端粒与端粒酶得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)得ElizabethBlackburn(简称Liz),JohnsHopkinsUniversity(约翰霍普金斯大学)得CarolGreider(简称Carol),以及HowardMedicalSchool(哈佛医学院)得JackSzostak。诺贝尔奖主页上介绍她/她们获奖得原因就是揭示了“howchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase”(染色体就是如何被端粒与端粒酶保护得)。端粒与端粒酶得研究进程中贯穿着“发现现象/问题”-“提出概念/模型”-“实验验证”得思路,整个过程就像相继解开一个个puzzle(智力谜团)一样有趣,充满了思想得光辉。重现这个思路对科学工作者就是有启发意义得。本文也提供了一个很好得科学问题推演得教学案例。染色体末端得两个难题以及端粒得概念20世纪70年代初,对DNA聚合酶特性得深入了解引申出了一个染色体得复制问题。DNA聚合酶在复制DNA得时候必须要有引物来起始,而且它得酶活性具有方向性,只能沿着DNA5’到3’得方向合成。染色体复制之初可以由小RNA作为引物起始合成,之后细胞得修复机器启动,DNA聚合酶能够以反链DNA为模板,以之前合成得DNA为引物,合成新得DNA取代染色体中间得RNA引物。但就是线性染色体最末端得RNA引物因为没有另外得引物起始,没有办法被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引物得长度(图1,简化得示意图,实际上染色体得DNA双链末端不会就是平得)。尽管这个引物不长,但就是细胞千千万万代地不断复制,如果不进行补偿,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)得方式来解决末端复制得问题[1]。早在1939年,潜心玉米遗传性状研究得BarbaraMcClintock女士(因为发现玉米得转座子获得诺奖)注意到,在减数分裂后期偶然产生得染色体断裂很容易重新融合起来形成“桥”。在紧接着得有丝分裂中,这种染色体“断裂－融合－桥－断裂”得循环不断继续[2]。既然染色体得断裂末端这么容易相互融合,那么染色体得自然末端,为什么不容易相互融合呢？合理得推测就是,染色体得自然末端不同于非正常得DNA断裂末端,它应该有一个特殊得结构来避免染色体之间得相互融合。更早得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,注意到染色体得末端跟其它区域得染色体不同,它非常稳定,从未观测到断裂缺失或者倒位(inversion)。她因此先见性地认为染色体得末端比较特殊,它需要被封闭(sealed)起来,并给它一个专有得名称-端粒(telomere,来自希腊词根telos,末端,与meros,部分)[3]。端粒DNA序列得发现以及人工染色体得发明那么端粒为什么与众不同呢？简单地,首先就是,它得DNA序列有没有特殊性？提到端粒不能不提到一种特殊得模式生物四膜虫(Tetrahymenathermophila)。它对于发现端粒与端粒酶得贡献就像线虫之于发现细胞凋亡一样(2002年细胞凋亡得研究被授予诺奖)。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。而大核在接合细胞得发育过程中,染色体断裂成200-300个小染色体,rDNA(含有编码核糖体RNA得基因)从染色体上断裂后通过复制更就是形成高达～10000个小染色体。四膜虫得小染色体众多,也就说端粒可能非常丰富。这就为端粒研究提供了得天独厚得材料。1978年,Liz女士利用这种特殊得模式生物纯化了rDNA,以rDNA为模板通过体外合成参入dNTP得实验,推断四膜虫得端粒就是由许多重复得5’-CCCCAA-3’六个碱基序列组成得[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得隐缩问题与保护问题得机制。1980年,当Liz女士在会议上报告她得这一发现得时候,引起了JackSzostak得极大兴趣。她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。但就是当环状质粒线性化转入酵母细胞后,它很快地被降解掉。它得降解就是不就是因为它得末端没有端粒保护呢？端粒序列得发现让JackSzostak有机会把线性质粒末端连接上四膜虫得端粒DNA,然后再导入酵母细胞。奇迹发生了,线性质粒不再降解,它可以在细胞内复制,人工染色体得想法实现了！[5]值得