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端粒和端粒酶概述学号8105064405级生物技术张婧前言端粒是染色体末端由重复DNA序列和相关蛋白组成的一种特殊结构，具有稳定染色体结构及完整性的功能，会随染色体复制与细胞分裂而缩短。端粒酶是一种核糖核蛋白，能以自身RNA模板合成端粒DNA，为细胞持续分裂提供遗传基础。由于端粒和端粒酶与细胞衰老、肿瘤发生等现象密切相关，所以它也成为了科学家们当前的研究热点。背景知识一端粒的发现70年前两位著名的遗传学家BarbavaMcClintock和HermannJ.Muller发现：染色体的末端有一种能稳定染色体结构和功能的特殊成分。如果缺少了这种成分，染色体之间就会互相粘连、出现结构的变化或其它错误的行为，以致影响到染色体的生存和正确复制并进一步威胁到细胞的存亡。HermannJ.Muller（1890~1967）1946年获NobelPrizePhysiologyorMedicine。背景知识二端粒的精确分析78年，美国科学家Blackburn和JosephG.Gall发现，单细胞生物四膜虫的端粒是由一种很短的简单重复序列TTGGGG多次重复而成。从那以后，多种生物的端粒序列已被确定，它们均是由富含G和T的简单重复序列不断重复而成。正是这些连接在染色体末端的核苷酸重复序列和结合在其上的一些蛋白质共同构成了真核生物染色体的“末端保护帽”。主要内容I.端粒及其结构功能II.端粒酶结构及其作用机制III.端粒酶与细胞衰老和肿瘤发生机制初探一、端粒的结构和功能通过原位杂交技术,清晰可见位于染色体末端的端粒结构1.1端粒的结构端粒是由简单重复序列组成的一段核酸。端粒以GT富集的形式延伸在CA富集链上。G尾部由于CA富集链的有限降解而产生。几乎所有生物的端粒重复序列可以写成：Ｃn(Ａ/Ｔ)m的形式。人的端粒重复序列为TTAGGG富含鸟嘌呤的G链在解离下来时，往往不表现出一条单链DNA，它们的电泳带有异常。这可能是由于鸟嘌呤又相互连接的不寻常能力:端粒的G链尾能够形成“G四联体”.每个四联体含有四个鸟嘌呤彼此通过氢键形成平面结构。但是这并未验证染色体末端存在这种体外观察结构。在一种端粒结合蛋白TRF2蛋白催化下，端粒（人）的3’单链末端（G尾）重复取代了双链体DNA中的同源重复以形成一个环。TRF2蛋白与其它蛋白一起形成能稳定染色体端部的复合物。右图真实的显示出端粒在染色体末端形成一个特殊的DNA环。没有游离的末端可能是使染色体末端稳定的关键1.2端粒的功能端粒作为染色体末端的特殊结构具有:①稳定染色体结构、功能完整性的作用。②随染色体复制与细胞分裂而缩短的特性。稳定染色体结构及完整性端粒特殊的序列经辅助因子加工，在染色体末端形成了紧密地非共价键闭合环,可以防止染色体相互间在末端发生融合和重组,使正常的染色体末端区别于受损的DNA双链,从而避免激活DNA损伤应答机制。端粒特殊的重复序列被特异性的结合了一些端粒结合蛋白POT(protectoroftelomeres)形成帽子结构复合物，从而防止染色体被核酸外切酶降解。随复制逐渐缩短由于DNA复制存在5’末端复制缺陷问题,导致了细胞的染色体末端的端粒DNA会伴随着染色体的复制与细胞分裂出现渐进性的丢失。但在有端粒酶活性的细胞中，端粒酶可以被合成延伸。90年,Harley等人用人工合成的(TTAGGG)3作探针，对胎儿、新生儿、青年人及老年人的成纤维细胞进行端粒长度测量，发现其长度随年龄增长而明显缩短。二、端粒酶的结构和功能端粒酶是一种自身携带RNA模板的核糖核蛋白。2.1端粒酶的结构端粒酶至少由三个组分构成端粒酶RNA(TelomeraseRNAComponent,TR)端粒酶逆转录酶(TelomeraseReverseTransciptase,TERT)端粒酶相关蛋白(Telomeraseassociatedprotein,TEP)三种不同生物的端粒酶TR二级结构绿色的代表结合TERT的保守区.红色的是重复序列相应的模版一般是DNA中重复序列的一个半拷贝。TR的结构具有一个特殊的T结构域和7个保守的逆转录酶结构域。这些保守的结构域在TERT和模板RNA结合以及发挥端粒酶活性上起着重要作用。TERT是一个进化上高度保守的蛋白逆转录酶的亚基经过研究发现，在体内是以二聚体的形式存在的，根据这个现象结合对HIV-1的研究成果，可以在理论上构建人工的端粒酶活性抑制剂。2.2端粒酶的功能端粒酶的核心作用是延长端粒，从而维持端粒在复制分裂中保持一定长度，为细胞具有不断复制提供遗传基础。TR和TERT是端粒酶发挥作用的核心组分，分别提供模板和逆转录合成端粒DNA。端粒酶延长端粒的模式端粒酶可结合到3’末端上，RNA模板5’端识别DNA的3’端并相互配对，以RNA链为模板使DNA链延伸合成一个重复单位后在跳跃到（也可以连续移动）另一个单位；3’端单链又可回折作为引物合成相应的互补链。其活性只需dGTP和dTTP，组装时需要DNA聚合酶的参与。端粒的长度不取决于端粒酶，而是由其他结合于端粒酶的蛋白决定。端粒酶的活性在生殖细胞中，由于存在端粒酶的活性，端粒保持约15kb长度，而在成年人的大部分体细胞中，由于不存在其活性，端粒要短得多。90年,Harley等人用人工合成的(TTAGGG)3作探针，对胎儿、新生儿、青年人及老年人的成纤维细胞进行端粒长度测量，发现其长度岁年龄增长而缩短。由此提出了著名的生命钟理论。生命钟假说人体细胞中端粒酶合成和延长端粒的作用是在胚系细胞中完成的，当胚胎发育完成以后，端粒酶活性就被抑制。即在胚胎发育时期获得的端粒，应已足够维系人体的整个生命过程中因细胞分裂所致的端粒缩短。所以，当人体出生以后，染色体端粒就象是一个伴随着细胞分裂繁殖的“生命之钟”，它历数着细胞可分裂的次数同时也见证了细胞由旺盛地生长繁殖到走向衰老死亡的整个生命历程。”细胞的永生态P53基因、Rb基因是广为人知的介导细胞衰老进入凋亡程序的重要因素。若这两个基因异常，那么细胞会继续分裂进入危险期，大部分由于端粒过短而死亡，极少数细胞由于激活了端粒酶得以永生或维持更长的复制代数——。癌细胞三、端粒、端粒酶与细胞衰老和肿瘤发生机制初探端粒酶的直接或间接抑制剂不仅可以用于肿瘤的治疗,而且端粒酶活性的高低还可以用一些临床良性表现但具有潜在恶性变的肿瘤的发展趋势给予判断。此外,端粒酶测定在肿瘤的检测和预后效果的估价上也有重要意义！肿瘤细胞的两个特点端粒酶被激活，个体细胞端粒长度虽然不同，但比分化了的体细胞长。细胞复制周期失调，周期的失调同时影响端粒调控复制机制。因此我们可以从这两方面现象入手，运用细胞生物学方法和分子生物学技术来寻找相关因子推断调控机制。两种蛋白的发现到目前端粒酶调控机制还没有完全弄清，但近20年的大量研究发现人体中的TRF1和TRF2蛋白能够特异性结合在端粒上。TRF2的作用主要与催化D环的形成。TRF1的过度表达会导致端粒长度的进行性缩短,并证实TRF1并不是通过控制端粒酶的表达,而是通过阻碍端粒酶与端粒的结合而发挥的作用。而一种名为Tankyrase的酶可以将TRF1从端粒上解离下来。影响端粒酶的活性的新发现2005年，韩国科学家通过把MKRN1基因转染进癌细胞并使其表达。结果发现，不断进行细胞分裂成长的癌细胞出现老化死亡的现象。这是因为，该基因抑制了癌细胞内端粒酶的作用,但它的作用仅限于癌细胞。应用端粒知识治疗癌症通过抑制端粒酶活性（阻抑或关闭模板、抑制逆转录酶亚基活性、阻止端粒酶基因转录、破坏二聚体结构等）通过阻止端粒与端粒酶结合（过表达TRF1蛋白基因、降低Tankyrase活性、阻止合成TRF2以阻止D环形成等）端粒问题为克隆造成的麻烦多利出生后的年龄检测表明其出生的时候就上了年纪。她6岁的时候就得了一般老年时才得的关节炎。这样的衰老被认为是端粒的磨损造成的。随着细胞分裂，端粒在复制过程中不断磨损，这通常认为是衰老的一个原因。小结除端粒的功能外，端粒的发现过程也带给我们很多启示，首先，科学工作者不能将自己的思路禁锢在自己相对较窄的研究领域，与不同领域的人多加交流，换角度思考问题都会使人的思想更为开阔。其次，在进行高风险、高回报研究时要勇于设想、敢于实践。再则，对新鲜有趣的事物要积极探究真相，即便最初可能看不到它的利用价值。因为人类了解世界的过程就像盲人摸象，人们最先看到的往往是零散无序的事物，但在这种零散的背后，却是环环相扣、密不可分的真实世界。参考资料图片资料和相关科技短文出处略《分子生物学第二版》影印版《基因八》复旦大学译版《Telomeraseactivity,estrogenreceptors(α,β),Bcl-2expressioninhumanbreastcancerandtreatmentresponse》BlancaMurillo-OrtizCentroMedicoNacional《ImmunohistochemicaldetectionofhTERTinurotheliallesions:apotentialadjuncttourinecytology》WalidKhalbussandSteveGoodisonUniversityofFlorida《ThePleiotropyofTelomeraseagainstCellDeath》YoungHoonSungSeoulNationalUniversity《端粒酶对细胞周期调控和肿瘤发生的影响》颜丽萍中国疾病预防控制中心《端粒酶的起源、调控及与肿瘤关系的研究进展》潘海乐吉林大学医学部《端粒和端粒酶与细胞衰老》廖亚萍中山大学基础医学部《端粒、端粒酶和肿瘤治疗》方永玲军事医学科学院《TNFα对端粒酶活性和hTERT基因表达的调控》马丽浙江大学附属医院《端粒酶新功能研究进展》王革非汕头大学医学院《依赖端粒酶的端粒维持机制》林坚军事医学科学院生物工程研究所《细胞DNA损伤检控系统在维持端粒稳定中的功能》李程姚路明欧阳高亮厦门大学生命科学学院《人端粒重复序列结合因子研究进展》陈巧芳黄河浙江大学附属医院