端粒——稳定线性染色体的末端结构

周金秋研究员：端粒——稳定线性染色体的末端结
构
【生物谷编者按】2009年10月5日，在端粒及端粒酶领域具有突
破性研究成果的三位科学家获得了本届诺贝尔生理医学奖。

与此同时，生物谷
有幸邀请到国内端粒和端粒酶研究领域的知名专家--周金秋研究
员就端粒及端粒酶的发现历程，特别是三位获奖科学家在该领域的研究成果进
行系统的回顾，同时对本届诺贝尔生理医学奖展开了精彩评论。

生物谷编者按】2009年10月5日，在端粒及端粒酶领域具有突破
性研究成果的三位科学家获得了本届诺贝尔生理医学奖。

与此同时，生物谷
有幸邀请到国内端粒和端粒酶研究领域的知名专家--周金秋研究
员就端粒及端粒酶的发现历程，特别是三位获奖科学家在该领域的研究成果进
行系统的回顾，同时对本届诺贝尔生理医学奖展开了精彩评论。

2009年诺贝尔奖专家点评：/z/Nobelprize09/viewpoints/
2009年的诺贝尔生理医学奖被授予了三位美国科学家：Elizabeth Blackburn, Carol Greider和Jack Szostak，以奖励他们在线性染色体的末端结构--端粒的功能与合成方面的杰出贡献。

在过去的30多年时间里，他们的工作解决了一个重要的生物学问题：即线形染色体的末端如何实现完整复制以及如何避免核酸酶的降解而维持染色体的稳定性。

线性染色体"末端复制问题"
早在20世纪三十年代，科学家Barbara McClintock 和Hermann Muller就发现，区别于一般的DNA断裂，染色体末端不会发生相互融合；此外，只有包含有末端的染色体片段才能被完整复制。

因此，科学家们推测，真核生物线性染色体的末端是一种特化的结构，Muller将之命名为端粒（Telomere，在古希腊语中，telos表示末端，而meros 表示片段）。

然而在当时，人们还不知道端粒与随机产生的DNA断裂末端有什么差异。

20世纪五六十年代，当科学家们尝试解析真核生物如何实现染色体DNA的精确复制时，又一个端粒相关的难题产生了。

DNA聚合酶进行每一轮线性DNA的复制都会导致少量末端核苷酸的丢失，其结果是，真核生物线性染色体，作为基因的载体，会在细胞分裂过程中逐渐缩短。

1972年，James Watson提出了"末端复制问题"，他同时推测，真核生物需要一种特殊机制来确保线性染色体末端的完整复制。

同时，Alexey Olovnikov也推测，染色体末端的逐渐缩短将导致细胞的衰老。

端粒能够稳定线性染色体
七十年代后期，Blackburn在耶鲁大学Joseph Gall实验室进行博士后研究，她希望能确定真核生物染色体末端的DNA序列。

她选择了四膜虫（Tetrahymena thermophila）作为模式动物，因为相较于其他真核生物，它包含有大量的微小染色体（minichromosome），这也就意味着她能够获得大量的染色体的末端片段。

最终，她测定到四膜虫的染色体末端是（CCCCAA）的六核苷酸重复序列。

紧接着，她发现类似的序列在其它线虫中也同样存在。

但当时她们还不知道这种古怪的序列特征在其它真核生物中是否也同样存在。

1980年，Blackburn在加州大学成立了自己的实验室。

在一次研究会议上，她与酵母遗传学家Jack Szostak进行了交流，他们决定在酿酒酵母中检测四膜虫端粒的功能。

当时Jack Szostak已经知道，外源的线性DNA在酵母细胞内不是整合入染色体，就是被核酸酶降解，不能稳定地独立于染色体外存在和遗传。

有趣的是，当在线性DNA的两端接上四膜虫端粒DNA序列后，这些外源DNA被导入酵母细胞后能够稳定存在。

这个实验充分说明了四膜虫的端粒具有保护线性DNA的作用。

这项发现被认为是构建人工染色体的关键步骤之一。

研究者们进一步在酵母染色体末端鉴定到了短的特征性的重复序列，同时还发现，这些特征性序列能够被添加到包含有四膜虫端粒的外源DNA末端。

于是，人们推测，酵母细胞存在一种机制能够以端粒本身为模板，在线性染色体末端添加端粒重复序列。

端粒酶合成端粒DNA
当时科学界对"末端复制问题"的机制存在争论：一种假说认为细胞通过同源重组来实现染色体末端序列的扩增；Blackburn和Szostak等人则认为体内存在一种特化的DNA聚合酶能够将端粒序列添加到染色体的末端。

八十年代早期，Carol Greider作为博士研究生加入Blackburn研究组后，开始用生物化学的方法寻找和鉴定他们假说中的端粒DNA聚合酶。

她们推测，由于四膜虫成千上万的微小染色体都含有端粒，四膜虫也该含有丰富的端粒DNA 合成酶。

在1984年的圣诞节，Greider终于证实四膜虫细胞分离液中包含一种新的酶，它能够在体外以端粒序列为底物合成端粒六核苷酸重复序列。

她们后来将这个酶命名为端粒酶。

她们紧接着希望能够阐明端粒的序列是如何被决定的。

她们大胆地推测，每个生物的端粒酶都包含一个DNA或RNA 组分作为模板。

用RNA酶处理的端粒酶组分失去了合成端粒DNA的活性，因此，Blackburn和Greider认为RNA在端粒DNA合成过程中发挥重要作用。

最终，Greider纯化到了端粒酶，其包含了一个蛋白亚基和一个RAN亚基。

不久Greider在冷泉港实验室成立了自己的研究室，并进一步证实，端粒酶的RNA亚基决定了端粒的序列。

与此同时，Jack Szostak和他的博士后Victoria Lundblad在酵母中筛选并获得了一系列端粒复制所必需的基因，这些基因的突变将导致端粒的逐渐缩短和细胞衰老。

由此，他们第一次证实了端粒长度的稳态对细胞存活的重要作
用。

Elizabeth Blackburn, Carol
Greider和Jack Szostak的工作
开辟了一个新的领域：端粒和端
粒酶。

在此后的几十年的时间里，
科学家们进一步认识到端粒长度
调控及结构完整与人类衰老、肿
瘤发生有密切关系。

端粒与端粒酶的研究一直以来被
作为"假说指导研究"的经典案
例，它同时也告诉我们，最深远
的科学发现往往都来自基础科学研究。

即使研究的初衷未必宏大，在好奇心驱动下，科学研究具有强大力量，也必然会造福人类。

值得一提的是，除了Elizabeth Blackburn和Carol Greider，在端粒和端粒酶研究方面做出基础性贡献的还有一大批女性科学家，包括Virginia Zakian，Victoria Lundblad，Titia de lange等等，她们为广大女性科研工作者树立了好的榜样。

（生物谷）
（作者单位：中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所）
周金秋简介：
1984年至1988就读于南京大学生物系，获学士学位。

1992至1997年就读于美国迈阿密大学医学院
生物化学与分子生物学系，获博士学位。

1998年至2001年在美国普林斯顿大学分子生物学系接受博
士后训练。

2001年9月作为"百人计划"入选者受聘于生物化学与细胞生物学研究所，任研究员，博士
生导师，2002年1月起，任中国科学院与德国马普学会合作的青年科学家小组组长。

主要研究工作：
周金秋博士实验室的长期目标是探索真核细胞维持染色体稳定性的机制，目前的大部分的工作集中在端粒异染色质的结构、功能和复制。

他们主要以酵母为研究模型，结合遗传、生化和细胞生物学的手段来研究：（1）端粒的长度和结构是如何维持的，端粒调控同基因组稳定性以及细胞衰老之间的生物相关性；（2）细胞是如何在常染色质和异染色质之间建立边界来防止端粒异染色质的扩展的；（3）端粒复制或DNA双链损伤发生时所产生的表观遗传密码和信息是什么；（4）依赖端粒长度或不依赖端粒长度的细胞衰老的分子基础是什么。

主要研究论文：
1. Meng F-L, Hu Y, Shen N, Tong X-J, Wang J, Ding J and Zhou J-Q (2009) Sua5p a conserved single-stranded telomeric DNA binding protein positively regulates telomere length. The EMBO Journal 28: 1466-1478.
2. Qian W, Wang J, Jin N-N , Lin Y-C 3, Lin J-J and Zhou J-Q(2009) Ten1p promotes the telomeric DNA binding activity of Cdc13p: an implication for its function in telomere length regulation. Cell Research 19: 850-86
3.
3. Zhou J, Zhou B and Zhou J-Q(2009) Histone deacetylase Rpd3p antagonizes Sir2-dependend silent chromatin propagation . Nuclear Acid Research 37: 3699-3713.
4. Chen X-F, Meng F-L and Zhou J-Q (2009) Telomere recombination accelerates cellular aging in Saccharomyces cerevisiae. PLoS Genetics 5:1-14.
5. Fu X-H, Meng F-L, Hu Y and Zhou J-Q (2008). Candida albicans, a distinctive fungal model for cellular aging study. Aging Cell 7:746-757.
6. Yang C-P, Chen Y-B, Meng F-L and Zhou J-Q (2006) Saccharomyces cerevisiae Est3p dimerizes in vitro and dimerization contributes to efficient telomere replication in vivo. Nuclear Acid Research 34:407-416.
7. Zhang D-H, Zhou B, Huang Y, Xu L-X and Zhou J-Q(2006) The human Pif1 helicase, a potential Escherichia coli RecD homologue, inhibits telomerase activity. Nuclear Acid Research 34:1393-1404.
8. Chen Y-B, Yang C-P, Li R-X, Zeng R. and Zhou J-Q (2005) Def1p is involved in telomere maintenance in budding yeast. Journal of Biological Chemistry 280:24784-24791.
9. Liao X-H, Zhang M-L, Yang C-P, Xu L-X and Zhou J-Q(2005) Characterization of recombinant Saccharomyces cerevisiae telomerase core enzyme purified from yeast. Biochemical Journal 390:169-176.
10. Zhou J-Q* , Qi H*, Schulz VP, Mateyak MK, Monson EK, Zakian VA. (2002) Schizosaccharomyces pombe pfh1(+) Encodes an Essential 5' to 3' DNA Helicase That Is a Member of the PIF1 Subfamily of DNA Helicases. Molecular Biology of Cell. 13:2180-91. *Co-first author
11. Ivessa AS*, Zhou J-Q*, Schulz VP, Monson EK, Zakian VA. (2002) Saccharomyces Rrm3p, a 5' to 3' DNA helicase that promotes replication fork progression through telomeric and subtelomeric DNA. Genes & Development 16:1383-96. *Co-first author
12. Zhou J-Q, Monson EK, Teng S-C, Schulz VP and Zakian VA (2000) Pif1p Helicase, a Catalytic Inhibitor of Telomerase in Yeast. Science 289: 771-774.
13. Ivessa, AS*, Zhou J-Q*; and Zakian VA (2000) The Saccharomyces Pif1p DNA helicase and the highly related Rrm3p have opposite effects on replication fork progression in ribosomal DNA. Cell 100: 479-489. *Co-first author
14. Zhou J-Q, He H, Tan C-K, Downey KM and So AG (1997) The small subunit is required for functional interaction of DNA polymerase delta with the proliferating cell nuclear antigen. Nuclear Acid Research 27:1094-1099.
15. Zhou J-Q, Tan C-K, So AG. and Downey KM (1996) Purification and characterization of the human catalytic subunit of human DNA polymerase delta expressed in baculovirus-infected insect cells. Journal of Biological Chemistry 271:29740-29745.。