端粒和端粒酶

端粒和端粒酶 THETELOMEREANDTHETELOMERASE 一 端粒和端粒酶的发现 1 20世纪30年代 两位卓越的遗传学家Muller 诺贝尔获得者 和McClintock分别发现细胞染色体末端具有特殊序列 该序列具有维持染色体稳定性的功能 Muller根据希腊文 末端 telos 和 部分 meros 将染色体末端的特殊序列命名为 端粒 telomere 2 20世纪70年代 EHBlackburn利用四膜虫 Tetrahymena 一种有纤毛的单细胞池糖微生物 进一步揭示了这一端粒的初步结构 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 3 1972年 Watson发现了一个问题 他发现模板 template 和引物 primer 的存在 而且只能从5 到3 端方面合成 这样 在引物被去除之后 细胞每分裂一次 在新合成的DNA互补链的5 端必将留下一个小空缺 一段端粒 见图1 这就不能解释DNA从头 denovo 合成的问题 这样 细胞染色体长度会越来越短 稳定性越来越差 直至最终细胞衰亡 senscence 因此 科学家们考虑是否存在着一种不同于DNA多聚酶的酶来完成这一工作 4 1984年 CWGreider和EHBlackburn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 其端粒的长度延长了 这也就说明了切实有这样的一种酶存在 他们将它命名为 端粒酶 telomerase 5 1989年 Greider等成功地克隆了四膜虫端粒酶的RNA组分的基因 为159个核苷酸 其中包含5 CAACCCCAA 3 的膜板序列 以碱基互补的方式在3 端从头合成重复片段 GGGGTT n 同年 美国加州大学的分子生物学教授Morin 1989年 首次在人宫颈癌细胞株HeLa细胞中发现并鉴定端粒酶存在一种核糖核蛋白质 6 1995年 美国Geron公司Feng和纽约长岛冷泉港实验室Greider等克隆了人端粒酶RNA组分的基因 命名为hTR humanTelomeraseRNA 基因 定位于3号染色体 3q23 3 hTR基因有约450个碱基的转录本 其中包含5 CUAACCCUAAC共11个碱基的模板互补序列 这个模板互补序列刚好每次与1 5个 TTAGGG 重复序列互补 然后通过模板的滑动 再进行下一次合成 这个研究进一步揭示了端粒酶的作用原理 端粒酶作用的一种模型 整合和杂交 二 端粒 1 概念 真核细胞线性染色体末端的一组重复DNA序列 通常由富含鸟嘌呤核苷酸 G 的短的串联重复序列组成 2 组成 DNA 短的串联重复序列 不含功能基因 蛋白质 与单链富G端粒DNA结合的蛋白 与双链端粒DNA结合的蛋白 3 作用 维持染色体的稳定性虽然端粒序列不含功能基因 但是如果没有这些类似染色体的 帽子 cap 结构的端粒 染色体之间就会出现端 端融合 end to endfusion 降解 degradation 重排 rearrangement 和染色体丢失 chromosomeloss 等变化 这些变化威胁着染色体的正确复制和细胞的存在 起细胞分裂计时器的作用端粒核苷酸复制和基因DNA不同 每复制一次减少50 100bp 其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成 正常体细胞缺乏此酶 故随细胞分裂而变短 细胞随之衰老 4 特点 一个细胞里不同染色体的端粒都由相同的重复序列组成 但不同物种的染色体端粒的重复序列是各异的 端粒的重复序列不是在染色体DNA复制时连续合成的 而是由端粒酶 telomerase 合成后添加到染色体的末端 不同年龄的人的体细胞的寿命明显不同 其端粒的长度也不相同 它是随着年龄的增长而缩短 随着细胞分裂时染色体的复制使端粒不可避免地逐渐缩短 如人体细胞的端粒长度每年缩短30 50bp 端粒的缩短最终出现染色体的不稳定和细胞进入衰老乃至死亡 因为端粒长度的缩短而导致细胞分裂的停止的机制尚不清楚 目前有三种理论 第一种认为不断缩短的端粒最终将会影响到邻近的基因 第二种认为端粒DNA的完全丢失将会产生损伤的信号 这将会激活P53 第三种认为不是损伤的信号 而是缩短了的端粒本身激活了P53 二 端粒酶 1 概念 端粒酶是一种RNA与蛋白的复合体 它以自身RNA上的一个片段为模板通过逆转录合成端粒重复序列 并通过一种RNA依赖性聚合酶 如逆转录酶 机制加到染色体3 末端以延伸端粒 2 组成 RNA 作为模板 蛋白质 反转录酶 3 作用机制 在端粒DNA的复制时 端粒酶既有模板 又有逆转录酶这两方面的作用 其与端粒3 端结合后 以其RNA为模板 经反转录延长端粒 从而保护DNA双链末段免遭降解及相互融合 4 特点 端粒酶可以延长正常细胞的生命周期并且加速人类干细胞复制的能力 正常的细胞在其生命周期中只能分裂60 100次 而端粒酶可以促进这个能力 显著的延缓衰老的进程 端粒酶活动受细胞类型的特异性调节端粒酶在体细胞中很少表达 但在骨髓 肿瘤细胞 外周血白细胞如部分粒细胞 T细胞 单核细胞 B细胞和精子细胞这些高增殖的细胞中却相当活跃 三 研究端粒和端粒酶的医学意义 作为诊断肿瘤的工具通过获得活检组织的标本作端粒酶的检测 可以鉴别病变组织的良恶性 这种方法具有很高的灵敏度及特异性 作为肿瘤分期及预后的指标由于端粒酶在肿瘤不同阶段表达的不同 以及与临床结果