2009年诺贝尔生理学或医学奖.ppt

1、端粒酶的发现2009年诺贝尔生理学或医学奖,一.引言 二.端粒和端粒酶的结构和功能 三.端粒酶的意义,一.引言,瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予 伊丽莎白-布莱克本（美国加利福尼亚旧金山大学） 卡罗尔-格雷德 （美国巴尔的摩约翰-霍普金斯医学院） 杰克-绍斯塔克（美国哈佛医学院） “发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的” 因为他们的研究对癌症和衰老研究具有重要的意义 ？,颁奖词,“今年的诺贝尔生理学或医学奖颁给三名科学家，他们解决了生物学的一个重大问题：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。这三位诺贝尔奖获得者已经向我们展示，解决办法

2、存在于染色体末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。” “携带基因信息的DNA线状长分子挤压形成染色体，端粒就像一顶高帽子置于染色体头上。伊丽莎白-布莱克本和杰克-绍斯塔克发现端粒的一种独特DNA序列能保护染色体免于退化。卡罗尔-格雷德和伊丽莎白-布莱克本确定了端粒酶，端粒酶是形成端粒DNA的成分。这些发现解释了染色体的末端是如何受到端粒的保护的，而且端粒是由端粒酶形成的。” “如果端粒缩短了，细胞就会老化。相反，如果端粒酶的活动显著，端粒的长度也就能得以保持，并且细胞衰老也将延后。癌细胞就是一个例子，癌细胞被认为是具有永久生命力的。相反，某些特定的遗传疾病，会出现一些有缺陷的端粒酶这样的特征，导致

3、损害细胞。对此诺贝尔奖颁给这一细胞基本机制的发现，这一发现有助于新的治疗措施的发展。” 总之，伊丽莎白-布莱克本、卡罗尔-格雷德以及杰克-绍斯塔克的发现提高了人们对于细胞的理解的深度，阐明了疾病机制，有助于未来新治疗方法的发展。,伊丽莎白布莱克本,获奖者伊丽莎白布莱克本,因为对小布什政府限制胚胎干细胞研究提出批评，2004年伊丽莎白-布莱克本被小布什政府的生物伦理委员会解职。 今年早些时候，伊丽莎白-布莱克本说：“前政府给人以非常奇怪的印象，他们认为科学是道德的敌人。” 伊丽莎白布莱克本因学术成就卓著曾被美国时代周刊评为年度全球最具影响力的100个人物之一。,得主感言,新华网斯德哥尔摩10月5

4、日电 “我感到有些颤抖，我在想，这种荣誉的认可对于由求知欲驱动的基础科研是多么多么的美妙”接到诺贝尔奖评选委员会来自瑞典的获奖电话通知时，美国科学家卡萝尔格雷德刚刚起床，正在忙着洗熨衣服。 瑞典卡罗林斯卡医学院5日宣布，将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予3位美国科学家伊丽莎白布莱克本、卡萝尔格雷德和杰克绍斯塔克，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。根据诺贝尔奖的惯例，每年的获奖候选人名单在50年内都不对外公开，只在揭晓那一刻宣布得主的名字，并通过电话通知这些获奖者。今年的3位诺贝尔奖得主在获知得奖的刹那都感到“狂喜不已”。 布莱克本说，早在她当年获得有关端粒和染色体的研究成果时

5、，就意识到这些成果非常重要，她在“做大事”。但获得诺贝尔奖的喜讯传来时她依然十分兴奋，“我感到如此的激动我想，这实在是太有意思了”。布莱克本评价说，她的发现“是一项非常重要的研究成果，你并不总会对一项成果有这样特殊的感受”。 突如其来的获奖消息显然令绍斯塔克也十分激动，他说：“我期待能举办一个大型的聚会，来庆祝获得这一声望很高的奖项。”,卡罗尔格雷德,杰克绍斯塔克,伊丽莎白-布莱克本,伊丽莎白-海伦-布莱克本是一名分子生物学家和生物化学家，她在DNA和细胞分裂方面进行了开创性研究，这为弄清楚生命的化学基础提供了新的研究方法。 她发现了一种关键性的酶，端粒酶。端粒酶对于染色体在细胞分裂前进行自我

6、复制是必需的，已经用于染色体行为和一些疾病的研究，比如真菌感染和癌症。 伊丽莎白-布莱克本拥有美国和澳大利亚双重国籍，1948年11月出生在澳大利亚霍巴特。伊丽莎白-布莱克本的父母都是内科医生，她对医学和生物学的兴趣从小就受到了父母的影响。,伊丽莎白-布莱克本1970年本科毕业于墨尔本大学，1971年获得墨尔本大学理科硕士学位。之后前往英国剑桥大学深造，1975年获得分子生物学博士。在剑桥大学上学期间，伊丽莎白-布莱克本遇到并同约翰-赛达特结婚。约翰-赛达特是美国人，在英国攻读生物学博士后学位。之后由于职业发展和个人原因，伊丽莎白-布莱克本前往美国。 到美国后，伊丽莎白-布莱克本展开了端粒研究

7、。端粒有助于染色体保持稳定和完整，保证DNA自我复制过程的完整性。1978年，她成为美国加州大学伯克利分校的助理教授。正是在这所大学工作期间，她做出了有关染色体和DNA的开创性发现。 1990年伊丽莎白-布莱克本来到美国加利福尼亚旧金山大学。目前她是旧金山大学莫里斯赫尔兹斯坦生物学和生理学教授。 因为对小布什政府限制胚胎干细胞研究提出批评，2004年伊丽莎白-布莱克本被小布什政府的生物伦理委员会解职。今年早些时候，伊丽莎白-布莱克本说：“前政府给人以非常奇怪的印象，他们认为科学是道德的敌人。” 伊丽莎白布莱克本因学术成就卓著曾被美国时代周刊评为年度全球最具影响力的100个人物之一。,卡罗尔-格

8、雷德,卡罗尔-格雷德是美国人，1961年出生在圣地亚哥，距离加州大学戴维斯校区不远，她的父亲是该校的一名物理学教授。 卡罗尔-格雷德1987年在加州大学伯克利分校赢得分子和细胞生物学博士学位。在美国冷泉港实验室完成博士后研究后，卡罗尔-格雷德1997年被巴尔的摩约翰-霍普金斯医学院分子生物学和遗传学系任命为教授。 卡罗尔-格雷德同他人共同发现了端粒酶，这种酶有助于端粒保持长度和完整。 卡罗尔-格雷德同伊丽莎白-布莱克本、杰克-绍斯塔克在2006年因基础性医学研究获得美国艾伯特-拉斯克医学奖。,杰克-绍斯塔克,杰克-绍斯塔克1952年出生在英国，在加拿大长大。 杰克-绍斯塔克曾在蒙特利尔麦吉尔大

9、学学习，1977年在美国纽约伊萨卡康奈尔大学获得博士学位。 自1979年起，杰克-绍斯塔克一直在美国哈佛医学院工作，目前是波士顿马萨诸塞州综合医院遗传学教授。他还供职于哈佛休斯医学研究所。 杰克-绍斯塔克在遗传学领域做出了开创性贡献。他努力制造出一种按照达尔文理论进化的、自我复制的原生细胞，来研究生命起源和最初的演化。,近几年诺贝尔生理学或医学奖获奖者,2008年，德国科学家哈拉尔德楚尔豪森及法国科学家弗朗索瓦丝巴尔西诺西和吕克蒙塔尼。豪森发现了人乳头状瘤病毒（），这种病毒是导致宫颈癌的罪魁祸首。巴尔西诺西和蒙塔尼的获奖成就则是发现了艾滋病病毒（）。 2007年，美国科学家马里奥卡佩基、奥利弗

10、史密斯和英国科学家马丁埃文斯。他们的一系列突破性发现为“基因靶向”技术的发展奠定了基础，使深入研究单个基因在动物体内的功能并提供相关药物试验的动物模型成为可能。 2006年，美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛。他们发现了核糖核酸（）干扰机制，这一机制已被广泛用作研究基因功能的一种手段，并有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新方法。 2005年，澳大利亚科学家巴里马歇尔和罗宾沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁幽门螺杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病的认识。 2004年，美国科学家理查德阿克塞尔和琳达巴克。他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出贡献，揭示了人类嗅觉系统的

11、奥秘。 2003年，美国科学家保罗劳特布尔和英国科学家彼得曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的出现。 2002年，英国科学家悉尼布雷内、约翰苏尔斯顿和美国科学家罗伯特霍维茨。他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用作出了重大贡献。 2001年，美国科学家利兰哈特韦尔、英国科学家保罗纳斯和蒂莫西亨特。他们发现了导致细胞分裂的关键性调节机制，这一发现为研究治疗癌症的新方法开辟了途径。,各式各样的通知方式,午夜凶铃 1998年经济学奖印度得主沈恩，由于身处地球的另一端，收到委员会的“午夜凶铃”通知得奖，他起初还担心“一定是发生了令人非常悲

12、痛的事”。 美国的查尔费去年半夜听到电话铃响，以为是邻居打来，没爬起来接听，早上起床上网才知道自己夺得化学奖。 机师相告 1991年瑞士籍化学奖得主恩士特，就是在莫斯科飞往纽约的客机上，由机师亲自走到座位告诉他得奖的消息。 1998年美籍医学奖得主伊格纳洛忆述，当时身在法国尼斯机场，一名地勤人员请他接一个“从美国打来的重要电话”，他接过电话后，同事通知他得奖，他还以为是恶作剧。 记者追车 1997年获文学奖的意大利剧作家达利奥福，则要电视节目记者开车追着他的车来通知他。记者当时拿着标语牌贴在车窗，上面写着“达利奥，你得了诺贝尔奖”。 人群围屋 德国的赛尔登4年前获经济学奖，他当时购物后回家，看

13、到屋外一大群人包围着，还以为寓所遭爆窃，后来有人上前道贺，才得知获奖。,二.端粒和端粒酶的结构和功能,Telomeres Telomerase Significance with Cancer PAPERS: 1.Telomeres and DNA damage: Blackburn 2.Telomeres and Cancer: Meeker telomerase is unique in carrying its own RNA template with it at all times,1、端粒酶RNA(hTERT) 哺乳动物端粒酶RNAs(hTR和mTR)在许多组织的不同发育阶段,甚至

14、那些没有端粒酶活性的组织中广泛表达。 体内端粒酶RNA 的存在对端粒酶功能至关重要，影响到端粒酶RNA 的稳定性与突变,也可改变体内端粒长度，并可通过改变端粒完整性或端粒结合因子的末端结合位点致细胞核分裂后期细胞死亡 。 端粒酶RNA转录模板 远端区参与和底物的结合。 近端区能添加特定的核苷酸,对底物识别并不重要。模板边界区与端粒酶催化亚基TERT结合,也与端粒酶相关因子Est1p和Ku 结合。,2、端粒酶逆转录酶(Telomerase reverse transcriptase,TERT) 几乎所有存在端粒酶的机体均含有一单独的TERT 基因, 哺乳动物TERT 的转录由许多转录因子、激素和

15、细胞外信号严格控制。不同的转录因子调节hTERT在不同的细胞内含物中的表达。癌基因c-myc是一个受特殊信号调节的可诱导癌基因, 并可与HRas、NRas、多瘤病毒MT、LT 等癌基因协同作用, 促进细胞无限增殖, 获得永生化并发生癌变。,c-myc 与hTERT Fujimoto等用c-myc 反义寡核甘酸转染白血病细胞后, 这些细胞中端粒酶活性均能被下调, 而c-myc 正义寡核甘酸无此作用。 Wang等研究发现c-myc在正常人乳腺上皮细胞和二倍体成纤维细胞中诱导端粒酶活性, 并能延长这些细胞的寿命。因此认为癌基因c-myc为一重要的端粒酶激活剂。 存在于hTERT核心启动子中有两个重要

16、的c-myc 结合位点(CACGTG,亦被称为E 盒)。c-myc 诱导的hTERT 表达起始速度快,不受细胞增殖或额外的蛋白合成的影响,与c-myc 引起的直接的转录激活一致。但癌基因c-myc 不是唯一与hTERT基因调节有关的转录因子。,近期研究表明,Sp1 协同c-myc 激活hTERT的转录,可能还有其他因子,如Bcl-2 抗凋亡基因、E6HPV16 型蛋白，以及经过一些蛋白激酶的磷酸化使hTERT 上调。但在诸多不同类型的瘤细胞中,致hTERT上调的基本激活剂是c-myc。 TERT内的N-残基对多种功能是重要的, 包括与端粒酶RNA结合、端粒酶RNA 装配和催化作用、与p53 的

17、相互作用和细胞永生化。 TERT的C-残基也在人类原始纤维母细胞的永生化、端粒组装的竞争、核仁内定位、引物结合和渐进性延长等方面起重要作用。,3、端粒酶相关蛋白(TEP) 端粒酶相关蛋白-1(TEP1)是一多功能的RNA 结合蛋白，TEP1 缺失导致rRNA 水平的显著降低以及TEP1 和rRNA 的丢失,但不导致端粒酶活性或端粒长度的紊乱。 生存动力神经细胞基因(SMN) 产物 热休克蛋白（hsp）90 、其他涉及到TERT转录后修饰的蛋白包括磷酸酶-A、Akt 、cAbl 、p53 和PARP。 PinX1 与人TERT体外共表达时抑制人端粒酶活性。 芽殖酵母蛋白Est1p 和Est3p

18、这两个蛋白与体内端粒酶的功能有关。Est1p 足以使端粒延长。但是,在无Est1p存在的情况下Est2p-Cdc13pDBD融合也足以维持端粒长度。,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。,Unique features of telomerase,Two components- telomerase reverse transcriptase(TERT) protein and telomerase RNA Internal RNA ser

19、ves as template for reverse transcription by TERT Ability to translocate along the DNA,Structure and Evolutionof TERT,端粒酶延长端粒的模式,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。 其活性只需dGTP和dTTP，组装时需要DNA聚合酶的参与。 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。,RT domain

20、of TERT,Three Asp residues in RT motifs A and C of TERT are important for catalysis of nucleotide addition, two-metal catalysis mechanism. Sizable（相当大的） insertion between motif A and B(IFD) invovle in telomerase activity. Mediate the addition of nucleotide. Science 1997, 276:561-567,C-terminal domai

21、n of TERT,Consistute the “thumb” domain of telomerase, Weak consevation of sequences Multiple mutations in this domain of both yeast and human Might be involved in nucleotide addition and processivity,Catalytic Subunit (hTERT) ofTelomerase,Expressed in somatic cells that proliferate often, germ-line

22、 cells, and stem cells. Strictly regulated, transcriptionally repressed in most tissues prior to birth. The rate-limiting determinant of telomerase activity.,两种蛋白的发现,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。 TRF2的作用主要与催化D环的形成。 TRF1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

23、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。,Telomerase RNA,The template region Main TERT-binding Region Template boundary element(TBE) TRE, Template recognition element Low affinity TERT binding sites,RNA Subunit (hTR) of Telomerase,Contains the template for telomeric repeat synthesis. Highly conserv

24、ed secondary structure among species Promiscuously（混杂地 ）expressed,Different types of Nucleotide Polymerases DNA polymerase Uses a DNA template to synthesize a DNA strand,2) RNA polymerase Uses a DNA template to synthesize an RNA strand (= transcription) 3) Reverse transcriptase Uses an RNA template

25、to synthesize a DNA strand Found in many viruses Telomerase is a specialized reverse transcriptase,端粒酶的功能及其催化过程,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,5,5,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,5,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,2.聚合,1.结合,3.移位,爬行模式,端粒酶的功能,TTGGGG,TTGGGG,末端补齐机制：,5,GGGGTT,（GGGGTT）n,端粒酶,5,G-G配对回折,3,5,DNA聚合酶, and Primase,How telomerase exte

26、nds the telomere.,Telomeres are packaged into a unique structure - a T-loop,Significance with Cancer,Cells without telomerase have a limited number of replication cycles ( the hayflick （界限） limit) and eventually reach senescence. （snsns，变老;衰老 ） Telomerase is often up-regulated in cancer cells.,if te

27、lomeres are lost, chromosomal fusions and karyotypic instability can occur. ectopic expression of hTERT can immortalize normal human cells telomerase is required for prolonged proliferation of most cancer cells,三.端粒酶的意义,生命钟假说,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

28、生命过程中因细胞分裂所致的端粒缩短。 所以， 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“生命之钟”，它历数着细胞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。”,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,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

29、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,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。 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。 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。,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,通过抑制端粒酶活性（阻抑或关闭模板、抑制逆转录酶亚

30、基活性、阻止端粒酶基因转录、破坏二聚体结构等） 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）,Telomerase activity,Aging,Cancer,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。,端粒、端粒酶与细胞衰老,In human blood cells, the length of telomeres ranges from 8,000

31、 base pairs at birth to 3,000 base pairs as people age and as low as 1,500 in elderly people. (An entire chromosome has about 150 million base pairs.) Each time a cell divides, an average person loses 30 to 200 base pairs from the ends of that cells telomeres.,In most somatic tissues, telomerase is

32、expressed at very low levels or not at all - as cells divide, telomeres shorten. Short telomeres may be a signal for cells to senesce (stop dividing).,Telomerase and Senescence,染色体,端粒,端粒,端粒与细胞存亡密切相关,端粒长短与细胞生命历程密切相关,染色体,端粒,端粒,细胞将停止分裂而趋于老化,1）培养细胞： 端粒长度随分裂次数增多而缩短。 端粒长度和细胞分化程度呈反比。 2）人体： 端粒平均长度随年龄增大而变短。 体细胞端粒长度大大短于生殖细胞。,相关实验证据,端粒酶与细胞存亡,端粒酶催化端粒不断延长，从而抵消因染色体复制、细胞分裂导致的脱氧核糖核酸缩短，使得染色体脱氧核糖核酸完好无损，细胞能够顺利地分裂繁殖。,相关实验证据：,1）四膜虫： 端粒酶改变时端粒缩短、细胞死亡。 2）酵母： 端粒酶基因突变导致端粒变短、细胞衰老。,端粒酶基因突变导致端粒变短、细胞衰老,培养细胞中