染色體端粒和端粒酶

1、 telomere and telomeraseNobel Prize in Physiology or Medicine 2009 主要成就：主要成就：他們共同解決了生物學(xué)的一個重大問他們共同解決了生物學(xué)的一個重大問題，即題，即“在細胞分裂時染色體如何完整地自我復(fù)在細胞分裂時染色體如何完整地自我復(fù)制以及染色體如何受到保護以免于退化制以及染色體如何受到保護以免于退化”。“這這三位科學(xué)家向我們展示，解決辦法存在于染色體三位科學(xué)家向我們展示，解決辦法存在于染色體末端末端端粒端粒，以及形成端粒的酶，以及形成端粒的酶端粒酶端粒酶?！?一一 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義 1978年伊

2、麗莎白通過體外DNA復(fù)制實驗，推斷出模式生物四膜蟲的端粒中含有許多重復(fù)的5-CCCCAA- 3六堿基序列，首次闡明了四膜蟲的端粒結(jié)構(gòu)。 同時，杰克紹斯塔克正試圖在酵母中建構(gòu)人工線性染色體，希望它能夠像自然染色體一樣在細胞中復(fù)制。但他構(gòu)建的人工染色體轉(zhuǎn)化入細胞后總是很快降解。 1980年，當伊麗莎白報道她關(guān)于端粒DNA的發(fā)現(xiàn)時，引起了杰克的極大興趣。于是二人合作將新發(fā)現(xiàn)的四膜蟲端粒序列和人工染色體連接到一起，而后導(dǎo)入酵母細胞。奇跡出現(xiàn)了，人工染色體不再降解，可以在細胞內(nèi)正常復(fù)制。這一方面證實了端粒對染色體的保護作用，也使DNA的大片段克隆成為可能，為后來的人類基因組測序奠定了基礎(chǔ)。一一 端粒和端

3、粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義 1984年，卡羅爾作為博士研究生進入伊麗莎白實驗室，開始了端粒末端合成機制的研究工作。 她們假設(shè)端粒是由某種酶合成，那么在細胞裂解液里應(yīng)該有這種酶的存在，如果使用四膜蟲細胞裂解液在體外能檢測到端粒序列的復(fù)制和延伸，那無疑證實這種“酶”的存在。一一 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義 結(jié)果顯示，當四膜蟲細胞裂解液加入四膜蟲或酵母端粒序列DNA時，其明顯被重新加上了DNA堿基，而且以6個堿基遞增的方式延長，與四膜蟲端粒重復(fù)基本單位為6個堿基正好吻合，而對于隨機序列的DNA底物并不發(fā)生延伸。 實驗結(jié)果證明，端粒DNA的延伸是通過“酶”來完成的，

4、且這種酶的活性不依賴于DNA模板。這種酶后來被命名為“端粒酶”。一一 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義（一）端粒（一）端粒染色體末端由染色體末端由重復(fù)重復(fù)DNADNA序列序列和和相關(guān)蛋白相關(guān)蛋白組成的特殊結(jié)構(gòu)，具組成的特殊結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)和有穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)和完整性的功能。完整性的功能。一一 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)和定義（二）端粒酶（二）端粒酶（telomerasetelomerase）是是核蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶核蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶，以自身，以自身RNARNA為模板，合為模板，合成端粒成端粒DNADNA，將端粒，將端粒DNADNA加至真核細胞染色加至真核細胞染色體末

5、端，為細胞持續(xù)分裂提供遺傳基礎(chǔ)。體末端，為細胞持續(xù)分裂提供遺傳基礎(chǔ)。由于端粒和端粒酶與由于端粒和端粒酶與染色體保護、腫瘤發(fā)染色體保護、腫瘤發(fā)生、細胞衰老生、細胞衰老等現(xiàn)象密切相關(guān)，所以它成等現(xiàn)象密切相關(guān)，所以它成為科學(xué)家當前的研究熱點。為科學(xué)家當前的研究熱點。二二 端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒的結(jié)構(gòu)和功能（一）端粒的結(jié)構(gòu)（一）端粒的結(jié)構(gòu) 二二 端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒的結(jié)構(gòu)和功能二二 端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒的結(jié)構(gòu)和功能（二）端粒的功能（二）端粒的功能1 1、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)；、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)； （1 1）端粒端粒T T環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (terminal loop) (terminal loop) ，使，

6、使染色體末端封閉起來，染色體末端封閉起來，免遭破壞；免遭破壞； （2 2）端粒端粒D D環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(displacement loop)(displacement loop) ，結(jié)合結(jié)合TRFTRF2 2等蛋白，阻止等蛋白，阻止染色體末端融合和損傷染色體末端融合和損傷反應(yīng)。反應(yīng)。 沒有游離的末端是染色體末端穩(wěn)定的關(guān)鍵沒有游離的末端是染色體末端穩(wěn)定的關(guān)鍵二二 端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒的結(jié)構(gòu)和功能（二）端粒的功能（二）端粒的功能1 1、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)；、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)；2 2、保持染色體、保持染色體DNADNA遺傳信息復(fù)制的完整遺傳信息復(fù)制的完整性，解決性，解決DNADNA末端復(fù)制問題；末端

7、復(fù)制問題；3535535353TelomeraseDNA synthesis35 保持染色體保持染色體DNA遺傳信息復(fù)制的完整性遺傳信息復(fù)制的完整性二二 端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒的結(jié)構(gòu)和功能（二）端粒的功能（二）端粒的功能1 1、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)；、穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)；2 2、保持染色體、保持染色體DNADNA遺傳信息復(fù)制的完整性，遺傳信息復(fù)制的完整性，解決解決DNADNA末端復(fù)制問題；末端復(fù)制問題；3 3、與、與細胞衰老細胞衰老有關(guān)。細胞愈年輕，端粒愈長；有關(guān)。細胞愈年輕，端粒愈長；細胞愈老，端粒愈短。細胞愈老，端粒愈短。 細胞分裂細胞分裂 細胞分裂細胞分裂 端粒長短與細胞衰老有關(guān)端粒長短與細

8、胞衰老有關(guān)染色體染色體端粒端粒 端粒端粒 細胞將停止分裂而趨于老化細胞將停止分裂而趨于老化三三 端粒酶的結(jié)構(gòu)和合成端粒的機制端粒酶的結(jié)構(gòu)和合成端粒的機制（一）端粒酶的結(jié)構(gòu)（一）端粒酶的結(jié)構(gòu) 由由RNA組分和組分和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組分組成。組分組成。 （二）端粒酶合成端粒的機制（二）端粒酶合成端粒的機制（一）腫瘤發(fā)生（一）腫瘤發(fā)生: :端粒端粒-端粒酶學(xué)說端粒酶學(xué)說隨著細胞分裂次數(shù)的增加，隨著細胞分裂次數(shù)的增加，端粒逐漸縮短端粒逐漸縮短，當，當其縮短到關(guān)鍵長度時，其縮短到關(guān)鍵長度時，細胞停止分裂細胞停止分裂，大部分，大部分細胞在基因調(diào)控下細胞在基因調(diào)控下衰老死亡。衰老死亡。極少部分細胞通過病毒基因的

9、整合或抑癌基因極少部分細胞通過病毒基因的整合或抑癌基因的突變而逃脫死亡，通過某種機制的突變而逃脫死亡，通過某種機制激活端粒酶激活端粒酶，使端粒長度得以維持，使端粒長度得以維持，成為永生細胞成為永生細胞，無限增，無限增殖，殖，形成腫瘤形成腫瘤。四四 、與腫瘤和細胞衰老的關(guān)系、與腫瘤和細胞衰老的關(guān)系四四 端粒、端粒酶與腫瘤和細胞衰老端粒、端粒酶與腫瘤和細胞衰老在在正常人的體細胞正常人的體細胞中，檢測不到端粒酶活性；中，檢測不到端粒酶活性；85%-95%85%-95%的腫瘤細胞的腫瘤細胞中，檢測到端粒酶活性；中，檢測到端粒酶活性；抑制端粒酶活性，可以使永生細胞轉(zhuǎn)化為正抑制端粒酶活性，可以使永生細胞轉(zhuǎn)

10、化為正常細胞。常細胞。臨床應(yīng)用：臨床應(yīng)用：1 1、直腸癌的早期診斷方法、直腸癌的早期診斷方法 2 2、治療癌癥：、治療癌癥：RNARNA干擾技術(shù)干擾技術(shù)（二）細胞衰老：生命鐘假說（二）細胞衰老：生命鐘假說 人體細胞中，端粒酶延長端粒的作用是在人體細胞中，端粒酶延長端粒的作用是在胚系胚系完成的，當胚胎發(fā)育完成后，完成的，當胚胎發(fā)育完成后，端粒酶活性端粒酶活性被抑制被抑制。 當人出生以后，端粒就象是一個伴隨著細當人出生以后，端粒就象是一個伴隨著細胞分裂繁殖的胞分裂繁殖的“生命之鐘生命之鐘”，歷數(shù)著細胞可分，歷數(shù)著細胞可分裂的次數(shù)，同時也見證了細胞由生長到衰老死裂的次數(shù)，同時也見證了細胞由生長到衰老

11、死亡的整個生命歷程。亡的整個生命歷程。四四 端粒、端粒酶與腫瘤和細胞衰老端粒、端粒酶與腫瘤和細胞衰老端粒酶活性在多細胞生物的體細胞中受端粒酶活性在多細胞生物的體細胞中受到抑制，導(dǎo)致染色體在每一代細胞中逐到抑制，導(dǎo)致染色體在每一代細胞中逐漸縮短。隨著這種縮短到達信息漸縮短。隨著這種縮短到達信息DNA,DNA,細細胞衰老和死亡。胞衰老和死亡。細胞分裂細胞分裂 端粒閾值端粒閾值細胞停止分裂，走向死亡細胞停止分裂，走向死亡當端粒酶活性被抑制當端粒酶活性被抑制端粒長短與細胞分裂次數(shù)端粒長短與細胞分裂次數(shù)呈正比呈正比端粒長短端粒長短 基因探針檢測基因探針檢測胎兒細胞株胎兒細胞株嬰兒細胞株嬰兒細胞株青年細胞

12、株青年細胞株老年細胞株老年細胞株不同年齡段不同年齡段端粒長度端粒長度研究端粒丟失速率，研究端粒丟失速率，預(yù)測人類壽命預(yù)測人類壽命長短 四四 、與腫瘤和細胞衰老的關(guān)系、與腫瘤和細胞衰老的關(guān)系 端粒與生物體衰老的經(jīng)典例證端粒與生物體衰老的經(jīng)典例證 19961996年年7 7月，克隆羊月，克隆羊多莉出生，多莉出生，6 6年后年后，她得，她得了一般老年時才會得的了一般老年時才會得的關(guān)節(jié)炎和肺病而死亡。關(guān)節(jié)炎和肺病而死亡。 羊的平均壽命是羊的平均壽命是1212歲。歲。 克隆多莉時，使用的克隆多莉時，使用的是是6 6歲成年羊的體細胞核。歲成年羊的體細胞核。1.1.端粒酶逆轉(zhuǎn)衰老過程的研究：端粒酶逆轉(zhuǎn)衰老過

13、程的研究：n2010年11月，美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究者Jaskelioff M等在Nature雜志發(fā)表了有關(guān)端粒酶和衰老研究的重要發(fā)現(xiàn)。他們利用基因工程技術(shù)成功地將端粒酶缺陷型小鼠的衰老過程逆成功地將端粒酶缺陷型小鼠的衰老過程逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。n迄今為止，這是首次有小鼠動物實驗成功地逆轉(zhuǎn)衰老過程，意味著一些老化的器官也有“重生”的可能。這項突破成果或有望防治腦退化癥(如老年癡呆癥)、糖尿病和心臟病等疾病，甚至有望打開永恒青春的奧秘。 五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀 五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀2.2.萬能癌癥疫苗的萬能癌癥疫苗的研究：研究：2011年4月15日，據(jù)英國每日郵報報道，英國科學(xué)家近期研制出了一種“萬能”疫苗，可用于治療包括胰腺癌在內(nèi)的多種癌癥，并預(yù)計在兩年后面世。這個“新發(fā)明”還不會像其它癌癥藥物一樣導(dǎo)致副作用，例如頭暈和掉頭發(fā)。從原理上講，它會激活免疫系統(tǒng)找出并破壞癌細胞的端粒酶，它會激活免疫系統(tǒng)找出并破壞癌細胞的端粒酶，從而抑制癌細胞的生長。從而抑制癌細胞的生長。而健康細胞不會遭受攻擊，因為它們的端粒酶含量太低，不會引起免疫系統(tǒng)的注意。 五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀 五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)狀五、端粒與端粒酶的研究現(xiàn)