端粒生物学的研究进展

端粒生物学的研究进展

在真核生物的染色体末端有一个特殊的结构——端粒，该结构在防止不同染色体之间的末端融合中发挥着重要作用。端粒(telomeres)最早于1938年由著名遗传学家、1946年诺贝尔生理与医学奖获得者穆勒(HermannMuller)提出,其词根来源于希腊文,“telos”意为末端,而“meros”意为部分或片段。当时科学家只是观察到端粒的存在,但关于这个特殊结构的细节和功能由于条件所限无法得知,直到20世纪70年代随着分子生物学理论和技术的发展才得到了解决,而伊丽莎白·海伦·布莱克伯恩(ElizabethHelenBlackburn)由于在该领域的卓越贡献而被尊称为“端粒女王”。1端粒序列的发现是应用dna测序方法进行检测的前提布莱克伯恩1948年11月26日出生于澳大利亚的塔斯马尼亚(Tasmania)的首府霍巴特,父母都是内科医生,因此从小布莱克伯恩就被培养出对科学的热爱。布莱克伯恩在墨尔本大学进行生物化学学习,并分别于1970年和1971年获得学士和硕士学位。1972年布莱克伯恩来到英国剑桥大学分子生物学医学研究委员会(MRC)跟随著名的生物化学家桑格(FrederickSanger)进行博士学习。桑格当时正在进行DNA测序方面的工作,并且由于双脱氧法的发明而最终分享了1980年的诺贝尔化学奖。布莱克伯恩在帮助桑格完成这个科学成就的同时自己也充分掌握了DNA测序方面的技能,并且也成为较早使用该测序方法进行研究的科学家,也正是测序方法的应用才促使端粒特异序列的发现。1975年布莱克伯恩从剑桥大学获得分子生物学博士学位,随后来到美国耶鲁大学进行博士后研究,实验室的主管是高尔(JoeGall)教授。高尔当时正以四膜虫为模式生物研究核糖体RNA的基因,并且发现在四膜虫内存在大量几乎相同的、短的微小染色体,这为染色体研究带来了巨大的便利,布莱克伯恩决定使用这个材料来进行染色体末端的测序工作。由于材料选择理想和DNA测序技术娴熟,不久布莱克伯恩就完成了染色体末端序列的测定,结果却出乎意料,rDNA的末端含有大约50个串联重复的六核苷酸(CCCCAA),如此大量重复在以前发现的DNA结构区是不存在的,为了证实这个发现的普遍性,随后发现在四膜虫染色体末端广泛存在着六核苷酸重复,但重复次数存在差异,从最少的20次到最多的70次。1978年,布莱克伯恩来到了加州大学伯克利分校分子生物学系并建立了自己的实验室,继续进行DNA末端序列的研究工作。经过布莱克伯恩和其他研究人员的努力,在随后的研究中发现不仅四膜虫染色体末端(端粒处)存在特异的碱基序列重复现象,在其他生物中也广泛存在,如酵母中为TG1-3重复,人类端粒重复序列为TTAGGG(1988年发现)。随着端粒特异重复序列广泛性的发现,一个非常重要的问题被提出,这些重复序列如何添加到染色体末端。1982年,布莱克伯恩推测可能有2种机制:一是端粒序列通过转座或重组的方式添加到DNA末端;另一种可能是简单的重复端粒序列在体内被特异性合成机器实现。布莱克伯恩更倾向于后一种机制,认为细胞内存在一种特异的酶催化了端粒末端添加反应,接下来的问题就是如何用实验来证实该酶的存在,一位研究生的加入使这个问题得到了很好的解决。2重新确定第1个证据并继续研究试点1984年5月,格雷德(CarolGreider)来到加州大学并成为布莱克伯恩的研究生,当时布莱克伯恩正在为寻找催化染色体末端特异序列添加的酶而努力,而格雷德勇敢的接受了这个挑战。为了更好的完成实验,格雷德一天工作12h,充分利用生物化学知识和DNA克隆等技术对这个问题进行了全面探索,不久就得到了一个较为理想的结果。格雷德在电泳结果中发现存在特异的六核苷酸重复,但后来却发现这是由于细胞内DNA聚合酶的缘故,因此不得不继续实验。在经历了太多的实验重复和错误后终于找到了正确的底物和合适的检测方法,并且发现了酶存在的第1个证据。1984年圣诞节,格雷德使用合成的DNA寡核苷酸代替原来的单核苷酸作为反应底物(同时还有放射性标记的核苷酸GTP)加入到四膜虫细胞提取液中,将获得的产物通过凝胶分离后进行放射自显影观察,结果发现具有6个核苷酸重复的条带周期性出现。由于上次实验的失败和布莱克伯恩治学的严谨,因此并没有立刻宣布这个结果,而是继续优化实验以得到更为扎实的结果,1985年上半年在综合了一系列结果后证实在四膜虫细胞中确实存在可以催化染色体末端(端粒)特异序列添加的酶,并命名为端粒末端转移酶(后简称为端粒酶),相关结果在《Cell》上发表。随后布莱克伯恩和格雷德对端粒酶的详细工作机理进行了深入全面研究。她们研究发现当在四膜虫细胞提取液中添加RNA酶后则丧失了末端添加能力,从而说明RNA在端粒酶的活性中发挥重要作用,进一步研究发现RNA是端粒酶作用时的模板,而酶中的蛋白质成分具有逆转录酶活性。布莱克伯恩还对端粒和端粒酶对细胞的活性进行了广泛的研究。早在20世纪70年代科学家就已经发现随着细胞的分裂染色体出现缩短的情况,但对于这种现象的本质一直不详。布莱克伯恩的研究发现当端粒酶活性减弱甚至消失则导致了端粒末端添加障碍而导致端粒缩短,而端粒的缩短则造成细胞的衰老,如端粒酶中的RNA突变将导致端粒延长受阻和细胞衰老的发生。这些成果为端粒和端粒酶的深入研究奠定了坚实的基础。3降低端粒酶的化合物在20世纪90年代掀起了端粒研究的热潮,从而在该领域取得一系列重大发现。在一些遗传性疾病中发现其端粒酶的活性降低从而导致端粒缩短,出现早衰的表现,如遗传性疾病——先天性角化不良等就由于端粒酶的RNA元件缺陷所致。端粒不仅在正常细胞生长过程中发挥重要作用,而且在失控的、恶性的细胞生长如癌细胞中也发挥重要功能。大约80%～90%的癌细胞中有较长的端粒和含有较多的端粒酶,布莱克伯恩认为癌细胞就是一种端粒酶异常升高引起的疾病,体外实验已经发现减少端粒酶的量可以在体外几天内杀死癌细胞,布莱克伯恩研究小组在体外发现当降低端粒酶活性可以有效抑制癌细胞生长。当前已有几种抑制端粒酶的化合物正在癌症的临床治疗实验,可望为癌症治疗开辟新的道路。1986年,布莱克伯恩被提升为加州大学伯克利分校的全职教授,而1990年,她又来到加州大学旧金山分校微生物学和免疫学系,并于1993-1999年期间担任系主任,这对布莱克伯恩而言是一个极高的荣誉,她是学校历史上第一个拥有此职位的女性。目前布莱克伯恩是加州大学旧金山分校生物化学和生物物理系教授,同时还管理着自己的实验室继续进行着科研活动,现在该实验室已经成为国际端粒及端粒酶研究的一个中心。由于在端粒和端粒酶研究方面的巨大贡献,布莱克伯恩得到了国际同行的尊敬并荣获了大量的科学荣誉。1991年布莱克伯恩成为美国科学与艺术学院院士,1992年成为英国皇家学会会员,1993年成为美国科学院外籍院士(2003年9月布莱克伯恩才成为美国公民),2000年还成为了美国医学研究所的成员,1999年起担任美国细胞生物学学会主席。布莱克伯恩曾经获得EliLilly微生物学和免疫