《端粒和端粒酶地发现历程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《端粒和端粒酶地发现历程（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、word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ElizabethBlackburn简称Liz，JohnsHopkinsUniversity约翰霍普金斯大学的CarolGreider简称Carol，以与HowardMedicalSchool哈佛医学院的JackSzostak。诺贝尔奖主页上介绍她/他们获奖的原因是揭示了“howchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase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
2、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与端粒的概念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
3、因为没有另外的引物起始，没有方法被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，如果不进展补偿，染色体不断缩短，最终就会消失。JamesWatson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。早在1939年，潜心玉米遗传性状研究的BarbaraMcClintock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
4、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防止染色体之间的相互融合。更早的1938年，HermannMuller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拟特殊，它需要被封闭sealed起来，并给它一个专有的名称-端粒te
5、lomere，来自希腊词根telos，末端，和meros，局部3。端粒DNA序列的发现以与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Tetrahymenathermophila。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，rDNA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
6、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。1980年，当Liz女士在会议上报告她的这一发现的时候，引起了JackSzostak的极大兴趣。他那时候试图在酿酒酵母Saccharomycescerevisiae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
7、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JackSzostak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，线性质粒不再降解，它可以在细胞复制，人工染色体的想法实现了！5值得一提的是，人工染色体的实现当初也许仅仅是满足人们的异想天开，但它实际上使DNA的大片段克隆成为可能，后来为人类基因组测序的工作立下了汗马功劳。这也是JackSzostak共同获得诺贝尔奖的重要原因。1984年，Liz实验室通过将酵母端粒克隆到线性人工染色体的方法，发现酵母的端粒序列是由不太规如此的TG1-3/C1-3A重复序列组成的5,6。端粒复
8、制的两个假说以与端粒酶活性的发现在1984年报道酵母端粒序列的同一篇文章中，Liz实验室发现了一个有趣的现象：带着四膜虫端粒DNA的人工染色体导入到酵母后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒序列6。由于端粒是由重复序列组成的，当时人们普遍猜想同源重组是延伸端粒补偿染色体末端隐缩的机制。但是同源重组只能复制出更多本身的序列，为什么在四膜虫端粒上加的是酵母的端粒序列而不是四膜虫端粒本身的序列呢？这个现象同源重组是无力解释的。也许，酵母中存在专门的“酶来复制端粒DNA。终究是重组还是全新的酶？为了厘清这两个假说，Liz意识到最重要的是找到这个“酶。如前所述，在四膜虫接合细胞的大核发育过程中，大核产
9、生了非常丰富的小染色体，每一个小染色体都被从头加上了端粒。可以推测，如果“酶的假说成立，此时细胞的“酶活性应该是非常高的。1984年，Carol女士作为博士生加盟了Liz实验室。她们俩精心讨论设计实验，用四膜虫的核抽提液与体外的端粒DNA进展温育，试图在体外检测到这个“酶活性，看到端粒的延伸。经过不断优化条件，尤其是把底物换成体外合成的高浓度的端粒DNA后，同年的圣诞节，勤奋的Carol同学打开暗盒曝光x光片，终于清楚地看到了“酶“活性。在测序胶的同位素曝光片上，端粒底物明显被从新加上了DNA碱基，而且每六个碱基形成一条很深的带，与四膜虫端粒重复根本单位为六个碱基正好吻合7。这种酶活性不依赖于
10、DNA模板，只对四膜虫和酵母的端粒DNA进展延伸，而对随机序列的DNA底物不延伸；并且该活性不依赖于DNA聚合酶7。由于同源重组对序列没有特异性的要求并且依赖于DNA聚合酶的活性，至此，她们澄清了这两种假说，证明了有一种“酶来延伸端粒DNA。这种酶后来被命名为“端粒酶telomerase。端粒酶RNA亚基的发现紧接着她们开始对端粒酶活性进一步定性。此时TomCech因为发现RNA可以有催化酶活性获得诺奖正好访问Liz的实验室，她/他们一起做了个简单的实验，就是用RNA酶处理样品，降解样品的RNA，看看端粒酶活性是否受到影响。结果是酶活性竟然消失了，端粒酶活性依赖于RNA8,9。端粒酶会不会是另
11、外一种特殊的RNA催化酶？想必从这个时候，TomCech开始被端粒酶深深吸引，并介入了这个领域。当然那时候也知道端粒酶是依赖于蛋白的：用蛋白酶消化后的样品也不具备端粒酶活性7。1989年，Carol通过跟踪端粒酶活性，用柱子纯化并克隆了四膜虫的端粒酶RNA亚基。另一个谜底揭开了：RNA亚基有一段RNA序列正好和四膜虫的端粒DNA序列互补，端粒酶正是利用RNA亚基的这段序列作为模板重复复制出端粒DNA10。端粒和端粒酶领域的领军人物多数是女士。公平起见，不妨多介绍几位。VirginiaZakian女士实验室的DanielGottschling发现端粒区域具有TPE效应TelomerePositi
12、onEffect，端粒位置效应，也就是置入端粒区域的基因会被沉默，不表达11。我们来看看DanielGottschling自己成立实验室后是如何利用TPE现象来设计实验，筛选出酵母的RNA亚基基因的，同时也见识一下酵母这个非常强大的遗传学模式生物。首先把URA和ADE两个基因通过遗传重组的方法置入端粒区域。URA基因使酵母能够自己合成uracil尿嘧啶；缺少ADE基因如此会让酵母累积红色素，使酵母克隆变成红色。由于端粒的TPE效应，URA和ADE不表达，酵母只能在含有uracil的培养基中生长，且克隆是红色的。在这个遗传改造过的酵母中转入酵母的cDNA表达库，可以预计，某些调控端粒长度的基因通
13、过过表达可以改变端粒的长度。如果端粒长度变得足够短的话，TPE效应就会消失，URA和ADE两个基因就会启动表达。那么这种短端粒的酵母就能够在不含有uracil的培养基中生长，并且酵母克隆显示出白色图2。用这两个指标进展筛选，可以筛选到一系列让端粒变短的基因。其中一个基因比拟特殊，任何阅读框都只能阅读一小段蛋白序列，看起来更象个RNA基因。深入研究发现这个基因含有酵母端粒序列的互补序列，而且对这一序列进展突变，酵母的端粒序列也发生相应的改变-这个基因正是编码酵母端粒酶RNA亚基的基因12。这个发现有运气的成分，因为一般情况下，端粒正调控基因过表达，端粒应该变长才对。但是恰恰相反，端粒酶RNA亚基
14、的过表达，端粒反而变得很短。此后的1995年，同样是Liz实验室报道了酵母端粒酶的活性13。端粒酶催化亚基的发现到RNA亚基被揭示为止，谜团就只剩下端粒酶的蛋白质亚基了。端粒酶既然能够利用RNA模板亚基来复制DNA，那么很容易推测这个蛋白亚基可能具有RNAdependentDNApolymerase活性依赖于RNA的DNA聚合酶活性，也就是逆转录酶的活性。更进一步地说，它的蛋白序列里应该包含逆转录酶特有的结构域。尽管没有实验证据，这个谜底通过逻辑推理实际上已经猜到了一半，很多人都想彻底地揭开它，不同实验室的竞争也变得激烈起来。1989年，端粒和端粒酶领域的另外一位女杰，JackSzostak实
15、验室的VickiLundblad利用设计精巧的遗传学筛选方法，从酵母中筛选到了EST1基因这个遗传学方法描述起来比DanielGottschling的更为复杂，这里就不介绍了，有兴趣的去读原始文献。敲除EST1基因，端粒会随着酵母的传代逐渐缩短，最后缩短到一定程度的时候，酵母就衰老死14。Est1蛋白从酵母的表型看来很像是端粒酶的蛋白催化亚基。VickiLundbrad和Liz在90年的Cell杂志上大胆猜想Est1蛋白含有逆转录酶的结构域15。VirginiaZakian实验室在95年的cell上也报道Est1蛋白是酵母端粒酶的体外活性所必需的16。不过发表在顶尖杂志的工作并不一定是好工作，
16、科学也有谬误的时候，尤其是在竞争激烈，人们已经感觉得接近于揭开谜底的时候容易急躁，匆忙发表了一些不够solid可靠的数据。这一次运气不站在她们一边，谜底猜错了。那么端粒酶的催化亚基是什么呢？1996年，TomCech实验室用生化的手段纯化了四膜虫端粒酶复合体，其中有一个蛋白根据分子量命名为p12317。同一时期，VickiLundblad实验室改良了她的遗传学筛选方法，筛选到了几个与酵母端粒复制密切相关的基因，命名为EST2，EST3和EST4也叫CDC1318。这个改良版的筛选方法非常厉害，它把酵母端粒酶全酶的亚基一网打尽。值得一提的是尽管这个结果只发表在“影响因子不太高的专业杂志Genetics遗传学上，它的影响却非常深远，此后很长一段
