染色体端粒和端粒酶

,染色体端粒和端粒酶telomereandtelomerase,NobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,主要成就：他们共同解决了生物学的一个重大问题，即“在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体如何受到保护以免于退化”。“这三位科学家向我们展示，解决办法存在于染色体末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。”,一、端粒和端粒酶的发现和定义二、端粒的结构和功能三、端粒酶的结构和合成端粒的机制四、端粒、端粒酶与肿瘤和细胞衰老五、研究现状,端粒与端粒酶主要内容,目录,CONTENTS,一端粒和端粒酶的发现和定义,1978年伊丽莎白通过体外DNA复制实验，推断出模式生物四膜虫的端粒中含有许多重复的5-CCCCAA-3六碱基序列，首次阐明了四膜虫的端粒结构。同时，杰克绍斯塔克正试图在酵母中建构人工线性染色体，希望它能够像自然染色体一样在细胞中复制。但他构建的人工染色体转化入细胞后总是很快降解。1980年，当伊丽莎白报道她关于端粒DNA的发现时，引起了杰克的极大兴趣。于是二人合作将新发现的四膜虫端粒序列和人工染色体连接到一起，而后导入酵母细胞。奇迹出现了，人工染色体不再降解，可以在细胞内正常复制。这一方面证实了端粒对染色体的保护作用，也使DNA的大片段克隆成为可能，为后来的人类基因组测序奠定了基础。,一端粒和端粒酶的发现和定义,1984年，卡罗尔作为博士研究生进入伊丽莎白实验室，开始了端粒末端合成机制的研究工作。她们假设端粒是由某种酶合成，那么在细胞裂解液里应该有这种酶的存在，如果使用四膜虫细胞裂解液在体外能检测到端粒序列的复制和延伸，那无疑证实这种“酶”的存在。,一端粒和端粒酶的发现和定义,结果显示，当四膜虫细胞裂解液加入四膜虫或酵母端粒序列DNA时，其明显被重新加上了DNA碱基，而且以6个碱基递增的方式延长，与四膜虫端粒重复基本单位为6个碱基正好吻合，而对于随机序列的DNA底物并不发生延伸。实验结果证明，端粒DNA的延伸是通过“酶”来完成的，且这种酶的活性不依赖于DNA模板。这种酶后来被命名为“端粒酶”。,一端粒和端粒酶的发现和定义,（一）端粒染色体末端由重复DNA序列和相关蛋白组成的特殊结构，具有稳定染色体结构和完整性的功能。,一端粒和端粒酶的发现和定义,（二）端粒酶（telomerase）是核蛋白逆转录酶，以自身RNA为模板，合成端粒DNA，将端粒DNA加至真核细胞染色体末端，为细胞持续分裂提供遗传基础。由于端粒和端粒酶与染色体保护、肿瘤发生、细胞衰老等现象密切相关，所以它成为科学家当前的研究热点。,二端粒的结构和功能,（一）端粒的结构,二端粒的结构和功能,二端粒的结构和功能,（二）端粒的功能1、稳定染色体末端结构；,（1）端粒T环结构(terminalloop)，使染色体末端封闭起来，免遭破坏；（2）端粒D环结构(displacementloop)，结合TRF2等蛋白，阻止染色体末端融合和损伤反应。,没有游离的末端是染色体末端稳定的关键,二端粒的结构和功能,（二）端粒的功能1、稳定染色体末端结构；2、保持染色体DNA遗传信息复制的完整性，解决DNA末端复制问题；,35,35,53,53,53,Telomerase,DNAsynthesis,35,保持染色体DNA遗传信息复制的完整性,二端粒的结构和功能,（二）端粒的功能1、稳定染色体末端结构；2、保持染色体DNA遗传信息复制的完整性，解决DNA末端复制问题；3、与细胞衰老有关。细胞愈年轻，端粒愈长；细胞愈老，端粒愈短。,端粒长短与细胞衰老有关,三端粒酶的结构和合成端粒的机制,（一）端粒酶的结构由RNA组分和蛋白质组分组成。,（二）端粒酶合成端粒的机制,（一）肿瘤发生:端粒-端粒酶学说随着细胞分裂次数的增加，端粒逐渐缩短，当其缩短到关键长度时，细胞停止分裂，大部分细胞在基因调控下衰老死亡。极少部分细胞通过病毒基因的整合或抑癌基因的突变而逃脱死亡，通过某种机制激活端粒酶，使端粒长度得以维持，成为永生细胞，无限增殖，形成肿瘤。,四、与肿瘤和细胞衰老的关系,四端粒、端粒酶与肿瘤和细胞衰老,在正常人的体细胞中，检测不到端粒酶活性；85%-95%的肿瘤细胞中，检测到端粒酶活性；抑制端粒酶活性，可以使永生细胞转化为正常细胞。临床应用：1、直肠癌的早期诊断方法2、治疗癌症：RNA干扰技术,（二）细胞衰老：生命钟假说人体细胞中，端粒酶延长端粒的作用是在胚系完成的，当胚胎发育完成后，端粒酶活性被抑制。当人出生以后，端粒就象是一个伴随着细胞分裂繁殖的“生命之钟”，历数着细胞可分裂的次数，同时也见证了细胞由生长到衰老死亡的整个生命历程。,四端粒、端粒酶与肿瘤和细胞衰老,端粒酶活性在多细胞生物的体细胞中受到抑制，导致染色体在每一代细胞中逐渐缩短。随着这种缩短到达信息DNA,细胞衰老和死亡。,细胞分裂,端粒阈值,当端粒酶活性被抑制,端粒长短与细胞分裂次数呈正比,端粒长短,基因探针检测,胎儿细胞株婴儿细胞株青年细胞株老年细胞株,不同年龄段,端粒长度,研究端粒丢失速率，预测人类寿命,长短,四、与肿瘤和细胞衰老的关系端粒与生物体衰老的经典例证,1996年7月，克隆羊多莉出生，6年后，她得了一般老年时才会得的关节炎和肺病而死亡。羊的平均寿命是12岁。克隆多莉时，使用的是6岁成年羊的体细胞核。,1.端粒酶逆转衰老过程的研究：2010年11月，美国哈佛大学医学院的研究者JaskelioffM等在Nature杂志发表了有关端粒酶和衰老研究的重要发现。他们利用基因工程技术成功地将端粒酶缺陷型小鼠的衰老过程逆转。迄今为止，这是首次有小鼠动物实验成功地逆转衰老过程，意味着一些老化的器官也有“重生”的可能。这项突破成果或有望防治脑退化症(如老年痴呆症)、糖尿病和心脏病等疾病，甚至有望打开永恒青春的奥秘。,五、端粒与端粒酶的研究现状,五、端粒与端粒酶的研究现状,2.万能癌症疫苗的研究：2011年4月15日，据英国每日邮报报道，英国科学家近期研制出了一种“万能”疫苗，可用于治疗包括胰腺癌在内的多种癌症，并预计在两年后面世。这个“新发明”还不会像其它癌症药物一样导致副作用，例如头晕和掉头发。从原理上讲，它会激活免疫系统找出并破坏癌细胞的端粒酶，从而抑制癌细胞的生长。而健康细胞不会遭受攻击，因为它们的端粒酶含量太低，不会引起免疫系统的注意。,五、端粒与端粒酶的研究现状,？,五、端粒与端粒酶的研