遼寧 傅忠揚(yáng)

對(duì)端粒酶的再認(rèn)識(shí)

遼寧 傅忠揚(yáng)

一、相關(guān)試題

以端粒、端粒酶作為命題背景的相關(guān)試題如下：

【例1】（2015·全國新課標(biāo)卷Ⅱ）端粒酶由RNA和蛋白質(zhì)組成，該酶能結(jié)合到端粒上，以自身的RNA為模板合成端粒DNA的一條鏈。下列敘述正確的是 （ ）

A.大腸桿菌擬核的DNA中含有端粒

B.端粒酶中的蛋白質(zhì)為RNA聚合酶

C.正常人細(xì)胞的每條染色體兩端都含有端粒DNA

D.正常體細(xì)胞的端粒DNA隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而變長

【答案】C

【解析】此題涉及的端粒酶內(nèi)容出現(xiàn)在人教版必修1第六章第3節(jié)：細(xì)胞衰老的原因。書中提到端粒學(xué)說：每條染色體的兩端都有一段特殊序列的DNA，稱為端粒，故C正確。端粒DNA序列在每次細(xì)胞分裂后會(huì)縮短一截，故D錯(cuò)誤。隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，截短的部分會(huì)逐漸向內(nèi)延伸。在端粒DNA序列被“截”短后，端粒內(nèi)側(cè)的正常基因的DNA序列就會(huì)受到損傷，結(jié)果使細(xì)胞活動(dòng)漸趨異常。根據(jù)已有知識(shí)分析此題，原核生物無染色體，所以無端粒，故A錯(cuò)。端粒酶是將RNA當(dāng)模板合成DNA，類似于逆轉(zhuǎn)錄酶的作用，故B錯(cuò)。

【例2】控制細(xì)胞分裂次數(shù)的“時(shí)鐘”是位于染色體兩端的一種特殊結(jié)構(gòu)（端粒），它隨著細(xì)胞分裂而變短。癌細(xì)胞中，存在延長染色體端粒的酶，正常人的生殖細(xì)胞中也有。據(jù)此分析體細(xì)胞不能無限分裂的原因是 （ ）

A.缺少合成端粒酶的氨基酸

B.缺少控制端粒酶合成的基因

C.控制端粒酶合成的基因發(fā)生突變

D.控制端粒酶合成的基因沒有表達(dá)

【答案】D

【解析】因?yàn)闊o端粒酶，體細(xì)胞不能無限分裂，但生殖細(xì)胞存在端粒酶，說明控制此酶的基因在細(xì)胞中存在，只是發(fā)生選擇性表達(dá)。

【例3】克隆羊的來源有兩種說法，可能來自成年羊的體細(xì)胞，也可能來自實(shí)驗(yàn)室中污染的胚胎細(xì)胞，下列支持克隆羊來自體細(xì)胞的證據(jù)是 （ ）

A.克隆羊的DNA指紋

B.克隆羊DNA的熔解溫度

C.克隆羊的端粒長度

D.克隆羊的生物鐘

【答案】C

【解析】此題關(guān)鍵是要明確考查的內(nèi)容。體細(xì)胞與胚胎細(xì)胞分裂次數(shù)不同，端粒長度不同。

二、知識(shí)遷移

根據(jù)對(duì)端粒的相關(guān)認(rèn)識(shí)，可以將其與細(xì)胞增殖、細(xì)胞衰老、疾病治療、實(shí)驗(yàn)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)綜合能力的考查。

1.端粒酶中，蛋白質(zhì)成分的功能類似于_______，需要提供的原料是________。

2.正常體細(xì)胞中不存在端粒酶，你認(rèn)為新復(fù)制出的DNA與親代DNA完全相同嗎？________為什么？_______________________________________________________。

3.依據(jù)“端粒學(xué)說”說明正常體細(xì)胞走向衰老的原因是什么？___________________________________________

提出延緩衰老的方法： _________________________。

4.依據(jù)“端粒學(xué)說”，提出一種抗腫瘤藥物的作用機(jī)理。 ___________________________________________。

5.指出端粒酶、端粒長度和細(xì)胞分裂次數(shù)的關(guān)系__________________________________________________。

6.結(jié)合端粒的有關(guān)知識(shí)，指出癌基因使細(xì)胞無限增殖的可能途徑： _____________________________________。

7.用端粒酶治療HIV的途徑： ___________________。

8.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究端粒酶與細(xì)胞癌變的思路是_____________________________________________________。

【答案】

1.逆轉(zhuǎn)錄酶 脫氧核糖核苷酸

2.不完全相同 不存在端粒酶活性，染色體將隨每次分裂變得越來越短，子代細(xì)胞中DNA要缺失

3.端粒酶活性的喪失 對(duì)產(chǎn)生端粒酶的基因進(jìn)行修飾，使之在部分或全部細(xì)胞中表達(dá)高活性的端粒酶；將高活性的端粒酶導(dǎo)入某些細(xì)胞延緩細(xì)胞衰老；蛋白質(zhì)工程將端粒酶進(jìn)行改造使之保持高活性；使用激活劑激活端粒酶（開放式答案，合理即可）

4.抑制端粒酶基因的表達(dá)；剔除端粒酶基因；抑制端粒酶的活性（任選其一，合理即可）

5.端粒酶可使端粒伸長，于是細(xì)胞可繼續(xù)分裂

6.癌基因指導(dǎo)合成端粒酶，端粒酶使已縮短的染色體末端伸長，細(xì)胞可持續(xù)增殖

7.從被HIV侵染早期的患者體內(nèi)分離出骨髓造血干細(xì)胞，用端粒酶培養(yǎng)。在患者血細(xì)胞數(shù)量下降時(shí)，將之輸回到患者體內(nèi)（合理即可）

8.①將癌細(xì)胞分成A、B兩組；②A組加入端粒酶抑制劑，B組不加，進(jìn)行培養(yǎng)；③記錄比較兩組增殖的代數(shù)（分裂次數(shù)）結(jié)果預(yù)測及分析：A組比B組增殖代數(shù)少，說明端粒酶與細(xì)胞癌變有關(guān)；A組仍然無限增殖，說明端粒酶與細(xì)胞癌變無關(guān)

三、研究進(jìn)展

1.真核生物DNA復(fù)制的終止

真核生物在DNA復(fù)制結(jié)束時(shí)面臨著原核生物不曾遇到的困難：填補(bǔ)RNA引物去除后留下的空隙。對(duì)細(xì)菌的環(huán)形DNA而言，填補(bǔ)所有的空隙無任何問題，因?yàn)榭障兜纳嫌慰傆衅渌鸇NA片段的3′端起到引物的作用。但是，細(xì)想具有線性染色體的真核生物所面臨的這個(gè)問題：一旦每條鏈上的第一個(gè)引物被去除，由于DNA分子不能按3′—5′方向延伸，也不像環(huán)形DNA分子那樣擁有上游3′端，所以，留下的空隙是無法填補(bǔ)的。如果情況確實(shí)如此，這樣，DNA每復(fù)制一次染色體就會(huì)縮短一段RNA引物的長度。這是一個(gè)終止問題，需要處理DNA鏈末端的形成，那么細(xì)胞將如何解決這個(gè)問題呢？

2.端粒維持

真核生物染色體末端的端粒（telomere）（圖1）由短的富含GC的重復(fù)序列組成。端粒中富含G的鏈在端粒酶（telomerase）作用下以非半保留方式被添加在DNA鏈的3′端。富含G的端粒鏈由端粒酶合成，端粒酶短的RNA分子是端粒合成的模板（圖2）。富含C的端粒鏈通過常規(guī)的RNA引發(fā)DNA復(fù)制的方式進(jìn)行合成，類似于常規(guī)后隨鏈的合成。該機(jī)制確保染色體末端被重建，避免因每輪復(fù)制而導(dǎo)致末端縮短。

圖1 端粒(末端的深色區(qū)域?yàn)槿旧w上的端粒)

圖2 四膜蟲端粒酶對(duì)端粒DNA的復(fù)制

端粒中重復(fù)的準(zhǔn)確序列具有種屬特異性，這種種屬特異性取決于端粒酶自身，因?yàn)槎肆５暮铣尚枰远肆Ｃ傅男NA為模板。這樣就解決了末端縮短的問題：端粒酶在染色體的3′端添加具有自身序列特征的許多重復(fù)序列，然后在端粒內(nèi)引發(fā)富含G鏈的合成。即使引物被去除且無DNA序列填補(bǔ)也無關(guān)緊要，因?yàn)橹皇嵌肆Ｐ蛄邪l(fā)生了丟失，而且丟失的序列總能被端粒酶和新一輪的端粒合成所恢復(fù)。

在沒有互補(bǔ)DNA鏈可閱讀的情況下，端粒酶如何在端粒末端添加正確的堿基序列呢？端粒酶在合成端粒時(shí)，以自身的RNA組分為模板（注意：RNA作為模板而不是引物）。1982年證實(shí)：端粒酶是由基本RNA和蛋白質(zhì)亞基組成的核糖核蛋白，已經(jīng)克隆且測序了編碼四膜蟲端粒酶159ntRNA亞基的基因，含有CAACCCCCAA序列，從原理上講，該序列可以作為模板，在四膜蟲端粒末端添加額外的重復(fù)序列TTGGGG。

結(jié)論：端粒酶RNA是端粒合成的模板。端粒酶利用RNA為模板合成DNA鏈的事實(shí)提示端粒酶作為反轉(zhuǎn)錄酶而起作用。1996年，在一種纖毛類原生動(dòng)物游仆蟲中獲得了純化的端粒酶。該酶含有p43和p123蛋白質(zhì)及作為模板延伸端粒的RNA亞基。p123蛋白質(zhì)具有反轉(zhuǎn)錄酶的特征序列，說明該蛋白質(zhì)為端粒酶提供了催化活性，所以稱之為端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）。

除保護(hù)染色體末端、防止降解外，端粒還有另外一個(gè)重要的功能：防止DNA修復(fù)系統(tǒng)錯(cuò)誤地將染色體末端識(shí)別為染色體斷口而將染色體粘接起來。這種不適當(dāng)?shù)娜旧w連接可能是細(xì)胞的潛在致死因子。而且，細(xì)胞的 DNA損傷檢測系統(tǒng)能夠檢出損傷，使細(xì)胞停止分裂直至損傷被修復(fù)。由于末端沒有端粒的染色體看起來更像是斷裂的染色體，導(dǎo)致DNA損傷檢測系統(tǒng)啟動(dòng)，細(xì)胞停止分裂，最終死亡。

3.端粒、Hayflick極限與癌癥

體外培養(yǎng)的正常細(xì)胞最大增殖次數(shù)稱為Hayflick極限。但癌細(xì)胞屬于永生細(xì)胞，并不遵從這個(gè)極限，可以無限傳代。研究發(fā)現(xiàn)：人類癌細(xì)胞內(nèi)存在大量組成型表達(dá)的端粒酶，而體細(xì)胞內(nèi)一般只有微弱的端粒酶產(chǎn)物且為瞬時(shí)表達(dá)（生殖細(xì)胞內(nèi)必須存在端粒酶，以保護(hù)傳給下一代的染色體末端）。因此，癌細(xì)胞能夠修復(fù)因復(fù)制而縮短的端粒，但絕大多數(shù)正常細(xì)胞不能修復(fù)短縮的染色體末端。所以，癌細(xì)胞能持續(xù)分裂且不會(huì)引起染色體的降解，但正常細(xì)胞的染色體會(huì)隨著細(xì)胞的每次分裂而逐漸變短，遲早會(huì)導(dǎo)致端粒的丟失，缺失端粒的染色體末端如同斷裂染色體的末端，大多數(shù)細(xì)胞通過停止復(fù)制、最終是通過死亡來防止這種傷害，這種情況不會(huì)在癌細(xì)胞中發(fā)生，因?yàn)槎肆Ｃ甘拱┘?xì)胞免于死亡。癌變細(xì)胞的本質(zhì)變化之一就是端粒酶基因的再激活，這是癌細(xì)胞永生化特征的前提條件，同時(shí)這也揭示了對(duì)癌癥潛在的治療方法：關(guān)閉端粒酶基因的表達(dá)，更為簡單的方法是用藥物抑制端粒酶活性，這種藥物對(duì)大多數(shù)正常細(xì)胞是無害的，因?yàn)檎＜?xì)胞一開始就無端粒酶活性。但是，2003年發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)條件下人的纖維原細(xì)胞能低水平表達(dá)hTERT（端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶）基因，纖維原細(xì)胞獲得了少量的端粒酶活性，從而使這種治療癌癥的策略受到了懷疑。而且，無活性形式的hTERT基因表達(dá)或通過RNAi（RNA干擾：由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現(xiàn)象）抑制正常hTERT基因表達(dá)會(huì)引起人纖維原細(xì)胞提前衰老。還有跡象表明，簡單地抑制端粒酶活性可能不會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞的死亡。因此，端粒酶的存在并不是癌細(xì)胞發(fā)生的絕對(duì)必要條件。最后，重新激活人體細(xì)胞端粒酶活性能否延長壽命？或者使我們更容易患癌癥疾病？科學(xué)家將hTERT基因?qū)肱囵B(yǎng)的人類體細(xì)胞中，使這些細(xì)胞獲得端粒酶活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚奇：這些細(xì)胞的端粒被延長了，細(xì)胞在超過其正常壽命期限后仍然能夠分裂，其外觀及染色體含量依然如同分裂旺盛時(shí)期的細(xì)胞。而且，這些細(xì)胞并沒有表現(xiàn)出癌變的跡象。這些發(fā)現(xiàn)確實(shí)令人振奮，但并不是永葆青春的源泉。到目前為止，這還只是個(gè)科學(xué)幻想。

人們直到2003年才了解到，包括人類在內(nèi)的高等真核生物的體細(xì)胞內(nèi)無端粒酶活性，而生殖細(xì)胞則保留端粒酶活性。研究表明，培養(yǎng)的正常人類細(xì)胞也只是在DNA復(fù)制的S期內(nèi)以較低水平短時(shí)表達(dá)端粒酶。但癌細(xì)胞卻具有很高的端粒酶活性且呈組成型表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于了解癌細(xì)胞特性，甚至控制癌細(xì)胞都具有深遠(yuǎn)的意義。

（作者單位：遼寧省大連市理工大學(xué)附屬高中）