整个生物基因组，甚至对细胞的稳定都具有重要意义．端粒酶是由RNA模板和蛋白亚基组成的核蛋白颗粒．它解决染色体的末端问题，归属于逆转录酶家族又和逆转录酶有一定的差别．端粒酶的过度表达和细胞的永生化和癌变直接相关．端粒酶的结构和功能决定了它在肿瘤与癌症治疗等方面具有广泛的应用前景．

关键词：端粒；端粒酶；结构与功能；细胞永生化；癌症治疗

中图分类号：Q52 文献标识码：A

Structure，Function and Application of Telomere and Telomerase

ZHU Ya-xin1，2，MA Hao1*

(1.Soybean Research Institute，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Agricultural College，

Xinjiang Agricultural University，Wulumuqi，830052，China)

Abstract: Telomere is an important DNA-protein structure．It caps the ends of linear eukaryotic chromosomes．Telomeric DNA consists of tandemly repeated simple sequences．Telomere is synthesized with the action of telomerase，a ribonucleoprotein with reverse transcriptase activity．Telomere plays an important role in maintaining the stability of intact chromosome，genome and cell．Telomerase is a ribonucleoprotein responsible in most eukaryotes for replication of the end of chromosomes．Its RNA subunit acts as a template for the systhesis of telomeric DNA，while a protein component catalyzes this process to make up for convertional DNA polymerases’ inability to replicate completely the end linear DNA．It belongs to the reverase transcriptase family but differs from reverse transcriptase．The overexprossion of telomerase has close relationship with cell’s immortalization and tumorigenesis．The structure and function of telomerase suggest its extensive application in the near future．

Key words: telomere；telomerase；structure and function；cell immortalization；tumor treatment

20世纪30年代，遗传学家Mc Clintock和Muller分别在玉米和果蝇中发现损伤断裂后的染色体末端之间极易发生连接，从而形成各种类型的染色体畸变，如末端融合形成环状体或形成双着丝点染色体．但染色体的天然末端似乎从来不与染色体断裂产生的那种末端连接，天然末端之间也不结合，就像有一顶“帽子”那样维持着染色体末端的稳定．于是Muller提出位于染色体两端的片段在细胞里具有重要的作用，并命名它为端粒(Telomere)[1]，这是由希腊语“末端”(Telos)及“部分”(Meros)组成的．

20世纪70年代，Blackburn利用四膜虫(Tetrah- ymena)进一步揭示了端粒的初步结构，发现它是由几个核苷酸(富含G)组成的DNA重复片断，重复的次数由几十到数千不等．1972年，Watson发现了这样一个问题，即DNA多聚酶是不能够复制线性染色质的全部的，由于在末端缺少5′端的引物，DNA 多聚酶将不能完成最后的复制工作，而留下一个单链的间隙．如果这一间隙不能被填充的话，染色体

收稿日期：2004-05-27

基金项目：农业部“948”项目(2001-207)；江苏省“十五”攻关项目(Q200126)

作者简介：朱雅新(1968-)，女，汉族，山东潍坊人，硕士研究生．*通讯作者：E-mail：lq-ncsi@

第31卷第1期 朱雅新等 端粒和端粒酶的结构与功能及其应用99

DNA将失去这一DNA片断，这样的话，每经过一次复制、分裂，染色体就将丢失一部分的端粒结构，直至影响到与端粒相邻的一些重要基因．因此科学家们考虑是否存在着一种不同于DNA多聚酶的酶来完成这一工作．

1984年，Greider和Blackburn发现将一段单链的末端寡聚核苷酸加至四膜虫的提取物中后，端粒的长度延长了，这说明确实有这样一种酶存在，将它命名为“端粒酶”(Telomerase)[2]．进一步的研究揭示了端粒与端粒酶在细胞的生长及肿瘤预防和防治中有非常重要的意义，现正成为一个热点研究领域．

1 端粒和端粒酶的结构

1.1 端 粒

端粒是真核细胞染色体末端的特殊结构，是由端粒DNA和与端粒DNA特异结合的端粒结合蛋白组成的核糖核酸的蛋白质复合物[3]，在真核生物包括原虫、真菌、纤毛虫、植物和哺乳动物中都存在．端粒DNA由非编码的重复序列组成，不同物种的DNA重复序列的重复数不同，如人与其他脊椎动物约为2 000个[4]，拟南芥是53个拷贝．不同的真核细胞端粒存在类似的DNA序列与结构，且高度保守[5]．其共同的特征是富含G，而且富含G 的链(5′→3′)比富含C的链(3′→5′)突出12~16个核苷酸．

尽管端粒DNA是染色体末端的一个结构，但在染色体的中间也发现了同样的重复序列．与端粒DNA相邻的是一“端粒下区”(subtelomeric region)，它由一些退化的端粒DNA片断独特的重复片断组成．

端粒除简单的核苷酸重复外，还包含有特殊的非核小体蛋白端粒结合蛋白．端粒结合蛋白依据结合特性分为两大类[6]：(1) 双链TBPs (double-strand TBPs)．这是一类可特异地与双链端粒重复序列结合的蛋白质，它在端粒长度的维持中具有重要作用，而且对端粒具有保护和调节功能[7]，如人细胞的TRF1，TRF2，芽殖酵母(S. cerevisiae)的Rap1p，裂殖酵母(S. pmpbe)的Taz1p，这4种都在羧基末端含有一个与瘤蛋白的Myb高度同源的DNA结合区，能特异性结合端粒DNA双链．其中TRF1，TRF2已证实是负性的端粒长度的调节因子，它们的过度表达可以使端粒长度逐渐缩短[8]．植物中结合于端粒双链区的蛋白已从玉米和拟南芥中得到[9，10]，最近水稻编码双链结合蛋白RTBP1的基因已被克隆，此基因编码的蛋白质为70 kD，其C端含有一个与其他端粒结合蛋白如TRF1，TRF2，Taz1p非常相似的Myb样端粒DNA结合域[11]．虽然在植物中已识别了这些端粒结合蛋白，但对其功能的研究尚属空白[12]．(2) 单链TBPs(single-strand TBPs)．可结合于3′单链突出的末端，对于染色体末端的“戴帽”，以及端粒酶活性的调节具重要作用[13]，如：芽殖酵母Est1p，Cdc13p可以为端粒酶结合端粒提供识别和结合位点，同时Cdc13p有助于把端粒酶招募到染色体末端保护染色体免遭降解[14]．这两种蛋白与端粒的片断结合后，形成称为“端粒体”(telosome)的结构，使之产生独特的物理结构，同时也行使端粒的一些功能．

1.2 端粒酶

端粒酶是一种能将真核生物染色体末端DNA 端粒DNA加以延伸的酶．它是一种核酸蛋白质复合物．目前认为端粒酶是由端粒酶RNA组分(telomerase RNA，TR)，端粒酶相关蛋白和端粒酶催化亚基(telomerase reverse transcriptase，TERT)三部分组成的蛋白质复合物[15，16]．

端粒酶结构中的核酸部分为RNA，又分为模板区与非模板区．模板区决定所合成端粒的特异性，非模板区具有酶与底物的结合位点．模板区的长度一般为端粒重复序列长度的1~1.5倍．不同物种端粒酶RNA部分的核苷酸组成存在差异．如最早研究的四膜虫端粒酶RNA为159 nt的小RNA，其中46，47和48位的核苷酸被修饰过，而这一位置有CAACCCCAA结构，可与四膜虫端粒的重复序列TTGGGG互补．又如Euplotes(游仆虫)端粒酶RNA 有191个核苷酸，模板区为5′CAAAACCCCAAA，小鼠端粒酶RNA有430个核苷酸，模板区为5′CCUAACCCUGAG，大鼠端粒酶RNA模板区为5′UCUAACCCUAUU，中国仓鼠端粒酶RNA模板区为5′UCUAACCCUGAA．

1995年，Feng等[17]克隆了人类端粒酶RNA基因(hTR基因，位于3p6.3)，在长约450个碱基的人