端粒、端粒酶知识讲解
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端粒与端粒酶
Telomere and Telomerase
端粒
• 端粒 是位于真核细胞线性染色体末端的 特殊结构,由一段重复串联的DNA序列与端 粒结合蛋白构成；
• 端粒具有稳定染色体,防止末端降解和融合 的功能；
• 端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及 年龄的增长而变短,端粒DNA逐渐变短而消 失,可导 致染色体稳定性下降并导致衰老。
端粒与端粒酶是当今生物学研究的热点。
端粒是位于真核细胞染色体末端的核酸－蛋白 复合体,其功能在于维持染色体的稳定性和完整性。
端粒酶是一种核酸核蛋白酶,能以自身的RNA 为模板合成端粒的重复序列,以维持端粒长度的稳 定性。
许多研究表明,端粒、端粒酶的功能失调将影 响细胞的生物学行为，包括细胞周期的稳定性、细 胞增殖、癌变、凋亡、衰老。
1、端粒酶RNA(hTERT) 哺乳动物端粒酶RNAs(hTR)在许多组织的不同发育阶段,
甚至那些没有端粒酶活性的组织中广泛表达。 体内端粒酶RNA的存在对端粒酶功能至关重要，影响到
端粒酶RNA的稳定性与突变,也可改变体内端粒长度，并可通 过改变端粒完整性或端粒结合因子的末端结合位点致细胞核 分裂后期细胞死亡 。
八十年代 端粒酶的发现
九十年代 端粒酶与细胞衰老、癌症的关系
二零零九年
诺贝尔奖
伊丽莎白•布兰克波恩、卡罗尔•格雷德、 杰克•绍斯塔
端粒的结构与功能
Telomeres
Telomeres
TTAGGG
Gene 1
Gene 2
Chromosome DNA
• 1.端粒的组成
端粒DNA与端粒结合蛋白
Telomere T-loop
2.端粒的功能
Telomere functions
Replication
ŌCappingÕ
Recombination
End-end fusion
Degradation
• 端粒酶的结构与功能
端粒酶是一种RNA-蛋白质复合物，
在端粒被发现以前，人们就推测生殖细胞之所 以能世代相传，其中可能存在一种维持端粒长度的 特殊机制，体细胞可能正是由于缺乏这种机制，它 的染色体末端才面临着致死性缺失（deletion）的危 险。因此在正常人体细胞间永生化细胞 （immortalized cells）及肿瘤细胞的转化过程中可 能也存在着与生殖细胞类似的机制。这些细胞怎样 保持细胞具有继续分裂或长期分裂的能力呢？科学 家们发现端粒确实随着每次分裂而缩短，但也会被 新合成的端粒片断再延长。科学家们怀疑，可能尚 有末被发现的酶，该酶具有标准的DNA多聚酶所不 具备的功能，能使已缩短的端粒延长，使科学家们 兴奋的是到1984年首先在四膜虫中证实了这种能使 端粒延长的酶—端粒酶的存在。
人体中，随细胞分裂，会缓慢缩短。
Telomere length
端粒DNA重复 序列T
四膜虫， 酵母，
植物，
蚕， 人
端粒结合蛋白
与端粒DNA上的特异序列相结合的蛋白 质称为端粒结合蛋白。
人端粒重复序列结合因子(Telomeric repeat factor，TRF)，包括TRF1和TRF2。
TRF1通过负反馈机制抑制端粒增长， 稳定端粒长度，其并不抑制端粒酶 (telomerase)的表达而是抑制它在端粒末 端的行为
• 端粒DNA
重复: 端粒DNA由高度重复短核苷酸序列组成。
人：-TTAGGG-重复序列
• 保守：
•
为不含功能基因的简单、高度重复序列,
•
在生物进化过程中具有高度保守性。
•
不同物种的端粒DNA 序列存在差异。
•
人类及其它脊椎动物染色体端粒的结构是
5′TTAGGG3′的重复序列。体细胞的端粒有限长度
（telomere restriction fragments TRFS）大多数明显短于
TRF1，是一个60 kD的蛋白，结合同 源二聚体双链TTAGGG重复序列，包含 一个C端螺旋-转折-螺旋区和一个DNA 结合折叠同源区，N端是酸性区。
TRF2，与TRF1相似，但N端碱性强。可 以防止染色体末端相互融合。
两种蛋白在体外都专一与双链TTAGGG 重复序列结合，在体内则位于端粒。
人该环DNA 与TRF1、TRF2结合， TRF2参与T环形成。“T环”保护3’端对 抗双链破坏的核酸酶作用。）
端粒酶的结构 端粒酶在结构上为一核糖核蛋白复合体,由RNA 和结合的蛋白质组成,是RNA依赖的DNA 聚合酶。它是 一种特殊的能合成端粒DNA的酶,通过明显的模板依赖 方式每次添加一个核苷酸。
端粒酶实质上是一种特殊的逆转录酶
端粒酶RNA(hTR) 端粒酶逆转录酶（TERT） 端粒酶结合蛋白（TEP）
● 端粒的发现
•1938 Muller
X-ray
Drosophila
末端极少发生缺失和倒位
推测染色体两端存在特殊结 构，使染色体趋于稳定.
并定名为Telomere
• 1938 B.McClintock
顶端缺失染色体易于融合，而正常染色体不易连接。
推测染色体末端具有特殊端粒结构。
七十年代 端粒分子组成确定
端粒DNA与结构蛋白形成பைடு நூலகம்复合物如同染色体 的一顶“帽子”，它既可保护染色体不被降解，又 避免了端粒对端融合（end-end fusion）以及染色体 的丧失，同时端粒能帮助细胞识别完整染色体和受 损染色体。在生理情况下，端粒作为细胞“分裂时 钟”能缩短，最终导致细胞脱离细胞周期。
端粒DNA的长度： 端粒DNA的平均长度因物种而异。 端粒DNA的长度总是波动变化，随遗传或营养状态而改变。
生殖细胞，青年人的TRFs又显著长于年长者，提示TRFs
随着细胞分裂或衰老，在不断变短，主要是由于DNA聚合
酶不能完成复制成线性DNA末端所致。
端粒DNA由两条互相配对的DNA 单链组成, 其 双链部分通过与端粒结合蛋白质TRF1和TRF2 结合 共同组成t环(t loops)。这种t 环特殊结构可维持染色 体末端的稳定,保持染色体及其内部基因的完整性,从 而使遗传物质得以完整复制。缺少端粒的染色体不 能稳定存在。
端粒酶RNA转录模板 远端区:参与和底物的结合。 近端区:能添加特定的核苷酸,对底物识别并不重要。 模板边界区:与端粒酶催化亚基TERT结合,也与端粒酶相关
Telomere and Telomerase
端粒
• 端粒 是位于真核细胞线性染色体末端的 特殊结构,由一段重复串联的DNA序列与端 粒结合蛋白构成；
• 端粒具有稳定染色体,防止末端降解和融合 的功能；
• 端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及 年龄的增长而变短,端粒DNA逐渐变短而消 失,可导 致染色体稳定性下降并导致衰老。
端粒与端粒酶是当今生物学研究的热点。
端粒是位于真核细胞染色体末端的核酸－蛋白 复合体,其功能在于维持染色体的稳定性和完整性。
端粒酶是一种核酸核蛋白酶,能以自身的RNA 为模板合成端粒的重复序列,以维持端粒长度的稳 定性。
许多研究表明,端粒、端粒酶的功能失调将影 响细胞的生物学行为，包括细胞周期的稳定性、细 胞增殖、癌变、凋亡、衰老。
1、端粒酶RNA(hTERT) 哺乳动物端粒酶RNAs(hTR)在许多组织的不同发育阶段,
甚至那些没有端粒酶活性的组织中广泛表达。 体内端粒酶RNA的存在对端粒酶功能至关重要，影响到
端粒酶RNA的稳定性与突变,也可改变体内端粒长度，并可通 过改变端粒完整性或端粒结合因子的末端结合位点致细胞核 分裂后期细胞死亡 。
八十年代 端粒酶的发现
九十年代 端粒酶与细胞衰老、癌症的关系
二零零九年
诺贝尔奖
伊丽莎白•布兰克波恩、卡罗尔•格雷德、 杰克•绍斯塔
端粒的结构与功能
Telomeres
Telomeres
TTAGGG
Gene 1
Gene 2
Chromosome DNA
• 1.端粒的组成
端粒DNA与端粒结合蛋白
Telomere T-loop
2.端粒的功能
Telomere functions
Replication
ŌCappingÕ
Recombination
End-end fusion
Degradation
• 端粒酶的结构与功能
端粒酶是一种RNA-蛋白质复合物，
在端粒被发现以前，人们就推测生殖细胞之所 以能世代相传，其中可能存在一种维持端粒长度的 特殊机制，体细胞可能正是由于缺乏这种机制，它 的染色体末端才面临着致死性缺失（deletion）的危 险。因此在正常人体细胞间永生化细胞 （immortalized cells）及肿瘤细胞的转化过程中可 能也存在着与生殖细胞类似的机制。这些细胞怎样 保持细胞具有继续分裂或长期分裂的能力呢？科学 家们发现端粒确实随着每次分裂而缩短，但也会被 新合成的端粒片断再延长。科学家们怀疑，可能尚 有末被发现的酶，该酶具有标准的DNA多聚酶所不 具备的功能，能使已缩短的端粒延长，使科学家们 兴奋的是到1984年首先在四膜虫中证实了这种能使 端粒延长的酶—端粒酶的存在。
人体中，随细胞分裂，会缓慢缩短。
Telomere length
端粒DNA重复 序列T
四膜虫， 酵母，
植物，
蚕， 人
端粒结合蛋白
与端粒DNA上的特异序列相结合的蛋白 质称为端粒结合蛋白。
人端粒重复序列结合因子(Telomeric repeat factor，TRF)，包括TRF1和TRF2。
TRF1通过负反馈机制抑制端粒增长， 稳定端粒长度，其并不抑制端粒酶 (telomerase)的表达而是抑制它在端粒末 端的行为
• 端粒DNA
重复: 端粒DNA由高度重复短核苷酸序列组成。
人：-TTAGGG-重复序列
• 保守：
•
为不含功能基因的简单、高度重复序列,
•
在生物进化过程中具有高度保守性。
•
不同物种的端粒DNA 序列存在差异。
•
人类及其它脊椎动物染色体端粒的结构是
5′TTAGGG3′的重复序列。体细胞的端粒有限长度
（telomere restriction fragments TRFS）大多数明显短于
TRF1，是一个60 kD的蛋白，结合同 源二聚体双链TTAGGG重复序列，包含 一个C端螺旋-转折-螺旋区和一个DNA 结合折叠同源区，N端是酸性区。
TRF2，与TRF1相似，但N端碱性强。可 以防止染色体末端相互融合。
两种蛋白在体外都专一与双链TTAGGG 重复序列结合，在体内则位于端粒。
人该环DNA 与TRF1、TRF2结合， TRF2参与T环形成。“T环”保护3’端对 抗双链破坏的核酸酶作用。）
端粒酶的结构 端粒酶在结构上为一核糖核蛋白复合体,由RNA 和结合的蛋白质组成,是RNA依赖的DNA 聚合酶。它是 一种特殊的能合成端粒DNA的酶,通过明显的模板依赖 方式每次添加一个核苷酸。
端粒酶实质上是一种特殊的逆转录酶
端粒酶RNA(hTR) 端粒酶逆转录酶（TERT） 端粒酶结合蛋白（TEP）
● 端粒的发现
•1938 Muller
X-ray
Drosophila
末端极少发生缺失和倒位
推测染色体两端存在特殊结 构，使染色体趋于稳定.
并定名为Telomere
• 1938 B.McClintock
顶端缺失染色体易于融合，而正常染色体不易连接。
推测染色体末端具有特殊端粒结构。
七十年代 端粒分子组成确定
端粒DNA与结构蛋白形成பைடு நூலகம்复合物如同染色体 的一顶“帽子”，它既可保护染色体不被降解，又 避免了端粒对端融合（end-end fusion）以及染色体 的丧失，同时端粒能帮助细胞识别完整染色体和受 损染色体。在生理情况下，端粒作为细胞“分裂时 钟”能缩短，最终导致细胞脱离细胞周期。
端粒DNA的长度： 端粒DNA的平均长度因物种而异。 端粒DNA的长度总是波动变化，随遗传或营养状态而改变。
生殖细胞，青年人的TRFs又显著长于年长者，提示TRFs
随着细胞分裂或衰老，在不断变短，主要是由于DNA聚合
酶不能完成复制成线性DNA末端所致。
端粒DNA由两条互相配对的DNA 单链组成, 其 双链部分通过与端粒结合蛋白质TRF1和TRF2 结合 共同组成t环(t loops)。这种t 环特殊结构可维持染色 体末端的稳定,保持染色体及其内部基因的完整性,从 而使遗传物质得以完整复制。缺少端粒的染色体不 能稳定存在。
端粒酶RNA转录模板 远端区:参与和底物的结合。 近端区:能添加特定的核苷酸,对底物识别并不重要。 模板边界区:与端粒酶催化亚基TERT结合,也与端粒酶相关