端粒和端粒酶的发现历程资料

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解读诺贝尔医学奖：什么是端粒和端粒酶

近日，诺贝尔基金会宣布，将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予因发现端粒和端粒酶如何保护染色体的三位学者。

什么是端粒和端粒酶呢？

端粒是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。形态学上，染色体DNA末端膨大成粒状，像两顶帽子那样盖在染色体两端，因而得名。在某些情况下，染色体可以断裂，这时，染色体断端之间会发生融合，或者断端被酶降解。但正常染色体不会整体地互相融合，也不会在末端出现遗传信息的丢失(被降解之类)。可见端粒在维持染色体和DNA复制的完整性有重要作用。

真核生物双螺旋DNA双链复制时，会有一小段DNA引物连接在复制的起始部位，在合成酶的作用下，在引物后依次连接上A、T、C、G(脱氧核苷)，形成新的DNA链。复制完成后，最早出现的起始端引物会被降解，留下的空隙没法填补，这样细胞染色体DNA将面临复制一次就缩短一些的问题。这种缩短的情况在某些低等生物的特殊生活条件下可以观察到，但却是特例。事实上，染色体虽经多次复制，却不会越来越短。早期的研究者们曾假定有一种过渡性的环状结构来帮助染色体末端复制的完成，但后来却一直未能证实这种环状结构的存在。

20世纪80年代中期，科学家们发现了端粒酶。当DNA复制终止时，端粒酶的作用下，通过端粒的依赖模版的复制，可以补偿由去除引物引起的末端缩短，因此在端粒的保持过程中，端粒酶至关重要。

随着细胞分裂次数的增加，端粒的长度是在逐渐缩短的，当端粒变得不能再短时，细胞不再分裂，而会死亡。并且发现，体细胞端粒长度大大短于生殖细胞，胚胎细胞的端粒也长于成年细胞。科学家发现，至少可以认为在细胞水平的老化，和端粒酶的活性下降有关。

因此，有人希望能把端粒酶注入衰老细胞中，延长端粒长度，使细胞年轻化，或者是给老人注射类似端粒酶的制剂，延长老者的端粒长度，达到返老还童的目的。但生物整体的老化，是一个非常复杂的问题，端粒的长度只是决定衰老的一个因素，因此端粒酶抗衰老，目前只具理论价值，连动物实验都很少，更别说应用于人了。

不过，端粒的缩短，的确和很多疾病有关。许多研究发现，基因突变、肿瘤形成时，人体的端粒可表现出缺失、融合或序列缩短等现象。而且，在一些癌症细胞中，端粒酶活性增高，它与端粒之间有某种联系，所以这些癌细胞可以分裂很多次。某些特定的癌细胞，如果可以阻止端粒酶，端粒就会变短，癌细胞就会死亡。所以深入研究端粒和端粒酶的变化，是目前肿瘤研究中的一个新领域。

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端粒和端粒酶的研究

摘要：自端粒和端粒酶发现以来，就一直成为科技工作者的研究热点。端粒具有保护染色体的功能，同时也是端粒酶的底物，解决DNA复制的末端隐缩，保证染色体的完全复制。而端粒酶具有对端粒的延伸作用，使之处于一种不断伸缩的动态平衡中，端粒酶也可以修复断裂的染色体末端。端粒和端粒酶的存在保证了染色体或基因组的稳定性，与细胞的正常分裂有关。最近的研究表明端粒和端粒酶与人的衰老、癌症有重

要关系。

关键词：端粒端粒酶衰老癌症

2009 年10 月5 日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将2009 年度诺贝尔生理学或医学奖(The Nobel Prize in Physiology or Medicine)授予3 位美国科学家伊丽莎白·布莱克本(Elizabeth H.Blackburn)，卡萝尔·格雷德(Carol W. Greider)和杰克·绍斯塔克(Jack W. Szostak)，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。Blackburn 和Szostak 发现端粒的一段特殊DNA 序列能使染色体不被降解[1]，而Greider 和Blackburn 则找到了帮助端粒合成的分子——端粒酶[2]。最初端粒和端粒酶的研究只是为了解决染色体复制的难题，但随着研究的深入人们发现了端粒和端粒酶的其他作用——细胞随着端粒的变短而衰老，而当端粒酶的活性足以维护端粒的长度时，细胞将会延迟衰老；在癌细胞得到永生性这一过程中，端粒酶的激活起了非常重要的作用。

1 端粒和端粒酶的发现

最早观察染色体末端的科学家始于19世纪末期，Rabl[3]在1885年注意到染色体上所有的末端都处于细胞核的一侧。20世纪30年代，两个著名的遗传学家McClintock B [4]和Muller HJ [5]发现了染色体的末端可维持染色体的稳定性和完整性。Muller将它定义为“telomere”。James Watson[6]最早就明确指出了这个"末端隐缩问题"，并猜想染色体也许可以通过在复制前联体（染色体末端跟末端连起来）的方式来解决末端复制的问题。30多年前，Hayflick[7]首次提出将体外培养的正常人成纤维细胞的“有限复制力”作为细胞衰老的表征。在此过程中，细胞群中的大部分细胞经历了一定次数的分裂后便停止了，但它们并没有死亡，仍保持着代谢活性，只是在基因表达方式上有一定的改变。于是Hayflick猜测细胞内有一个限制细胞分裂次数的“钟”，后来通过细胞核移植实验发现，这种“钟”在细胞核的染色体末端——端粒。Blackburn和Gall[8]于1978年首次阐明了四膜虫rDNA分子的末端结构，他们发现这种rDNA每条链的末端均含有大量的重复片段，并且这些大量重复的片段多是由富含G、C的脱氧核苷酸形成的简单序列串联而成。在1985年，CW.Greider和EH.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，这就说明了确实有这样的一种酶存在[2]，并将它命名为“端粒酶”（telomerase）。之后，耶鲁大学Morin于1989年在人宫颈癌细胞中也发现了人端粒酶[9]。

2 端粒和端粒酶的结构与功能

端粒是存在于真核生物线性染色体末端，由串联重复的短的dsDNA 序列及其相关的蛋白所组成的DNA 蛋白复合体。dsDNA中的一条为富G 链，以5'→3' 指向染色体末端，比另一条互补链长8 ～12 个碱基。端粒既有高度的保守性，又有种属特异性。如四膜虫重复序列为GGGGTT，草履虫为TTGGGG，人为TTAGGG。端粒具有两种相关蛋白，一为端粒结合蛋白（telomere binding proteins，TBP）是一类特异结合在端粒DNA 上的蛋白质，如发酵母中的蛋白质RAPI，哺乳类动物细胞中的蛋白质TRFI。二为端粒相关蛋白（telomere associated proteins TAP），是一类与TBP 结合的蛋白质，如酿酒酵母中的SIR3/SIR4 和RIFI。它们与端粒结合蛋白质结合，分别发挥建立端粒静止效应和调节端粒长度的作用。

端粒DNA 主要功能有：第一，保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解；第二，防止染色体相互融合；第三，为端粒酶提供底物，解决DNA复制的末端隐缩，保证染色体的完全复制。众所周知，真核DNA是线性DNA，复制时由于模板DNA 起始端为RNA 引物先占据，新生链随之延伸；引物RNA 脱落后，其空缺处的模板DNA 无法再度复制成双链。因此，每复制一次，末端DNA 就缩短若干个端粒重复序列，即出现真核细胞分裂中的“末