浅谈端粒及端粒酶.doc

浅谈端粒、端粒酶及其应用领域2009年，美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白布莱克本、美国巴尔的摩约翰霍普金斯医学院的卡罗尔格雷德、美国哈佛医学院的杰克绍斯塔克因发现端粒和端粒酶保护染色体的机理而获此殊荣。他们的这一发现解答了生物学上的一个重大问题，即染色体在细胞分裂时是如何以完整的形式自我复制的，以及它们是如何受到保护而免于降解的。3位科学家揭示了其答案就在染色体的末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。简单的说，端粒是染色体末端的一种特殊结构，它是由许多简单短重复序列和端粒结合蛋白组成。端粒是染色体末端的一段DNA片段。端粒酶是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，端粒酶能延长缩短端粒（缩短的端粒其细胞复制能力受限），从而增强体外细胞的增殖能力。端粒酶在正常人体组织中的活性被抑制，在肿瘤中被重新激活，端粒酶可能参与恶性转化。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。端粒是染色体末端的结构。染色体 DNA 末端膨大成粒状，像帽子那样盖在每条染色单体的两端。因此，每对染色体有 2 个染色单体 4 个端粒，人类有 23 对染色体，46 条染色单体，各种生物所具有的遗传信息均蕴藏在这些染色体的DNA 中。通常情况下染色体不会发生互相融合、信息丢失，或在某些情况下被降解。究其原因，以往并不太清楚。加利福尼亚大学伯克利分校的布莱克本在研究染色体时发现其末端有大量的 DNA 重复序列，即 CCCCAA，该序列重复可达数十至过百次，并折成二级结构。1980 年布莱克本将其公布，这引起了哈佛医学院的绍斯塔克的重视。1982 年他们将进一步的研究结果公布，该结果证实端粒 DNA 的重复序列对维护染色体的稳定性和 DNA 复制的完整性并且不被降解，具有重要的作用。人们在研究 DNA 复制合成的过程中观察到，DNA 聚合酶并不能完成 DNA 末端的端粒 DNA 序列的复制与合成，推测可能另有其酶。1984 年作为布莱克本研究生的格雷德在细胞抽提物中发现了这种酶，她们将此酶命名为端粒酶并使之纯化，同时证明此酶由 RNA 及蛋白质组成。1997 年，人类端粒酶基因被克隆成功并鉴定出了该酶由三部分组成：端粒 RNA、端粒酶协同蛋白和端粒酶逆转录酶。此酶既有 RNA 模板功能又有逆转录功能，它可延长端粒的 DNA，为 DNA 聚合酶复制染色体长度而不丢失末端部分提供一个平台，保障了 DNA 复制的完整性。绍斯塔克与布莱克本等的研究还证实，端粒的逐渐缩短或端粒酶 RNA 发生突变造成端粒缩短，均能造成细胞生长衰退并逐渐停止分裂。以上的研究揭示了“海弗列克极限”即人体细胞只能进行大约 60 次的分裂，端粒的缩短导致了细胞的衰老。格雷德的研究小组也证实，人类细胞衰老可被端粒酶延缓，细胞分裂次数可超过 60 次。端粒酶延长端粒及补偿端粒缩短，使细胞保持“年轻化”从而延长生命。目前通常认为用体细胞克隆出的克隆羊多利“短命”，是因为母体细胞的端粒长度短于正常出生的羊。目前认为，细胞的衰老是由于端粒的丢失引起的，而端粒的丢失又与端粒酶的活性有关。人类细胞内端粒酶活性的缺失导致了端粒缩短，每次丢失 50200 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，细胞就会停止分裂而进入衰老状态。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。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，使肿瘤细胞系增生加强，导致细胞永生化甚至癌变。人类衰老、癌症和干细胞这些难题的重要方面这些发现对于科学界产生了重大影响。许多科学家推测端粒缩短可能是衰老的原因，不仅在单个细胞是这样子，有机体作为一个整体也是这样。但是，衰老过程非常复杂，现在认为可能有多种因素，端粒只是其中之一。这方面的研究仍然是个热点。大部分正常细胞不会经常分裂，因此，它们的端粒不具有缩短的风险，也不具有高的端粒酶活性。相反，癌细胞具有无限分裂能力，需要保护其端粒。它们是如何逃避细胞衰老的？其中一个解释是非常显而易见的，就是发现癌细胞的端粒酶活性升高。因此，有人设想可以通过去除端粒酶而治疗癌症。这方面已经有些研究正在进行，包括针对升高的端粒酶活力的疫苗的临床试验。由于端粒酶缺陷引起的遗传病，包括某种类型的先天性再生障碍性贫血，就是由于骨髓干细胞细胞分裂不足而引起的严重贫血。某些遗传性皮肤病和肺病也是由于端粒酶缺陷引起的。围绕端粒酶开展的工作成为药物研究的热点,特别是在抗癌药的研究方面。因为科学家认为,这种酶对于肿瘤细胞不受控制地复制发挥着关键作用。比如,美国默克公司和杰龙生物医药公司针对端粒酶研制了一种治疗疫苗,自去年起就处于试验阶段的这种疫苗能够对肺癌和前列腺癌患者起到治疗作用。英国医学研究委员会的科学家说:“他们对染色体的研究为未来围绕癌症、干细胞和人类衰老开展的工作奠定了基础,这些研究领域是极其重要的。”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