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2009年诺贝尔生理学或医学奖研究成果介绍摘要：2009年10月5日瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔生理学或医学奖评审委员会宣布将本年度诺贝尔生理学或医学奖授予三位美国科学家伊丽莎白·布莱克本(ElizabethHBlackburn)、卡罗尔·格雷德(CarolW．Greider)和杰克·绍斯塔克(JackW．Szostak)，以表彰他们在上世纪80年代发现了“端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。本文主要介绍端粒和端粒酶是如何保护染色体的。关键词：端粒，端粒酶，染色体ElizabethBlackburn教授1948年出生在澳大利亚塔斯马尼亚州霍巴特市，毕业于墨尔本大学，1975年在剑桥大学获博士学位，而后在耶鲁大学做博士后，1990年至今在加州大学任教。JackSzostak教授1952年出生在英国伦敦，毕业于加拿大麦吉尔大学，1977年在美国康奈尔大学获博士学位，现供职于哈佛医学院、麻省总医院和霍华休斯医学研究所。这两位科学家合作证实了真核生物的端粒具有保护染色体末端的作用。CarolGreider教授1961年出生在美国加州的圣地亚哥，1987年在加州大学Black—burn教授的指导下获博士学位，而后在冷泉港实验室做博士后，1997年至今任教于约翰·霍普金斯大学医学院。Greider教授与Blackbum教授合作发现了催化延伸端粒结构的端粒酶。1端粒能保护染色体末端以下仅以哺乳动物的端粒为例加以介绍。哺乳动物端粒的重复序列为(TTAGGG／AATCCC)，其中G链3’端是一段单链的悬突(overhang)，C链5’端以序列(ATC)结束。电镜观察发现，端粒结构是一个双环结构，称为T环(T—loop)，3’端的悬突替代G链的一段序列与C链配对，形成D环(D-loop)，T环的形成使得染色体的末端被包裹保护起来而免遭破坏。哺乳动物的端粒与一个6种蛋白构成的复合物shelterin结合，这6种蛋白分别为TRFl、TRF2、POTl、TIN2、Rapl和TPPl。TRFl和TRF2(telomericrepeatbindingfactor1and2)能够特异性识别并结合双链重复序列上的5’-YTAGGGTTR-3’序列，POTl(protectionoftelomeres1)则能识别并结合3’端悬突和D环上单链重复序列上的5’-(T)TAGGGTTAG-3’序 列，上述三种蛋白保证了shelterin能够特异性识别染色体上的端粒并与之结合。另外，TRFl和TRF2还能结合另外四种蛋白质：TIN2(TRF2-andTRFl-interactingnuclearprotein2)、Rapl(repressor／activatorprotein1)、TPPl和POTl，共同构成一个稳定的复合体。端粒的重要作用之一是保护染色体末端不发生融合，这其中，shelterin发挥着关键作用。目前的研究表明，shelterin主要有以下三方面的作用：(1)保持端粒G链3’端悬突的稳定，决定C链5’端以序列(ATC)结束；(2)阻止端粒酶对端粒的过度延长作用，使端粒维持在一个合适的长度；(3)促使端粒3’端悬突反折插入端粒双链部分，形成T环和D环结构。通过上述三方面的作用，Shelterin保证了端粒结构的完整，避免染色体末端发生非同源性末端连接(nonhomologousendjoining，NMEJ)，维持了基因组的稳定性。端粒的另一个重要作用是能阻止细胞对染色体末端的DNA损伤反应(DNAdamageresponse)。当哺乳动物的染色体出现双链断端时，细胞会启动ATM(ataxia-telangiectasiamutated)激酶路径进行DNA修复，而出现单链DNA损伤时则启动ATR(ataxiatelangiectasia-andRad3-related)激酶路径进行修复。ATR激酶和ATM激酶识别基因组中存在的DNA损伤，激活Chkl和Chk2激酶，Chkl和Chk2激酶不仅可以抑制Cdc25磷酸酶，从而抑制Cdks的激活，还能辅助ATM激酶和ATR激酶激活p53，p53进一步激活p21，p21再抑制Cdks的激活，这样就使细胞周期停留在G1／S或G2／M阶段。细胞周期停滞保证了细胞有足够的时间修复损伤的DNA分子。如果没有shelterin辅助染色体末端形成T环，那么暴露的悬突和断端就会启动DNA损伤反应，激活ATM激酶和ATR激酶路径，阻断细胞周期的前进，引起细胞衰老或凋亡。2端粒酶催化端粒延伸。保证染色体复制完整1997年，JoachimLingner等在另一种纤毛虫Euplotesaediculatus的端粒酶上纯化出一种带有逆转录酶基序的蛋白质p123，并发现该蛋白与酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)端粒酶上纯化出的EST2(evershortertelomeres)蛋白具有同源性。酿酒酵母中的EST2蛋白若缺失，则会导致端粒异常缩短，细胞过早衰老。由此不难推测，p123和EST2蛋白上的逆转录酶基序对于端粒酶催化延伸端粒至关重要，说明端粒酶是一种特殊类型的逆转录酶，其能以自身含有的RNA为模板，延伸染色体的端粒，保证染色体末端复制的完整。与其他物种的端粒酶一样，人的端粒酶也由两部分组成，即人类染色体端粒酶RNA(humantelomerasemRNAcomponent，hTERC)和人类端粒酶逆转录酶(human telomerasereversetranscriptase，hTERT)。hTERC由451个核苷酸构成，含有模板序列5’-CUAACCCUAAC-3’；hTERT是端粒酶的催化亚基，其氨基酸链的C端含有逆转录酶基序，具有逆转录酶活性，能以hTERC为模板催化端粒延伸。研究发现，人端粒酶的活性在正常体细胞发育的不同阶段，在不同层面上受到严格调节。在胚胎细胞及一些特殊组织细胞如生殖细胞和肝脏细胞中，端粒酶具有较高的活性，保证这些细胞具有较强的增殖能力，发挥相应的作用。而在一般组织细胞中并不存在端粒酶，所以随着分裂次数的增加，染色体的端粒逐渐缩短，经过一定次数的有丝分裂后，端粒缩短到一定程度，细胞就将衰老死亡，这就是细胞分裂的Haynick界限(Hayflicklimit)。参考文献：宋伟、宋德懋.端粒和端粒酶是如何保护染色体的[J]．生理科学进展，2010