【知乎】端粒

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作者史军：植物学博士，科学松鼠会成员

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端粒，简单解释就是DNA末端的那一段特殊序列。详细的解释，我把2009年诺奖时的文章贴出来，希望有帮助哈。

染色体不仅要指导其他蛋白质的合成，同时，这张蓝图也需要被不断的拷贝，分配到新的细胞中去。这时，问题就出现了。在合成新的DNA链的时候，需要有一个起始物先与原有的DNA模板结合，接下来后续的核苷酸才能接在这个起始物后面，并且按照和相应碱基配对的原则，形成新的DNA链，与模板如同两条拉链一样结合在一起。而这个起始物（引物）就像拉锁最先端的那个扣，不过在生物体内这个引导DNA合成的“扣”并不是DNA，而是一小段RNA序列，这段序列会在DNA新链合成后被切除。也就是说，与最初的DNA模板相比，新合成的链就短了这节由RNA替代的序列。

更要命的是，DNA是有方向性的，DNA聚合酶是个直性子，在模板链上只会向一个方向移动（从5'到3'端）复制新链，而不能左右兼顾。如果，这段序列出现在DNA模板的中段，从其上游向下进行合成工作的DNA聚合酶会补充这些工作。但是如果这种缺失发生在最先段的话，那DNA聚合酶就无能为力了。这么看来新复制出的DNA必将越来越短，那最终必然会导致重要基因的失去活性，其中，处境最危险还是位于DNA末端的“端粒”。不过，也正是因为它们大无畏的牺牲精神才换来了，DNA和染色体完整的结构和功能。这种保护功能，最终在杰克•绍斯塔克（Jack Szostak）使用线性质粒和端粒构建人工染色体不会被降解”的工作中，得以证明。

不过，端粒的长度毕竟是有限的，在复制过程中会不断缺失，最终影响DNA的正常功能。特别是对于一些分裂频繁的细胞（如血细胞），这种影响更大，那这些细胞是如何避免问题产生的呢？在后来的观察中发现，这些的细胞的端粒在缩短到一定程度后，会重新恢复长度，那么又是哪个神奇的“裁缝”在做这项“修补工作”呢？在随后的工作中，伊丽莎白•布莱克本（Elizabeth Blackburn）和卡萝尔•格雷德（Carol Greider）不断改进实验手段，寻找答案。经过不断优化条件。1984年的圣诞节，勤奋的卡萝尔同学打开暗盒曝光X光片，终于清楚地看到了这个作为“裁缝”的酶。这种酶活性不依赖于DNA模板，只对端粒DNA进行延伸，而对随机序列的DNA底物不延伸；并且该活性不依赖于DNA聚合酶]。由于同源重组对序列没有特异性的要求并且依赖于DNA聚合酶的活性，至此，她们澄清了这两种假说，证明了有一种"酶"来延伸端粒DNA。这种酶后来被命名为"端粒酶"（telomerase）。

在端粒和端粒酶的作用被明确之前，关于细胞和机体寿命的问题仅仅停留在假说的层面。而关于端粒的发现，为这个问题给出了一个较为明确的答案。细胞的寿命在很大程度上取决于端粒的长度和端粒酶的活性，当端粒耗尽，细胞就会降解死亡。科学奖已经将其应用于衰老研究之中。更有意思的是，癌细胞之所以会“永生”繁殖，就是凭借细胞内高活性的端粒酶。对端粒酶的检测，也成为癌症诊断的重要手段之一。随着对端粒和端粒酶研究的深入，我们会对生命周期有更清晰的认识，“长生不老”的愿望也许真能实现