全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第6期
2009年12月
Vol. 21, No. 6
Dec., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)06-0760-10
收稿日期：2009-11-15
基金项目：国家自然科学基金项目(30630018)
*通讯作者：E-mail: xjtong@sibs.ac.cn
端粒和端粒酶的发现及其生物学意义
童夏静*，周金秋
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，
分子生物学国家重点实验室，上海 200031)
摘　要：2009年的诺贝尔生理学或医学奖授予了美国加州大学旧金山分校的Elizabeth H. Blackburn、约
翰霍普金斯大学的Carol W. Greider以及哈佛医学院的Jack W. Szostak三位科学家，肯定他们在发现端
粒以及端粒酶保护染色体末端方面所做出的贡献。端粒以及端粒酶的发现历经近半个世纪，追溯起端粒
和端粒酶的整个发现过程，却是耐人寻味，给人启发。端粒是真核生物中位于染色体末端的 D N A 和
蛋白质的复合物，它对于维持基因组的完整性以及染色体的稳定性都有着至关重要的作用。端粒 DN A
可以被一种特化的称为“端粒酶”的逆转录酶延伸。端粒长度的维持以及端粒结构的稳定在细胞衰老、
癌症发生以及干细胞全能性自我更新能力维持等生命过程中都起重要作用。
关键词：端粒；端粒酶；D N A 复制；染色体；衰老；癌症；干细胞
中图分类号：Q279；R522；R730.43　　文献标识码：A
Telomere, telomerase and their biological senses
TONG Xia-jing*, ZHOU Jin-qiu
(The State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology,
Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences,
Shanghai 200031, China)
Abstract: The 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine is shared by Elizabeth H. Blackburn (University of
California San Francisco), Carol W. Greider (Johns Hopkins University School of Medicine) and Jack W. Szostak
(Harvard Medical School) for their discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme
telomerase. It took about half a century to solve the chromosome end protection problem, and the entire process
of discovery is very intriguing and highly enlightening. Telomeres are protein-DNA complexes found at the
ends of eukaryotic linear chromosomes. They are essential for maintaining genome integrity and chromosome
stability. The telomere length could be elongated by a specialized reverse transcriptase telomerase. The mainte-
nance of telomere length and structure plays important roles in many biological processes including cellular
aging, tumor genesis and stem cell self-renewal.
Key words: telomere; telomerase; chromosome stability; aging; cancer; stem cell
　
1　端粒的发现
早在1938年，美国遗传学家Hermann J. Müller
(1946年诺贝尔生理或医学奖获得者)在爱丁堡动物
遗传研究所用X 射线照射果蝇时，便发现染色体的
末端与其他的位置有着性质上的不同。在受到照射
后，染色体末端并不像其他部分表现出缺失或者逆
转现象。因此，他猜测染色体的末端必定有着某种
特殊的保护结构，并命名为末端基因(terminal gene)，
之后又改为端粒(telomere)。在希腊语中“telos”
表示末端，而“me r o s”表示部分。在之后的研
究中人们也证实了端粒在染色体中的重要作用。1941
年密苏里大学的研究员Barbara McClintock(1983年
761第6期 童夏静，等：端粒和端粒酶的发现及其生物学意义
诺贝尔生理或医学奖获得者)在玉米的遗传学研究中
发现染色体断裂会导致末端融合，形成具有双着丝
粒的染色体。然而，若断裂末端含有端粒结构则可
以恢复这种异常现象，因此推断出染色体末端对于
染色体的稳定性有着非常重要的作用[1]。
端粒的化学组成究竟是什么在当时是一个很难
回答的问题，因为那时人们对染色体及DNA的理解
也比较肤浅。直到1953 年，Waston 和 Click 阐明
DNA 双螺旋结构；1957 年，Kornberg 发现DNA 聚
合酶，以及1975年Sanger和Clouson发明了双脱氧
终止法，实现 DNA 序列的测序[2]，从此，端粒的
研究才重新开启了一扇天窗。
1978年，Elizabeth H.Blackburn在Joseph Gall
(2006年Albert Lasker医学特殊贡献奖获得者)实验室
从事博士后研究，他们对纤毛虫(Ciliate)的核糖体
DNA(ribosomal DNA，rDNA)复制很感兴趣。他们
利用四膜虫(Tetrahymena，纤毛虫的一种)作实验材
料。四膜虫的小核含 5 对染色体，用于生殖传代。
而大核在发育过程中染色体断裂成成百个小染色
体。多拷贝的 rDNA 从染色体上断裂后经过复制形
成上万个微小染色体。通过对纯化的 rDNA 微小染
色体测序，发现微小染色体末端是 20—70 拷贝的
T T G G G G 序列。由此，他们推断四膜虫的端粒
DNA 是由许多重复的 TTGGGG/CCCCAA 六个碱基
序列组成[3]，这一推断被证明是正确的。他们的思
想和实验过程又一次验证了人们经常重复的“格
言”：解决生物学问题一定要选好实验材料和实验
模型；新技术的应用可以回答以前不能回答的问
题；研究某一个问题可能会让你获得意外的收获。
至此，新的问题是：端粒重复序列与早期
Müller和McClintock推测的端粒对染色体的保护功
能有何联系呢？后面发生的故事回答了这一问题，
也为我们提供了一个合作研究的典范。1 9 8 0 年，
Blackburn在一次研究会议上与遗传学家Jack Szostak
进行了交流，他们决定在酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae)中检测四膜虫所谓的端粒DNA的功能。
Szostak的研究兴趣是在酵母体内构建人工染色体。
他们将线性的 DNA 转入酿酒酵母后，却发现线性
DNA 很容易通过同源重组整合到染色体的同源序列
中，或者在某些情况下，线性的 DNA 末端会被降
解或者以一种非重组方式互相连接，得不到预先设
想的人工染色体。有趣的是，当在线性 DNA 的两
端接上四膜虫端粒DNA序列后，这些被导入酵母细
胞中的外源DNA能够稳定存在。这个实验充分说明
了四膜虫的端粒DNA具有保护线性DNA的作用。这
项发现被认为是构建人工染色体的关键步骤之一。
在进一步的实验中，他们将线性DNA的一端连接核
糖体 D N A，另一端则接入一段较短的非规则酵母
DNA序列(类似于四膜虫的富含TG的端粒序列)，他
们惊奇地发现这段酵母DNA序列会被延伸加入200 bp
的 TG 核苷酸序列。于是，他们首次确认了酵母的
端粒DNA 序列，并再次证明了端粒维持了线性DNA
在酵母体内的稳定性[4, 5 ]。这项研究同时还发现，
这些酵母端粒的特征性序列能够被添加到包含有四
膜虫端粒DNA 的外源DNA 末端。于是，他们推测，
酵母细胞可能以端粒 DN A 本身的序列为模板，在
线性染色体末端添加端粒DNA重复序列。这些有趣
的发现不仅证实了端粒保护染色体功能，而且帮助
人们提出了“端粒DNA的复制可能不是通过同源重
组途径实现的，而是通过一个特殊的酶来完成的”
的假说。
2　端粒复制问题的提出
自从1953年 Waston 和 Click 提出了DNA的双
螺旋结构模型[6]，人们发现DNA的复制是通过一种
半保留复制的方式(semiconservative replication)进行
的，即子代的 DNA 双链一条来自亲代，而另一条
是新合成的。D N A 双链属反向平行，因此在复制
过程中复制叉(replication fork)附近所解开的DNA单
链，其中一条是5-3方向的引导链(leading strand)，
另一条则是3-5方向的后续链(lagging strand)。1957
年，美国科学家Arthur Kornberg在大肠杆菌中首次
发现了DNA聚合酶(DNA polymerase)[7]，DNA聚合
酶只能沿着5-3 的方向进行合成，因此很难解释
DNA 的 3-5 链的复制问题。1972 年，日本学者冈
崎(Okazaki)等用3H脱氧胸苷短时间标记大肠杆菌内
核酸，交联变性后用梯度离心的方法发现存在很多
不同长度被3H标记且与RNA引物共价结合的DNA片
段(即后人称作冈崎片段的 DNA)。延长标记时间，
冈崎片段可转变为成熟DNA链，推断出这些片段必
然是复制过程中的中间产物。因此，他们提出了
DNA的半不连续复制(semidiscontinuous replication)
理论[8]。
之后的研究发现DNA聚合酶只能延长已存在的
DNA 链，而不能进行起始合成，因此揭示了在DNA
在复制过程中，首先需要 R N A 聚合酶( R N A
polymerase)在 DNA 模板上合成一段RNA 引物(RNA
primer)，而后DNA复制酶再从RNA引物的3端继
续合成新的 DNA 链。因此，前导链的复制只需一
762 生命科学 第21卷
段 RNA 引物，DNA 聚合酶就可以合成下去；然而，
后续链进行半不连续复制，每隔一段就需要RNA引
物，然后由 DNA 聚合酶 III 合成 DNA，直至遇到
下一处的冈崎片段为止。进而由RNA 酶 H(RNaseH)
降解 RNA 引物，留下各处缺口由 DNA 聚合酶 I 补
齐，最后在DNA连接酶(DNA ligase)的作用下连接
成大分子DNA 链。DNA 聚合酶 I 在催化合成 DNA
时，需要自由3-OH 作为引物，因此染色体的5最
末端无法被填补，新合成的染色体就会比母链短一
点。如果不填补，那么细胞每复制一次，染色体就
会缩短一些。于是 1972年，Jim Watson提出了染色
体复制的末端隐缩问题[9]。
3　端粒酶的发现
由于存在染色体末端的复制问题，在 DNA 的
复制过程中，端粒会逐渐缩短。然而，有些细胞
在传代的过程中，端粒的长度却是一直保持稳定，
甚至在锥虫和四膜虫中还发现了端粒逐渐延长的现
象。那么端粒必须通过一定的机制来维持长度，要
么利用重复序列进行同源重组，要么通过聚合酶的
作用复制末端。1974年，英国的学者Cavalier-Smith
提出端粒的反转重复序列(inverted repeats)模型[10]，
1975 年，Betaman 简化该模型，认为染色体末端只
要是发卡结构(hairpin)(DNA双链共价连接另一条连
续链)就可以被复制[11]，即 DNA 聚合酶到达染色体
末端后可以回头继续复制，从而完成末端的复制问
题。可是在1982年，Blackburn和 Szostak确定了
端粒序列之后，他们的这些发现与当时比较认可的
端粒发卡结构似乎有冲突，并且同源重组也不能解
释，因此他们猜测是否存在一种末端转移酶类似的
酶可以增加核苷酸到染色体末端，从而维持端粒长
度于一恒定水平。
于是Blackburn和Szostak分别采取了不同的途
径去寻找他们设想的酶。Blackburn用生化的方法在四
膜虫细胞裂解液中寻找端粒酶。1985年，Blackburn
实验室的研究生Carol W. Greider在四膜虫的细胞裂
解液中分离出了一种新的酶活性，它可以在体外特
异性地增加 TTGGGG 重复序列到端粒 DNA 序列上，
她们便猜测端粒长度的维持就是依赖这种新发现的
末端转移酶的活性而实现的，该末端转移酶就是端
粒酶[12](图 1)。而此时端粒酶的化学组成仍然不是
很明了。
Szostak和他的博士后Vicki Lundblad在1984年
开始用遗传学的方法筛选酿酒酵母中的端粒酶。他
们筛选的原理是：在酵母中若转化了含有方向相反
的四膜虫端粒序列的环状质粒，酵母细胞将会随机
地打开该质粒使之成为线性DNA，同时两端粒之间
的基因就被破坏不能表达；但是该过程的完成需要
在这个线性 DNA 的末端加上酵母的端粒 DNA，因
此在端粒酶突变的酵母中，由于不能在线性染色体
末端加入端粒序列，环状质粒的线性化就会受到影
响，端粒序列间的基因不会破坏而能正常表达。利
用这个原理，他们将URA3 基因插入这两个倒置的
端粒之间，然后利用5-氟乳清酸(5-fluorootic acid,
5-FOA)筛选URA3基因表达完好的突变体[13](图 2a)。
经过随机突变，在7 000 多个突变菌株中，有一个
突变体呈现这样的表型，同时发现在该突变体中染
色体末端的端粒序列逐渐缩短，并且细胞趋于衰
老，把该基因命名为EST1(ever shorter telomeres 1)[13]
(图 2b)。Lundblad 发现EST1包含一段RNA依赖性
的聚合酶保守结构域，因此猜测EST1 所编码的蛋
白可能就是人们一直寻找的端粒酶。然而，后来的
研究证明，EST1 所编码的蛋白并不具有反转录酶
活性，不是端粒酶，但是它已经非常接近了，因
为Est1是端粒酶核心酶的调控亚基，并且首次发现
端粒逐渐缩短会导致细胞衰老。
那么真正的端粒酶是如何被发现的呢？一般的
末端转移酶是随机的将核苷酸加到DNA 3末端，然
而，端粒酶却是有规则的增加 TT G G G G 这样的重
复序列，因此，端粒酶需要特定的模板作为底物来
合成该重复序列。1989年，Greider和Blackburn从端
粒酶活性中纯化得到一种RNA，在基因组上找到了编
码该RNA的基因，并发现在编码区包含CAACCCCAA
图1 1982年Blackburn实验室的研究生Carol W.Greider
在四膜虫裂解液中发现端粒酶活性(引自http://nobelprize.
org/nobel_prizes/medicine/laureates/2009/greider-photo.
html)
763第6期 童夏静，等：端粒和端粒酶的发现及其生物学意义
的序列，从而确定了该基因所转录的RNA就是端粒
酶的模板[14]。其后，各物种的 RNA 模板都被陆续
发现报道。1997 年，Tom Cech 实验室的Lingner
在Euplotes aediculatus以及酿酒酵母中发现了真正的
端粒酶催化亚基[15]。同年，该实验室还找到了裂殖
酵母和人类的端粒酶[16]。端粒酶的RNA模板和催化
亚基构成了端粒酶的核心酶。后期的研究中，越来
越多的端粒特异性结合蛋白被发现，而端粒酶的活
性是如何被其他因子调控的成为了研究的热点。同
样，细胞中的端粒结合蛋白如何保护染色体也成为
了研究热点。洛克菲勒大学的Titia de Lange在哺
乳动物的端粒和端粒酶的研究中做出了突出性的贡
献，进一步丰富了端粒和端粒酶领域。
4　端粒的非端粒酶维持途径
前面提到在染色体末端复制问题提出以后，人
们提出了两种主要观点：一种观点认为，因为端粒
DNA 是简单重复序列，所以可能利用同源重组复制
端粒 DNA；另一种观点就是聚合酶复制端粒 DNA。
自从端粒酶被发现起，人们似乎都认为端粒酶是延
伸端粒的惟一途径。然而，事实又一次证明符合逻
辑的科学的假设往往会得到验证，让人们感受到自然
界的生命是多么神奇。1993年，Lundblad在Blackburn
实验室进行博士后研究期间，发现在酿酒酵母中，
缺失端粒酶的任何组分都会导致端粒逐渐缩短，越
来越多的细胞趋于衰老死亡，但是仍有极少部分细
胞(小于1/106)却能通过同源重组的方式存活下来。
端粒酶缺失的某些细胞可以利用亚端粒区的序列扩
增来维持端粒长度[17]。之后Virginia A. Zakian实验
室又发现除了利用亚端粒序列以外，酵母细胞还可
以利用其他染色体的端粒序列进行同源重组延伸自
身端粒[18]。这些研究证明端粒酶是端粒复制的主要
机制，但是在端粒酶缺失或者丧失活性的情况下，
还可以通过同源重组途径来进行。
在哺乳动物细胞中也存在着这种端粒酶非依赖
性的端粒维持机制，称之为替代的端粒延伸机制
(alternative lengthening of telomeres, ALT)[19, 20]。这类
细胞表现为端粒很长，并且不同染色体之间端粒长
度的变异度很大。此外，这类细胞一般都包含APBs
(ALT-associated promyelocytic leukaemia bodies)结构
和环形染色体外端粒DNA(circular extrachromosomal
telomeric DNA, telomeric t circle)。APBs位于细胞
核内，包含有端粒 D N A、端粒结合蛋白以及很多
同源重组相关的蛋白[21]，因此该区域很有可能是细
胞进行同源重组延伸端粒的场所。对于同源重组进
图2 Lundblad 和 Szostak 在酵母中筛选端粒合成缺失的突变[13]
a: 质粒解开(Plasmid resolution assay)实验原理；b: 铺板显示est1-1 (“ever shortening telomeres”)酵母突变体导致细胞衰老，传
代次数如图中所标
764 生命科学 第21卷
行的具体分子机制，现在仍然不是很清楚，很多研
究者认为这种替代的端粒延伸机制是通过复制由同
源修复(homology directed repair)产生的t circle，或
者利用姐妹染色体的端粒作为模板来延伸自身端
粒。通过分析上百种癌细胞，人们发现大约 1 0 %
的癌细胞就是通过这种替代的端粒延伸机制来维持
细胞的永生化的[22]，甚至在某些哺乳动物细胞中也
有端粒酶途径和同源重组途径共存的情况。
5　端粒的结构
5.1　酿酒酵母的端粒结构　在酿酒酵母中，端粒
包括染色体末端的DNA 序列(即端粒DNA)以及它的
结合蛋白(图3a)。端粒DNA 包含大约350 bp 的非
规则TG1-3重复序列组成的双链DNA以及3端突出
的富含 G 的单链DNA末端(3overhang)[23-25]。端粒
DNA 的结合蛋白主要包括Rap1 蛋白和Cdc13 蛋白。
其中Rap1蛋白特异性的结合端粒的双链DNA区域，
它通过结合Rif1/2p异源复合物[26, 27]，对端粒长度起
到负调控的作用：当端粒延伸时，结合在端粒上的
Rap1 蛋白就会增多，从而发挥抑制端粒酶的作用，
维持端粒在恒定长度内，这种机制称为“计算机
制”(counting mechanism)[28]；另一方面Rap1p还能够
结合Sir2/3/4p 复合物，构成了染色体的异染质区
域，并对端粒临近基因的表达起到抑制作用，称之
为端粒位置效应(telomere position effect)[29-31]。
Cdc13p 蛋白则结合端粒的单链DNA 区域，它能阻
止外切酶进攻端粒，从而保护端粒末端。除此之
外，Cdc13p还担负着对端粒酶的正调控以及负调控
功能。Cdc13p的正调控功能主要通过它能够和端粒
酶的调控亚基Est1p结合从而招募端粒酶延伸端粒，
而它的负调控功能在于它又能够和端粒特异性蛋
白Ten1p、Stn1p结合形成异源三聚体从而抑制端粒
酶[32, 33]。在DNA双链区域和单链区域之间还有Ku70/
Ku80 复合物结合，Ku复合物通过和端粒酶Tlc1结
合从而在细胞周期的G1期招募端粒酶，同时也保护
端粒末端不受外切酶的剪切[34-37]。最新的研究发现
端粒 D N A 还能被转录出一种端粒 R N A ，称为
TERRA。初步的实验显示 TERRA 对于端粒长度起
到负调控的作用[38]。
酿酒酵母端粒酶全酶包括催化亚基Est2p、RNA
模板Tlc1以及调控亚基Est1p和Est3p。Est2p和Tlc1
组成端粒酶的核心酶，在体外就可以发挥延伸增加
端粒核苷酸(nucleotide addition)的功能[15, 39-42]。然而
在体内，Est1p和Est3p对于端粒酶的功能也是必不
可少的，任何一个组分的缺失都会导致端粒缩短，
细胞衰老。端粒酶在G1 期被Ku复合物招募到端粒，
在S期则被Est1p、Cdc13p和Tlc1组成的复合物所
图3 酿酒酵母(Budding yeast)和哺乳动物(Vertebrates)中端粒结构
765第6期 童夏静，等：端粒和端粒酶的发现及其生物学意义
招募[43]。虽然端粒酶在G1期和S期都可以被招募到
端粒上，然而只有在S期端粒才能延伸，这就意味着
除了招募以外，端粒酶还需被激活才能发挥功能[44, 45]。
5.2　哺乳动物的端粒结构　哺乳动物的端粒同样包
括端粒DNA以及它的结合蛋白(图3b)。哺乳动物的
端粒 DNA 为 TTAG GG 的规则重复序列构成的双链
DNA以及一段50—500 nt富含G的单链DNA作为末
端，但是端粒末端的结构并非简单的单双链结构，
电子显微镜实验表明在人类和老鼠的端粒末端形成
一种非常大的双链套索样结构，称之为t-loop[46]。
t-loop 的存在可以很好的保护端粒末端单链DNA，
能防止外切酶的进攻，并且发现和端粒的同源重组
途径也有一定联系[47]。3末端的富含G 的单链DNA
会入侵亚端粒的双链DNA 区域，与C 链配对从而形
成一种类似于字母D的结构，称为D-loop。这种结构
在锥虫、纤毛虫、植物以及果蝇中都有发现。同
时，各个物种中的端粒 DNA 长短不同，人类在出
生的时候端粒有10—15 kb，而实验小鼠和大鼠的
端粒长度达20—50 kb。最新的研究还发现端粒的
长度在一个家系中变化也很大，这意味着端粒的长
度进化很快[47]。
哺乳动物细胞中端粒DNA的结合蛋白是由六个
蛋白组成的端粒特异性复合体，这个复合体被称之
为Shelterin(又称为telosome)，包括端粒重复序列结
合蛋白1(telomere repeat binding factor1, TRF1)、端
粒重复序列结合蛋白2(telomere repeat binding factor1,
TRF2)、Rap 1、TIN2、TPP 1 和端粒保护蛋白 1
(protection of telomeres 1, POT1)六个蛋白。这些
Shelterin组分特异性的结合在端粒上，并且在细胞
周期的各个阶段都有表达。Shelterin的端粒特异性
功能主要归功于TRF1 和 TRF2 对端粒序列TTAGGG
双链DNA 的特异性结合。除此之外，TRF2 还能促
进t-loop的形成[48]；Rap1通过和TRF2相互作用而
结合在端粒上；而TIN2 在很大程度上发挥了一种
桥连作用，同时和TRF1、TRF2 以及 TPP1 相互作
用；端粒的单链DNA由 Shelterin的另一组分POT1
结合；TPP1 同时与TIN2 以及POT1 相互作用连接
起Shelterin在单链DNA和双链DNA结合的蛋白复合
物，从而形成一个庞大的六元复合体结合端粒末
端。Shelterin的存在使得细胞得以区分端粒末端和
普通的DNA 双链断裂(DNA double strand break,
DSB)，从而抑制 DNA 损伤修复蛋白，同时调控端
粒的端粒酶延伸途径。Shelterin的稳定对于端粒的
维持有着至关重要的作用，它可以抑制DNA末端激
活DNA损伤信号通路，同时还可以防止染色体末端
异常融合。TRF2 敲除的小鼠是致死的，因为TRF2
的缺失会导致整个Shelterin结构的瓦解，从而导致
染色体末端裸露，激活DNA 损伤的ATM 信号通路，
从而使得细胞滞留在G2/M 期，不能进一步分裂[49]。
POT1 在端粒上的定位在TPP1 存在的情况下可以得
到进一步加强，该二元复合物结合在端粒上可以抑
制ATR 信号通路的激活，由此可见，Shelterin 对
于端粒结构的维持有着非常重要的作用。
在哺乳动物中，大部分的细胞通过端粒酶途径
来缓和端粒的磨损。哺乳动物的端粒酶复合物主要
有反转录酶(telomerase reverse transcriptase, TERT)
和 RNA模板(telomerase RNA component, TERC)组
成。除此之外另外四个蛋白GAR1、NHP2、 NOP10
和 dyskerin 组成核仁核糖蛋白复合物结合端粒酶，
这些蛋白的缺失会导致端粒酶失活。与酿酒酵母中
类似，随着端粒序列的延伸，结合在端粒末端的
Shelterin会越来越多，因此也存在counting机制来
维持端粒的长度。实验显示Shelterin的组分对于端
粒的长度都有负调控作用。POT1 通过与端粒酶竞
争3 端单链 DNA 从而抑制端粒酶的活性[50]；TPP1
通过增加POT1在端粒末端的结合来加剧这种抑制效
应[51] 。因此，POT1发挥着末端传感器的功能，将TRF1
的抑制作用传递到最末端。
6　端粒与衰老
在单细胞生物(如酿酒酵母)中，由于总是有端
粒酶活性，细胞可以维持端粒在相对恒定长度。然
而，在大部分多细胞真核生物中，胚胎细胞有较高
的端粒酶活性，但是大多数成体细胞中端粒酶的活
性较低或缺失，只有在卵巢、睾丸等高分化的组织
中才能检测到明显的端粒酶活性[52]。因此，随着每
次细胞分裂端粒DNA 会缩短50—200 bp。当端粒
DN A 缩短到一定长度时，细胞虽然活着，但会停
止分裂。这种不可逆的生长停滞被称为细胞的复制
性衰老(replicative senescence)，但失活细胞的抑癌
通路可以使得细胞逃离这种复制性衰老，细胞可以
继续分裂，端粒则继续缩短，直到细胞到达第二个
分裂阻滞阶段(crisis stage)。此时，由于端粒异常
短致使细胞死亡。此外，一些 DNA 的损伤也会导
致核酸外切酶进攻端粒末端，从而加速了端粒的缩
短。在人类的体细胞中发现，随着年龄的不断增
加，端粒长度的损耗会不断加剧。因此，端粒的
缩短被认为是一种较好的用来解释正常细胞生长限
制性的模型，但是至于短端粒如何引发机体衰老的
766 生命科学 第21卷
机制仍然不是很清楚：一种可能性就是端粒缩短引
发细胞周期的滞留以及细胞凋亡，从而减少细胞数
目，引起组织异常；另一种可能就是端粒的缩短会
破坏干细胞对于组织的再生，从而引发器官障碍。
有很多与年老相关的疾病以及早衰综合征都与
端粒的加快缩短相关，因此端粒的缩短也被认为可
能是机体衰老的原因之一。支持该观点最好的证据
就是端粒酶RNA Terc 敲除的小鼠模型。Terc 缺失
的小鼠表现出端粒缩短的加快，寿命减短，并且这
种寿命的减短会随着小鼠的传代增多而加剧[53]。相
反，Wright实验室通过在端粒酶阴性细胞色素上皮
细胞以及人包皮成纤维细胞中表达端粒酶，发现端
粒延伸，细胞凋亡减少，寿命显著延长[54,55]。
除此之外，端粒酶基因的突变体还会引起很多
人类的一些综合征，包括先天性角化不良(dyskeratosis
congenita)、再生障碍性贫血(aplastic anemia)、先
天性肺纤维症(idiopathic pulmonary fibrosis)等。先
天性角化不良主要是因为有些基因的突变影响了端
粒酶或者端粒酶相互作用蛋白，从而使得端粒酶的
稳定性下降，端粒缩短[56,57]。而被诊断为再生障碍
性贫血的患者被发现由于Tert或者Terc的突变，从
而导致端粒缩短，呈现早衰现象[58,59]。先天性肺纤
维化的典型特征是肺的结疤，从而导致呼吸衰竭，
该病例中也发现了端粒酶的异常现象[60,61]。另外，
在衰老过程中，端粒缩短的速率和性别、社会经济
地位、压力、吸烟习惯以及肥胖程度等都有一定的
关系[62-65]，但端粒酶的缺失只是引起细胞衰老的原
因之一。换言之，除了端粒酶途径之外，还有很
多途径会导致细胞衰老[66]。
7　端粒与癌症
对于正常细胞来说，当进行了一定次数的分裂
后，端粒缩短到一定程度便会引起衰老。正如前文
所提到的，在人类成体细胞中端粒酶活性受到严格
调控，大部分成体细胞缺失端粒酶活性，因此，端
粒逐渐缩短成为一种必然趋势。当端粒缩短到一定
程度就不能承担保护染色体的责任，细胞进入衰老
凋亡。
为了逃避这种死亡，癌细胞必须重新获取一种
机制来维持端粒长度。在大多数情况下，细胞选择
端粒酶重新表达，从而构成细胞的永生化，因此对
于大部分体细胞来说，端粒酶的重新激活都是成为
癌细胞的标志。当然也有例外，对于某些类型的人
源细胞来说，重新表达端粒酶使得细胞一直保持分
裂活性，但是又不会形成肿瘤[67]。
那细胞是怎样重新表达端粒酶活性的呢？这是
人们一直想解决的问题。体内和体外实验都表明，
在大多数情况下细胞通过扩增hTERT 在基因组上的
位置，复制或者转移该位置来实现端粒酶的重新激
活。除此之外，hTER T 基因的启动子是很多抑癌
基因(oncogene, 如 c-myc)、肿瘤抑制因子(tumor
suppressor，如 p53)或者转录因子(transcriptional
factors，如 USF1)等的靶位点。除了通过重新激活
端粒酶，少部分细胞还可以激活端粒替代机制
(ALT)来维持端粒，尤其在一些神经上皮细胞原性
或者间质细胞原性的细胞中[68]。在 ALT细胞中，染
色体的紊乱仍然会存在，有时还会一直保持很短的
端粒。大约90%以上的癌细胞都是通过端粒酶途径
来维持端粒长度，只有10%的细胞通过这种替代途
径维持端粒。
由于在大约85%的肿瘤细胞中， TRAP(telomeric
repeat amplification protocol)检测到端粒酶的活性有
明显提高，因此目前癌症的治疗主要把目光放在端
粒酶上。遗传学证据显示通过显性失活内源端粒酶
组分(hTR 或者hTERT)可以抑制端粒的延伸，从而
使得肿瘤细胞的端粒逐渐缩短，抑制癌细胞的增
殖[69]。因此，设计一些发挥显性失活端粒酶组分的
小分子为癌症治疗提供了一种可能性。
在前列腺癌细胞中，失活端粒酶组分或者结合
蛋白会加快细胞的凋亡和衰老。例如用反义
(antisense)寡核苷酸抑制hTERT会很快引起细胞生长
停滞，激活凋亡，却并不影响端粒缩短[70]。另外，
在人癌细胞中引入突变体端粒酶模板使得端粒酶末
端保护丧失从而激活 DN A 损伤信号通路，引起癌
细胞凋亡[71]。除了影响端粒酶组分外，端粒结合蛋
白的丧失或者端粒3单链DNA的失调也会引起细胞
凋亡或者衰老。端粒 DNA 包括富含 G 的单链 DNA，
体内体外实验发现该单链 DNA 可以形成G4 链高级
结构，并且该结构的形成对于端粒酶有抑制作用[72-74]。
实验发现很多小的配体(ligand)对于该结构有稳定作
用，因此这些化合物可以通过促进 G4 的稳定性从
而发挥抑制端粒酶的效果，在癌症治疗上有一定的
前景。但是 G4 结构对与端粒酶的作用大多在体外
研究，尚需要更多的实验数据支持。而且最新研究
发现在酿酒酵母中，该结构对于端粒酶的复制有正
调控作用[75]，因此G4结构配体的应用仍值得商榷。
通过抑制端粒酶的活性来阻止癌细胞的生长一
直是人们治疗癌症的一个策略。在体外细胞系和模
型动物上已获得较好的实验结果[76-78]，临床试验也
767第6期 童夏静，等：端粒和端粒酶的发现及其生物学意义
在进行中[79-82]，但这种针对端粒酶的药物何时上市
还不能确定，有可能还需等待很长时间。
8　端粒与干细胞
干细胞(stem cell)和诱导多功能干细胞(induced
pluripotent stem cell)的最大的特点是自我更新(self-
renewal)。自我更新是指干细胞通过均等分裂或者
不均等分裂得到一个或者两个子干细胞的能力，该
能力对于在发育过程中扩增干细胞的细胞数目以及
在受损伤时修复干细胞库都是必需的。
在衰老过程中，组织器官的自我更新能力
(regenerative capacity)不断下降，而癌症发生的几率
却逐渐增加，这些过程是由于干细胞功能的下调而
导致的。在高等动物，比如人类中，自我更新能
力的维持和肿瘤的抑制处于一种平衡状态。调节这
种平衡状态的一种机制就是端粒长度。
干细胞要维持自身的自我更新能力，就必须维
持端粒的长度或者减慢端粒缩短的速度。在小鼠中
发现端粒酶缺失的造血干细胞在不断移植过程中比
野生型造血干细胞提早衰竭，从而证明端粒酶对于
造血干细胞的自我更新潜能有着维持作用[83]。在成
体神经干细胞的研究中也发现，端粒酶的缺失会降
低增殖能力，增加基因组的不稳定性[84]。由此可
见，端粒酶对于干细胞自我更新能力的重要性。
成体干细胞进行分裂的频率相对比较低，因此
复制潜能仍会受到端粒长度的限制；研究得最广泛
的造血干细胞(haematopoietic stem cell)能够表达端粒
酶，但是却不足以维持端粒长度，因此虽然相对体
细胞端粒缩短的速度较慢，但最终随着衰老增殖潜
能仍会不断下降。然而，当受到T 细胞或者B 细胞
的免疫刺激时，端粒酶表达会上调，从而维持端粒
长度；精原干细胞(spermatogonial stem cell)能表达很
高的端粒酶活性。因此，后代一直能维持端粒长度，
这是在衰老过程中惟一可以延伸端粒的干细胞[85]。
9　展望
自从端粒酶发现以来，深入和广泛的端粒、端
粒酶研究使人们更好地理解了DNA复制以及染色体
末端是如何被保护的；但是，端粒酶活性调控和端
粒蛋白保护端粒的很多精细的生物化学、细胞生物
学过程仍然不明了。由于端粒与细胞衰老、癌症及
干细胞等基本生物学问题相关，对端粒进一步的研
究还将会给人们带来意外的惊喜。
[参　考　文　献]
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