端粒_端粒酶的发现和意义_2009年诺贝尔生理学或医学奖简介_张婷 5页

2009年10月首都医科大学学报Oct.2009第30卷第5期JournalofCapitalMedicalUniversityVo.l30No.5[do:i10.3969/j.issn.1006-7795.2009.05.031]#诺贝尔奖#端粒、端粒酶的发现和意义)))2009年诺贝尔生理学或医学奖简介*张婷王晓民(首都医科大学神经生物学系,首都医科大学北京神经科学研究所,教育部神经变性病重点实验室)=摘要>2009年诺贝尔生理学或医学奖颁发给3名美国科学家,其主要贡献为解决了生物学研究领域中一个重大问题,即细胞分裂过程中,染色体如何完整复制,它们是如何受到保护而免于降解?ElizabethH.Blackburn和JackW.Szostak发现染色体末端的端粒DNA序列能保护染色体不被降解;CarolW.Greider和ElizabethH.Blackburn鉴定出合成端粒DNA的酶)))端粒酶。这些发现为推动衰老及肿瘤等领域的研究做出了巨大贡献。=关键词>端粒;端粒酶;诺贝尔生理学或医学奖DiscoveryandSignificanceofTelomereandTelomerase)))IntroductionofNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009*ZHANGTing,WangXiao-min(DepartmentofNeurobiology,BeijingInstituteforNeuroscience,CapitalMedicalUniversity;KeyLaboratoryofNeurodegenerativeDiseasesofMinistryofEducationofChina)=ABSTRACT>Thisyear.sNobelPrizeinPhysiologyorMedicineisawardedtothreeAmericanscientistswhohavesolvedamajorprobleminbiology:howthechromosomescanbecopiedinacompletewayduringcelldivisionsandhowtheyareprotectedagainstdegradation.ElizabethH.BlackburnandJackW.SzostakdiscoveredthatauniqueDNAsequenceinthetelomeresprotectsthechromosomesfromdegradation.CarolW.GreiderandElizabethH.Blackburnidentifiedtelomerase,theenzymethatmakestelomereDNA.Thesediscoveriesmadegreatcontributionstopromotetheinvestigationsonagingandtumor.=KEYWORDS>telomere;telomerase;NobelPrizeinPhysiologyorMedicine北京时间2009年10月5日17时30分,本年度士后工作。1978年任教于美国加利福尼亚大学伯克诺贝尔生理学或医学奖在瑞典卡罗琳斯卡医学院揭利分校,自1990年开始担任美国加利福尼亚大学旧晓,3位美国科学家伊丽莎白-布莱克波恩(Elizabeth金山分校生物化学与生物物理学系教授。H.Blackburn)、卡罗尔-格雷德(CarolW.Greider)和布莱克波恩在职业生涯中多次获得至高荣誉。杰克-绍斯塔克(JackW.Szostak)共同获得该奖项。布莱克波恩于1991年当选美国艺术与科学院院士,他们发现了染色体末端的端粒(telomere)及合成端粒1992年当选伦敦皇家学会会员,1993年当选美国科的酶(telomerase),其功能异常与衰老和癌症相关。学院院士,1998年当选美国细胞生物学协会主席,2000年当选美国科学促进学会会员。她于2006年获1获奖者简介得基础医学研究领域的Lasker医学研究奖,2007年1.1伊丽莎白-布莱克波恩因学术成就卓著曾被美国5时代6周刊评为年度全球伊丽莎白-布莱克波恩,1948年出最具影响力的100个人物之一,2008年荣膺欧莱雅-联合国教科文组织世界杰出女科学家成就奖。生于澳大利亚,拥有美国和澳大利亚双1.2卡罗尔-格雷德重国籍。于1970年和1972年在澳大卡罗尔-格雷德,美国人,1961年出生于美国加州利亚墨尔本大学修完本科和硕士生课圣地亚哥市。格雷德于1983年在加州大学圣巴巴拉程,1975年获英国剑桥大学博士学位,分校获得生物学学士学位,1987年于加州大学伯克利1975至1977年在美国耶鲁大学做博分校获得分子生物学博士学位,其导师正是伊丽莎*Correspondingauthor,E-mai:lxmwang@ccmu.edu.cn白-布莱克波恩。格雷德曾在美国纽约长岛的冷泉港 第5期张婷等:端粒、端粒酶的发现和意义)))2009年诺贝尔生理学或医学奖简介719实验室完成博士后研究并获得职位,序列,5c(C-C-C-C-A-A)n3c,其中n在20和70之[1]从1997年起她开始成为约翰斯-霍间。她的研究引起了绍斯塔克的注意。1980年,两普金斯大学医学院教授。人决定在相差甚远的不同物种中进行交叉研究。1982[2]格雷德因出色的科研工作而获年,引人注目的研究结果得以发表,他们发现来自四得各种荣誉。1998年格雷德获得盖膜虫的端粒DNA可对酵母菌的染色体起到保护作用,尔德纳国际奖,1999年当选美国细从而证明了其功能的保守性。绍斯塔克进而对酵母端胞生物学会会员,2003年当选为美粒的结构进行研究,发现酵母与四膜虫的端粒结构非国科学院院士。同年,格雷德因对端常相似,而端粒片段长度的不同反映了染色体中DNA[3]粒酶的生物化学和遗传学方向的出众研究而获得美数量的差别。以此发现为契机,绍斯塔克研究小组国科学院颁发的RichardLounsbery生物医学奖,2006构建了世界上第一个酵母人工染色体(yeastartificial年获得Dickson奖,同年与布莱克波恩分享Wiley生chromosome)。这一成果不仅使研究酵母的科学家受物医学科学奖,与布莱克波恩及绍斯塔克分享Lasker益,其后还为包括人类在内的基因组研究提供了帮助。医学研究奖,2007年与布莱克波恩及约瑟夫-高尔分绍斯塔克与布莱克波恩携手研究,成功组装出两端为享LouisaGrossHorwitz奖。CCCCAA序列的微型染色体。当这些微型染色体注入1.3杰克-绍斯塔克到酵母细胞中后,在细胞分裂时,这种CCCCAA的DNA杰克-绍斯塔克,美国人,1952年序列在复制时对染色体起到了保护作用,就像鞋带末出生于英国伦敦,在加拿大长大。端的塑料帽对鞋带起到的防磨损作用。他们首次将这1971年,绍斯塔克于加拿大麦基尔些遗传保护帽命名为/端粒0(Telomere,这一英文单词大学获得细胞生物学学士学位,1977来自希腊语,意为末端)。年在康奈尔大学获得博士学位,师从端粒存在于真核生物线形染色体末端,由串联重中国工程学院外籍院士吴瑞教授。复的短DNA序列及其相关蛋白组成DNA蛋白复合1979年,绍斯塔克到哈佛大学医学体(图1)。端粒序列具有高度保守性,在原生动物、院附属癌症研究所任助理教授,独立领导实验室。目真菌、植物和动物中都非常类似;同时,又具有种属特前他是马萨诸塞州总医院遗传学教授,并同时任职于异性,如四膜虫的重复序列为GGGGTT,而人和哺乳美国霍华德-休斯医学研究所。动物为TTAGGG等。人的端粒DNA长度为4-15kb绍斯塔克由于对专业领域的杰出贡献,获得过多不等,因细胞分裂次数不同而不等。其结构末端是3c种荣誉。绍斯塔克是美国科学院院士、美国艺术与科悬突(3coverhang),3c端并不悬挂在端粒末端,而是学院院士、纽约科学院院士。他获得过美国科学院分折回到端粒内部双链重复序列的某一区域,并将该端子生物学奖、瑞士伯尔尼大学HansSigrist奖及美国遗区域的一段自身链置换出来,取而代之与互补链配传学会奖章。2006年绍斯塔克获得Lasker医学研究对,形成的一个环称为T环(端粒环,telomereloop),奖,2008年获得DrA.H.Heineken奖。3c最末端单链区反转探入端粒的双链区再形成D环[4](替代环,displacementloop)。2获奖者的主要贡献端粒含有两种相关蛋白:端粒结合蛋白(telomere2.1端粒的发现bindingproteins,TBP)和端粒相关蛋白(telomereasso-早在上个世纪30年代,赫尔曼#马勒(Hermannciatedproteins,TAP)。TBP是一类特异结合在端粒Muller,1946年诺贝尔奖获得者)和芭芭拉#麦克林托DNA上的蛋白质,而TAP是一类与TBP结合的蛋白克(BarbaraMcClintock,1983年诺贝尔奖获得者)发现质。这两种蛋白质对于端粒长度具有负性调节作用。了染色体末端的一个特殊结构,他们认为该结构可以2.2端粒酶的发现阻止染色体彼此黏附,并设想其可能具有保护性作用。在发现端粒的结构和功能后,格雷德在其导师布1978年,布莱克波恩在研究一种简单的池生生物莱克波恩带领下开始研究端粒DNA的合成是否由一四膜虫的染色体时,获得了一个突破性的发现,在该动种未知的酶所控制。在1984年圣诞节的这一天,格[5]物编码核糖体RNA的染色体两端是一个重复的DNA雷德在细胞抽提物中发现了酶活性的标志。为了 720首都医科大学学报第30卷图1端粒结构A:端粒是位于染色体末端的/帽子0结构,包括一段保守的串联重复DNA序列。各物种之间的端粒DNA序列变化不大,此处显示的是四膜虫序列(引自诺贝尔奖委员会);B:端粒结构末端是3c悬突(3coverhang),3c端并不悬挂在端粒末端,而是折回到端粒内部双链重复序列的某一区域,并将该端区域的一段自身链置换出来,取而代之与互补链配对,形成的一个环称为T环(端粒环,telomereloop)。3c最末端单链区反转探入端粒的双链区再形成D环(替代环,displacementloop)。双链DNA结合蛋白结合在端粒DNA序列中,端粒结合蛋白对于D环的形成和稳定非常重要[4]。排除端粒序列是由内源DNA为模板,格雷德首先证实好位于端粒酶RNA模板区的起始端,然后在端粒酶了端粒的延长活性是端粒序列特异的,在该反应中无反转录酶作用下反转录合成端粒DNA,合成到模板区关序列的寡核苷酸并不能延长;继之的研究证明,该活的末端时终止并脱落,但脱落的端粒酶仍然结合在端性其实是一个单独的端粒合成酶活性。于是,格雷德粒结合蛋白上,其末端又与端粒酶RNA模板区的起[6]与导师共同将这种酶命名为端粒酶(Telomerase)。始部位结合,如此反复合成端粒。端粒酶合成端粒是由端粒酶引发的一个直接问题是,端粒序列的特端粒酶各个亚单位相互协调的结果。异性是如何产生的?格雷德进行了大量实验后发现,2.3端粒和端粒酶在研究中的应用端粒酶包含一段重要的RNA序列,CAACCCCAA,而1988年,人类端粒序列被鉴定出来,是简单的[7]抑制该序列也会抑制端粒酶的功能。同时,绍斯塔TTAGGG重复序列,与在四膜虫中的发现非常相[9-10][11]克研究小组利用遗传学手段研究端粒酶的成分,发现似。格雷德与合作者研究发现,体外培养的人了一个重要基因,它的突变导致端粒DNA持续缩短,类细胞每分裂一次,其端粒就缩短一点。这是由于端因此该基因被命名为持续缩短端粒(evershortertelo-粒酶的表达减少所致,若端粒酶正常表达,端粒就不meres,EST)基因。Est1基因编码的蛋白是端粒酶的会缩短,细胞就不会衰老。自此,许多科学家预测端重要组分,而Est2基因编码蛋白是端粒酶的催化亚粒缩短是衰老的原因,这不仅仅在细胞水平,而且在[8]基,具有反转录酶活性。对人的端粒酶研究显示,整体水平均存在。当然,衰老的过程非常复杂,参与端粒酶包括3个主要组分:端粒酶RNA(humantelom-的因素也很多,端粒作为其中的机制之一已经成为近eraseRNA,hTR),端粒酶相关蛋白(telomerase-assoc-i年来研究的热点。atedprotein,TEP1)和端粒酶反转录酶(humantelomer-正常的细胞不会频繁分裂,因此其染色体不会缩[8]asereversetranscriptase,hTERT)。短,也不需要高活性的端粒酶。但是,肿瘤细胞是频端粒酶具有促进端粒延伸的作用,在没有端粒酶繁分裂的细胞,却保持了端粒的活性。肿瘤细胞如何的细胞中,端粒会逐渐缩短直至染色体损伤;有端粒逃避细胞衰老?研究者发现其端粒酶活性增加,该发酶存在的细胞,则该酶会不断补充新的端粒,使之处现也暗示了对端粒酶的抑制可能会限制肿瘤细胞的于一种不断伸缩的动态平衡中(图2)。端粒酶合成生长。因此,端粒酶在肿瘤研究领域越来越受到关端粒的具体机制至今还不完全清楚,有假说认为,当注,在人类细胞的研究中以及基因敲除小鼠模型都证端粒酶催化亚单位基因激活后,催化激活端粒酶,端实了抑制端粒酶表达可以限制肿瘤细胞分裂及增长。粒酶通过端粒结合蛋白与端粒结合,端粒悬突末端刚然而,在某些情况下端粒功能的缺失会导致染色体重 第5期张婷等:端粒、端粒酶的发现和意义)))2009年诺贝尔生理学或医学奖简介721图2端粒酶的结构和功能端粒酶在染色体末端发挥功能,它由RNA序列和蛋白质组成。RNA作为合成端粒DNA的模版。端粒酶不存在时,细胞分裂就会导致染色体变短,最终端粒DNA消失,细胞损伤。而端粒酶的存在保护了端粒,使染色体每次分裂后都是完整的(引自诺贝尔奖委员会)。[12]排,进而导致肿瘤的发生和发展。为是具有永久生命力的。相反,某些特定的遗传疾病,一些遗传性疾病也与端粒酶功能缺陷有关,包括会出现一些有缺陷的端粒酶,导致细胞损伤。对此诺先天性再生障碍性贫血,它是由于骨髓干细胞的不完贝尔奖颁给这一细胞基本机制的发现者,它将有助于全分裂导致的贫血。一些皮肤、肺部遗传性疾病也与新的治疗策略的(确立和新的治疗药物的)研发。0端粒酶功能障碍有关。由此可见,对于端粒和端粒酶同时,端粒和端粒酶的发现也从科学研究的思路的结构和功能研究为我们了解细胞的生命过程提供和思维方式等方面带给我们很多启示。了新的思路。首先,这一伟大的发现来源于多方向的交叉合3端粒和端粒酶发现的意义与启示作。随着现代科学的发展,自然科学的专业划分越来越细。而现如今人类面临的许多重大生命科学问题,端粒和端粒酶的发现,对于人们了解染色体稳定诸如肿瘤、感染性疾病以及衰老等都无法通过单一的性的生物学基础、探寻各种相关疾病的发病机制和新生物学体系研究来解决。各系统的综合与协同研究的防治策略奠定了基石。下述的颁奖词有助于我们变得越来越重要。近年来,系统生物学概念的提出,理解该研究对整个科学界的重大意义。正是将生命科学、信息科学、数学、计算机科学等学科/今年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给3位美国进行整合,从整体和系统角度来进行科学研究。科学家,他们解决了生物学研究领域中一个重大问其次,科学研究中应当提倡勤于思考、敢于创新、题:在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染勇于实践。当布莱克波恩与绍斯塔克第一次讨论将色体如何受到保护以免于降解。这3位诺贝尔奖获四膜虫端粒转移至酵母中时,这一计划听起来好像天得者已经向我们揭示,解决办法存在于染色体末方夜谈,因为这两个物种相差甚远,但最终大量的实端)))端粒,以及形成端粒的酶)))端粒酶。0验结果证实,端粒在各种真核细胞中具有高度保守的/携带基因信息的DNA线状长分子形成染色体,作用机制。在生物学领域中,有些假说初看上去似乎端粒就像一顶帽子置于染色体的头部。伊丽莎白#布莱克波恩和杰克#绍斯塔克发现端粒的一种独特不具备可操作性,但结果却往往揭示出一个非常重要DNA序列能保护染色体免于降解。卡罗尔#格雷德的机制机理或关键过程。和伊丽莎白#布莱克波恩确定了端粒酶,端粒酶是形最终,人类的好奇心是科学研究原始的驱动力。成端粒DNA的酶。这些发现揭示了染色体的末端是3位科学家在2006年回忆当初端粒酶的发现时说,那如何受到端粒的保护的。0纯粹是一个在好奇心驱使下进行的有趣研究。因为/如果端粒缩短了,细胞就会老化。相反,如果端在该实验刚刚开展时,并没有明显的应用价值。这也粒酶的活动显著,端粒的长度也就能得以保持,并且细说明在很多时候,重要的发现来自于实验过程中无法胞衰老也将延迟。癌细胞就是一个例子,癌细胞被认解释的现象,而其揭示的结果却通常能为我们进一步 722首都医科大学学报第30卷[13]的研究指明方向。[8]CohenSB,GrahamME,LovreczGO,eta.lProteincompositionofcatalyticallyactivehumantelomerasefrom4参考文献immortalcells[J].Science,2007,315:1850-1853.[9]AllshireRC,GosdenJR,CrossSH,eta.lTelomericre-[1]BlackburnEH,GallJG.AtandemlyrepeatedsequenceatpeatfromT.thermophilacrosshybridizeswithhumantelo-theterminioftheextrachromosomalribosomalRNAgenesinmeres[J].Nature,1988,332:656-659.Tetrahymena[J].JMolBio,l1978,120:33-53.[10]MoyzisRK,BuckinghamJM,CramLS,eta.lAhighly[2]SzostakJW,BlackburnEH.CloningyeasttelomeresonconservedrepetitiveDNAsequence,(TTAGGG)n,presentlinearplasmidvectors[J].Cel,l1982,29:245-255.atthetelomeresofhumanchromosomes[J].ProcNatlAcad[3]ShampayJ,SzostakJW,BlackburnEH.DNAsequencesSciUSA,1988,85:6622-6626.oftelomeresmaintainedinyeast[J].Nature,1984,310:[11]HarleyCB,FutcherAB,GreiderCW.Telomeresshorten154-157.duringageingofhumanfibroblasts[J].Nature,1990,345:[4]GreiderCW.TelomeresdoD-loop-T-loop[J].Cel,l458-460.1999,97:419-422.[12]deLangeT,JacksT.Forbetterorworse?Telomeraseinh-i[5]GreiderCW,BlackburnEH.Identificationofaspecificbitionandcancer[J].Cel,l1999,98:273-275.telomereterminaltransferaseactivityinTetrahymenaex-[13]BlackburnEH,GreiderCW,SzostakJW.Telomeresandtracts[J].Cel,l1985,43:405-413.telomerase:thepathfrommaize,Tetrahymenaandyeastto[6]GreiderCW,BlackburnEH.Thetelomereterminaltrans-humancancerandaging[J].NatMed,2006,12:1133-feraseofTetrahymenaisaribonucleoproteinenzymewith1138.twokindsofprimerspecificity[J].Cel,l1987,51:887-(收稿日期:2009-10-10)898.[7]GreiderCW,BlackburnEH.Atelomericsequenceinthe编辑张俊敏RNAofTetrahymenatelomeraserequiredfortelomererepeatsynthesis[J].Nature,1989,337:331-337.