互动科普

称为端粒酶的一种独特的酶对被叫作端粒的染色体的成分起作用。新近在人类的许多肿瘤中已发现这种酶，而且把它看作治疗癌症的新的靶。

在自然界中，事物往往不是它们外表上显露出来的样子。海底的—块岩石可能是一种有毒的鱼；花园内一朵美丽的鲜花可能是埋伏着等待捕获物的一种食肉昆虫。骗人的外观扩展到细胞的某些成分，包括染色体——含有基因的线性DNA串。曾经认为，在染色体末端的DNA似乎是静止的。然而在已被研究过的大多数有机体中，叫作端粒的顶端实际上一直都在变，它们反复地缩短和伸长。

在过去15年内，对这种意想不到的伸缩的研究已产生了许多惊人的发现，特别是，它已导致对作用于端粒并被认为是维持人类许多癌症所需要的、定名为端粒酶的一种异乎寻常的酶的鉴定。这种最新的发现已激起了许多推测：可以抑制这种酶的药物能够与范围广泛的许多恶性肿瘤展开战斗。该研究还开创了下述可能性:端粒长度随着时间的变化，有时可能在人细胞的老化中起着一种作用。

端粒和端粒酶现代的重要性起源于三十年代两位著名的遗传学家——当时在哥伦比亚密苏里大学的Barbava MeClintoek和在爱丁堡大学的Hemiann J.Muller——所作的实验。两位研究者用不同的有机体分别进行研究的结果使他们意识到，染色体在其提供稳定性的末端带有一种特殊的成分。Muller从希腊文的“末端”（felos)和“部分”(meros)创造了“端粒”(telomere)这个术语。MeClintoek注意到，如果没有这些端帽，染色体之间就会相互粘连、进行结构变化和以其它的方式表现出错误的行为。这些活动威胁着染色体的生存和正确复制，因此还会威胁到容纳染色体的细胞的生存和正确复制。

但是，在七十年代以前，端粒的精确组成尚未确定。1978年,本文作者之一的Blackburn正在耶鲁大学与Joseph G.Gall—起进行研究，他发现，一种具有纤毛的单细胞池塘生物四膜虫（Tetrahymena）中的端粒含有一种极短的、简单核甘酸序列——TTGGGG——屡次重复。（核苷酸是DNA的组合块，它们一般以代表化学碱基的一个字母来表示,以区别不同的核苷酸。核苷酸中的碱基是胸腺密啶；G核苷酸中的碱基是鸟瞟呤。）

自那以后，科学家们已描述了包括动物、植物和微生物在内的许多生物中端粒的特征。如象对四膜虫是真实的一样，实际上所有的端粒——包括鼠、人和其它脊椎动物的——含有重复的短亚单位其中常常有较多的T和G核苷酸[参见《科学》1991年12期Robert K.Moyzis所著‘人的端粒’一文]。例如，人和小鼠的端粒以TTAGGG序列为其特征，而线虫的端粒则具有TTAGGC的特征。（A代表腺嘌呤，C代表胞嘧啶。）

寻找端粒酶

当今如此重视的这种物体端粒酶,是在比较端粒长度时发现的。比较时发现这样一种酶能够解决生物学中长期存在着的一个谜团。八十年代初期的研究已揭示，由于某些原因，在不同有机体之间端粒中重复亚单位数目不同，甚至在同一有机体的不同细胞之间细胞之间也不同。此外，随着时间的推移，给定细胞中的重复亚单位数目是波动的。（但是，每个物种有一个特有的平均数。在四膜虫中,一般的端粒有70个重复；人的端粒有2000个重复。）所观察到的不均匀性导致已调入伯克利加州大学的Blackburn、哈佛大学的Jack W.Szostak以及伯克利加州大学的Janis Shampay提出了被称作末端重复问题的新的解决办法。

这个问题与只要细胞分裂它们就必须准确地复制它们的基因、使每个所谓的子细胞都获得一组完整的基因这一事实相关。没有一整组基因，子细胞可能功能紊乱和死掉。（基因是产生蛋白质和RNA的核苷酸的那些序列，即执行大多数细胞功能的分子。染色体中的基因散布在被染色体的两个端粒束缚的整个DNA大范围内。）

1972年在哈佛和科尔德斯普林港实验室工作的James D.Watson注意到，复制DNA的酶（即DNA聚合酶)不能自始自终直到顶部拷贝线性染色体。因此，复制机器必须在末端留下一个较小的区域（一片端粒)，未能拷贝[见框内说明]。在理论上，如果细胞没有办法补偿这种沟，染色体将随着每一轮的细胞分裂而缩短，最终，在细胞的某一代，这种侵蚀将消除端粒和关键基因。因此，这些细胞将枯萎，引致那个细胞谱系的结束。显然,所有遭受这种缩短的单细胞生物物种都要设法抵消它，否则在很早以前它们就已毁灭。种系细胞(如精子和卵的前体)也是如此，它可使多细胞有机体的物种永存。但是，它些细胞怎样保护它们的端粒呢？

对于Blackburn、Szostak和Shampay来说，在端粒长度上所观察到的波动，是细胞企图将端粒保持在一个大致恒定的尺寸上的一个信号。是的，在细胞分裂过程中端粒缩短，但是它们也因附上新合成的端粒亚单位而被拉长。这些研究人员推测，这些新的亚单位的来源是一些尚未发现的、具有标准DNA聚合酶所没有的功能的酶。

当细胞复制它们的由两股相互盘绕的DNA组成的染色体时，它们是以双螺旋的分离而开始。聚合酶使用每一个这些“亲本”股作为构建一个新伙伴的模板。研究人员想象的那种特殊的酶将能够在没有现存的DNA模板可利用的情况下从刻痕建造DNA单股的扩展部分。

1984年，在伯克利的Blackburn实验室工作的我们两人着手去证实这种推断的端粒伸长酶(即端粒酶)实际上是否存在。使我们高兴的是,我们发现它确实存在。当我们把合成的端粒与四膜虫细胞的萃取物混合在一起时，这些端粒就获得了附加的亚单位，如果所提出的这种酶是存在的话，预料就应该这样。

在随后的几年中，我们以及我们的同事弄清了许多关于端粒酶如何起作用的问题。如象所有的聚合酶那样，实际上如所有的酶那样，它主要是由蛋白质组成，这需要那种蛋白质来发挥其功能。尽管是独特的，但它也包括RNA的单分子（接近于DNA的姊妹分子），该分子含有构建端粒亚单位的关键的核苷酸模板。端粒酶把DNA之一股的顶端置于RNA上，它这样定位是使模板邻近于那个顶端。此后直到形成一个完整的亚单位之前，该酶一次增加一个DNA核苷酸。当这个亚单位完成时，通过滑到染色体的新的末端和重复合成过程，端粒酶能够与另一股DNA的顶端附着。

端粒酶和人的衰老

1988年，Greider离开伯克利而去了科尔德斯普林港实验室，以后我们的小组和其它小组在不同于四膜虫的纤毛虫中以及在酵母、蛙和小鼠中发现了端粒酶。1989年，耶鲁的Gregg B.Morin首次在人的癌细胞系中发现了端粒酶——上述细胞系是在培养皿中保持数代的恶性细胞。今天已很明显，几乎所有的具核细胞的有机体都能合成端粒酶。该酶的精确组成在物种与物种之间有所不同，但是每个变体都具有构建端粒复制物的种特异性RNA模板。

端粒酶在许多单细胞有机体中的重要性现在是无可争辩的。只要排除了意外事件或者遗传学家们对它们生存的干预，这些有机体是不会死亡的。它们能无限地分裂下去。就象Guo-Liang Yu 1990年在Blackburn研究小组中证实，四膜虫需要端粒酶以保持这种永生性。当这种酶改变时，端粒就收缩，细胞也就死亡。Blackburn的研究小组以及其它小组已在酵母中作了相似的证明，缺乏端粒酶的细胞会承受着端粒缩短和枯萎。但是，在由无数细胞种类组成并比四膜虫或酵母远为复杂得多的人体中，端粒酶起作什么样的作用呢？

令人吃惊的是人类的许多细胞缺乏端粒酶。Greider和其它的人于八十年代末期作出了这一发现，当时他们将研究人员于25年前就已在费城开创的研究线索聚扰在一起。在六十年代以前，认为在体内进行复制的人细胞具有无限分裂的能力。但此后，Leonard Hay flick及其他在威斯塔研究所的合作研究者毫不含糊地证明，这种观念是错误的。现在已经知道，来自新生儿的体细胞(不是种系细胞部分)一般在培养中分裂80至90次，而来自70岁老人的体细胞很可能只分裂20至30次。

七十年代，一苏联科学家Olovnikov将细胞分裂的这种程序中止与末端复制问题联系起来。他提出，人的体细胞不能改正在细胞复制它们的DNA时所发生的染色体缩短。或许当细胞判定出它们的染色体已变得太短时，分裂就停止。

直到1988年当时在McMaster大学的Calvin B.Harley将度Olovnikov的想法提请Greider的注意以前，我们并不知道这一想法。由于对这种想法产生了兴趣，Greider、Harley及其合作研究者决定弄清：随着时间的推移人细胞中的染色体是否确实会变得较短。

的确，他们研究过的大多数一般的体细胞当它们在培养中分裂时，都失去了它们的端粒片断，这是端粒酶不再具有活性的一个信号。相似地，他们以及爱丁堡的医学研究委员会(MRC)的Nicholas D.Hastie的研究小组发现，在某些正常人组织内的端粒随着人的老化而收缩。（令人放心的是，也在爱丁堡MRC的Howard J.Cooke已证明，在种系中端粒被完整地保存下来。）这些结果表明，人细胞能够通过追踪它们失去的端粒重复数而“计数”分裂次数，而当端粒下降到某一临界长度时它们可能就中止分裂。但是尚未获得这种可能性的确切证据。

随着时间的推移，端粒的减少和增殖能力的下降会是人衰老的原因吗？或许它不是主要原因。总之，细胞一般能够分裂的次数比人的整个一生中所需的分裂次数多。但是较老身体的功能可能有时被一个亚组细胞的衰老所损害。例如，用来形成受伤部位的新皮肤的细胞数减少可能妨碍局部创伤的治疗，一定白血细胞数的减少可能造成免疫力与衰老相关的下降。此外，已知动脉粥样硬化一般在血管壁受损伤的部位形成。可以想象得到，在反复受伤部位的细胞最终能够“用尽”它们的复制能力，以致这些血管最终不能恢复已失去的细胞。那么，损伤将持续下去，动脉粥样硬化将开始。

与癌症的关系

—些研究人员怀疑，在无端粒酶的人细胞中观察到的增殖能力的丧失，可能已发展到不是使我们衰老而是帮助我们避免癌症。当一个细胞获得多重遗传突变，合起来会引起细胞逃脱对复制和移动的正常控制时就会产生癌症。当细胞及其后代无控制地增殖时，它们就能够侵害和损伤邻近的组织。有些细胞也可逸出并转移到身体中不属于它们的那些部位，在很远的部位形成新的恶性肿瘤(转移瘤)。在理论上，缺乏端粒酶通过使连续地分裂的细胞会失去它们的端粒，而且在它们没有大的损害之前被征服而阻止肿瘤的生长。如果癌细胞产生端粒酶，那么这些细胞将保持它们的端粒并将有可能无限制的生存下去。

早在1990年就在讨论端粒酶对维持人的癌症，可能是重要的这一想法。但是，直到最近以前，其证据仍未使人非相信不可。1994年，Ch-ristopher M.Counter、Silvia Bacchetti、Harrley和他们在McMoster大学的同事证明，端粒酶不仅在保存于实验室的癌细胞系中是活性的，而且在人体内的卵巢肿瘤中也是活性的。那年年底，由已调到加州梅尼奥帕克市Geron公司的Harley和达拉斯市得克萨斯大学西南医学中心的Jerrry W,Shay领导的研究小组在101个人肿瘤样品（代表12个肿瘤类型）中的90个内检査到端粒酶，而在50个正常人体组织（代表4种组织类型）中均未检査到端粒酶。

但是即使在获得这类证据之前，研究人员就已开始探索端粒酶如何能促成癌症的某些详情。这种研究表明，在细胞已经失去它对增殖的制动器后端粒酶或许才变成活性的。

第一个线索是由现在在洛克菲勒大学的Titia de Lange和由Hastie的研究小组独立所作的最初的神秘的发现。1990年，这些研究人员报告，人肿瘤中的端粒比周围的正常组织中的端粒短——有时要短得多。

分别在Greider、Bacchetti和Harley的实验室所作的研究解释了端粒为什么是如此之小。这些研究小组已诱使人体的正常细胞产生使细胞忽视警告信号的一种病毒蛋白质。这些信号通常是警告它们停止分裂。这些处理过的细胞在正常地进入衰老期后很久都继续增殖。在大多数这种细胞中，端粒大大缩短，并且检测不到端粒酶，最终就死亡了。但是，有些细胞在它们的同伴都死去后仍继续存在下去，并变成不死的。在这些不死的幸存者中，端粒的长度保持着惊人地短，同时端粒酶也存在。

这些结果暗示着，癌细胞中的端粒很小，因为只有在它们已经开始无控制地复制之后细胞才合成端粒酶。到那时，细胞或许已经失去很大数量的端粒亚单位。当酶最终被活化时，它稳定这严重缩短的端粒，使过度增殖的细胞变成不死的。

这些研究结果以及其它的结果已导致了一个诱人的但仍然是假设性的描述端粒酶被人体正常和恶性活化的模式。根据这种模式，端粒酶通常是由发育胚胎中种系细胞产生的。但是，一旦这个人体完全形成，在许多体细胞中的端粒酶就被抑制，同时随着这种细胞的增殖，端粒缩短。当端粒下降到一个阈限水平，防止细胞进一步分裂的信号即被发出。

但是，如果促进癌的遗传突变阻止这种安全信号的发送，或者使细胞忽视这些信号，那么细胞将越过正常的衰老并继续分裂。细胞或许也将继续失去端粒序列，并进行染色体的更迭，这会进一步产生致癌突变的可能性。当完全或几乎完全失去端粒时，细胞可能到达毁坏和死亡的那一点。

但是，如果危机前期的遗传混乱导致端粒酶的产生，细胞将不会完全失去它们的端粒。而缩短的端粒将被挽救和保持下来。这样，遗传混乱的细胞将获得癌的永生特征。

这种情况总的来说虽然再次被这一证据所证实，但是事情可能不完全是如它们所显示的那样。有些晚期肿瘤缺乏端粒酶.而最近已发现有些体细胞——特别是称作巨噬细胞和淋巴细胞的白血细胞——产生这种酶。然而，总的来说，所收集的证据表明，许多肿瘤细胞需要端粒酶以进行无限分裂。

癌症治疗的前景

在各种人癌症中存在端粒酶和许多正常细胞中不存在端粒表明，这种酶可能起着抗癌药物的一种好靶子的作用。能够阻碍端粒酶的药剂可能杀死肿癌细胞(使端粒收缩和消失）而不打乱许多正常细胞的功能。相反，大多数现存的抗癌治疗都打乱正常细胞和恶性细胞，因而往往是十分有毒的。此外，由于端粒酶存在于许多的癌症中，所以这类药剂能够对广范围的肿瘤都有效。

现在，制药公司和生物技术公司正在积极地研究这种鼓舞人心的可能性。然而，必须解决许多问题。例如，研究人员必须确定哪种正常细胞（除少数已鉴定出的细胞以外)产生端粒酶，同时他们还必须评估这种酶对于这些细胞的重要性。如果端粒酶是决定性的，干扰它的药物实际上能够具有不可接受的毒性。但是，在某些肿瘤细胞中这种短的端粒可以排除这个问题。抑制端粒酶的药物能够引起癌细胞失去它们的端粒，并且早在具有更长端粒的正常细胞失去足够的端粒遭受任何疾病影响之前死去。

研究人员还必须证明，端粒酶的抑制能够如预期的那样破坏产生端粒酶的肿瘤，1995年9月，Ha-rley、Greider和他们的合作研究者指出，一种抑制药物能够引起培养的肿瘤细胞的端粒收缩。这种受影响的细胞在细胞分裂约25个循环后死去。但是，现在在旧金山加州大学的Blackburn及她的研究小组已发现，细胞有时可补偿端粒酶的损失。它们通过其它的手段例如通过称作重组的过程修复它们的缩短的末端。在重组中，一个染色体从另一个染色体中获得DNA。如果在人肿瘤中“抢救端粒”的替代通道活化频繁发生，目标对准端粒酶的治疗将会失败。

对动物的研究将有助于解决此种担心。这种研究也应有助于揭示,端粒酶抑制剂是否将消除活体中的肿瘤，同时这些抑制剂是否将很快发生作用足以阻止癌去损伤关键组织。

为了开发将会阻止人体内的端粒酶的药物，研究人员也必须有这种酶究竟如何发挥功能的更清楚概念。它怎样附着到DNA上？它如何“决定”添加端粒亚单位的数目？在核中的DNA布满着各式各样的蛋白质，包括某些特异地与端粒结合的蛋白质。在控制端粒酶的活性中是与端粒结合的蛋白质中的哪一部分在起作用？改变它们的活性会破坏端粒伸长吗？在今后十年内，我们希望弄清大量的关于影响端粒长度的各种分子之间相互作用的问题。

对端粒大小调节的研究还能产生除癌症的新治疗方法以外的好处。对各种疾病的基因治疗的一种流行方法包括从患者身上提取细胞，插入理想的基因，然后将这经遗传上改正了的细胞送回到患者身上。可是，这提取的细胞经常在实验室增殖不良。也许端粒单独插入，或与其它因子结合插入将暂时增强复制能力，以致较大数量的治疗细胞能够被传入患者身上。

对端粒的现代研究已经从在池塘单细胞生物中染色体末端上最初鉴定重复DNA起走过了很长的路程。最初认为只是某些单细胞生物保持其染色体的一种“漂亮”的机制的端粒酶拉长端粒，已被证明与其表面上一直显示出来的不一样。实际上，端粒酶是大多数动物的具核细胞保护其染色体末端片断的有力的手段。此外,对这种曾经是模糊过程的研究现在可能导致向各种各样的癌症宣战的革新战略。

在八十年代初期，科学家们尚未提出通过研究四膜虫中染色体的保持来寻找潜在的抗癌治疗法。对端粒酶的研究提醒我们，在对自然的研究中，人们从来就不能预测基础过程将在什么时候和什么地方被发现。你从来就不知道，你所发现的一块岩石将在什么时候变成一片叶芽。