端粒和端粒酶概述课件

端粒和端粒酶概端粒和端粒酶概 述述 学号学号 8105064481050644 0505级生物技术级生物技术 张婧张婧 前言 端粒是染色体末端由重复DNA序列和相关 蛋白组成的一种特殊结构，具有稳定染色体结 构及完整性的功能，会随染色体复制与细胞分 裂而缩短。端粒酶是一种核糖核蛋白，能以自 身RNA模板合成端粒DNA，为细胞持续分裂提 供遗传基础。由于端粒和端粒酶与细胞衰老、 肿瘤发生等现象密切相关，所以它也成为了科 学家们当前的研究热点。 背景知识一 端粒的发现 70 70 年前两位著名的遗传学家年前两位著名的遗传学家 BarbavaBarbava McClintockMcClintock和和 Hermann Hermann J.MullerJ.Muller发现：发现：染色体染色体 的末端的末端有一种能有一种能稳定染色体结稳定染色体结 构和功能的特殊成分构和功能的特殊成分。如果缺。如果缺 少了这种成分，染色体之间就少了这种成分，染色体之间就 会互相粘连、出现结构的变化会互相粘连、出现结构的变化 或其它错误的行为，以致影响或其它错误的行为，以致影响 到染色体的生存和正确复制并到染色体的生存和正确复制并 进一步威胁到细胞的存亡。进一步威胁到细胞的存亡。 Hermann Hermann J.MullerJ.Muller（1890196718901967） 19461946年获年获 Nobel Prize Physiology or Nobel Prize Physiology or MedicineMedicine 。 背景知识二 端粒的精确分析 7878年，美国科学家年，美国科学家BlackburnBlackburn和和Joseph G. GallJoseph G. Gall发现发现 ，单细胞生物，单细胞生物四膜虫四膜虫的端粒是由的端粒是由一种很短的简一种很短的简 单重复序列单重复序列TTGGGGTTGGGG多次重复多次重复而成。而成。 从那以后，多种生物的端粒序列已被确定，从那以后，多种生物的端粒序列已被确定， 它们它们均是由富含均是由富含G G和和T T的简单重复序列不断重复的简单重复序列不断重复 而成而成。正是这些连接在染色体末端的核苷酸重。正是这些连接在染色体末端的核苷酸重 复序列和结合在其上的一些蛋白质共同构成了复序列和结合在其上的一些蛋白质共同构成了 真核生物染色体的真核生物染色体的“末端保护帽末端保护帽” 。 主要内容 I.端粒及其结构功能 II.端粒酶结构及其作用机制 III.端粒酶与细胞衰老和肿瘤发生机制初探 一、端粒的结构和功能 通过通过原位杂原位杂 交技术交技术, ,清晰清晰 可见位于染可见位于染 色体末端的色体末端的 端粒结构端粒结构 1.1 端粒的结构 端粒是由简单重复序列组成的一段核酸。 端粒以GT富集的形式延伸在CA富集链上。G 尾部由于CA富集链的有限降解而产生。 几乎所有生物的端粒重 复序列可以写成： n(/)m的形式。 人的端粒重复序列为 TTAGGG 富含鸟嘌呤的G链在解离下来时，往往不表现出一 条单链DNA，它们的电泳带有异常。 这可能是由于鸟嘌呤又相互连接的不寻常能力:端粒 的G链尾能够形成“G四联体”.每个四联体含有四个 鸟嘌呤彼此通过氢键形成平面结构。但是这并未验证 染色体末端存在这种体外观察结构。 在一种端粒结合蛋白 TRF2蛋白催化下，端 粒（人）的3单链末 端（G尾）重复取代 了双链体DNA中的同 源重复以形成一个环 。 TRF2蛋白与其它蛋白 一起形成能稳定染色 体端部的复合物。 右图真实的显右图真实的显 示出端粒在染示出端粒在染 色体末端形成色体末端形成 一个特殊的一个特殊的 DNADNA环。环。 没有游离的末端可能是使染色体末端稳定的关键没有游离的末端可能是使染色体末端稳定的关键 1.2 端粒的功能 端粒作为染色体末端的特殊结构具有: 稳定染色体结构、功能完整性的作用。 随染色体复制与细胞分裂而缩短的特性。 稳定染色体结构及完整性 l端粒特殊的序列经辅助因子加工，在染色体末端 形成了紧密地非共价键闭合环, 可以防止染色体相 互间在末端发生融合和重组,使正常的染色体末端 区别于受损的DNA双链,从而避免激活DNA损伤应 答机制。 l端粒特殊的重复序列被特异性的结合了一些 端粒 结合蛋白POT(protector of telomeres )形成帽子结构复合 物，从而防止染色体被核酸外切酶降解。 随复制逐渐缩短 由于DNA复制存在5末端复制缺陷问题,导 致了细胞的染色体末端的端粒DNA会伴随着染 色体的复制与细胞分裂出现渐进性的丢失。 但在有端粒酶活性的细胞中，端粒酶可以被 合成延伸。 90年,Harley等人用人工合成的(TTAGGG)3作探 针，对胎儿、新生儿、青年人及老年人的成纤 维细胞进行端粒长度测量，发现其长度随年龄 增长而明显缩短。 二、端粒酶的结构和功能二、端粒酶的结构和功能 端粒酶端粒酶 是一种是一种 自身携自身携 带带RNARNA 模板的模板的 核糖核核糖核 蛋白。蛋白。 2.1 端粒酶的结构端粒酶的结构 端粒酶至少由三个组分构成 端粒酶RNA (Telomerase RNA Component, TR) 端粒酶逆转录酶 (Telomerase Reverse Transciptase,TERT) 端粒酶相关蛋白 (Telomerase associated protein, TEP) 三种不同生 物的端粒酶 TR二级结构 绿色的代表 结合 TERT的 保守区. 红色的是重 复序列相应 的模版一般 是DNA中重 复序列的一 个半拷贝。 TR的结构 具有一个特殊的 T 结构域和7个保守的逆转录 酶结构域 。这些保守的结构域在 TERT和模板 RNA结合以及发挥端粒酶活性上起着重要作用 。 TERT是一个进化上高度保守的蛋白 逆转录酶的亚基经过研究发现 ，在体内是以二聚体的形式存 在的，根据这个现象结合对HIV -1的研究成果，可以在理论上 构建人工的端粒酶活性抑制剂 。 2.2 端粒酶的功能 端粒酶的核心作用是延长端粒，从而维持端 粒在复制分裂中保持一定长度，为细胞具有不 断复制提供遗传基础。 TR和TERT是端粒 酶发挥作用的核心组 分，分别提供模板和 逆转录合成端粒DNA 。 端粒酶延长端粒的模式 l端粒酶可结合到3末端上，RNA模板5端识别DNA 的3端并相互配对，以RNA链为模板使DNA链延伸 合成一个重复单位后在跳跃到（也可以连续移动）另 一个单位；3端单链又可回折作为引物合成相应的互 补链。 l其活性只需dGTP和dTTP，组装时需要DNA聚合酶的 参与。 l端粒的长度不取决于端粒酶，而是由其他结合于端粒 酶的蛋白决定。 端粒酶的活性 n在生殖细胞中，由于存在端粒酶的活性，端粒 保持约15kb长度，而在成年人的大部分体细胞 中，由于不存在其活性，端粒要短得多。 n90年,Harley等人用人工合成的(TTAGGG)3作 探针，对胎儿、新生儿、青年人及老年人的成 纤维细胞进行端粒长度测量，发现其长度岁年 龄增长而缩短。由此提出了著名的生命钟理论 。 生命钟假说 oo人体细胞中端粒酶合成和延长端粒的作用是在胚人体细胞中端粒酶合成和延长端粒的作用是在胚 系细胞中完成的，当胚胎发育完成以后，端粒酶系细胞中完成的，当胚胎发育完成以后，端粒酶 活性就被抑制。即在胚胎发育时期获得的端粒，活性就被抑制。即在胚胎发育时期获得的端粒， 应已足够维系人体的整个生命过程中因细胞分裂应已足够维系人体的整个生命过程中因细胞分裂 所致的端粒缩短。所致的端粒缩短。 oo所以，所以， 当人体出生以后，染色体端粒就象是一个当人体出生以后，染色体端粒就象是一个 伴随着细胞分裂繁殖的伴随着细胞分裂繁殖的“ “生命之钟生命之钟” ”，它历数着细它历数着细 胞胞可分裂的次数同时也见证了细胞由旺盛地生长可分裂的次数同时也见证了细胞由旺盛地生长 繁殖到走向衰老死亡的整个生命历程。繁殖到走向衰老死亡的整个生命历程。” ” 细胞的永生态 P53基因、Rb基因是广为人知的介导细胞衰老 进入凋亡程序的重要因素。 若这两个基因异常，那么细胞会继续分裂进入 危险期，大部分由于端粒过短而死亡，极少数 细胞由于激活了端粒酶得以永生或维持更长的 复制代数 。癌细胞 三、端粒、端粒酶与细胞衰老和 肿瘤发生机制初探 端粒酶的直接或间接抑制剂不仅可以用于肿瘤 的治疗,而且端粒酶活性的高低还可以用一些临 床良性表现但具有潜在恶性变的肿瘤的发展趋 势给予判断。 此外,端粒酶测定在 肿瘤的检测和预后 效果的估价上也有 重要意义！ 肿瘤细胞的两个特点 v端粒酶被激活，个体细胞端粒长度虽然不同，但 比分化了的体细胞长。 v细胞复制周期失调，周期的失调同时影响端粒调 控复制机制。 v因此我们可以从这两方面现象入手，运用细胞生 物学方法和分子生物学技术来寻找相关因子推断 调控机制。 两种蛋白的发现 n到目前端粒酶调控机制还没有完全弄清，但近 20年的大量研究发现人体中的TRF1和TRF2蛋白 能够特异性结合在端粒上。 nTRF2的作用主要与催化D环的形成。 nTRF1的过度表达会导致端粒长度的进行性缩短, 并证实TRF1并不是通过控制端粒酶的表达,而是 通过阻碍端粒酶与端粒的结合而发挥的作用。 而一种名为Tankyrase 的酶可以将TRF1从端粒 上解离下来。 影响端粒酶的活性的新发现 2005年，韩国科学家通过把 MKRN1基因转染进癌细胞并使 其表达。 结果发现，不断进行细胞分裂 成长的癌细胞出现老化死亡的现 象。这是因为，该基因抑制了癌 细胞内端粒酶的作用,但它的作用 仅限于癌细胞。 应用端粒知识治疗癌症 n通过抑制端粒酶活性（阻抑或关闭模板、抑 制逆转录酶亚基活性、阻止端粒酶基因转录 、破坏二聚体结构等） n通过阻止端粒与端粒酶结合（过表达TRF1 蛋白基因、降低Tankyrase活性、阻止合成 TRF2以阻止D环形成等） 端粒问题为克隆造成的麻烦 多利出生后的年龄检测表明其 出生的时候就上了年纪。她6 岁的时候就得了一般老年时 才得的关节炎。这样的衰老 被认为是端粒的磨损造成的 。随着细胞分裂，端粒在复 制过程中不断磨损，这通常 认为是衰老的一个原因。 小结 除端粒的功能外，端粒的发现过程也带给我们很多启示 ，首先，科学工作者不能将自己的思路禁锢在自己相对较 窄的研究领域，与不同领域的人多加交流，换角度思考问 题都会使人的思想更为开阔。 其次，在进行高风险、高回报研究时要勇于设想、敢于 实践。 再则，对新鲜有趣的事物要积极探究真相，即便最初可 能看不到它的利用价值。因为人类了解世界的过程就像盲 人摸象，人们最先看到的往往是零散无序的事物，但在这 种零散的背后，却是环环相扣、密不可分的真实世界。 参考资料 图片资料和相关科技短文出处 略 分子生物学第二版影印版 基因八复旦大学译版 Telomerase activity, estrogen receptors (, ), Bcl-2 expression in human breast cancer and treatment response Blanca Murillo-Ortiz Centro Medico Nacional Immunohistochemical detection of hTERT in urothelial lesions: a potential adjunct to urine cytology Walid Khalbuss and Steve Goodison University of Florida The Pleiotropy of Telomerase against Cell DeathYoung Hoon Sung Seoul National University 端粒酶对细胞周期调控和肿瘤发