端粒和端粒酶的发现历程资料

资料1

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。

资料2

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

端复制问题‖。当端粒缩短到一定程度时即引起细胞衰老，故端粒又称―细胞分裂计时器‖。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。同时，端粒又是基因调控的特殊位点，常可抑制位于端粒附近基因的转录活性（称为端粒的位置效应，TPE）。

端粒酶又称端粒末端转移酶（Telomerase），是一种逆转录酶，相对分子质量在200～500 ku，是由蛋白质和RNA 构成的核糖核蛋白体。端粒酶由端粒酶成份(hTR)，催化亚单位(hTRT/hEST2)和端粒酶相关蛋白1(TEP1)3个亚单位组成，可调控端粒的复制，其中hTR充当模板，hTRT/hEST2是决定端粒酶活性的限速决定子。TEP1可能是介导端粒酶与其他分子相互作用的调节亚单位[10]。

端粒酶具有对端粒的延伸作用，在没有端粒酶的细胞中，端粒会逐渐缩短直至损害基因；有端粒酶存在的细胞，则该酶会不断补充新的端粒，使之处于一种不断伸缩的动态平衡中。正是端粒酶的存在维持了大多数组织的端粒长度，从而抵消了因细胞分裂而导致的端粒DNA 的消耗[11]。端粒酶的另一个功能是修复断裂的染色体末端。当断裂的染色体末端有富G、T DNA存在时，即使没有完整的端粒重复序列存在，它也能被端粒酶作为引物DNA并为之延伸端粒序列。因修复断端免遭外切酶对染色体DNA的更多切割，端粒酶在某种意义上讲也维护了基因组的稳定性。此外，在端粒合成中端粒酶还具有去除错配碱基的纠错作用，不仅可以除去错配碱基，还可除去延伸超过模板范围的碱基。

3 端粒、端粒酶与衰老

衰老是生物在生命过程中整个机体形态、结构和功能逐渐衰退的综合现象。关于衰老的学说有多种，其中端粒学说由Olovnikov[12]于1973年提出，认为在细胞分裂的过程中，端粒起缓冲作用，但是当端粒缩短到一定程度就会失去缓冲作用，从而导致细胞衰老。Harley等[13]提出了较为完备的端粒——端粒酶假说，认为正常细胞的端粒缩短到一定程度时会启动终止细胞分裂的信号，使细胞进入第一危机期M1(crisis M1)并退出细胞周期而老化。

人体成纤维细胞染色体在复制过程中的极限现象（即Hayflick细胞分裂极限，一般低于50～60次）和染色体端粒不断地缩短的现象，染色体DNA 每复制一次，端粒就缩短一截，人体成纤维细胞端粒每年会缩短十几个碱基。说明染色体末端重复序列TITFAGGG（端粒）在细胞衰老过程中特异地依赖DNA 复制而丢失。当染色体端粒短到一定长度时，细胞的繁殖就不能再继续进行，细胞分裂次数便达到了极限进而导致细胞和整个生物体的死亡。

端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar[14]等证实的。如果细胞试图要维持其正常分裂，那么就必须阻止端粒的进一步丢失，并且激活端粒酶。Davis T等[15 ]研究发现，Werner 综合征患者的端粒长度与他们的衰老程度相对应，端粒越短，患者的衰老程度越严重。如果增强Werner 综合征患者成纤维细胞的端粒酶活性，就可以延长细胞寿命，控制衰老的进程。

端粒长度以及端粒酶基因变异这两个原因将使人类的寿命更长。正常体细胞中，随着细胞的不断分裂，染色体末端的端粒序列便会不断缩短，端粒长度的缩短可以激发细胞老化。一种可能是染色体末端端粒DNA序列的丢失释放了端粒结合转录因子，该因子或者激活了衰老诱导基因，或者灭活了细胞周期进行所必需的某些基因。另一种可能是端粒长度缩短诱导了DNA 损伤反应，导致细胞周期受阻，使细胞出现衰老。

4 端粒、端粒酶与肿瘤

Shay等总结了近年来各种恶性肿瘤组织、癌旁组织、癌前组织及良性肿瘤组织中的端粒酶活性[16]。发现90％的恶性肿瘤组织的端粒酶活性呈阳性：而癌旁组织的阳性率只有6％，而且很可能是因为TRAP法很敏感从而使混入其中的极少量恶性肿瘤细胞同时也被检测出

来的缘故；良性肿瘤和癌前组织的阳性率分别为14％，而正常组织。除少数种类外。其阳性

率均为0。所以端粒酶活性显然是恶性肿瘤的一种标志。

端粒——端粒酶假说认为：当端粒酶活性的缺乏，端粒的长度便缩短到一定程度时，细胞进入危机期M1。如果细胞此时被病毒转染，或者某些抑癌基因如：P53、Rb等发生突变，则细胞越过M1期继续分裂，端粒继续缩短而到达另一个关节点M2，此时染色体出现各种异常形态，大量细胞死亡。但有极少数细胞在此阶段激活端粒酶，染色体形态得到稳定，从而逃避M2危机，成为无限增殖的―永生化细胞‖。(immortalized cells)，即肿瘤细胞。

恶性肿瘤发生的端粒酶理论[ 17 ]认为，端粒酶的激活是恶性肿瘤发生学上的一个共同途径，端粒酶与恶性肿瘤之间的相关性，使它在肿瘤的治疗上有望成为行之有效的新的靶目标。端粒酶主要存在于恶性肿瘤，而在大多数正常组织中没有活性或活性极低，同时端粒酶在恶性肿瘤中发生，尤其在肿瘤的发展中起着关键的作用，通过各种方法抑制端粒酶的活性，可以有效地抑制大多数肿瘤的生长，而对大多数正常细胞没有大的影响。

最近对缺失端粒酶的小鼠研究表明[18 ] ，端粒的缩短在肿瘤发生和发展过程中扮演着双重角色。当端粒缩短到临界长度时，可引起染色体与基因组的不稳定，从而诱发肿瘤的形成。相反，由于端粒的缩短，又可启动DNA损伤信号，进而抑制肿瘤的发生。

5 结语

不可否认端粒和端粒酶的发现能获得诺贝尔奖，是因为它跟衰老和癌症的潜在关系获得了更多公众的关注。但是迄今为止它只是衰老和癌症的相关者，勉强算得上指示者，还远不是引起者。其他问题如端粒酶是怎样激活的？同一种肿瘤为何有的表达有的则不表达端粒酶？无端粒酶表达的细胞是如何逃避衰老而成为无限增殖细胞？尽管如此，我们相信科学的足够发展终将揭开这些问题的神秘面纱。

参考文献

1．Szostak J W，Bla ckburn E H．Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors [J]．Cell，1982，29（1）：245-255．2．Grieder C，Blackburn E．Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts [J]．Cell，1985，43：405-13．

3．Rabl，C Uber Zelltheilung Morphologisches Jahrbuch 1885，10：214-330．

4．McClintock B．The stability of broken end of chromosome in Zea mays [J]．Genetics，1941 ，41：234-282．5．Muller HJ．The Remaking of chromosomes [J]．The collecting net. Woods Hole，1938，13：181-198．6．Watson，J.D．Origin of concatemeric T7 DNA [J]．Nature: New biology，1972，239：197-201．7．Hayflick L．The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains [J]．Exp.Cell Res，1965，37：614-636．8．Blackburn EH，Gall J G．A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena[J]．J Mol Bio．1978；120：33-53．

9．Morin GB，et al．The human telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ri-bonucleoprotien that synthesizes TTAGGG repeats．Cell，1989，59：521-529．

10．Takakura M，kyo S，Kanaya T，et al．Cloning of human telomerase catalytic subunit gene promoter and identification of proximal core promoter sequences essential for transcriptional activation in immortalized and cancer cell[J]．cancer Res，1998，59：551-557．

11．Blackburn EH．Switching and signaling at the telomere [J]．Cell，2001，106 (6)：661 - 673．12．Olovnikov A M．A theory of marginotomy．The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon [J]．J Theor Biol，1973，41(1)：181-190．13．马永红，党荣理，任立松等．端粒酶的研究进展[J]．生物技术通报，2008，1：75-78．

14．Bodnar A G，Ouellette M，Frolkis M，et al．Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells [J]．Science，1998，279(5349)：349-352．

15．Davis T，Singhrao SK，Wyllie FS，et al．Telomere – based proliferative lifespan barriers in Werner - syndrome fibrob -lasts involve both p53 - dependent and p53 – independent mechanisms[J ]．J Cell Sci，2003，116(Pt

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16．Shay JW，Baccheti S．Eur J Cancer，1997，33：787-791．

17．RhyuM S．Telomeres，telomerase，and immo rtality[J]．J N atlCancer In2 st，1995，87：884．18．Gonzalez E，Samper E，Fllers JM，et al．Telomerase2deficientmice with short telomeres are resistant to skin

tumorigenesis[J]．Nat Genet，2000，26 (13) ：114-117．

资料3

端粒和端粒酶的发现历程

引言－到底是―谁‖得诺奖了？

2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了UCSF（加州大学旧金山分校）的Elizabeth

Blackburn（简称Liz），Johns Hopkins University（约翰霍普金斯大学）的Carol

Greider（简称Carol），以及Howard Medical School（哈佛大学医学院）的Jack Szostak。诺贝尔奖主页上介绍她/他们获奖的原因是揭示了―how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase‖（染色体是如何被端粒和端粒

酶保护的），这样描述是非常专业的。当然更多的公众媒体为了吸引眼球，会用―

Aging Research Wins Nobel Prize‖（衰老研究摘取诺贝尔奖）的标题，这颇有误导

之嫌。搜狐的标题是―揭开衰老与癌症的奥秘‖，这更是耸人听闻，偏离这个诺贝尔奖

的用意了。

不可否认端粒和端粒酶的发现能获得诺贝尔奖，是因为它跟衰老和癌症的潜在关系获得

了更多公众的关注。但是它只是衰老和癌症的correlator（相关者），勉强算得上

indicator（指示者），还远不是causer（引起者）。当年发现衰老的细胞端粒变短之

后，人们兴奋地以为找到了衰老的―时钟‖，揭开了衰老的奥秘。但是事实上端粒在生

理条件下并不是细胞衰老的―瓶颈‖，细胞或机体的衰老是因为其它原因导致的老化。

小鼠的端粒是比较长的，如果把小鼠的端粒酶RNA亚基敲除，它能活得很自在，并不会

早衰，生殖力也正常。那也就是说在当代的小鼠中，端粒缩短并不是小鼠衰老的原因。

这样的小鼠可以一直传6代。当然越到后来，端粒越短，染色体也开始融合[1]。癌细

胞的增殖需要端粒的不断复制，但是我们知道端粒酶激活只是癌细胞发生中比较重要的

一环，但远不是唯一的一环。端粒酶固然是治疗癌症的一个潜在靶标，但是癌细胞也能

通过recombination（遗传重组）延长端粒，逃脱对端粒酶的依赖[2]。

所以，并不是―衰老或癌症‖的研究得诺奖了，它跟cell cycle（细胞周期）的研究得

诺奖一样，更多的是对细胞基本功能的重要研究的肯定。而这个研究的进程中贯穿着―

发现现象/问题‖-―提出概念/模型‖-―实验验证‖的思路，整个过程就像相继解开一

个个puzzle（智力谜团）一样有趣，充满了思想的光辉。―Nobel Prize in Medicine Awarded for Cracking DNA Puzzle‖（诺贝尔医学奖授予解开DNA谜团―的研究‖），

这样的标题最为精准。换个角度，我们不妨说是解―puzzle‖得了诺奖。

染色体DNA的两个难题以及端粒概念的提出

20世纪70年代初，对DNA聚合酶特性的深入了解引申出了一个染色体的复制问题。DNA聚

合酶在复制DNA的时候必须要有引物来起始，而且它的酶活性具有方向性。染色体复制

之初可以由小RNA作为引物起始合成，之后DNA聚合酶可以以反链DNA为模板，以之前合

成的DNA为引物，合成新的DNA取代染色体中间的RNA引物。但是线性染色体最末端的RNA 引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。所以线性染色体DNA每复制一轮，

RNA引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度。尽管这个引物不长，但是细胞千千万万代地不断复制，如果不进行补偿，染色体不断缩短，最终就会消失。James Watson （因为发现DNA双螺旋结构获得诺奖）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[3]。

早在1939年，潜心玉米遗传性状研究的Barbara McClintock女士（因为发现玉米的转座子获得诺奖）注意到，在减数分裂后期偶然产生的染色体断裂很容易重新融合起来形成

―桥‖。在紧接着的有丝分裂中，这种染色体―断裂－融合－桥－断裂‖的循环不断继

续[4]。既然染色体的断裂末端容易相互融合，那么染色体的自然末端，为什么不容易

相互融合呢？合理的推测是，染色体的自然末端不同于非正常的DNA断裂末端，它应该

有一个特殊的结构来避免染色体之间的相互融合。

在逐渐明晰了染色体末端特殊结构的概念之后，不妨给它一个专有名称-端粒（telomere）。

端粒DNA序列的发现以及人工染色体

那么端粒为什么与众不同呢？简单地，首先是，它的DNA序列有没有特殊性？

提到端粒不能不提到一种特殊的模式生物四膜虫（T etrahymena thermophila）。它对

于发现端粒和端粒酶的贡献就像线虫之于发现细胞凋亡一样（2002年的诺贝医学奖授予

了细胞凋亡的研究）。四膜虫有两个细胞核。小核很稳定，含5对染色体，用于生殖传

代。而大核在接合细胞的发育过程中，染色体断裂成200-300个小染色体，rDNA从染色体上断裂后通过复制更是形成高达～10000个小染色体（https://www.sodocs.net/doc/68878592.html,）。

四膜虫的小染色体众多，也就说端粒可能非常丰富。这就为端粒研究提供了得天独厚的

材料。1978年，Liz女士利用这种特殊的模式生物纯化了rDNA，以rDNA为模板通过体外合成参入dNTP的实验，推断四膜虫的端粒是由许多重复的5’-CCCCAA-3’六个碱基序列组成的[5]。第一个谜底揭开了，哦，重复序列，端粒DNA果然特殊，序列本身隐隐暗示着解决染色体末端的隐缩问题和保护问题的机制。

1980年，当Liz女士在会议上报告她的这一发现的时候，引起了Jack Szostak的极大兴趣。他那时候试图在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中建构人工线性染色体，让它能够在细胞中像自然染色体一样复制。但是当环状质粒线性化转入酵母细胞后，它

很快地被降解掉。它的降解是不是因为它的末端没有端粒序列保护呢？端粒序列的发现

让Jack Szostak有机会把质粒末端连接上四膜虫的端粒DNA，然后再导入酵母细胞。奇迹发生了，线性质粒不再降解，它可以在细胞内复制，人工染色体的想法实现了！([6] and https://www.sodocs.net/doc/68878592.html,)

值得一提的是，人工染色体的实现当初也许仅仅是满足人们的异想天开，但它实际上使DNA的大片段克隆成为可能，后来为人类基因组测序的工作立下了汗马功劳。这也是基

本上不属于端粒和端粒酶领域的Jack Szostak共同获得诺贝尔奖的重要原因。

1984年，Liz实验室通过将酵母端粒克隆到线性人工染色体的方法，发现酵母的端粒序

列是由不太规则的TG1-3/C1-3A重复序列组成的[6, 7]。

端粒复制的两个假说以及端粒酶活性的发现

在1984年报道酵母端粒序列的同一篇文章中，Liz实验室发现了一个有趣的现象：带着

四膜虫端粒DNA的人工染色体导入到酵母后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒

序列[7]。由于端粒是由重复序列组成的，当时人们普遍猜想同源重组是延伸端粒补偿

染色体末端隐缩的机制。但是同源重组只能复制出更多本身的序列，为什么在四膜虫端

粒上加的是酵母的端粒序列而不是四膜虫端粒本身的序列呢？这个现象同源重组是无力

解释的。也许，可能，酵母中存在专门的―酶‖来复制端粒DNA。

究竟是重组还是全新的酶？为了厘清这两个假说，Liz意识到最重要的是找到这个―酶

‖。

如前所述，在四膜虫接合细胞的大核发育过程中，大核产生了非常丰富的小染色体，每

一个小染色体都被从头加上了端粒。可以推测，如果―酶‖的假说成立，此时细胞内的

―酶‖活性应该是非常高的。

1984年，Carol女士作为博士生加盟了Liz实验室。她们俩精心讨论设计实验，用四膜虫

的核抽提液与体外的端粒DNA进行温育，试图在体外检测到这个―酶‖活性，看到端粒

的延伸。经过不断优化条件，尤其是把底物换成体外合成的高浓度的端粒DNA后，同年

的圣诞节，勤奋的Carol同学打开暗盒曝光x光片，终于清楚地看到了―酶―活性。在测

序胶的同位素曝光片上，端粒底物明显被从新加上了DNA碱基，而且每六个碱基形成一

条很深的带，与四膜虫端粒重复基本单位为六个碱基正好吻合[8]。这种酶活性不依赖

于模板，只对四膜虫和酵母的端粒DNA进行延伸，而对随机序列的DNA底物不延伸；并且该活性不依赖于DNA聚合酶[8]。由于同源重组对序列没有特异性的要求并且依赖于DNA 聚合酶的活性，至此，她们澄清了这两种假说，证明了有一种―酶‖来延伸端粒DNA。

这种酶后来被命名为―端粒酶‖（telomerase）。

端粒酶RNA亚基的发现

紧接着她们对端粒酶活性进一步定性。此时Tom Cech（因为发现RNA可以有酶活性获得

诺奖）正好访问Liz的实验室，她/他们一起做了个简单的实验，就是用RNA酶处理样品

，降解样品的RNA，看看端粒酶活性是否受到影响。结果是酶活性竟然消失了，端粒酶

活性依赖于RNA[9, 10] 。端粒酶会不会是另外一种特殊的RNA酶？想必从这个时候，Tom Cech 开始被端粒酶深深吸引，并介入了这个领域。当然那时候也知道端粒酶是依

赖于蛋白的：用蛋白酶消化后的样品也不具备端粒酶活性[8]。1989年，Carol通过跟踪

端粒酶活性，用柱子纯化并克隆了四膜虫的端粒酶RNA亚基。另一个谜底揭开了：RNA亚基有一段RNA序列正好和四膜虫的端粒DNA序列互补，端粒酶正是利用RNA亚基的这段序列作为模板重复复制出端粒DNA[11]。

端粒和端粒酶领域的领军人物多数是女士。公平起见，不妨多介绍几位。Virginia

Zakian女士的实验室发现端粒区域具有TPE效应（T elomere Position Effect，端粒位

置效应），也就是置入端粒区域的基因会被silenced（沉默），不表达。我们来看看

Daniel Gottschling实验室是如何利用TPE现象来设计实验，筛选出酵母的RNA亚基基因的，同时也见识一下酵母这个非常强大的遗传学模式生物。

首先把URA和ADE两个基因通过遗传重组的方法置入端粒区域。URA基因使酵母能够自己合成uracil（尿嘧啶），但是该基因能够将化学物质FOA转化成有毒的物质，从而使酵

母不能够在含有FOA的平板上生长；缺少ADE基因则会让酵母累积红色素，使酵母克隆变成红色。由于端粒的TPE效应，URA和ADE被silenced，酵母只能在含有uracil的培养基中生长，能在FOA平板上生长，且克隆是红色，。在这个遗传改造过的酵母中转入酵母

的cDNA表达库，可以预计，某些调控端粒长度的基因通过过表达可以改变端粒的长度。

如果端粒长度变得足够短的话，TPE效应就会消失，URA和ADE两个基因就会启动表达。那么这种短端粒的酵母就能够在不含有uracil的培养基中生长，不能在FOA平板上生长

，并且酵母克隆显示出红色。....................................................

Time will tell（时间将告诉一切）-端粒和端粒酶发现历程的启示

附：本文提到的端粒和端粒酶发现大事记

1939年，Barbara McClintock发现玉米细胞的染色体断裂末端容易融合

1972年，James Watson提出染色体复制的末端隐缩问题

1978年，报道四膜虫的端粒序列

1982年，端粒的发现导致人工染色体的发明

1984年，报道酵母的端粒序列

1985年，报道四膜虫的端粒酶活性

1989年，报道四膜虫端粒酶的RNA亚基

1994年，报道酵母端粒酶的RNA亚基

1995年，报道酵母端粒酶活性

1996年，纯化了四膜虫端粒酶的催化亚基

遗传筛选到酵母端粒酶的催化亚基

1997年，证明了四膜虫和酵母端粒酶的催化亚基

资料4

端粒和端粒酶的研究及应用

摘要：古往今来，“长生不老”成为人们一直追求的梦想，曾经有多少人用各种方法来延缓衰老，但终未取得显著效果。近年来研究证实，端粒缩短导致衰老。本文就端粒、端粒酶与衰老的关系做一综述。

关键词：端粒、端粒酶、衰老

最早观察染色体末端的科学家始于19世纪末期，Rabl[1]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 [2]和Muller HJ [3]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”，这是由希腊词根“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的。30多年前，Hayflick[4]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。但端粒究竟是怎样的复杂结构呢？Blackburn和Gall[5] 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[6]，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[7] 。近年来，随着人体端粒酶的发现和端粒学说的提出，已经知道决定细胞衰老的“生物钟”就是染色体末端的端粒DNA，它可随着年龄的增长而缩短。

一、衰老机理及假说

许多人错误的认为，退休是一个人进入生理老年的开端。而老年则是衰老的标志，其实，这是不科学的。人体的所有器官和组织都由细胞组成，但组成器官和组织的细胞有两大类，即干细胞和非干细胞。人体衰老正是由细胞特别是干细胞衰老引起的。医学家认为，如果人类若能避免一些疾患和意外事故，人类寿命的上限应当是130岁。

在人类基因组计划之前和进行之中，对长寿的分子生物学研究就有了许多显著的成果与发现。总的归纳起来便是：衰老是一种多基因的复合调控过程，表现为染色体端粒长度的改变、DNA损伤（包括单链和双链的断裂）、DNA 的甲基化和细胞的氧化损害等。这些因素的综合作用，才造成了寿命的长短。

近几十年来，随着现代遗传学、分子生物学、细胞生物学和分子免疫学等边缘学科的飞速发展，人们对衰老的机理有了深层次的认识，有许多学说如遗传程序学说、DNA分子修复能力下降假说、体细胞突变学说、差错灾难学说和交联学说等已经被人们广泛接受，但端粒学说刚进入人们的研究范围。端粒缩短可引起衰老，而维持端粒长短的重要活性物质便是端粒酶。生物学家早就发现一件有趣的事实：就是每一种细胞的寿命都有一定限度，在人工培养条件下，接近这个限度时，哪怕用最好的培养方法都拯救不了既定的命运。像人体的成纤维细胞，据试验，最多只能繁殖50代，到那时必然趋于死亡。其他像老鼠的成纤维细胞只能分裂18代，龟的成纤维细胞分裂110代，如此等等。那么人为什么会衰老，以至走向死亡呢？有研究者对导致人体细胞衰老的原因提出了“程序假说”和“错误积累假说”。

人类的细胞并不能无限制地重复分裂，在分裂50～60次后便会停止。细胞不再继续分裂的机体组织，便呈现出衰老和机能低下的状态。随着细胞重复分裂使端粒缩短到一定的长度，从而使细胞停止了分裂。这就是“程序假说”。

细胞分裂的时候，DNA被复制，但是由于X射线、紫外线、活性氧、有害物质的损害，DNA会发生异常变化，于是DNA在复制过程中就会产生错误。随着错误的积累，生成了异常蛋白质，细胞机能变得低下，于是细胞便不能继续分裂，呈现出了衰老迹象。这就是所谓“错误积累假说”。

因此，人不像机器那样容易磨损和坏掉，而是能自我成长和修复，但这只能算是衰老的伴生现象。对衰老机理的研究就是为了有效地指导抗衰老的研究和实践工作。但是，人类衰老的原因是多方面的，衰老的机理也是极为复杂的。

二、端粒和端粒酶

端粒是真核细胞内染色体末端的DNA重复片断，经常被比做鞋带两端防止磨损的塑料套，由富含G的核酸重复序列和许多蛋白质组成，包括Ku70、Ku80、依赖DNA的蛋白激酶和端粒重复序列结合因子2（TRF2）等。不同个体的端粒初始长度差异很大，在人中大约为15 kb，在大鼠中可长达150 kb，在小鼠中一般在5～80 kb之间变化，而在尖毛虫中却只有20 bp。在所有的有机体中，端粒DNA的长度总是随着外界环境而波动变化的。酵母的端粒DNA在200～400 bp间随遗传或营养状态的改变而改变，四膜虫和锥虫等有机体的端粒长度在对数期会持续增加。相反，在人体中，随着细胞的持续分裂，端粒会缓慢缩短。细胞培养研究表明，当端粒再也无法保护染色体免受伤害时，细胞就会停止分裂，或者变得不稳定。其功能是完成染色体末端的复制，防止染色体免遭融合、重组和降解。染色体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的，端粒的长度决定了细胞的寿命，故而被称为“生命的时钟”。

端粒酶（或端粒体酶）是一种能延长端粒末端的核糖蛋白酶，主要成分是RNA和蛋白质，其含有引物特异识别位点，能以自身RNA为模板，合成端粒DNA并加到染色体末端，使端粒延长，从而延长细胞的寿命甚至使其永生化[8]。如果细胞被病毒感染，或者某些抑癌基因如p53、pRB等突变，细胞可越过M1期而继续分裂,端粒继续缩短，最终达到一个关键阈值，细胞进入第二致死期M2，这时染色体可能出现形态异常，某些细胞由于端粒太短而失去功能，从而导致细胞死亡。但极少数细胞能在此阶段进一步激活端粒酶，使端粒功能得以恢复，并维持染色体的稳定性，从而避免死亡。最近Shay et al[9]在Science上发表了一幅有趣的模式图，简要介绍了端粒、端粒酶介导细胞凋亡或永生化的过程。

大量的证据表明，端粒酶的激活或抑制会导致细胞永生化或进入分裂终止期。端粒酶在超过80%的永生细胞系及大多数肿瘤组织中呈激活状态。端粒酶的抑制会使胚胎干细胞、骨髓造血细胞的增生受到抑制,并使肿瘤细胞系增生减弱，以致于凋亡增加。有必要指出的是：端粒酶对细胞增生、衰老及凋亡的调节是通过不同的途径进行的。其中端粒延长依赖性机制作用缓慢，需要多代细胞端粒的进行性缩短积累到一定程度，才会诱发细胞静止信号的激活。最近有一种端粒延长非依赖性机制，其作用较快，可能涉及到端粒三级结构的改变，蛋白相互作用的改变,转位的改变等[10]。

三、端粒及端粒酶与衰老的关系

关于端粒丢失同衰老的关系理论是由Olovnikov博士于1973年首次提出的[11]。他认为，端粒的丢失很可能是因为某种与端粒相关的基因发生了致死性的缺失。目前认为，人类细胞内端粒酶活性的缺失将导致端粒缩短，每次丢失50～200个碱基，这种缩短使得端粒最终不能被细胞识别。端粒一旦短于“关键长度”，就很有可能导致染色体双链的断裂，并激活细胞自身的检验系统，从而使细胞进入M1期死亡状态。随着端粒的进一步丢失，将会发生染色体重排和非整倍体染色体的形成等错误，这将导致进一步的危机产生，即M2期死亡状态。当几千个碱基的端粒DNA丢失后，细胞就停止分裂而引起衰老。端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar[12]等证实的。如果细胞试图要维持其正常分裂，那么就必须阻止端粒的进一步丢失，并且激活端粒酶。Cooke[13]等认为，由于人体细胞中的端粒酶未被活化，从而导致了端粒DNA缩短。因此，只有那些重新获得端粒酶活性的细胞才能继续生存下去，对于那些无法激活端粒酶的细胞将只能面临趋向衰老的结果。研究人员最近还发现，患有一种可加速衰老的遗传病人具有异常短的端粒，这进一步表明端粒在衰老过程中所起的重要作用。在人类细胞中，研究者还发现，端粒缩短的速率与细胞抗氧化损伤的能力相关。更容易遭受氧化损害的细胞，其端粒缩短更快，然而那些更能抵抗这种损伤的细胞，端粒缩短得较慢。如果能减免细胞损伤或激活端粒酶，即可控制人类的衰老进程。有人曾经对人淋巴细胞的衰老性变化与其端粒长度以及端粒酶活性的关系在各种体内体外环境及处理因素下做

了观测，发现端粒酶活性和端粒长度的调节有可能是淋巴细胞增殖的控制因素，这已在人体淋巴细胞的发育、分化、激活和衰老过程中被验证。曾发现外周血CD+4T细胞的端粒长度在体内随着衰老以及从静息细胞到记忆细胞的分化过程而缩短，在体外则随着细胞的分裂而缩短，这些结果提示端粒长度与淋巴细胞增殖过程以及记忆性增殖潜力相关。

端粒酶的表达已知能够抑制衰老，而Weinberg and colleagues[14]认为端粒酶的作用主要在于延长了端粒悬垂的长度。细胞的复制期限被认为由最终导致衰老的两个机制决定，一个是累积的DNA损伤，另外一个是端粒的进行性缩短。Weinberg and colleagues研究了一个端粒的特殊悬垂结构在衰老过程中的作用，悬垂结构只在富含C的末端之外还有一个由几百个核苷酸组成的富含G的结构。据称Shay实验小组[15]的研究策略是通过抑制端粒酶活性，从而迫使永生化细胞转变为正常细胞，进入正常的衰老和死亡模式。

在衰老异常发展中有一种早衰人群，即从20岁开始皮肤和毛发等便迅速衰老，其原因仍在于制造端粒酶的遗传基因。细胞在分裂的时候，DNA双螺旋结构以其一根长链为“模子”进行DNA复制。在DNA修复损伤的时候，“拆解”DNA的双螺旋结构是必要的，制造端粒酶的遗传基因在解开DNA螺旋结构上起作用。像制造端粒酶并从事DNA 复制和修改错误的一类遗传基因，若与延长细胞寿命的端粒酶良好结合，我们也许能期待向“长生不老”的目标进一步接近。

四、展望和未来

总之，人类体细胞在复制衰老过程中产生的端粒丢失现象已在体外得到了证实，而且体内的端粒丢失可作为判断供体年龄的依据。我们只要设法使已衰老的人体内各种干细胞的端粒长度恢复到年轻时的水平，老人就会返老还童和长生不老。但在人类端粒及端粒酶的基础研究中，还存在着许多难点，如：人端粒末端的精细结构，端粒的非端粒酶延伸机制；人端粒酶的具体结构及其基因所在的位置；端粒酶的激活机制及其活性调节等，均有待于回答。尽管如此，我们似乎仍看到了前景的美好。毕竟人们已找到了同衰老有着紧密相关性的因素——端粒和端粒酶。人们对于端粒抑制剂的研究已经蓬勃的展开了。故进一步研究端粒酶的活性调节机制，对于开发新型延缓衰老的端粒酶抑制剂无疑具有重要意义。Colorado大学的两位研究人员Thomas Cech 和Robert Weinbrg[16]博士已独立地克隆出一种控制人类细胞端粒酶活性的基因。应用这种基因，很有可能得到一种新的蛋白质——端粒酶的控制剂。

关于衰老机理和抗衰老的研究领域现在仍然是非常活跃的，并将受到越来越足够的重视，因为它对于延缓衰老，实验老年医学研究的目的即防止人类早衰，保持人体健康长寿是极为重要的。但是，就目前人类在这方面的研究来看还很薄弱。在今后一个时期内，有关衰老与抗衰老的研究重点还应放在以最新生物学技术研究有关长寿与衰老基因的克隆、结构分析以及对这些基因的调控机制；机体衰老过程中自由基、突变以及其它有害刺激因素启动

细胞衰老凋亡的分子机制和这些过程被调控的分子机理；利用衰老基因与长寿基因的研究成果进行的基因治疗方面研究等。

参考文献

1.Rabl.C Uber Zelltheilung Morphologisches Jahrbuch 1885;10;214-330.

2.McClintock B.The stability of broken end of chromosome in Zea mays. Genetics 1941;41:234-282.

3.Muller HJ. The Remaking of chromosomes. The collecting net. Woods Hole 1938;13:181-198.

4.Hayflick,L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Exp.Cell Res 1965;37:614-636.

5.Blackburn EH et al.J Mol Bio .1978；120:33-53.

6.Grieder C, Blackburn E. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. Cell，1985;43:405-13.

7.Morin GB, et al. Cell, 1989； 59：521-529.

8.Hammond PW,Cech TR,Hammond PW, Cech TR. Euplotes telomerase: evidencefor limited base-pairing during primer elongation and dGTP as an effector of translocation. Biochemistry 1998; 37:5162-517.

9.Shay JW,Wright WE.When do telomeres matter.Sience 2001;291:839-840.

10.Liu JP. Telomerase: Not Just Black and White,but Shades of Gray. Mol Cell Biol Res Commun 2000;3:129-135.

11.Olovfnikow AM.J Ther Biol,1973；41:181-190.

12.Bodnar A G, Ouellette M, Frolkis M, et al. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells. Science, 1998；279(5349):349-352.

13.Cook, H.J. and B.A. Smith .Variability at the telomeres of the human X/Y pseudoautosomal region.Cold Spring Habor Symp.Quant.Biol.1986；51:213-219.

14.Stewart, S. A. et al. Erosion of the telomeric single-strand overhang at replicative senescence. Nature Genet. 2003;10:1038-1127.

15.Shay JW.J Clin pathol,1997;50:106-109 .

16.Nash JM."The Immortality Enzyme"Time Magazine,Vol 1997;150.

端粒、端粒酶与癌症(一)

端粒、端粒酶与癌症(一) 【摘要】端粒和端粒酶是近年来生命科学研究的热点。细胞分裂过程中，因其染色体末端(端粒)DNA不能完全复制而缩短，使细胞逐渐失去增殖能力而衰老，端粒酶可延长染色体末端DNA，端粒酶的活化使细胞获得无限增殖能力。在永生细胞系及绝大多数的恶性肿瘤(85%)细胞中有活化的端粒酶。本文综述了端粒与端粒酶的结构与功能，端粒酶在端粒合成与稳定中的作用，介绍了端粒酶活性的测定方法，并讨论了通过抑制端粒酶活性来治疗癌症的可能性。 【关键词】端粒；端粒酶；癌症 端粒(telomere)和端粒酶(telomerase)是近年来生命科学研究的热点之一，正常细胞在分裂过程中，因其染色体末端(端粒)DNA不能完全复制而缩短，细胞经多次分裂后，端粒缩短达到危机点(crisis)，促发某一信号，使细胞逐渐失去增殖能力而衰老死亡。端粒酶可延长染色体末端DNA，端粒酶的活化使细胞获得无限增殖能力。基于此，有少数细胞(如永生细胞系)及绝大多数恶性肿瘤细胞(85%)可逃逸这一危机点。因为在这些细胞中含有活化的端粒酶系统，从而使细胞获得无限增殖能力，使之永生化和恶变，因此，对端粒和端粒酶系统的研究，有助于阐明细胞衰老和恶变机制，对肿瘤的诊断、治疗以及抗衰老都具有重要的理论和实际意义。一般认为，癌症是由多种突变的积累，破坏了细胞正常的生长调控而引起的，除了一些明确的病因外，有许多实验结果支持这样一种假说，即端粒酶的激活对许多恶性肿瘤细胞的形成是必需的，且肿瘤细胞与端粒酶活动增加之间存在相互激发的关系〔1〕。这种显著的相关性提示:在肿瘤细胞恶性状态的进展和维持中，端粒酶可能起到关键性的作用。本文就端粒与端粒酶研究的最新进展作一综述，具体讨论了端粒的结构与功能，端粒酶在端粒合成与稳定中的作用，介绍了端粒酶活性的测定方法，细胞永生与端粒酶激活的关系，提出了通过抑制端粒酶活性来治疗癌症的可能性。1端粒(telomere) 1.1端粒(telomere)的概念 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)n 及一些结合蛋白组成。四膜虫(单细胞生物)端粒的结构是6个核苷酸5＇-TTGGGG-3＇序列的多次重复。人类为5＇-TTAGGG-3＇序列的多次重复。随着细胞不断分裂，染色体复制次数增加，端粒DNA序列进行性缩短。故粒端长度决定了细胞寿命，至一定长度时，细胞停止分化，并出现程序性死亡(细胞凋亡，Apoptosis)。端粒作为细胞的“有丝分裂钟”(mitosisclock)调节细胞分裂。早衰的端粒长度明显低于正常人，而人精原细胞的端粒长度比体细胞长数千kb，并不随年龄增长而递减〔2〕。1.2端粒的结构、功能 1978年，Blackbum发现一种单细胞池塘生物四膜虫的染色体端粒DNA为一种简单核苷酸序列的大量重复，即(TTGGGG)n，后来证明人和脊椎动物的端粒均为含有丰富鸟嘌呤(G)的重复DNA序列，人类端粒DNA由5＇TTAGGG3＇的重复单位构成，细胞中端粒DNA总是和非组蛋白成分的蛋白质结合成一个复合体，其结构虽不清楚，但它有重要的作用，可以保护染色体末端不被核酸酶降解，防止染色体末端丢失、融合，并参与染色体在核内定位及基因表达调控的作用，从而保持遗传系统的稳定性。 2端粒酶 2.1端粒酶的概念 端粒酶为一种RNA依赖性DNA聚合酶，为一种核糖核蛋白酶，是合成端粒必需的酶。端粒的合成是以一段RNA为模板，端粒酶通过反转录过程合成端粒片段，并使其连接于染色体的端粒末端。端粒酶的发现，解释了生物细胞“末端复制问题”，并将两个看似不相关的研究领域—衰老和癌症紧密地联系在一起。Kim等(1994)建立了能稳定、成批、快速分析各组织端粒酶活性的Trap法，这是Kim等巧妙引用了PCR技术形成的粒端重复扩增分析法。端粒

端粒和端粒酶的研究及应用

端粒和端粒酶的研究及应用 2005-4-11 https://www.sodocs.net/doc/68878592.html, 来源：丁香园 10:56:00 摘要：古往今来，“长生不老”成为人们一直追求的梦想，曾经有多少人用各种方法来延缓衰老，但终未取得显著效果。近年来研究证实，端粒缩短导致衰老。本文就端粒、端粒酶与衰老的关系做一综述。 关键词：端粒、端粒酶、衰老 最早观察染色体末端的科学家始于19世纪末期，Rabl[1]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 [2]和Muller HJ [3]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”，这是由希腊词根“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的。30多年前，Hayflick[4]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。但端粒究竟是怎样的复杂结构呢？Blackburn和Gall[5] 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[6]，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[7] 。近年来，随着人体端粒酶的发现和端粒学说的提出，已经知道决定细胞衰老的“生物钟”就是染色体末端的端粒DNA，它可随着年龄的增长而缩短。 一、衰老机理及假说 许多人错误的认为，退休是一个人进入生理老年的开端。而老年则是衰老的标志，其实，这是不科学的。人体的所有器官和组织都由细胞组成，但组成器官和组织的细胞有两大类，即干细胞和非干细胞。人体衰老正是由细胞特别是干细胞衰老引起的。医学家认为，如果人类若能避免一些疾患和意外事故，人类寿命的上限应当是130岁。在人类基因组计划之前和进行之中，对长寿的分子生物学研究就有了许多显著的成果与发现。总的归纳起来便是：衰老是一种多基因的复合调控过程，表现为染色体端粒长度的改变、DNA损伤（包括单链和双链的断裂）、DNA的甲基化和细胞的氧化损害等。这些因素的综合作用，才造成了寿命的长短。

端粒与端粒酶——衰老与疾病的预测因子

端粒与端粒酶——衰老与疾病的预测因子 生工食品学院食品科学与营养系章宇0010141 摘要：端粒和端粒酶是现代生命科学领域研究的热点，端粒封闭了染色体的末端并维持了染色体的稳定性，端粒缺失会引起染色体融合并导致细胞的衰老及死亡。端粒酶的活化可延长染色体末端DNA，维持基因组的稳定，并且端粒酶活性的异常表达又会引起细胞永生化或转化成癌细胞。由于端粒和端粒酶在细胞分裂中有其独特的作用，因此对端粒及端粒酶结构和功能研究，有助于阐明细胞衰老和恶变的机制，对抗衰老及肿瘤的诊断、治疗都具有重要的理论和实际价值。关键词：端粒；端粒酶；衰老；预测因子 1 诺贝尔奖获奖成果——端粒和端粒酶是如何保护染色体的 人的生老病死，这或许是生命最为简洁的概括，但其中却蕴藏了无穷无尽的奥秘。2009年10月5日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth H. Blackburn）、卡罗尔·格雷德（Carol W. Greider）和杰克·绍斯塔克（Jack W. Szostak），以表彰他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”。这3位科学家的发现“解决了一个生物学重要课题, 即染色体在细胞分裂过程中是怎样实现完全复制, 同时还能受到保护且不发生降解”，由此可能揭开了人类衰老和罹患肿瘤等严重疾病的奥秘。 2 端粒、端粒酶的结构与功能 70年代末，Blackburn和Gall首次阐明四膜虫rDNA分子的末端结构，现在人们已经明确端粒是真核细胞线形染色体末端的具有高度保守的重复核苷酸序列和蛋白质的复合体[1]。人类端粒DNA 由基本序列单元TTAGGG反复串联而成，不具有编码任何蛋白质功能，进化上高度保守[2]。端粒像帽子一样扣在染色体的两端，维护着染色体的完整性和稳定性，作用是防止染色体被降解、融合和重组，从而保证了遗传信息的完整性，使遗传信息在细胞分裂时能够完全复制，使后代细胞准确获得完整的遗传信息。 端粒酶是目前发现的唯一由RNA和蛋白质构成的核糖核蛋白酶，能够以自

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端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在关系 ———2009年诺贝尔生理学或医学奖简介 孔令平①　汪华侨② ①副教授,广州医学院从化学院,广州510182;②教授,中山大学中山医学院人体解剖学与脑研究室,广州510080 关键词　端粒　端粒酶　细胞　衰老　癌症 美国科学家伊丽莎白?布莱克本、卡萝尔?格雷德和杰克?绍斯塔克三人同时获得2009年诺贝尔生理学或医学奖,这是由于他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”,这一研究成果揭开了人类衰老和肿瘤发生等生理病理现象的奥秘。本文将就端粒和端粒酶的发现、结构和功能及其与人类衰老、癌症的潜在关系等方面做一简要介绍。 人的生老病死,这或许是生命最为简洁的概括,但其中却蕴藏了无穷无尽的奥秘。2009年10月5日,瑞典卡罗林斯卡医学院宣布将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白?布莱克本(Elizabet h H.Blackburn)、卡萝尔?格雷德(Carol W.Greider)和杰克?绍斯塔克(J ack W.Szostak),以表彰他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”。这3位科学家的发现“解决了一个生物学重要课题,即染色体在细胞分裂过程中是怎样实现完全复制,同时还能受到保护且不发生降解”。由此可能揭开了人类衰老和罹患肿瘤等严重疾病的奥秘。 染色体是生物细胞核中的一种易被碱性染料染色的线状物质。大家都知道,正常人的体细胞有23对染色体,这对人类生命具有重要意义,其中的X和Y染色体是决定男女性别的性染色体。在染色体的末端,有一个像帽子一样的特殊结构,这就是端粒。作为染色体末端的“保护帽”,端粒具有维持染色体的相对稳固、防止DNA互相融合及重组的功能,犹如卫兵那样守护染色体不受损害。而端粒酶的作用则是帮助合成端粒,使得端粒的长度等结构得以稳定。 “染色体携有遗传信息。端粒是细胞内染色体末端的‘保护帽’,它能够保护染色体,而端粒酶在端粒受损时能够恢复其长度。”获奖者之一的伊丽莎白?布莱克本介绍说:“伴随着人的成长,端粒逐渐受到‘磨损’。于是我们会问,这是否很重要?而我们逐渐发现,这对人类而言确实很重要。”借助他们的开创性工作,如今人们知道,端粒不仅与染色体的个性特质和稳定性密切相关,而且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡。简单讲,端粒变短,细胞就老化。相反,如果端粒酶活性很高,端粒长度就能得到保持,细胞老化就被延缓。 1端粒的发现、结构与功能 20世纪30年代,两位著名的遗传学家McClintock 和Müller等人发现,染色体的末端存在一种能稳定染色体结构和功能的特殊成分。如果缺少了此成分,染色体易降解,相互之间易发生粘连,出现结构的异常,影响染色体的正确复制,甚至引起细胞的死亡。于是Müller从希腊文的“末端”(telos)和“部分”(meros)二词为此特殊成分创造了一个全新的术语“端粒”(telomere)。但端粒的精确组成直到1978年才由美国科学家Blackburn和Gall首次提出,他们发现单细胞生物四膜虫(tetrahy2 mena)的端粒是由一连串简单重复序列T T GGGG形成的[1]。之后包括动物、植物和微生物在内的多种生物的端粒序列被测定出,发现它们与四膜虫的端粒序列极其相似,均由富含G和T的简单重复序列不断重复而成。正是这些连接在染色体末端的DNA重复序列及结合在其上的相关蛋白质共同构成了真核生物染色体的“末端保护帽”———端粒。人类细胞端粒的重复序列为T TA GGG,长度为5～15kb。不同组织细胞其端粒的长度不同,精子和早期胚胎细胞端粒长度较长,可达15～20kb。 端粒的结合或相关蛋白最重要的是人端粒重复序列结合因子(telomeric repeat factor)TRF1和TRF2,此外还包括PO T1,Ku70,Ku80,Tankyrase1,PINX1, TIN2和hRap1等。TRF1和TRF2均专一性地与端粒DNA重复序列结合。TRF1对端粒的长度起负调控作用,可以在一定程度上抑制端粒酶在端粒末端的行为; ? 7 2 3 ?

端粒与端粒酶的研究进展

端粒与端粒酶的研究进展 【摘要】研究显示，端粒酶活性被激活，可维护端粒的长度，细胞将会延缓衰老，避免癌变。此外，端粒酶的发现还在理论上丰富和发展了分子肿瘤学，据研究显示90％的人体肿瘤与端粒酶相关，若我们通过端粒酶活性的检测，提前预知肿瘤的发生，从而提前预防和治疗，或者若我们能使癌细胞中的端粒酶再度“休眠”，恶性肿瘤就会停止生长，以此来治疗癌症。 【关键字】端粒端粒酶肿瘤癌症衰老染色体 1.端粒和端粒酶的概述 2009年，美国的三位科学家Elizabeth H·Blackburn、Carol W·Greider和Jack W·Szostak发表了题为“端粒和端粒酶是如何保护染色体的”而共同获得诺贝尔生理学或医学奖。也是从这一重大研究成果开始，端粒和端粒酶的研究为人类衰老和肿瘤带来了福音。 端粒是真核细胞染色体末端的帽子样的结构，它具有稳定染色体末端结构，防止染色体DNA降解和末端融合，保护染色体结构基因，调节正常细胞生长等作用。同种生物不同组织的细胞，甚至相同组织的不同细胞由于处于不同的生命时相，端粒的长度也不一样。由此可发现端粒的长度跟细胞的寿命、衰老与死亡有密切关系，所以端粒的长度被称为“生命时钟”【1】。 端粒酶(telomerase)是一种以自身RNA为模板，将端粒DNA合成至染色体的核糖核蛋白复合物(ribonucleoprotein，RNP)。端粒长度的维持需要端粒酶的激活。所以端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。端粒酶的活性存在于人的生殖细胞、肿瘤细胞、永生化细胞系和再生性组织中，一般情况下酶的活性处于抑制状态，只有当端粒体受到损伤的时候，端粒酶才被激活。 由于端粒和端粒酶对肿瘤和癌症的发生有很大关系，所以近年来，端粒和端粒酶的研究也比较多，且主要是在妇产科学、基础医学、心血管疾病、泌尿科学、外科学等方面，其中端粒酶与肿瘤形成关系的研究占总文献比例最大【2】。 2.端粒和端粒酶的结构 端粒是存在于染色体3＇末端的特殊部位，通常由一些简单重复的序列组成。不同种类的细胞端粒重复序列不同，大多长约5-8bp。人类的端粒序列由5 ＇

端粒酶与肿瘤

端粒端粒酶与肿瘤 摘要端粒是保护真核细胞末端的“帽子”，当端粒的长度因细胞 复制而缩短达到极限时，细胞就会走向衰老甚至死亡，而端粒酶的存在能补充已经缩短的端粒，从而延长细胞的寿命甚至使其获得永生。而众所周知，癌症细胞的分裂就是永无止境的，这就暗示端粒-端粒酶系统于人类肿瘤的形成与发展有着密切的联系，所以分析研究他们之间的关系对于肿瘤的研究有着重要的意义。现代科学家已经针对他们关系，设计了一些治疗癌症的办法，虽然还没有达到治愈的效果，但是我们应该有充分的理由认为随着科技的进步，癌症的治疗会变的像感冒一样简单。 关键字端粒, 端粒酶（Telomerase）, 端粒结合蛋白, , 肿瘤 近年来，随着人类基因组计划的完成，端粒与端粒酶的研究已成为国际肿瘤分子生物学的研究热点，很多实验都表明了，在肿瘤发生的很多阶段中,端粒缺失造成细胞染色体结构变化以及端粒酶的再激活都可能直接看参与细胞的癌变过程。端粒酶几乎在所有类型的肿瘤中均有不同程度的表达,已被公认为目前已知的最为广泛的肿瘤标志物之一。 1端粒的结构和功能 1.1 端粒的结构 端粒是存在于真核细胞线形染色体末端的一段特殊的DNA和蛋白质的复合物, 平均长度约为5 ～15kb,是DNA链自身回折并与多种端粒结合蛋白复合而成。人类端粒是以5′2 TTAGGG23′为重复单位的富含鸟苷酸的序列, 其结构末端是3′端, 3′端并不悬挂在端粒末端,而是折回到端粒内部双链重复序列的某一区域,并将该端区域的一段自身链置换出来,取而代之与互补链配对,形成的一个环称 为T环, 3′最末端单链区反转探入端粒的双链区再形成D 环。端粒结合蛋白包括端粒酶、保卫蛋白复合体及非保卫蛋白。保卫蛋白复合体由端粒重复序列结合因子,结合因子2（ TRF2）,端粒保卫蛋白1 , TRF1 相互作用核蛋白,TIN2 相互作用蛋白1及阻抑和活化蛋白1 这6个蛋白组成,主要分布在染色体端粒上,保持端 粒结构的稳定。非保卫蛋白,如DNA 修复蛋白RAD50, NBS1, MRE11, Ku86 和DNAPKcs等,分布和功能都不局限在端粒上。这三类端粒结合蛋白协同参与端粒动态平衡的维持和调节。在保卫蛋白复合体中, TRF1是端粒酶的负性调节因子,主要负责调节端粒的长度,控制端粒的延伸。TRF2蛋白则主要负责保护染色体的末端,招募活化蛋白1。TRF2丢失将会导致染色体末端失去保护,造成端粒3′端丢失和染色体末端2末端融合。端粒保护蛋白1的作用涉及调控端粒酶的活性。 1.2 端粒的功能端粒的生物学功能包括: ( 1)稳定染色体; ( 2)防止染色体末端融合; ( 3)保护染色体结构基因;(4)作为细胞凋亡的信号。端粒的长度决定了细胞的寿命,因此端粒被认为是细胞有丝分裂的“生物钟”。根据细胞衰老的理论,细胞衰老分为M1和M2期。正常细胞培养时,由于端粒酶活性缺如, DNA合成的后随链不能有效的复制出染色体3′端,即末端复制问题,每次细胞分裂端粒短缩55～200 bp,当端粒短到一定长度就会被细胞周期蛋白检测出来,随即进入第1个衰老期,这一时期称为M1 期。细胞自M1 期继续分裂,端粒进一步缩短,染色体失

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@https://www.sodocs.net/doc/68878592.html,

端粒和端粒酶的发现历程——记诺贝尔生理学或医学奖

端粒和端粒酶的发现历程——记诺贝尔生理学或医学奖 引言－到底是"谁"得诺奖了？ 2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了UCSF（加州大学旧金山分校）的Elizabeth Blackburn（简称Liz），Johns Hopkins University（约翰霍普金斯大学）的Carol Greider（简称Carol），以及Howard Medical School（哈佛医学院）的Jack Szostak。诺贝尔奖主页上介绍她/他们获奖的原因是揭示了"how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase"（染色体是如何被端粒和端粒酶保护的），这样描 述是非常专业的。当然更多的公众媒体为了吸引眼球，会用"Aging Research Wins Nobel Prize"（衰老研究摘 取诺贝尔奖）的标题，这颇有误导之嫌。"揭开衰老与癌症的奥秘"，这样的标题更是耸人听闻，偏离这个诺贝 尔奖的用意了。 不可否认端粒和端粒酶的发现能获得诺贝尔奖，是因为它跟衰老和癌症的潜在关系获得了更多公众的关注。但 是迄今为止它只是衰老和癌症的correlator（相关者），勉强算得上indicator（指示者），还远不是causer （引起者）。当年发现衰老的细胞端粒变短之后，人们兴奋地以为找到了衰老的"时钟"，揭开了衰老的奥秘。 但是事实上端粒在生理条件下并不是细胞衰老的"瓶颈"，细胞或机体的衰老是其它原因导致的老化。小鼠的端 粒是比较长的，如果把小鼠的端粒酶RNA亚基敲除，它能活得很自在，并不会早衰，生殖力也正常。那也就是 说在当代的小鼠中，端粒缩短并不是小鼠衰老的原因。这样的小鼠可以一直传6代。当然越到后来，端粒越短，染色体也开始融合[1]。癌细胞的增殖需要端粒的不断复制，但是我们知道端粒酶激活只是癌细胞发生中比较重 要的一环，但远不是唯一的一环。端粒酶固然是治疗癌症的一个潜在靶标，但是癌细胞也能通过recombination （遗传重组）延长端粒，逃脱对端粒酶的依赖[2]。 所以，不能说是"衰老或癌症"的研究得诺奖了，它跟cell cycle（细胞周期）的研究得诺奖一样，更多的是对 细胞基本功能的重要研究的肯定。而这个研究的进程中贯穿着"发现现象/问题"-"提出概念/模型"-"实验验证" 的思路，整个过程就像相继解开一个个puzzle（智力谜团）一样有趣，充满了思想的光辉。"Nobel Prize in Medicine Awarded for Cracking DNA Puzzle"（诺贝尔医学奖授予解开DNA谜团"的研究"），这样的标题最为 精准。换个角度，我们不妨说是解"puzzle"得了诺奖。 相关链接：2009年诺贝尔生理学或医学奖揭晓 染色体DNA的两个难题以及端粒概念的提出 20世纪70年代初，对DNA聚合酶特性的深入了解引申出了一个染色体的复制问题。DNA聚合酶在复制DNA的时 候必须要有引物来起始，而且它的酶活性具有方向性，只能沿着DNA5'到3'的方向合成。染色体复制之初可以 由小RNA作为引物起始合成，之后细胞的修复机器启动，DNA聚合酶能够以反链DNA为模板，以之前合成的DNA 为引物，合成新的DNA取代染色体中间的RNA引物。但是线性染色体最末端的RNA引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。所以线性染色体DNA每复制一轮，RNA引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度

端粒酶与肿瘤的研究进展

端粒酶与肿瘤的研究进展 摘要: 端粒是真核细胞染色体末端的特定DNA序列及相关蛋白质组成的复合物，依赖一种特殊的逆转录酶——端粒酶合成。近来的研究表明，肿瘤细胞中端粒有所改变，端粒酶活性也有异常。这就提示我们针对端粒酶而开辟出一条攻克肿瘤的新途径。近年来，关于肿瘤分子水平上的研究表明，肿瘤的发生与不同时期不同的原癌基因的激活与抑癌基因的失活有关。这些基因的突变或缺失使细胞端粒酶活性表达，破坏正常细胞有丝分裂到一定程度便衰老，死亡的细胞周期，使其成为永生细胞。正常体细胞端粒酶处于失活状态。本文将对端粒酶与肿瘤关系方面的一些研究作以简要综述。 关键词: 端粒；端粒酶；肿瘤；肝癌；衰老；治疗 引言：最早观察染色体末端的科学家始于19世纪末期，Rabl[1]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 [2]和Muller HJ [3]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”，这是由希腊词根“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的。30多年前，Hayflick[4]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。 但端粒究竟是怎样的复杂结构呢？Blackburn和Gall[5] 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[6]，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[7] 。近年来，随着人体端粒酶的发现和端粒学说的提出， 已经知道决定细胞衰老的“生物钟”就是染色体末端的端粒DNA，它可随着年龄的增长 而缩短。 端粒及端粒酶的概念：端粒（telomere)是真核细胞线性染色体末端由端粒DNA 和端粒蛋白质构成一种特殊结构，是富含GC的高度保守的重复核苷酸序列，包括Ku70、 Ku80、依赖DNA的蛋白激酶和端粒重复序列结合因子2（TRF2）等。人的端粒DNA序列 由5'向3'方向的（TTAGGG)n重复串联组成，大约有2至15kb。在正常情况下，随着细 胞分裂，端粒的进行性缩短并诱发一系列分子事件，最终导致细胞发生凋亡；细胞 培养研究表明，当端粒再也无法保护染色体免受伤害时，细胞就会停止分裂，或者 变得不稳定。其功能是完成染色体末端的复制，防止染色体免遭融合、重组和降解。 染色体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的，端粒的长度决定了细胞的 寿命，故而被称为“生命的时钟”。端粒酶（或端粒体酶）是一种能延长端粒末端的 核糖蛋白酶，主要成分是RNA和蛋白质，其含有引物特异识别位点，以自身RNA为模 版，合成端粒DNA并整合到染色体末端，使端粒延长，从而延长细胞的寿命甚至使细

端粒与端粒酶研究于抗衰老的应用

端粒与端粒酶研究于抗衰老的应用 陈元懿 技术原理 端粒:端粒是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的结构，能够维持染色体的完整和控制细胞分裂周期。端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成的，染色体末端沿着5'到3' 方向的链富含 GT。在人中，端粒序列为TTAGGG/CCCTAA，并有许多蛋白与端粒DNA 结合。 端粒酶：端粒酶以自身的RNA作为端粒DNA复制的模板，合成出富含脱氧单磷酸鸟苷的DNA序列后添加到染色体的末端并与端粒蛋白质结合，从而稳定了染色体的结构。但是，在正常人体细胞中，端粒酶的活性受到相当严密的调控，只有在造血细胞、干细胞和生殖细胞，这些必须不断分裂复制的细胞之中，才可以侦测到具有活性的端粒酶。在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。 由于核DNA是线形DNA，复制时由于模板DNA 起始端被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。当端粒不能再缩短时，细胞就无法 继续分裂了。越是年轻的细胞，端粒长度越长；越 是年老的细胞，端粒长度越短。一旦端粒消耗殆尽， 细胞将会立即启动凋亡机制。端粒与细胞老化的关 系，阐述了一种新的人体衰老机制。 端粒酶以自身的RNA作为端粒DNA复制的模板，合成出富含脱氧单磷酸鸟苷的DNA序列后添加到染色体的末端并与端粒蛋白质结合，从而稳定了染色体的结构。 DNA复制期间的滞留链

尽管如此，正常人体细胞几乎不表达端粒酶，而在干细胞及肿瘤细胞中该酶的表达量较大。通过对细胞进行基因工程改造，改变细胞中端粒酶的活性，可以影响细胞衰老的进程。 技术应用（实验阶段） 1）美国德克萨斯大学西南医学中心的细胞生物学及神经系统科学教授杰里·谢伊和伍德林·赖特做了这样一项试验：在采集的包皮细胞（包皮环切术的附带产物）中导入某种基因，使细胞中产生端粒酶。一般来说，包皮细胞在变老之前可分裂60次左右。但在上述试验中，细胞已分裂了300多次却毫无终止的征兆，也没有显示任何异常的迹象。 2）哈佛Dana-Farber癌症研究所的科学家们通过控制端粒酶基因，第一次在老鼠身上局部逆转了年龄增长所带来的老化问题，其中包括：大脑和睾丸的新生长发育，繁殖能力的增强，以及恢复了部分已丧失的认知功能。 技术优点 1）此种技术在DNA层面上对细胞衰老进行干预，为人类从衰老的根本上进行打开一条的新的道路。 技术缺点 1）尽管端粒酶似乎能有效地延缓细胞凋亡机制的启动，但也发现它在多种癌细胞中都有大量表达，与癌细胞的无限增生密切相关。由于对细胞衰老机制探究的不完全，虽然在细胞方面的已有可参考的实验，但于生物体的改造仍有很多风险及不确定因素。 2）端粒酶技术仅仅从单个细胞的角度延缓衰老，但生物个体中的新陈代谢是一套更复杂的系统。关于如何在延长细胞寿命的基础上协调个体的细胞代谢机制仍需更进一步的研究。

端粒及端粒酶的主要结构特点及作用

端粒及端粒酶的主要结构特点及作用 端粒是真核生物线性染色体末端重要的DNA-蛋白质复合结构，由TTAGG重复序列和大量的端粒结合蛋白组成。主要是由六个端粒结合蛋白TRF1、TRF2、POT1TIN2、TPP1和Rap1组成的复合体起着保护端粒的作用，被称为是遮蔽蛋白。其中端粒重复序列结合因子TRF1和TRF2是两个主要的端粒结合蛋白，它们通过相互作用来维持端粒的正常结构和功能。 端粒的功能：1、保护染色体末端：真核生物的端粒DNA-蛋白复合物，如帽子一般，保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解，同时可能还有防止端粒酶对端粒进行进一步延伸的作用。改变端粒酶的模板序列将导致端粒的改变，从而诱导细胞衰老和死亡。 2、防止染色体复制时末端丢失：细胞分裂、染色体进行半保留复制时，存在染色体末端丢失的问题。随着细胞的不断分裂，DNA丢失过多，将导致染色体断端彼此发生融合，形成双中心染色体、环状染色体或其他不稳定形式。端粒的存在可以起到缓冲保护的作用，从而防止染色体在复制过程中发生丢失或形成不稳定结构。 3、决定细胞的寿命：染色体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的，端粒的长度决定了细胞的寿命，故而被称为“生命的时钟”。 4、固定染色体位置：染色体的末端位于细胞核边缘，人类端粒DNA和核基质中的蛋白相互作用，以′TTAGGG′结构附着于细胞核基质。 端粒酶的结构及功能：端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，由端粒逆转录酶(hTERT)、端粒酶RNA组分(hTR)以及端粒酶相关蛋白组成。端粒酶利用其自身hTR所携带的RNA为模板，在hTERT的逆转录催化下，将端粒重复序列合成到染色体末端，延长或稳定了随着细胞分裂而进行性缩短的端粒，在细胞永生化及恶性肿瘤的发生和发展中起到了重要的作用。 总之，端粒酶是一种特殊的反转录酶，是一种能延长端粒末端并保持端粒长度的核糖蛋白酶，由RNA和蛋白质亚单位组成，每个RNA均含有一段短的与端粒互补的序列，能以自身RNA模板合成端粒DNA添加到染色体末端，避免染色体复制丢失端粒DNA以使端粒延长从而延长细胞寿命。 蛋白质的一二三四级结构 一级结构：指多肽中从N-端到C-端的氨基酸序列,包括二硫键的位置。二级结构：多肽链借助氢键排列自己特有的a螺旋和b折叠片断。三级结构：指一条多肽链在二级结构或者超二级结构甚至结构域的基础上，进一步盘绕，折叠，依靠共价键的维系固定所形成的特定空间结构成为蛋白质的三级结构。 四级结构：指蛋白质的多条多肽链之间相互作用所形成的更为复杂聚合物的一种结构形式，主要描述蛋白质亚基空间排列以及亚基之间的连接和相互作用，不涉

端粒和端粒酶的发现历程资料

资料1 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。 资料2 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

端粒与端粒酶的研究进展综述

端粒与端粒酶的研究进展综述 作者：专业：遗传学学号： 摘要：端粒是稳定线性染色体末端的特殊结构，端粒酶可修复细胞分裂过程中不断丢失的末端端粒序列。端粒与端粒酶的存在在细胞的永生化中扮演着重要的角色，是细胞衰老与癌变的重要决定因素。本文综述了端粒与端粒酶目前的研究进展，及其与细胞衰老和肿瘤的关系。 关键词：端粒；端粒酶；肿瘤；细胞衰老 1.端粒与端粒酶 1.1端粒及其功能 端粒( t e l o m e r e )是真核细胞染色体的生理性末端, 由含G量的高DNA序列和相应的蛋白组成，不同生物的端粒各异。端粒广泛存在于真核生物细胞中, 具有特殊的功能：保护染色体末端；防止染色体复制时末端丢失；决定细胞的寿命；固定染色体位置等[1]。 1.2端粒酶及其功能 端粒酶（Telomerase）是一种核蛋白逆转录酶，由小分子RNA和蛋白质组成，能够合成和延伸端粒的核糖核蛋白。端粒酶以自身RNA 为模版，能够逆转录合成具DNA 重复序列的端粒，从而使得端粒延长，保持染色体结构的相对恒定。 近年来，端粒及端粒酶的研究已成为热点。这不仅因为它们具有维持生物遗传信息稳定、调控细胞生命周期的重要功能，还由于端粒

及粒酶的行为异常与多种人类肿瘤及肿瘤密切相关。 2.端粒、端粒酶与肿瘤 正常培养的人类成纤维细胞在分裂期间端粒是逐渐缩短的，这些缩短的端粒激活了细胞衰老程序，但是有少数细胞则可以细胞衰老调控机制失控的条件下癌变，此时端粒酶被重新激活以维持癌细胞无限增殖的能力。因此端粒酶的活性有无与强弱与癌症的发生和治疗有着密切的关联。 端粒酶的两个基本组分分别是作为端粒DNA模板合成端粒序列的功能性RNA（hTERC），和具有逆转录酶活性的催化蛋白——人端粒酶逆转录酶基因（hTERT），hTERT的表达与端粒酶活性密切相关是端粒酶活性的限速决定因子[2]。 雷红玮等[3]以荧光定量PCR分析hTERT的mRNA变化水平发现端粒酶的活性能够被JAK抑制剂所抑制，提示了端粒酶的活性激活与抑制依赖于JAK通路。通过调控JAK通路可使端粒酶的活性受到抑制，阻碍癌细胞的永生化，为治疗癌症提供了新的思路。 吴成举等[4]对组织标本中的hTERT进行RT-PCR扩增，检测端粒酶活性的表达，得出端粒酶结构中hTERT表达可以作为评价胃癌的重要指标之一。黄东海等[5]对丙氧鸟苷5-氟尿嘧啶对肺癌细胞的杀伤效果进行了分析指出化疗药物的不同使用剂量hTERT水平之间存在的关系。并得出hTERT可以用来评定肿瘤是否易于复发。 端粒、端粒酶与肿瘤的发生于发展有着密切的关系，所以通过端粒与端粒酶的活性控制、含量检测等手段，可以在肿瘤的提前发现，

端粒与端粒酶的发现历程——记诺贝尔生理学或医学奖

端粒与端粒酶的发现历程——记诺贝尔生理学或医学奖 本文是基于个人理解来整理的端粒和端粒酶的发现历史，因为知识时间有限，其中必有偏差和谬误的地方，关键之处还是以 原始文献为主。本人之所以赶这趟诺贝尔奖热，花大量的时间进行文献阅读和整理，是因为它提供了一次极好的向公众传播 科学思想的机会。由于端粒和端粒酶领域的一系列发现贯穿着"发现现象/问题"-"提出概念/模型"-"实验验证"的思路，重现这个思路对科学工作者是有启发意义的。本文也提供了一个很好的教学案例。 引言－到底是"谁"得诺奖了？ 2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了UCSF（加州大学旧金山分校）的Elizabeth Blackburn（简称Liz），Johns Hopkins University（约翰霍普金斯大学）的Carol Greider（简称Carol），以及Howard Medical School （哈佛医学院）的Jack Szostak。诺贝尔奖主页上介绍她/他们获奖的原因是揭示了"how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase"（染色体是如何被端粒和端粒酶保护的），这样描述是非常专业的。当然更多的公众媒体为了吸引眼球，会用"Aging Research Wins Nobel Prize"（衰老研究 摘取诺贝尔奖）的标题，这颇有误导之嫌。"揭开衰老与癌症的奥秘"，这样的标题更是耸人听闻，偏离这 个诺贝尔奖的用意了。 不可否认端粒和端粒酶的发现能获得诺贝尔奖，是因为它跟衰老和癌症的潜在关系获得了更多公众的关注。但是迄今为止它只是衰老和癌症的correlator（相关者），勉强算得上indicator（指示者），还远不是causer （引起者）。当年发现衰老的细胞端粒变短之后，人们兴奋地以为找到了衰老的"时钟"，揭开了衰老的奥秘。但是事实上端粒在生理条件下并不是细胞衰老的" 瓶颈"，细胞或机体的衰老是其它原因导致的老化。小鼠的端粒是比较长的，如果把小鼠的端粒酶RNA亚基敲除，它能活得很自在，并不会早衰，生殖力也 正常。那也就是说在当代的小鼠中，端粒缩短并不是小鼠衰老的原因。这样的小鼠可以一直传6代。当然越到后来，端粒越短，染色体也开始融合[1]。癌细胞的增殖需要端粒的不断复制，但是我们知道端粒酶激活只是癌细胞发生中比较重要的一环，但远不是唯一的一环。端粒酶固然是治疗癌症的一个潜在靶标，但是癌细胞也能通过recombination（遗传重组）延长端粒，逃脱对端粒酶的依赖[2]。 所以，不能说是"衰老或癌症"的研究得诺奖了，它跟cell cycle（细胞周期）的研究得诺奖一样，更多的是对细胞基本功能的重要研究的肯定。而这个研究的进程中贯穿着"发现现象/问题"-"提出概念/模型"-"实验验证"的思路，整个过程就像相继解开一个个puzzle（智力谜团）一样有趣，充满了思想的光辉。"Nobel Prize in Medicine Awarded for Cracking DNA Puzzle"（诺贝尔医学奖授予解开DNA谜团"的研究"），这样的标题最为精准。换个角度，我们不妨说是解"puzzle"得了诺奖。 染色体DNA的两个难题以及端粒概念的提出 20世纪70年代初，对DNA聚合酶特性的深入了解引申出了一个染色体的复制问题。DNA聚合酶在复制DNA的时候必须要有引物来起始，而且它的酶活性具有方向性，只能沿着DNA5'到3'的方向合成。染色 体复制之初可以由小RNA作为引物起始合成，之后细胞的修复机器启动，DNA聚合酶能够以反链DNA 为模板，以之前合成的DNA为引物，合成新的DNA取代染色体中间的RNA引物。但是线性染色体最末 端的RNA引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。所以线性染色体DNA每复制一轮，RNA 引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度（图一）。尽管这个引物不长，但是细胞千千万万代地不 断复制，如果不进行补偿，染色体不断缩短，最终就会消失。James Watson（因为发现DNA双螺旋结 构获得诺奖）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[3]。