端粒与端粒酶保护染色体的解读 李苗
“ 端粒和端粒酶是如何保护染色体的 ” 2009 年诺贝尔生理学或医学奖获得者
摘要： 端粒是染色体末端的特殊结构，对染色体有保 护作用，端粒酶能合成端粒，使得端粒的长度和结构 得以稳定。通过合作和实验，不断进行猜想和验证， 发现了端粒和端粒酶的活性与细胞衰老及各种疾病的 关系。这将有助于攻克医疗领域的 “ 癌症，特定遗传 病和衰老 ” 三个方面的难题 ，有望提供新疗法。
确立科研课题：发现问题 获取科学事实：研究基础 提出科学假说：科学抽象 理论实验检验：假说验证 建立科学体系：知识创新
发现问题 ： 1 、染色体片段的重排不会发生在染色体游离端与 游离端或者游离端与断端之间。 2 、 DNA 复制时随从链末端的复制是完整的。 染色体重排导致缺失、重 复、易位等现象 DNA 的复制的完整性
研究成果 ： 基本认识：染色体末端不同于 DNA 断端。 1 、 Muller 设想端粒是一种末端基因，指出 “ 这种末 端基因具有某种特殊的功能，即可以对染色体的 末端起到封闭 (sealing) 的作用。 ” 2 、 DNA 末端的结构可以完成复制。
工作基础： 嗜热四膜虫 (Tetrahymenather-mophila) 编码核糖 体 RNA 的线性 rDNA 分子的端粒序列，结果表明是 由核苷酸六聚体 (CCCCAA ／ GGGGTT) 连续重复构成； 端粒重复序列具有方向性. 染色体 DNA 发生同源重组，或很快被降解而 不能长时间稳定存在。因此，如何使线性质粒分 子在酵母细胞核内稳定存在并进行复制，便成为 Szostak 实验室亟待解决的一个难题。
思想的碰撞和交流： 学术交流会议 —— 戈登会议，两位科学家的思 想发生了碰撞，产生了新的灵感。 提高线性染色体的稳定性成为科学家共同讨论 的问题。
实验过程 ： 提高线性酵母 DNA 分子稳定性的方法 嗜热四膜虫 rDNA 含有端粒的末端片段 酵母环状质粒酶切后形成的线性分子 全新的线性 DNA 分子 转移到酵母细胞中 稳定存在并且进行复制
提出设想： 设想存在一种特殊类型的转移酶 (transferase) 能沿 3’ 端方向先将模板链延长， 再以此为模板合成互补链，这样就保证了子代 DNA 链 5’ 端的完整性。 对 DNA 复制过程的讨论：
实验过程： 用一段合成的端粒作为底物，加入嗜热四膜虫的无细胞浸出物 (cell free extract) 中，并混合了 α-32P-dGTP 与 dATP 、 dTTP 、 dCTP ，孵育一段时 间后将产物进行凝胶电泳分析。结果发现， DNA 寡聚体的延长是以 6 碱基 序列重复相加来完成的。 排除这种延伸是由已知的 DNA 聚合酶以四膜虫自身染色体上的 (CCCCAA) 序列为模板完成的。 结论：存在一种此前未知的酶来催化端粒特有的重复序列延伸，这种 酶被命名为端粒酶。
探讨 ： 端粒酶是以什么为模板延长端粒的？ 进展成果：转移酶是一种由 RNA 和蛋白质构成的核蛋白 (ribonucleoprotein ， RNP) 复合体。 实验：克隆了嗜热四膜虫端粒酶上一段 159bp 长的 RNA 片 段 (159 RNA) ，该片段上含有 (CAACCCCAA) 序列，如果设 法干扰这一段序列，那么端粒酶将无法正常工作。这说 明端粒酶可能以此为模板来延长端粒。 再次验证：这段序列突变，结果合成的端粒序列随之变 化，且与之互补。 结论：充分说明端粒酶是以其上的 RNA 片段为模板来合 成端粒的。
蛋白质 端粒酶上 RNA 序列 端粒 DNA 端粒酶合成端粒过程
端粒酶合成端粒模型 后随链
现在对端粒和端粒酶的研究进展： 端粒的结构：
端粒酶的结构模型： 逆转录酶，即催化 亚基 端粒酶 RNA
端粒酶催化亚单位模型图：
端粒和端粒酶与细胞衰老： 端粒的重要作用之一是保护染色体末端不发生融合 端粒的另一个重要作用是能阻止细胞对染色体末端 的 DNA 损伤反应 端粒酶：端粒酶是一种特殊类型的逆转录酶，其能 以自身含有的 RNA 为模板，延伸染色体的端粒，保证染 色体末端复制的完整。
总结： 选题方面：研究的需要 实验过程方面： 设计实验 —— 严密，验证性实验，系统论方法 合作与交流：信息论的观点
端粒和端粒酶的发现在医学领域的价值 肿瘤：端粒酶便成为区别肿瘤细胞与正常细胞的关键物质，成为肿瘤诊断 的标志性物质，也成为抗肿瘤药物的靶点。 遗传性疾病 : 某些基因编码的蛋白参与构成端粒和端粒酶的结构，而这些 基因发生基因突变时，端粒和端粒酶的功能受到影响，促使某些器官早衰， 从而引起疾病。这些遗传病机理的认识，对治疗提供了新的思路。
亟待解决的问题 端粒与端粒保护蛋白质之间是如何相 互协调从而维持端粒的结构；究竟是由于 端粒缩短到一定程度还是某些特异的末端 结构导致染色体的不稳定性；正常的发育 过程中端粒酶是如何调控，而在肿瘤细胞 中又是怎样被激活的。
端粒与细胞衰老的关系？ 端粒的缩短会引起细胞的衰 老的作用机制是什么？