染色体是如何被端粒和端粒酶保护的_2009年诺贝尔生理学或医学奖解读 5页

第14卷第3期生命科学研究Vol．14No．32010年6月生LifeScienc命科eResearch学研究June20201010年·综述·染色体是如何被端粒和端粒酶保护的？———2009年诺贝尔生理学或医学奖解读李大可（复旦大学生命科学学院生理学和生物物理学系立人实验室，中国上海200433）摘要：端粒对维持染色体的稳定和延长细胞寿命至关重要，其长度的维持有赖于端粒酶的存在.布莱克本和绍斯塔克发现端粒中的一种独特DNA序列能保护染色体免于退化，格雷德和布莱克本发现了端粒酶及其作用.这些发现揭示了端粒形成和端粒酶保护染色体的机理，3位美国科学家因此荣获2009年诺贝尔生理学或医学奖.关键词：诺贝尔奖；端粒；端粒酶中图分类号：Q291文献标识码：A文章编号：1007-7847（2010）03-0278-05HowChromosomesareProtectedbyTelomeresandtheEnzymeTelomerase？——Interpretationofthe2009NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLIDa-ke（DepartmentofPhysiologyandBiophysics，SchoolofLifeSciences，FudanUniversity，Shanghai200433，China）Abstract：Telomereswhoselengthdependsontheexistingoftelomeraseplayanimportantroleinkeepingthestabilityofchromosomeanddelayingageingofthecell.ElizabethBlackburnandJackSzostakdiscoveredthatanuniqueDNAsequenceinthetelomeresprotectsthechromosomesfromdegradation.Thesediscoveriesexplainedhowtheendsofthechromosomesareprotectedbythetelomeresandthattheyarebuiltbytelomerase.SothethreescientistswontheNobelprizeof2009inphysiologyormedicine.Keywords：Nobelprize；telomere；telomerase（LifeScienceResearch，2010，14（3）：278～282）（ElizabethH.Blackburn）、美国巴尔的摩约翰·霍13位美国科学家折桂诺贝尔生理学或医普金斯大学医学院的卡罗尔·格雷德（CarolW.学奖Greider）、美国哈佛大学医学院的杰克·绍斯塔克北京时间2009年10月5日下午5点30（JackW.Szostak）.分，举世瞩目的2009年诺贝尔生理学或医学奖诺贝尔奖委员会在公报中说，1982年，布莱在瑞典卡罗林斯卡医学院揭晓，3位美国科学家克本和绍斯塔克发现端粒中有一个特定的DNA因发现端粒（telomeres）的结构和端粒酶（telo-序列保护染色体不被降解.1984年，格雷德与merase）保护染色体的机理而获奖.他们分别是：布莱克本发现了端粒酶及其作用.这3位科学家美国加州大学旧金山分校的伊丽莎白·布莱克本的发现，解决了一个生物学的重要课题，即染色收稿日期：2009-11-18；修回日期：2010-01-31作者简介：李大可（1985-），男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事生物物理学和神经科学研究，E-mail：fdlidake@126.com. 第3期李大可：染色体是如何被端粒和端粒酶保护的？279体在细胞分裂过程中怎样实现完全复制以及怎究靠的是直觉，非功利，与商业无关.知识上的样受到保护避免降解.这些发现，加深了人类对激励，同行间的互动，这才是科学的魅力所在.”细胞的了解，对衰老、遗传病和癌症的研究也具2.2卡罗尔·格雷德（CarolW.Greider）有重要的意义.格雷德1961年4月15出生于加利福尼亚州2009年的诺贝尔生理学或医学奖有几个独圣地亚哥，青少年时期主要是在加州戴维斯度特之处.首先，2009年正好是这一奖项自1901过.1983年，在加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分年以来第100次颁奖.虽然诺贝尔奖不止100校毕业并获生物学学士学位.这一年，她到加利年，但中间由于战争等原因，诺贝尔生理学或医福尼亚大学伯克利分校成为布莱克本的博士生.学奖曾9次空缺.其次，2009年是这一奖项首1984年4月，格雷德在布莱克本的指导下次由两名女性同时获得.以前虽然也有女科学家开始了寻找端粒酶（Telomerase）的工作.她每天获奖，但一个奖项都只有一个女性.最后就是获工作12个小时，学习各种新的技术，经过9个奖者之一的格雷德只有48岁，是百年历史上最月的努力，在1984年的圣诞节发现了端粒酶存年轻的诺贝尔生理学或医学奖女性得主.虽然此在的迹象.经过半年各种试验的验证，终于在前居里母女得诺贝尔奖时比格雷德年轻，但她们1985年6月找到端粒酶存在的可靠证据.1985拿的是物理学奖和化学奖.年12月，著名的《细胞》（Cell）杂志发表了她们的研究成果［1］.这一年，格雷德只有24岁.2获奖者的简历及其贡献后面的故事就很简单，1987年格雷德获加利2.1伊丽莎白·布莱克本（ElizabethH.Blackburn）福尼亚大学伯克利分校的分子和细胞生物学博士布莱克本1948年11月26日出生于澳大利学位，1988~1997年在美国冷泉港实验室工作，亚塔斯马尼亚州首府霍巴特，现居美国洛杉矶，1997年升任约翰·霍普金斯大学医学院分子生物拥有美国和澳大利亚双重国籍.学和遗传学系分子生物和基因学教授至今.布莱克本在澳大利亚墨尔本完成中学学业.应该说，格雷德是个“幸运儿”.在读博士期先后于1970年和1972年在墨尔本大学获生物间就遇到了一个好的导师，同时有一个最终成为化学学士和硕士学位，1975年获英国剑桥大学“黑马”的课题.其实，我们不能不赞赏格雷德的分子生物学博士学位.眼光.当时的布莱克本并非“名师”，且课题也1975~1978年，布莱克本在美国耶鲁大学从“冷门”，最终可能是“竹篮打水一场空”.格雷德事分子与细胞生物学领域的博士后研究.1978硬是通过自己的天赋和努力，把一个“冷门”的课年7月进入加利福尼亚大学伯克利分校分子生物题做成了“热门”，年级轻轻地就奠定了自己的学学系担任助理教授，1983年升任副教授，1986年术地位，最后获取了科学界的最高荣誉.升任教授.1990年，布莱克本到美国加利福尼亚2.3杰克·绍斯塔克（JackW.Szostak）大学旧金山分校微生物学与免疫学系工作，并于绍斯塔克1952年11月9日出生于英国伦1993年至1999年间任该系主任.目前，她是加利敦，在加拿大长大，现在拥有美国国籍.1972年福尼亚大学旧金山分校生物化学与生物物理学系在加拿大麦吉尔大学获得细胞生物学学士学位，教授，同时兼任索尔克研究所客座研究员.1977年在美国康奈尔大学获得分子生物学博士职业生涯35年中，布莱克本先后获得55个学位.此后，又在康奈尔大学进行了两年的博士重大奖项，其中包括被誉为“美国诺贝尔奖”的拉后研究.斯克奖.由于成果卓著，1993年当选美国国家自1979年开始在哈佛大学医学院任教，科学院外籍院士，1998年出任美国细胞生物学1984年成为马萨诸塞总医院分子生物学系的研会主席，2002年担任美国总统生物伦理委员会究员，1998年成为美国霍华德·休斯医学研究所委员，2007年被美国《时代》周刊评为年度全球的研究员.目前是马萨诸塞综合医院遗传学教最具影响力的100个人物之一.授，并同时任职于霍华德·休斯医学研究所.布莱克本主持的实验室起用不少年轻科学1994年获得美国国家科学奖章（分子生物学），家，从事的研究大多属于耗时长、费用大，没有1998年当选为美国科学院院士，2000年获美国明显商业应用前景的基础课题.她认为：“科学研遗传学会金奖，2006年获拉斯克奖. 280生命科学研究2010年绍斯塔克目前的研究领域是“人造生命”.就功能基因的简单重复的非编码序列组成.人的染是从其它生命中提取基因，建立新染色体；随后色体端粒由超过1000个拷贝的TTAGGG序列将其嵌入已经被剔除了遗传密码的细胞之中，最组成，具有一条单链富含GT的3′末端突出.端终由这些人工染色体控制这个细胞发育变成新粒DNA特殊的T-环结构使之变得更为封闭，并的生命体.人造生命与克隆存在着质的区别，克将单链DNA包裹在内部而对其进行保护.这样，隆是利用现有遗传信息“复制”生命，而人造生命端粒蛋白和端粒DNA的T-环结构对染色体末端则是利用核苷等组成脱氧核糖核酸的基本要素进行协同防护，维持着染色体的稳定.创造新生命.作为人造生命领域的“先锋”学者之不同物种或同一物种的不同染色体，其端粒一，他预测人造生命将会在未来解决一系列目前的长度是不同的.人类体细胞中端粒的平均长度人类难以克服的问题，诸如帮我们干一些“脏活介于6～12kb（1kb等于1000个核苷酸）之间，累活”，其中包括抵御疾病、“锁住”温室气体和随细胞的年龄和细胞种类的不同产生差异.在“吃掉”垃圾.DNA复制过程中，负责复制的酶不能复制线性DNA分子的尾部，这样就在端粒区域产生一段3获奖成果的科学解读单链区域，导致部分端粒DNA的丢失.于是，3.1守护染色体的主角：端粒和端粒酶细胞每经过一次复制，大约丢失50～100个碱基，染色体是真核生物遗传物质的载体，维持其端粒便会慢慢地缩短.当端粒缩短至一定程度稳定性对于高等生物至关重要.然而，作为生命（约5～7kp）不能再缩短时，细胞无法继续分裂，蓝图的承载者，染色体却处在一个危机四伏的环并在形态和功能上都表现出衰老，在此期间绝大境中，经常遭到细胞内多种不利因素的干扰和破多数细胞由于染色体无法维持稳定而走向死亡.坏.可以想象，如果得不到有效保护，DNA稳定3.1.2端粒酶：集天使与魔鬼于一身性难以维持，后果将不堪设想.3位获奖者的主端粒酶是一种核糖核蛋白，具有逆转录活要成果，就是揭示了染色体是如何被端粒和端粒性，不需DNA聚合酶就可以与自身携带的RNA酶保护的.因此，解读2009年诺贝尔生理学或模板合成端粒序列，其活性可以通过调控端粒酶医学奖，首先要揭开“端粒”和“端粒酶”的面纱.的成分或蛋白质成分来实现.3.1.1端粒：染色体末端的“防护屏障”端粒酶在多个物种中均存在，是目前发现的端粒是两位大名鼎鼎的遗传学家缪勒参与端粒长度保持最重要的酶，主要由一段（MüllerHJ）和麦克林托克（McClintockKB）发现RNA（端粒RNA）和端粒酶催化亚基（TERT）组成.的.1938年，他们分别以果蝇和玉米为材料，发端粒RNA能和端粒DNA的重复序列配对，而端现受到损伤而断裂的线性染色体很不稳定，末端粒酶催化亚基则以端粒RNA为模板，合成端粒处经常发生随机的相互粘连和融和而改变染色DNA，实现了端粒长度的延伸.体的结构.但染色体的天然末端却从不与其他断端粒酶的催化亚基在正常的体细胞中非常裂处连接，染色体彼此之间也不会相互连接.于少，只在造血细胞、干细胞、生殖细胞和大约是推测在染色体的末端存在着一种特殊的结构，85%以上的肿瘤细胞中存在.我们知道，肿瘤细这种结构对于染色体的稳定性至关重要，犹如一胞和干细胞是具备无限增殖和生长能力的永生道“防护屏障”保护着染色体.染色体失去了这些细胞，而体细胞和人体是有寿命限制的，端粒长片断，就会互相粘连到一块，发生结构及功能上度以及端粒酶在其中扮演重要角色.打个比方：的改变，从而影响到细胞的分裂与生长.缪勒给端粒好像一架细胞的“生命时钟”，让细胞准时凋这种结构取了个形象的名字———telomere，这是亡；而端粒酶像一群勤劳的修复工，只要它们出由希腊语“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的.中现在细胞中，就会及时将磨损的端粒修好，让它文翻译更是形象———“末端的颗粒”，简称“端粒”.恢复到原来的长度，这样端粒就能永不磨损，而端粒由端粒蛋白和端粒DNA组成.研究人细胞也可以“长生不老”.听起来，这真是件美妙员在哺乳动物中先后鉴定出了十余种端粒蛋白，的事儿.可当细胞不会死亡，危险就出现了———它们通过和端粒DNA结合相互作用，抵御各种这群细胞就成了恶性肿瘤.若给端粒酶贴个标因子对于染色体末端的袭击.端粒DNA由不含签，可以写成“一半是魔鬼，一半是天使”. 第3期李大可：染色体是如何被端粒和端粒酶保护的？2813.2端粒DNA序列和端粒酶的发现历程该存在一种专门的“酶”，专职端粒DNA的复制3.2.1端粒DNA序列的发现工作.虽然端粒发现的很早，但在相当长的一段时这个黑匣子的打开一直等到格雷德到来.20间内，人们一直搞不清端粒的结构.1978年，布世纪80年代早期，格雷德作为博士研究生加入莱克本在对四膜虫的研究中发现：四膜虫核糖体布莱克本研究组后，开始用生物化学的方法寻找DNA分子末端结构中含有大量的重复片段，该和鉴定他们假说中的端粒DNA聚合酶.她们推末端富含大约50个串联重复的六核苷酸测，由于四膜虫成千上万的微小染色体都含有端（CCCCAA）［2］.粒，四膜虫也该含有丰富的端粒DNA合成酶.1980年，当布莱克本在会议上报告她的这在1984年的圣诞节，格雷德终于证实四膜虫细一发现的时候，引起了绍斯塔克的极大兴趣.他胞分离液中包含一种新的酶，它能够在体外以端那时候试图在酿酒酵母中建构人工染色体，让它粒序列为底物合成端粒六核苷酸重复序列.她们能够在细胞中像自然染色体一样复制.但是当环后来将这个酶命名为“端粒酶”.状质粒线性化转入酵母细胞后，它很快地被降解端粒酶可以延长端粒DNA，提供复制整条掉.它的降解是不是因为它的末端没有端粒序列染色体的平台，使DNA复制不会错过最后部分保护呢？布莱克本的报告让绍斯塔克茅塞顿开，染色体的整个长度.1985年，两位女性———格两人开始做一个跨越物种边界的实验.布莱克本雷德和其导师布莱克本一道，把这项结果发表在用四膜虫的DNA分离出CCCCAA序列，绍斯塔《细胞》（Cell）杂志上［1］.克将其整合到人工染色体上，并成功将其放回酵紧接着她们对端粒酶活性进一步定性.布莱母细胞内，使人工染色体走入现实［3］.由于端粒克本实验室做了个简单的实验，就是用RNA酶DNA来自四膜虫这种生物，却会保护完全不同处理样品，降解样品的RNA，看看端粒酶活性是的生物酵母的染色体，这就证明存在一种前所未否受到影响.结果是酶活性竟然消失了.显然，知的基本机制.随后，这一问题逐渐明朗，端粒端粒酶活性依赖于RNA.1989年，格雷德等人DNA存在于从原生生物到高等动物人类的绝大通过跟踪端粒酶活性，纯化并克隆了四膜虫的端多数生物体身上，如1988年发现了人类端粒重粒酶RNA亚基，发现RNA亚基有一段RNA序复序列为TTAGGG.列正好和四膜虫的端粒DNA序列互补.端粒酶人工染色体的实现，使DNA的大片段克隆正是利用RNA亚基的这段序列作为模板，重复成为可能，后来为人类基因组测序立下了汗马功复制出端粒DNA［5］.劳.这也是基本上不属于端粒和端粒酶研究领域3.3获奖成果的理论意义和应用前景的绍斯塔克，能够与布莱克本和格雷德共同获得端粒的保护、维持和端粒的缩短形成了端粒诺贝尔奖的重要原因.时间到了1984年，布莱调节的对立统一体.一方面，对端粒的保护维持克本实验室通过将酵母端粒克隆到线性人工染了遗传物质的稳定性，而另一方面，DNA复制的色体的方法，发现酵母的端粒序列是由不太规则内在特性却注定了体细胞的寿命.生殖细胞中端的TG1-3/C1-3A重复序列组成的［4］.粒酶的活性保证了端粒初始长度的恒定，而体细3.2.2端粒酶的发现胞缺乏端粒酶活性而注定了走向衰老和死亡.作在1984年报道酵母端粒序列的同一篇文章为染色体末端的“守护者”，端粒的变化决定着细中，布莱克本实验室发现了一个有趣的现象：带胞的命运，对端粒、端粒酶的深入研究，有益于着四膜虫端粒DNA的人工染色体导入到酵母揭示遗传物质的稳定性以及细胞的衰老、死亡和后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒序癌变的奥妙，同时也为肿瘤、遗传病的诊断和治列.由于端粒是由重复序列组成的，当时人们普疗带来新的曙光.遍猜想同源重组是延伸端粒补偿染色体末端隐3.3.1有助破解人类衰老之谜缩的机制.但是同源重组只能复制出更多本身的端粒DNA序列和端粒酶的发现，揭示了细序列，为什么在四膜虫端粒上加的是酵母的端粒胞分裂的机制，细胞每分裂一次，端粒就缩短一序列而不是四膜虫端粒本身的序列呢？这个现次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂象同源重组是无力解释的.布莱克本意识到，应而死亡.这就好像细胞戴了一顶帽子一样，每次 282生命科学研究2010年细胞分裂都会使帽子缩短一些，当帽子缩到不能3.3.2有助遗传病的研究和临床再缩短时，细胞就会凋亡.在人体新陈代谢过程端粒酶的研究也对某些遗传性疾病有了揭中，随着年龄增长凋亡的细胞比新生的细胞多，示.比如遗传性再生障碍性贫血中，有一种类型人体就逐渐衰老，直至死亡.从这个方向继续研叫先天角化不良，这种疾病就是人体造血干细胞究下去，人类如果能控制端粒酶，也就能做到避端粒酶发生基因突变，细胞过早凋亡而失去造血免正常细胞的过早凋亡，也就是说，能够延缓衰功能.在临床上，现在已经能够通过端粒酶活性老，甚至延长寿命，从这个意义上说，这项研究检测的方法，来判断患者是否属于这种遗传性疾非常有意义.病.此外，临床上还有因为端粒酶异常而导致的2008年，西班牙国立癌症研究中心的科学皮肤病、肺部疾病.家将端粒酶植入小白鼠的干细胞中，这些小白鼠3.3.3有助肿瘤的研究和临床的寿命比正常情况下延长了50%.这种改良老由于端粒酶在正常组织中很少表达，以及在鼠经过继续喂养，它们的新DNA形态会进一步肿瘤中的高表达，给我们提供了一个很好的诊断加强.在这个过程中产生了一群“超级老鼠”，它工具.至于能否用以鉴别肿瘤的良性和恶性，能们的寿命更长.但有资料表明，有一些动物有较否用以作为预后指标，这是医学界普遍关注的问长的端粒而寿命不长，如老鼠的端粒长达50～题.由于一部分恶性肿瘤无端粒酶活性，所以测150kb，而人只有15kb，但人的寿命比老鼠长不到端粒酶活性并不意味着是良性.得多.在酵母细胞中也发现，酵母细胞分裂24肿瘤细胞端粒酶活性升高是一种普遍现象，代之后会死亡，但老年细胞没有发现端粒的明显能否通过抑制端粒酶活性从而治疗肿瘤呢？现缩短.这也说明，衰老并非如想像中那么简单，在已经有学者开始着手进行这方面的研究.端粒不单单一个端粒酶就能解决.酶活性的抑制可以通过许多途径产生：应用反义印大中等认为，衰老是人体整体机能的退化RNA技术抑制酶活性；通过某些逆转录酶抑制和下降，将端粒、端粒酶和人体衰老简单地相提剂抑制酶活性；改变端粒酶蛋白结构使其失活；并论是典型的盲人摸象，是单线思维的产物.姑通过诱导端粒酶RNA突变使其丧失生物学功能.且不说那上百种的衰老理论，也不谈已鉴定的几抑制端粒酶的策略用于肿瘤治疗能否成功，还有百种衰老相关基因，仅从细胞角度解剖分析一下一些问题需要解决：1）端粒酶的激活与肿瘤发端粒与衰老的相关性.其一，人体内有200多种生之间是因果关系还是相关关系尚需进一步研功能不同的细胞，许多细胞在我们一生过程中都究；2）端粒酶在正常细胞无活性，但在生殖细不分裂，例如神经细胞、心肌细胞（包括绝大部胞、造血干细胞及T、B淋巴细胞中均有酶活性，分肌肉细胞）、脂肪细胞等.细胞不分裂，意味该方法可能对生殖、造血及免疫系统有影响；3）着端粒就不会越来越短；其二，细胞的寿命与人端粒长度的维持可能有其他途径，如果这些途径体的存活时间长短是不能简单等同的.整体不是被激活，端粒酶抑制疗法将失败.个体的简单叠加.例如，人体的单个细胞可以存参考文献（References）：活300年，不等于人体就可以活300年；其三，人体内除了有多种功能不同的细胞外，还有占蛋[1]GREIDERCW，BLACKBURNEH.IdentificationofaspecifictelomereterminialtransferaseactivityinTetrahymena白质总量30%的细胞外组织———细胞间质.我extracts[J].Cell，1985，43（2）：405-413.们能在老年人身体上看到的最明显的生理性衰[2]BLACKBURNEH，GALLJG.Arandomlyreportedsequen-老变化，其实是细胞间质的老化，例如皮肤起ceattheterminioftheextrachromosomalRNAgenesinTetrahymena[J].JMolBiol，1978，120（1）：33-53.皱、血管硬化、组织纤维化、眼球发黄（及白内[3]SZOSTAKJW，BLACKBURNEH.Cloningyeasttelomeres障）等.这些老化意味着，即使有一天我们能够onlinearplasmidvectors[J].Cell，1982，29（1）：245-255.将所有的“坏细胞”（甚至“坏基因”）都替换掉，对[4]SHAMPAYJ，SZOSTAKJW，BLACKBURNEH.DNAsequencesoftelomeresmaintainedinyeast[J].Nature，1984，于“细胞间质”的衰老性生化改变基本“无计可310（5973）：154-157.施”，因为那是属于生物体内基本无法修复的“永[5]GREIDERCW，BLACKBURNEH.Atelomericsequence久垃圾”.显然，那些认为只要保持端粒酶一定intheRNAofTetrahymenatelomeraserequiredfortelomererepeatsynthesis[J].Nature，1989，337（6205）：331-337.的活性就可以长生不老的说法失之偏颇.