端粒

端粒（英文名：Telomere）是存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體，它與端粒結合蛋白一起構成了特殊的“帽子”結構，作用是保持染色體的完整性和控制細胞分裂周期。端粒、著絲粒和複製原點是染色體保持完整和穩定的三大要素。

端粒其長度反映細胞複製史及複製潛能，被稱作細胞壽命的“ 有絲分裂鐘”。

基本介紹

• 中文名：端粒
• 外文名：Telomere
• 作用：保證每條染色體的完整性
• 組成：由簡單的DNA高度重複序列組成
• 發現者：Elizabeth H.Blackburn等三人
• 套用：解決人類衰老和癌症等問題

概述

端粒是短的多重複的非轉錄序列（TTAGGG）及一些結合蛋白組成特殊結構，除了提供非轉錄DNA的緩衝物外，它還能保護染色體末端免於融合和退化，在染色體定位、複製、保護和控制細胞生長及壽命方面具有重要作用，並與細胞凋亡、細胞轉化和永生化密切相關。當細胞分裂一次，每條染色體的端粒就會逐次變短一些。

構成端粒的一部分基因約50～200個核苷酸，會因多次細胞分裂而不能達到完全複製（丟失），以至細胞終止其功能不再分裂。因此，嚴重縮短的端粒是細胞老化的信號。在某些需要無限複製循環的細胞中，端粒的長度在每次細胞分裂後，被能合成端粒的特殊性DNA聚合酶-端粒酶所保留。

端粒DNA是由簡單的DNA高度重複序列組成，端粒酶可用於給端粒DNA加尾，DNA分子每次分裂複製，端粒就縮短一點（如岡崎片段），一旦端粒消耗殆盡，細胞將會立即激活凋亡機制，即細胞走向凋亡。

功能

穩定染色體末端結構，防止染色體間末端連線，並可補償滯後鏈5'末端在消除RNA引物後造成的空缺。

組織培養的細胞證明，端粒在決定動植物細胞的壽命中起著重要作用，經過多代培養的老化細胞端粒變短，染色體也變得不穩定。

細胞分裂次數越多，其端粒磨損越多，細胞壽命越短。

組成

端粒DNA是由簡單的DNA高度重複序列組成的，染色體末端沿著5'到3' 方向的鏈富含 GT。在酵母和人體中，端粒序列分別為C1－3A/TG1－3和TTAGGG/CCCTAA，並有許多蛋白與端粒DNA結合。

端粒酶作用的模式

端粒DNA主要功能有：

第一，保護染色體不被核酸酶降解；

第二，防止染色體相互融合；

第三，為端粒酶提供底物，解決DNA複製的末端隱縮，保證染色體的完全複製。

端粒、著絲粒和複製原點是染色體保持完整和穩定的三大要素。同時，端粒又是基因調控的特殊位點, 常可抑制位於端粒附近基因的轉錄活性（稱為端粒的位置效應，TPE）。

在大多真核生物中，端粒的延長是由端粒酶催化的。另外，重組機制也介導端粒的延長。

在人類的端粒里，大概會有：

5'...TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG..3' 3'...AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC..5'

發現之旅

科學家們在尋找導致細胞死亡的基因時，發現了一種叫端粒的存在於染色體頂端的物質。端粒本身沒有任何密碼功能，它就像一頂高帽子置於染色體頭上。

在新細胞中，細胞每分裂一次，染色體頂端的端粒就縮短一次，當端粒不能再縮短時，細胞就無法繼續分裂了。這時候細胞也就到了普遍認為的分裂100次的極限並開始死亡。因此，端粒被科學家們視為“生命時鐘”。

科學家由此又開始研究精子和癌細胞內的染色體端粒是如何長時間不被縮短的原因。

1984年，分子生物學家在對單細胞生物進行研究後，發現了一種能維持端粒長度的端粒酶，並揭示了它在人體內的奇特作用：除了人類生殖細胞和部分體細胞外，端粒酶幾乎對其他所有細胞不起作用，但它卻能維持癌細胞端粒的長度，使其無限制擴增。

染色體端粒顯微鏡圖

早在30年代，繆勒(Muller)和麥克林托克(Meclintock)等就已發現了端粒結構的存在。

1978年，四膜蟲的端粒結構首先被測定。

1990年起，凱文·哈里(Calvin Harley)就把端粒與人體衰老掛上了鉤：

第一、細胞愈老，其端粒長度愈短；細胞愈年輕，端粒愈長，端粒與細胞老化有關係。衰老細胞中的一些端粒丟失了大部分端粒重複序列。當細胞端粒的功能受損時，就出現衰老，而當端粒縮短至關鍵長度後，衰老加速，臨近死亡。

第二、正常細胞端粒較短。細胞分裂會使端粒變短，分裂一次，縮短一點，就像磨損鐵桿一樣，如果磨損得只剩下一個殘根時，細胞就接近衰老。細胞分裂一次其端粒的DNA丟失約30～200bp(鹼基對)。

第三、研究發現，細胞中存在一種酶，它合成端粒。端粒的複製不能由經典的DNA聚合酶催化進行，而是由一種特殊的逆轉錄酶——端粒酶完成。正常人體細胞中檢測不到端粒酶。一些良性病變細胞，體外培養的成纖維細胞中也測不到端粒酶活性。但在生殖細胞、睪丸、卵巢、胎盤及胎兒細胞中此酶為陽性。令人注目的發現是，惡性腫瘤細胞具有高活性的端粒酶，端粒酶陽性的腫瘤有卯艇癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、結腸癌、肺癌等等。人類腫瘤中廣泛地存在著較高的端粒酶耥端撾酶作為腫瘤治療的靶點，是當前較受關注的熱點之一。

端粒的位置

其他與壽命有關的基因也在被不斷地發現，它們的工作原理與端粒相似。科學家們不但希望能找到人體內所有的生命時鐘，更希望找到撥慢時鐘的方法。目前很多植物的端粒酶已被提取出，許多國家的研究組正在從事相關課題的研究。

有觀點聲稱，即使可保護端粒在分裂中不被降解的藥物被發明，其對於生命常青的意義也有待商榷，因為當一個老年人被植入年輕的端粒後，其身體是否能接受還是一個問題。

憑藉“發現端粒和端粒酶是如何保護染色體的”這一成果，揭開了人類衰老和罹患癌症等嚴重疾病的奧秘的三位美國科學家（美國加利福尼亞舊金山大學的伊莉莎白·布萊克本(Elizabeth Blackburn)、美國巴爾的摩約翰·霍普金斯醫學院的卡羅爾·格雷德(Carol Greider)、美國哈佛醫學院的傑克·紹斯塔克(Jack Szostak)。）獲得2009年的諾貝爾生理學或醫學獎。

研究套用

端粒長度的維持是細胞持續分裂的前提條件。在旺盛分裂或需要保持分裂潛能的細胞，如生殖細胞，幹細胞和大多數癌細胞（~85%）中，端粒酶（Telomerase）被激活，它在端粒末端添加端粒序列，保證這些細胞中端粒長度的穩定，維持細胞的持續分裂能力。

細胞中有端粒酶的存在並不能保證端粒的延伸。因為端粒DNA的四個TTAGGG重複序列可以形成一種四鏈的G-四鏈體結構。該結構非常穩定，會阻止端粒DNA與端粒酶的相互作用。

中科院動物所譚錚領導的端粒與衰老研究組研究發現了一種hnRNP A2*蛋白，它可以與端粒DNA和端粒酶發生作用，主動打開端粒G-四鏈體結構，將端粒3’端的5個鹼基暴露出來，促進它和端粒酶的RNA模板配對，從而增強端粒酶的催化活性和進行性。

在器官組織中，hnRNP A2*的表達水平與端粒酶活性呈正相關。在細胞內hnRNP A2*蛋白伴隨著端粒酶共定位於卡哈爾體和端粒。在細胞中認為表達hnRNP A2*可以使端粒延長，降低表達則使端粒縮短。這些特徵說明hnRNP A2*決定了端粒DNA是否可以得到延長，因此它在調控端粒長度平衡，維持細胞的分裂能力中起著重要作用。

該研究成果在PNAS發表，為遺傳疾病研究提供了重要理論依據。

相關遺傳病

在染色體亞端粒區存在高度同源性序列在減數分裂過程中發生異常同源重組，而導致該區域發生微小的缺失、重複或染色體相互易位，稱為染色體亞端粒區重組異常。該疾病患者主要表現為不同程度的智力低下、伴有生長發育遲緩和各器官、系統的畸形。三體綜合徵。

圖片說明：端粒就像DNA的帽子，保護DNA重要信息不丟失(圖片來源：ALFRED PASIEKA/ SCIENCE PHOTO LIBRARY)