端粒和端粒酶地发现历程

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1、实用标准文档端粒和端粒酶的发现历程廖新化引言2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了UCSF（加州大学旧金山分校）的Elizabeth Blackburn（简称Liz），Johns Hopkins University（约翰霍普金斯大学）的Carol Greider（简称Carol），以及Howard Medical School（哈佛医学院）的Jack Szostak。诺贝尔奖主页上介绍她/他们获奖的原因是揭示了“how chromosomes are protected by telomeres and 

2、the enzyme telomerase”（染色体是如何被端粒和端粒酶保护的）。端粒和端粒酶的研究进程中贯穿着“发现现象/问题”-“提出概念/模型”-“实验验证”的思路，整个过程就像相继解开一个个puzzle（智力谜团）一样有趣，充满了思想的光辉。重现这个思路对科学工作者是有启发意义的。本文也提供了一个很好的科学问题推演的教学案例。染色体末端的两个难题以及端粒的概念20世纪70年代初，对DNA聚合酶特性的深入了解引申出了一个染色体的复制问题。DNA聚合酶在复制DNA的时候必须要有引物来起始，而且它的酶活

3、性具有方向性，只能沿着DNA5’到3’的方向合成。染色体复制之初可以由小RNA作为引物起始合成，之后细胞的修复机器启动，DNA聚合酶能够以反链DNA为模板，以之前合成的DNA为引物，合成新的DNA取代染色体中间的RNA引物。但是线性染色体最末端的RNA引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。所以线性染色体DNA每复制一轮，RNA引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度（图1，简化的示意图，实际上染色体的DNA双链末端不会是平的）。尽管这个引物不长，但是细胞千千万万代地不断复制，如果不进行补偿，

4、染色体不断缩短，最终就会消失。 James Watson（因为发现DNA双螺旋结构获得诺奖）最早就明确指出了这个“末端隐缩问题”，并猜想染色体也许可以通过在复制前联体（染色体末端跟末端连起来）的方式来解决末端复制的问题[1]。文案大全实用标准文档早在1939年，潜心玉米遗传性状研究的Barbara McClintock女士（因为发现玉米的转座子获得诺奖）注意到，在减数分裂后期偶然产生的染色体断裂很容易重新融合起来形成“桥”。在紧接着的有丝分裂中，这种染色体“断裂－融合－桥－断裂”的循环不断继续[2]。既然

5、染色体的断裂末端这么容易相互融合，那么染色体的自然末端，为什么不容易相互融合呢？合理的推测是，染色体的自然末端不同于非正常的DNA断裂末端，它应该有一个特殊的结构来避免染色体之间的相互融合。更早的1938年，Hermann Muller（因为发明用X射线突变基因而获得诺奖）利用X射线照射果蝇产生突变体，注意到染色体的末端跟其它区域的染色体不同，它非常稳定，从未观测到断裂缺失或者倒位（inversion）。他因此先见性地认为染色体的末端比较特殊，它需要被封闭（sealed）起来，并给它一个专有的名称-端粒（

6、telomere，来自希腊词根telos，末端，和meros，部分）[3]。端粒DNA序列的发现以及人工染色体的发明那么端粒为什么与众不同呢？简单地，首先是，它的DNA序列有没有特殊性？提到端粒不能不提到一种特殊的模式生物四膜虫（Tetrahymena thermophila）。它对于发现端粒和端粒酶的贡献就像线虫之于发现细胞凋亡一样（2002年细胞凋亡的研究被授予诺奖）。四膜虫有两个细胞核。小核很稳定，含5对染色体，用于生殖传代。而大核在接合细胞的发育过程中，染色体断裂成200-300个小染色体，rDN

7、A（含有编码核糖体RNA的基因）从染色体上断裂后通过复制更是形成高达～10000个小染色体。四膜虫的小染色体众多，也就说端粒可能非常丰富。这就为端粒研究提供了得天独厚的材料。1978年，Liz女士利用这种特殊的模式生物纯化了rDNA，以rDNA为模板通过体外合成参入dNTP的实验，推断四膜虫的端粒是由许多重复的5’-CCCCAA-3’六个碱基序列组成的[4]。第一个谜底揭开了，哦，重复序列，端粒DNA果然特殊。序列本身隐隐暗示着解决染色体末端的隐缩问题和保护问题的机制。文案大全实用标准文档1980年，当L

8、iz女士在会议上报告她的这一发现的时候，引起了Jack Szostak的极大兴趣。他那时候试图在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中建构人工线性染色体，让它能够在细胞中像自然染色体一样复制。但是当环状质粒线性化转入酵母细胞后，它很快地被降解掉。它的降解是不是因为它的末端没有端粒保护呢？端粒序列的发现让Jack Szostak有机会把线性质粒末端连接上四膜虫的端粒DNA，然后再导入酵母细胞。奇迹发生了，