端粒

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人類染色體上的端粒
端粒的位置。
人類端粒DNA的四連體結構。圖片來源:NDB UD0017

端粒英语Telomere)是染色体末端的DNA重复序列,作用是保持染色体的完整性。细胞分裂一次,由于DNA复制时的方向必须从5'方向到3'方向,DNA每次复制端粒就缩短一点(参见冈崎片段)。一旦端粒消耗殆尽,染色体则易于突变而导致动脉硬化和某些症。因此,端粒和细胞老化有明显的关系。一直以来都知道精、卵细胞的端粒比成年体细胞的都长许多。

概念[编辑]

端粒是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体,它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构,能够维持染色体的完整。

端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成的,染色体末端沿着5'到3' 方向的链富含 GT。在酵母和人中,端粒序列分别为C1-3A/TG1-3和TTAGGG/CCCTAA,并有许多蛋白与端粒DNA结合。端粒DNA主要功能有:第一,保护染色体不被核酸酶降解;第二,防止染色体相互融合;第三,为端粒酶提供底物,解决DNA复制的末端隐缩,保证染色体的完全复制。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。同时,端粒又是基因调控的特殊位点, 常可抑制位于端粒附近基因的转录活性(称为端粒的位置效应,TPE)。在大多真核生物中,端粒的延长是由端粒酶催化的,另外,重组机制也介导端粒的延长。

发现和历史[编辑]

  1. 20世纪30年代,Muller发现被X射线打断的果蝇染色体其末端存在一种特殊序列,该序列与常染色体相较极不稳定,故根据希腊文将其命名为「端粒」(Telomere)。
  2. 20世纪70年代,Olovnikov提出假设,认为染色体末端序列的丢失能够导致细胞退出增殖周期,但并没有直接证据证实这一假说的成立。
  3. 1978年,Blackburn和Greider等克隆出四膜虫端粒结构[1],证明为串联线性核苷酸序列,组成为5′—GGGGGTT—3′。后来实验又证明了脊椎动物的端粒均含有丰富的鸟嘌呤重复序列。
  4. 1985年,Gueider等发现端粒酶,可用于给端粒DNA加尾。

结构[编辑]

端粒(telomere)是由许多成串短的重复序列所组成。该重复序列通常一条链上富含G(G-rich),而其互补链上富含C(C-rich)。一个基因组内的所有端粒都是由相同的重复序列组成,但不同物种的端粒的重复序列是不同的。

物种 端粒DNA重复序列
酵母
Saccharomyces cerevisiae G1-3T
Schizosaccharomyces pombe G2-5TTAC
原生动物
四膜虫 GGGGTT
Dictyostelium G1-8A
植物
拟南芥(Arabidopsis) TTTAGGG
哺乳动物
TTAGGG

例如,原生动物四膜虫端粒的重复单位为TTGGGG(仅列一条链的序列);哺乳类和其他脊椎动物的端粒为TTAGGG,串联重复500~3000次,序列长度在2kb到20kb之间不等。TG链常比AC链更长些,形成3′单链末端。端粒的功能为稳定染色体末端结构,防止染色体间末端连接,并可补偿滞后链5′末端在消除RNA引物后造成的空缺。原核生物的染色体是环状的,其5′最末端冈崎片段的RNA引物被除去后可借助另半圈DNA链向前延伸来填补。但是真核生物线性染色体在复制后,不能像原核生物那样填补5′末端的空缺,从而会使5′末端序列从此而缩短。真核生物通过形成端粒结构来解决这个问题。复制使端粒5′末端缩短,而端粒酶(telomerase)可外加重复单位到5′末端上,结果维持端粒一定长度。

结合蛋白[编辑]

端粒除了含有重复DNA序列外,还包含有特殊的「非核小体蛋白」,即端粒结合蛋白。根据该蛋白的结合特性分为两类,一类与端粒重复序列特异性结合,在维持端粒长度方面起到重要作用[3~5],并且对端粒具有保护和调节作用[6];另一类与3′末端的单链突出结合,用于合成染色体末端的帽子结构以及调节端粒酶活性[7~9]

作用[编辑]

  • 染色体由于融合、降解重排而形成不稳定结构从而威胁到DNA的正确复制和细胞生存,端粒的存在能够保护染色体免于化学修饰、被核酸降解以及因端端作用而产生的威胁。
  • 端粒使染色体末端区域形成异染色质,在细胞进行减数分裂的过程中结合到核膜一特定区域,使得染色体寻找同源染色体启动和配对的过程更加容易,并且保证了染色体分离的正确性[10~13]
  • 在细胞有丝分裂的过程中,端粒会随着分裂次数的增加逐渐缩短,当端粒缩短到一定程度时便无法继续维持染色体的稳定,细胞最终死亡,故而能够根据端粒的长度预测细胞的寿命。但是在生殖细胞中,端粒的长度不随细胞分裂而缩短,推测是由于生殖细胞中富含端粒酶的缘故。

胚胎發生中,桑椹胚-胚泡转型(the morula to blastocyst transition)伴随着端粒长度的重新设定。实验建立在在小鼠和牛的胚胎实验。这些胚胎不管是来自自然受精还是体外受精,甚至是由端粒已经缩短的体细胞克隆发育而成,都有端粒长度的重新设定这一过程。

端粒酶对这一过程有重要作用,一旦缺少端粒酶,该过程就不能发生。 桑椹胚-胚泡转型是植入前发育的重要阶段,能够导致首次二细胞系分化――内细胞團(inner cell mass)和滋养层细胞(trophoblast)。端粒的长度重制能够保证代与代之间的端粒正常,也可能和出生和的老化与肿瘤发生有关。端粒酶,是基本的核蛋白逆转录酶,可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用,端粒酶能延长缩短的端粒(缩短的端粒其细胞复制能力受限),从而增强体外细胞的增殖能力。端粒酶在正常人体组织中的活性被抑制,在肿瘤中被重新激活,端粒酶可能参与恶性转化。端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。

对这个过程的研究可以防止体细胞克隆中的端粒异常,也有助于通过移植基因治疗的方法解决退型性疾病。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. Geirder C W,Blackburn E H. Identification of aspecific telomere terminal transferase activity in tetrahymena extracts. Cell ,1985 ,43 :405~4133
  2. Zakian A V. Telomeres :Beginning to understand the end[J ] ,Science ,1995 ,270 :1601~1607.
  3. Lustig A J , Stephen Kurtz ,David Shore. Involvement of the silencer and UAS binding protein RAP1 in regulation of telomere length[J ] . Science ,1990 ,250 :549~553.
  4. Sussel L ,David Shore. Separation of transcription activation and silencing functions of the RAP1 encoded repressor/ activator protein : Isolation of variable mutants affection both silencing and

telomere length [J ] . Proc Natl Acad Sci USA ,1991 ,88 : 7749~7753.

  1. Nugent C I , et al . Cdc13p :A single strand telomeric DNA binding protein with a dual role in yeast telomere maintenance[J ] . Science 1996 ,274 :249~251.
  2. Shore D. Telomeric chromatin : replicating and wrapping up chromosome ends [ J ] . Current opinion in genetics and development ,2001 ,11 :189~198.
  3. Petracek M E , L M C Konkel , M L Kable and J Berman. A chlamydomonas protein that binds single2stranded G2strand telomere DNA[J ] . EMBO J ,1994 ,13 :3648~3658.
  4. Kim J H , Kim W T ,Chung I K. Rice proteins that bind single stranded G2rich telomere DNA [ J ] . Plant Molecular Biology ,1998 ,36 :61~672.
  5. Kim J H ,Kim W T , et al . Characterization and developmental expression of single2stranded telomeric DNA2binding proteins from mung bean ( V igna radiata) [J ] . Plant Molecular Biology ,2000 ,42 (4) :547~557.
  6. Bass H W,Marshall W F ,Sedat J W, et al . Telomeres cluster de novo before the initiation of synapsis : a three2dimensional spatial analysis of telomere positions before and during meiotic prophase [J ] . J Cell Biol ,1997 ,137 :5~18.
  7. Trelles Sticken E ,Loidl J .Bouquet formation in budding yeast :initiation of recombination is not required for meiotic telomere clusting[J ] . J Cell Sci ,1999 ,112 :651~658.
  8. De Lange T. Ending up with the right parter [J ] . Nature ,1998 ,392 :753~754.
  9. Hiraoka Y. Meiotic telomeres :a matchmaker for homologous chromosomes[J ] . Genes Cell ,1998 ,3 :405~413.

外部链接[编辑]

Telomerase.org网上的端粒酶资料