端粒

端粒的G四联体结构 端粒的 四联体结构
从上文可知，端粒 从上文可知，端粒DNA序列 序列 富含G。 富含 。鸟嘌呤有相互连接 的不寻常的能力。 的不寻常的能力。端粒的单 富含尾能够形成“ 四 链G富含尾能够形成“G四 富含尾能够形成 联体” 每个四联体含4个 联体”。每个四联体含 个 鸟嘌呤彼此通过氢键形成平 面结构。 面结构。每个鸟嘌呤来自连 续的TTAGGG重复单位中 续的 重复单位中 的相应位点。 的相应位点。四联体代表了 每个重复单位中a同样组织 每个重复单位中 同样组织 形式的、但是由每个重复单 形式的、 位中的第二个G所组成另一 位中的第二个 所组成另一 个四联体之上。 个四联体之上。一系列四联 体可按这种方式堆叠成螺旋 状。
端粒和端粒酶
什么是端粒？
DNA复制时，由于受DNA聚合酶特性限制，子 代DNA链的最后一个片断去除引物后，无法填 补空隙，易造成子代DNA链的缩短。

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上面的情况是不会出现的！ 上面的情况是不会出现的！
端粒是指真核细胞线性染色体末端的蛋白质-DNA特殊结构，即染色体末端DNA 端粒是指真核细胞线性染色体末端的蛋白质-DNA特殊结构，即染色体末端DNA 特殊结构 序列的多个重复，其作用是保护和稳定染色体的末端，它由2 序列的多个重复，其作用是保护和稳定染色体的末端，它由2～20kb 串联的短片 段重复序列(TTAGGG) 段重复序列(TTAGGG) n 及一些结合蛋白组成 。 20世纪30年代 两位卓越的遗传学家Muller 诺贝尔奖获得者） 世纪30年代， Muller（ 20世纪30年代，两位卓越的遗传学家Muller（诺贝尔奖获得者）和 McClintock分别发现细胞染色体末端具有特殊结构 分别发现细胞染色体末端具有特殊结构， McClintock分别发现细胞染色体末端具有特殊结构，该结构具有维持染色体稳定 性的功能。 性的功能。

真核生物的端粒DNA由非常短的数目精确的串联重排 由非常短的数目精确的串联重排DNA 真核生物的端粒 由非常短的数目精确的串联重排 排列而成。尽管很多物种中，端粒DNA有很多的变化，但 有很多的变化， 排列而成。尽管很多物种中，端粒 有很多的变化 进化关系非常远的生物却发现有相同的端粒DNA序列。如 序列。 进化关系非常远的生物却发现有相同的端粒 序列 所有的脊椎动物、原生动物的锥虫，以及黏菌和真菌中的 所有的脊椎动物、原生动物的锥虫， 都有几乎相同的端粒序列T2AG3，富含 。其它情况下， 都有几乎相同的端粒序列 ，富含GT。其它情况下， 尽管不同的有机体有不同的端粒序列， 尽管不同的有机体有不同的端粒序列，但彼此总有明显的 相关性。这说明了什么呢？ 相关性。这说明了什么呢？
Carol Greider

端粒酶回顾
端粒酶是一种RNA与蛋白的复 与蛋白的复 端粒酶是一种 合体，它以自身RNA上的一个片 合体，它以自身 上的一个片 段为模板通过逆转录合成端粒重复 序列，并通过一种RNA依赖性聚 序列，并通过一种 依赖性聚 合酶（如逆转录酶） 合酶（如逆转录酶）机制加到染色 体3’末端以延伸端粒。 ’末端以延伸端粒。

随着细胞分裂时染色体的复制使端粒不可避免地 逐渐缩短，体外培养证实（ 逐渐缩短，体外培养证实（新生儿的细胞可传代 培0-90代，而70岁的老人其体细胞仅能传代培养 代 岁的老人其体细胞仅能传代培养 20-30代） ，人类体细胞每分裂一次端粒缩短3代 人类体细胞每分裂一次端粒缩短 120bp，因此端粒可能限制了细胞分裂次数，端 ，因此端粒可能限制了细胞分裂次数， 粒的逐渐缩短可能是细胞计算和控制细胞分裂的 基础，即端粒有“分裂时钟（ 基础，即端粒有“分裂时钟（mitotic clock）” ） 的作用， 的作用，当端粒缩短到一定程度就不再保护染色 体免受重组或降解， 体免受重组或降解，细胞分裂的控制点就此得到 信号而产生作用， 信号而产生作用，如使细胞分裂停止和进入老化 过程，最后导致细胞死亡。 过程，最后导致细胞死亡。这种细胞因衰老而死 亡与细胞凋亡即细胞程序性死亡不同， 亡与细胞凋亡即细胞程序性死亡不同，但似乎存 在某种联系，两者的关系尚需进一步明确。 在某种联系，两者的关系尚需进一步明确。
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端粒与衰老的关系
端粒的功能
1）维持染色体结构的完整性，防止染色 ）维持染色体结构的完整性， 体被核酸酶降解及染色体间相互融和。 体被核酸酶降解及染色体间相互融和。 2）防止染色体结构基因在复制时丢失， ）防止染色体结构基因在复制时丢失， 解决了末端复制的难题。 端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部 分，从而保护了染色体内部的结构基因。 从而保护了染色体内部的结构基因。 另外，有些研究还显示， 另外，有些研究还显示，端粒与核运动有 关，可能对同源染色体的配对重组有重要 意义。 意义。

端粒酶的发现 端粒酶发现于20世纪70到 80年代。约翰霍普金斯基 础生物医学研究所的女教 授Carol Greider、加州大 学的Elizabeth H. Blckburn （女）博士和哈佛医学院 的Jack Szostak博士 三人 对端粒酶的发现和预测做 了杰出的贡献。

端粒酶的三维结构 端粒酶的三维结构 三维
端粒酶主要由两部分组 成：端粒酶RNA组分 (TR) 和端粒酶催化亚基 (hTERT). 端粒酶RNA亚基内重要 序列缺失保守性，但都 有保守的二级序列 。推 测只有在三级结构上才 能找到与端粒酶功能有 关的共同结构特征。


端粒酶的爬行模型（动画演示） 端粒酶的爬行模型（动画演示）通过比较TR和TERT表达水平与端粒酶活性的研究， 通过比较TR和TERT表达水平与端粒酶活性的研究，以 TR 表达水平与端粒酶活性的研究 及外源TERT基因的表达, TERT基因的表达 及外源TERT基因的表达, 表明端粒酶催化亚基表达是人端 hTERT基因启动子长11．2kb。 基因启动子长11 粒酶活性的限制因素 。hTERT基因启动子长11．2kb。 hTERT启动子区缺乏典型的TATA盒或CACA盒 启动子区缺乏典型的TATA盒或CACA hTERT启动子区缺乏典型的TATA盒或CACA盒。转录起始点 上游181bp是核心启动子区， 181bp是核心启动子区 上游181bp是核心启动子区，在该区发现有多个转录因子 结合位点， Sp1， Myc,Mad1等 结合位点，如Sp1，c-Myc,Mad1等，这些因子单一或共同 作用于hTERT基因启动子，构成了对hTERT hTERT基因启动子 hTERT基因调控的复杂 作用于hTERT基因启动子，构成了对hTERT基因调控的复杂 系统。研究证实， Myc可结合到hTERT基因启动子区 可结合到hTERT基因启动子区， 系统。研究证实，c-Myc可结合到hTERT基因启动子区，直 接激活hTERT基因转录；而且， Myc激活或抑制将影响正 hTERT基因转录 接激活hTERT基因转录；而且，c-Myc激活或抑制将影响正 常细胞或肿瘤细胞hTERT启动子的活性。 hTERT核心启动 hTERT启动子的活性 常细胞或肿瘤细胞hTERT启动子的活性。在hTERT核心启动 子区有5 Spl结合位点(GGGCGG)， 结合位点(GGGCGG) 子区有5个Spl结合位点(GGGCGG)，每个位点作为顺式作用 元件调节hTERT基因转录，消除这5个位点将导致hTERT hTERT基因转录 hTERT基 元件调节hTERT基因转录，消除这5个位点将导致hTERT基 因转录全部消失。研究表明hTERT hTERT基因的调控机制是很复 因转录全部消失。研究表明hTERT基因的调控机制是很复 杂的，多个转录因子共同作用调节基因转录，促进hTERT 杂的，多个转录因子共同作用调节基因转录，促进hTERT 的表达。其具体调控机理目前尚不清楚。 的表达。其具体调控机理目前尚不清楚。

多利羊在壮年时便患上了关 节炎肺部感染疾病等典型的 高龄病症”。，最后被实 “高龄病症”。，最后被实 施安乐死。1999年 27日 施安乐死。1999年5月27日， 培育多利羊的英国PPL PPL医疗 培育多利羊的英国PPL医疗 公司和罗斯林研究所科学家 组成的一个研究小组就已发 现，多利的染色体端粒长度 比同年龄普通绵羊要短２０ 比同年龄普通绵羊要短２０ ％，几乎与其 几乎与其6 ％，几乎与其6岁的母亲 提供细胞核的母羊） （提供细胞核的母羊）的端 粒长度一样 。

据此我们可以知道，如果维持端粒长度在 据此我们可以知道， 可以保护染色体的范围内， 可以保护染色体的范围内，那么即使不能 实现长生不老， 实现长生不老，也能对延长人类寿命产生 很大促进作用。那么， 很大促进作用。那么，如何维持端粒长度 呢?答案是端粒酶。 答案是

显示了在端粒（ 图2显示了在端粒（TTAGGG）n的 显示了在端粒 ） 的 3’单链末端代替了端粒上游区中的 单链末端代替了端粒上游区中的 相同序列时生成了环， 相同序列时生成了环，这使双链区 域转变成类似D环的结构 环的结构， 域转变成类似 环的结构，此处一 系列的TTAGGG重复序列被取代形 系列的 TEXT 重复序列被取代形 TEXT TEXT 成一个单链区，并且端粒尾与同源 成一个单链区， 链配对。 链配对。 反应由端粒结合蛋白与其他蛋白质 一起形成能稳定染色体段部的复合 物。TRF2缺失能导致染色体发生重 缺失能导致染色体发生重 这表明； 排，这表明； 它对保护末端的重要 性。

1978年 他们首先克隆了四膜虫（ 1978年，他们首先克隆了四膜虫（一种有纤毛的单 细胞池糖微生物）的端粒结构： 细胞池糖微生物）的端粒结构：一种串联的线性排列的 核酸重复序列---(TTGGGG)n。 ---(TTGGGG)n 核酸重复序列---(TTGGGG)n。这种线性排列的端粒重复 序列的数目是非固定的，端粒限制性片段也不相同的。 序列的数目是非固定的，端粒限制性片段也不相同的。 端粒长度在细胞的对数生长期增加，因此端粒长度是能 端粒长度在细胞的对数生长期增加， 或增或减的动态变化结构。此后有人对锥虫、酵母、 或增或减的动态变化结构。此后有人对锥虫、酵母、蛙、 小鼠和人等多种物生细胞的端粒进行了克隆。Moyzi等 小鼠和人等多种物生细胞的端粒进行了克隆。Moyzi等 1988年 应用原位杂交方法， （1988年）应用原位杂交方法，发现锥虫的端粒重复序 列为TTAGGG 酵母、人和脊椎动物均为（TTAGGG） TTAGGG， 列为TTAGGG，酵母、人和脊椎动物均为（TTAGGG）n。 Black-burn根据已经克隆的端粒序列，得出端粒的通用 Black-burn根据已经克隆的端粒序列， 根据已经克隆的端粒序列 公式为：Cn(A/T)mGn,n=1-8,m=1公式为：Cn(A/T)mGn,n=1-8,m=1-4；其中真核细胞的端 粒是简单重复的G1 G1T/A） 的松散性保守序列， 粒是简单重复的G1-8（T/A）1-4的松散性保守序列，因 此端粒是一种富含G DNA序列 序列。 此端粒是一种富含G的DNA序列。
端粒酶结构示意图

端粒酶的作用机制
端粒酶利用酶分子内RNA亚基 亚基 端粒酶利用酶分子内 为模板， 为模板，以5′ →3′方向合成端粒 方向合成端粒 结构的重复序列。 结构的重复序列。端粒酶的作用 机制被称为“ 机制被称为“爬行机制”。端粒 酶的模板RNA与端粒 端的杂交 与端粒3′端的杂交 酶的模板 与端粒 链之间发生移位和配对，周而复 链之间发生移位和配对， 在过程中，离开RNA模板 始。在过程中，离开 模板 的端粒DNA 3′端经常出现两个 端经常出现两个G 的端粒 端经常出现两个 之间的配对，这种非Waston之间的配对，这种非 Crick碱基配对有利于 碱基配对有利于DNA碱基配对有利于 RNA之间的相对滑动。下图是 之间的相对滑动。 之间的相对滑动 以四膜虫端粒及端粒酶为例的作 用过程。 用过程。

根据G-四联体的分子特性及螺旋取向，它可分为 根据 四联体的分子特性及螺旋取向， 四联体的分子特性及螺旋取向 三类： 分子间的G-四联体或称为平行性的 四联体或称为平行性的G-四 三类：①分子间的 四联体或称为平行性的 四 联体； 两个发夹结构形成的双分子型G-四联体 四联体； 联体；②两个发夹结构形成的双分子型 四联体； 自身折叠形成的分子内G-四联体 ③自身折叠形成的分子内 四联体


G-四联体结构已在体外实验中得到证实，关 四联体结构已在体外实验中得到证实， 四联体结构已在体外实验中得到证实 于它们对端粒功能的影响已进行了大量的研 究，有关实验表明人类体内也含有这种结构

端粒的哪些特征负责染色体末 端的稳定性呢？有关研究表明： 端的稳定性呢？有关研究表明： 端粒处形成的DNA环没有游离 端粒处形成的 环没有游离 末端， 末端，而是形成一种大型环状 结构，称为端粒环或T环 结构，称为端粒环或 环（Tloop）。是由单股 ）。是由单股 ）。是由单股DNA经过端 经过端 粒结合蛋白的作用之后， 粒结合蛋白的作用之后，卷曲 而成的一个大循环。 而成的一个大循环。可能是使 染色体末端稳定的关键特性。 染色体末端稳定的关键特性。