端粒结构、蛋白与复制机制

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1、端粒结构、蛋白与复制机制生命学院07102131练春频摘要：端粒学的研究起始于上个世纪30年代。随着研究的深入，端粒的结构、功能以及作用机理等逐步得到阐明。端粒，按其功能可定义为真核生物线状染色体分子的末端，为维持染色体稳定性及完整复制所必需。它是由一段十分简单、多次重复的DNA序列和端粒结合蛋白组成，序列的主要特征是富含G和T。端粒酶是一种由蛋白质和RNA组成的核糖核蛋白体,或称端粒结合蛋白(TBPs),TBPs可特异地识别并结合在DNA末端，真核DNA末端的复制是由端粒酶催化的。关键词：端粒、端粒酶、复制、端粒蛋白、端粒DNA端粒是在染色体末端形成的特殊结构，这一观点的提

2、出是源于对果蝇的研究。端粒的概念包含两个方面含义：其一是指染色体末端；其二是指具有一定特性的基因，其最主要的特性是不能与其他端粒或染色体末端融合。因此，端粒的功能主要是维持染色体的稳定，防止其在复制过程中发生融合或降解。端粒DNA在细胞分裂，DNA复制时发生缩短。在生殖细胞和绝大多数癌细胞中，缩短的端粒由端粒酶延伸，以维持其长度的平衡。1.从玉米和果蝇开始作为真核染色体必不可少的一部分，端粒这一概念的产生源于HermanMuller和BarbaraMcClintock在20世纪30年代的早期研究。Muller用X射线照射果蝇，并分析由此产生的染色体重组。在他回收回来的众多样本

3、中，没有发现末端缺失的重组片段。X射线诱导产生的果蝇断裂染色体中极少出现末端缺失序列恢复的情况。基于此，Muller认为，染色体的末端一定存在某种特殊的结构来维持染色体的稳定，并且这一功能不能由间质染色体区域提供。McClintock在玉米方面的研究也得出了相似的结论。通过对玉米中断裂染色体的研究，发现双着丝粒环状染色质的断裂产生两个末端，这两个末端不能以稳定的游离末端形式存在，而是全都发生融合，形成另一个染色体环。断裂的末端与天然末端不同。断裂的末端会与其他断端融合，而天然末端却不会。1938年，Muller将这个末端特殊结构命名为“端粒”。但由于缺乏合适的研究工具，Mul

4、ler和McClintock都无法做进一步的研究，以了解染色体末端的分子本质。2.端粒DNA序列与结构端粒的分子生物学研究始于20世纪70年代，当时Blackburn和Gall报道了有纤毛的原生生物嗜热性四膜虫rDNA基因的端粒重复序列。取得这一重大进展的首要原因是选择了合适的模式生物作为研究载体。2.1理想模式生物----四膜虫选择四膜虫作为模式生物，主要基于以下几方面考虑：首先，四膜虫单个细胞就有40000个以上的端粒；其次，在接合期间，新的端粒在巨核发育阶段被加到染色体末端；第三，四膜虫rDNA末端具有不连续性（图1），这种不连续性的存在有助于对端粒进行标记研究，但这种

5、不连续性存在的意义目前还不完全清楚。图1：四膜虫rDNA末端结构四膜虫rDNA末端重复序列中的CCCCAA链具有不连续性，且多分布于近末端区。2.2端粒DNA的序列与组成1987年，Blackburn和Gall用化学方法测定了四膜虫的端粒序列。证实四膜虫具有六聚体重复序列：CCCCAA/TTGGGG，同时还证明端粒重复序列具有极性（图2），即在端粒的3′末端由TTGGGG链构成（G链），而5′末端由CCCCAA链构成（C链）。研究表明，端粒中的这种方向性是保守且可以推测的，它有可能具有重要的功能。端粒可分为两个结构功能区。一个为端粒重复双螺旋DNA，有时含有不同的、密切相关的

6、重复序列；另一个为端粒末端序列。G链延伸到双螺旋DNA区域之外，形成3′悬突。所以端粒序列可以分成两个结构功能区:即双链端粒DNA和单链端粒DNA(端粒末端序列)。端粒3′悬挂链具有高度保守性,并形成特殊的环形结构(D-loop和T-loop)以稳定端粒。除此外，还有直接与端粒重复序列相连的序列，称为端粒相关序列。图2：真核染色体的端粒空白和斜线标出的椭园形圆圈表示染色体末端的端粒蛋白，空白圆圈表示核小体。2.3端粒DNA结构研究发现在去除蛋白质的情况下，天然DNA末端处于一定浓度的离子环境中时，会结合在一起。因此，端粒重复序列具有形成特殊结构的能力。后续的研究表明，由G链悬

7、突形成的特殊结构介导了这一过程。在正常生理条件下,G链能够依靠自身配对，而非依靠Watson-Crick互补碱基配对方式在突出的3′端形成分子内G四联体(四股螺旋结构),也可以由两个DNA分子或染色体彼此连接成一个局部的分子间四联体（图3）。这种结构包含一种称为“G-四集体”（G-quartet）的基序。它由四个鸟嘌呤在一个正方形平面内以氢键环形连接而成（图4），在四联体的中心有一个由4个带负电荷的羧基氧原子围成的“口袋”。图3：G—四联体螺旋结构(a)分子内四联体螺旋　(b)双分子间四联体螺旋　(c)