1、1998年諾貝爾生理學或醫學獎一發現端粒和端粒酶如何保護染色體諾貝爾獲獎者 伊麗莎白布萊克本（美國） 卡蘿爾格雷德（美國） 杰克紹斯塔克（美國）諾貝爾獎項：2009年10月5日，瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布將 2009年度諾貝 爾生理學或醫學獎（The Nobel Prize in Physiology or Medicine成予3位美國科學家 伊麗莎白 布萊克本（Elizabeth H.Blackburn）, 卡蘿爾 格雷德（Carol W. Greider）和 杰克紹斯塔克（Jack W. Szostak）以表彰他們“發現端粒和端粒酶如何保護染色 體"。Blackburn和S

2、zostak發現端粒的一段特殊DNA序列能使染色體不被降 解，而Greider和Blackburn則找到了幫助端粒合成的分子端粒酶。最初端粒和端粒酶的研究只是為了解決染色體復制的難題，但隨著研究的深入人們發現 了端粒和端粒酶的其他作用 一一細胞隨著端粒的變短而衰老，而當端粒酶的活性 足以維護端粒的長度時，細胞將會延遲衰老；在癌細胞得到永生性這一過程中， 端粒酶的激活起了非常重要的作用。1端粒和端粒酶的發現最早觀察染色體末端的科學家始于19世紀末期，Rabl在1885年注意到染色體 上所有的末端都處于細胞核的一側。20世紀30年代，兩個著名的遺傳學家 McClintock B和Muller HJ

3、發現了染色體的末端可維持染色體的穩定性和完整 性。Muller將它定義為“telomere ” James Watsoni早就明確指出了這個“末端 隱縮問題”，并猜想染色體也許可以通過在復制前聯體（染色體末端跟末端連起 來）的方式來解決末端復制的問題。30多年前，Hayflick首次提出將體外培養的正常人成纖維細胞的 有限復制力”作為細胞衰老的表征。在此過程中，細胞群中 的大部分細胞經歷了一定次數的分裂后便停止了，但它們并沒有死亡，仍保持著代謝活性，只是在基因表達方式上有一定的改變。于是 Hayflick猜測細胞內有一 個限制細胞分裂次數的“鐘”，后來通過細胞核移植實驗發現，這種“鐘”在細 胞

4、核的染色體末端 端粒。Blackburn和Gall于1978年首次闡明了四膜蟲rDNA 分子的末端結構，他們發現這種rDNA每條鏈的末端均含有大量的重復片段，并 且這些大量重復的片段多是由富含 G、C的脫氧核甘酸形成的簡單序列串聯而成。 在198研，CW.Greide庠口EH.Blackburn發現將一段單鏈的末端寡聚核甘酸加至四 膜蟲的提取物中后，端粒的長度延長了，這就說明了確實有這樣的一種酶存在，并將它命名為“端粒酶” (telomerase。之后，耶魯大學Morin于1989年在人宮 頸癌細胞中也發現了人端粒酶。2 端粒和端粒酶的結構與功能端粒是存在于真核生物線性染色體末端，由串聯重復的

5、短的dsDNA 序列及其相關的蛋白所組成的DNA蛋白復合體。dsDNA中的一條為富G鏈，以5'-3' 指向染色體末端，比另一條互補鏈長812個堿基。端粒既有高度的保守性，又 有種屬特異性。如四膜蟲重復序列為 GGGGTT,草履蟲為TTGGGG,人為 TTAGGG。 端粒具有兩種相關蛋白，一為端粒結合蛋白( telomere binding proteins，TBP)是一類特異結合在端粒DNA上的蛋白質，如發酵母中的蛋白質 RAPI,哺 乳類動物細胞中的蛋白質 TRFI。二為端粒相關蛋白(telomere associated proteins TAP),是一類與TBP結合的蛋白

6、質，如釀酒酵母中的SIR3/SIR4和RIFI。它們 與端粒結合蛋白質結合，分別發揮建立端粒靜止效應和調節端粒長度的作用。端粒 DNA 主要功能有：第一，保護染色體末端免于被化學修飾或被核酶降解；第二，防止染色體相互融合；第三，為端粒酶提供底物，解決 DNA復制的 末端隱縮，保證染色體的完全復制。眾所周知，真核 DNA是線性DNA,復制時 由于模板DNA 起始端為RNA 引物先占據，新生鏈隨之延伸；引物 RNA 脫落后，其空缺處的模板DNA 無法再度復制成雙鏈。因此，每復制一次，末端DNA 就縮短若干個端粒重復序列，即出現真核細胞分裂中的“末端復制問題”。當端粒縮短到一定程度時即引起細胞衰老，

7、故端粒又稱“細胞分裂計時器”。端粒、著絲粒和復制原點是染色體保持完整和穩定的三大要素。同時， 端粒又是基因調控的特殊位點，常可抑制位于端粒附近基因的轉錄活性(稱為端粒的位置效應，TPE) 。端粒酶又稱端粒末端轉移酶( Telomerase) ， 是一種逆轉錄酶，相對分子質量在200500 ku,是由蛋白質和RNA構成的核糖核蛋白體。端粒酶由端粒酶成份 (hTR),催化亞單位(hTRT/hEST2)和端粒酶相關蛋白1(TEP1)3個亞單位組成，可 調控端粒的復制，其中hTR充當模板，hTRT/hEST2是決定端粒酶活性的限速決 定子。TEP1可能是介導端粒酶與其他分子相互作用的調節亞單位。端粒酶

8、具有對端粒的延伸作用，在沒有端粒酶的細胞中，端粒會逐漸縮短直至損害基因；有端粒酶存在的細胞，則該酶會不斷補充新的端粒，使之處于一種不斷伸縮的動態平衡中。正是端粒酶的存在維持了大多數組織的端粒長度，從而抵消了因細胞分裂而導致的端粒DNA 的消耗。端粒酶的另一個功能是修復斷裂的染色體末端。當斷裂的染色體末端有富 G、T DNA存在時，即使沒有完整的端 粒重復序列存在，它也能被端粒酶作為引物 DNA并為之延伸端粒序列。因修復 斷端免遭外切酶對染色體DNA的更多切割，端粒酶在某種意義上講也維護了基 因組的穩定性。此外， 在端粒合成中端粒酶還具有去除錯配堿基的糾錯作用，不僅可以除去錯配堿基，還可除去延伸

9、超過模板范圍的堿基。3 端粒、端粒酶與衰老 衰老是生物在生命過程中整個機體形態、結構和功能逐漸衰退的綜合現象。關于衰老的學說有多種，其中端粒學說由Olovnikov于1973年提出，認為在細胞分裂的過程中，端粒起緩沖作用，但是當端粒縮短到一定程度就會失去緩沖作用，從而導致細胞衰老。Harley等提出了較為完備的端粒 一一端粒酶假說，認為正常細胞的端粒縮短到一定程度時會啟動終止細胞分裂的信號，使細胞進入第一危機期M1（crisis M1）并退出細胞周期而老化。人體成纖維細胞染色體在復制過程中的極限現象（即Hayflick細胞分裂極限，一般低于5060次）和染色體端粒不斷地縮短的現象， 染色體DN

10、A每復制一次， 端粒就縮短一截，人體成纖維細胞端粒每年會縮短十幾個堿基。說明染色體末端重復序列TITFAGGG （端粒）在細胞衰老過程中特異地依賴 DNA復制而丟失。 當染色體端粒短到一定長度時，細胞的繁殖就不能再繼續進行，細胞分裂次數便達到了極限進而導致細胞和整個生物體的死亡。端粒及端粒酶涉及衰老最有力的證據是 Bodna咻證實的。如果細胞試圖要維持其正常分裂，那么就必須阻止端粒的進一步丟失，并且激活端粒酶。Davis T等研究發現，Werner 綜合征患者的端粒長度與他們的衰老程度相對應，端粒越短，患者的衰老程度越嚴重。如果增強Werner 綜合征患者成纖維細胞的端粒酶活性，就可以延長細胞

11、壽命，控制衰老的進程。端粒長度以及端粒酶基因變異這兩個原因將使人類的壽命更長。正常體細胞中， 隨著細胞的不斷分裂，染色體末端的端粒序列便會不斷縮短，端粒長度的縮短可以激發細胞老化。一種可能是染色體末端端粒 DNA序列的丟失釋放了端粒結合轉錄因子，該因子或者激活了衰老誘導基因，或者滅活了細胞周期進行所必需的某些基因。另一種可能是端粒長度縮短誘導了DNA 損傷反應，導致細胞周期受阻，使細胞出現衰老。4 端粒、端粒酶與腫瘤Sha消總結了近年來各種惡性月中瘤組織、癌旁組織、癌前組織及良性月中瘤組織中的端粒酶活性。發現 90的惡性腫瘤組織的端粒酶活性呈陽性：而癌旁組織的陽性率只有6% ,而且很可能是因為

12、TRAP法很敏感從而使混入其中的極少量惡性腫瘤細胞同時也被檢測出來的緣故；良性腫瘤和癌前組織的陽性率分別為14，而正常組織。除少數種類外。其陽性率均為0。所以端粒酶活性顯然是惡性腫瘤的一種標志。端粒 端粒酶假說認為：當端粒酶活性的缺乏，端粒的長度便縮短到一定程度時，細胞進入危機期M1 。如果細胞此時被病毒轉染，或者某些抑癌基因如：P53、Rb等發生突變，則細胞越過M1期繼續分裂，端粒繼續縮短而到達另一個 關節點M2,此時染色體出現各種異常形態，大量細胞死亡。但有極少數細胞在 此階段激活端粒酶，染色體形態得到穩定，從而逃避M2危機，成為無限增殖的 水 生化細胞(immortalized cells),即月中瘤細胞。惡性腫瘤發生的端粒酶理論認為，端粒酶的激活是惡性腫瘤發生學上的一個共同途徑，端粒酶與惡性腫瘤之間的相關性，使它在腫瘤的治療上有望成為行之有效的新的靶目標。端粒酶主要存在于惡性腫瘤，而在大多數正常組織中沒有活性或活性極低，同時端粒酶在惡性腫瘤中發生，尤其在腫瘤的發展中起著關鍵的作用， 通過各種方法抑制端粒酶的活性，可以有效地抑制大多數腫瘤的生長，而對大多數正常細胞沒有大的影響。最近對缺失端粒酶的小鼠研究表明，端粒的縮短在腫瘤發生和發展過程中扮演著雙重角色。當端粒縮短到臨界長度時，可引起染色體與基因組的不穩定，從而誘發月中瘤的形成。相反，由于端粒的縮短