全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18 卷 第 2期
2006年 4月
Vol. 18, No. 2
Apr., 2006
人端粒保护蛋白 1(hPOT1)保护和调节端粒长度机制
刘　飞，黄迪南*，侯　敢，张　翠
(广东医学院生物化学与分子生物学研究所，湛江 524023)
摘　要：人端粒保护蛋白 1(human protection of telomeres 1，hPOT1)是一种端粒单链 DNA 结合蛋白，
与端粒单链 TTAGGG 重复序列特异性结合。hPOT1 蛋白分子有其特有的结构，其与 TTAGGG 重复单链
序列的结合具有独特的分子机制。hPOT1 与其他重要的端粒结合蛋白、端粒酶等相互作用，共同完成
端粒保护和端粒长度调节。
关键词：h P O T 1；端粒；端粒酶
中图分类号：Q 51 3　　文献标识码：A
Mechanisms of telomere protection and telomere-length modulation in
human protection of telomeres 1(hPOT1)
LIU Fei, HUANG Di-Nan*, HOU Gan, ZHANG Cui
(Institute of Biochemistry and Molecular Biology, Guangdong Medical College, Zhanjiang 524023 , China)
Abstract: hPOT1 is a kind of single-strand DNA-binding proteins and binds to the TTAGGG repeats of telomere
specially. It has characteristic molecular structures and specific molecular mechanisms of binding to TTAGGG
repeats. hPOT1 can interact with other important factors such as telomere binding protein and telomerases and
prerform the functions of telomere protection and telomere-length regulation.
Key words: hPOT1; telomere; telomerase
收稿日期：2005-09-27；修回日期：2005-12-12
基金项目：广东省重点课题重点资助项目(9808); 广东省自然科学基金项目(04011397)
作者简介：刘 飞( 1 9 8 2 —)，男，在读硕士；黄迪南( 1 9 6 2 —)，男，本科，教授，硕士生导师，* 通讯作者；
侯 敢(1 96 3 —)，女，硕士，副教授，硕士生导师；张 翠(1 97 9 —)，女，在读硕士。
文章编号 ：1004-0374(2006)02-0123-04
近几年来，人们逐渐认识到端粒结合蛋白在端
粒长度的调控机制中扮演着关键的角色。P O T1
(protection of telomeres 1)蛋白是首先在裂殖酵母
中被鉴定出来的一种单链端粒 DNA结合蛋白，在
T-loop的基础上与端粒 3末端富 G 单链结合，对端
粒长度维持有重要作用，故命名为端粒保护蛋白[1]。
人端粒保护蛋白 1(human protection of telomeres 1，
hPOT1)有其特有的分子结构，与 TTAGGG 重复单
链序列的结合具有独特的分子机制。
1　hPOT1 基因和蛋白结构
1.1　hPOT1 基因　hPOT1 基因位于第七号染色体
(7q31.33)。在人体组织细胞中广泛表达，属管家
基因。hPOT1 基因全长 120kb。cDNA 全长 2 631
bp，编码区是 24~1 928 bp，共有 22 个外显子。
hPOT1 基因序列具有高度的遗传保守性[1]。转录起
始于第六号外显子 5端第 10 个 AUG。前 9 个 AUG
后都紧跟一个终止子，都不能进行正常转录，而第
10 个 AUG 后是结构基因。现在已经证实 hPOT1 基
因序列转录产物有 5 种变异体。全长 hPOT1 mRNA
被认为是变异体 1，编码蛋白分子量为 71 kDa。变
异体 2 在 12 和 13 号外显子之间插入 12a，变异体 5
在 15和16号外显子之间插入15a，它们分别编码分
子量为 38 kDa 和 52 kDa 的蛋白。变异体 3 剪去 7
号外显子，变异体 4 剪去 8 号外显子，对应蛋白分
124 生命科学 第18卷
子量妇女妇女分别为 58 kDa 和 5 kDa。变异体 1~4
无组织特异性，存在于所有组织细胞中。值得注意
的是变异体 5 有组织特异性，它仅出现在外周血白
细胞中 [ 2 ]。
1.2　hPOT1 蛋白　hPOT1 蛋白全长 634 个氨基酸[1]，
具有两个重要结构域：OB-fold (oligonucleotide/oli-
gosaccharide binding fold，OB-fold)和与 TRF1
(TTAGGG repeat binding factor 1,TRF1)相互作用蛋
白结构域。OB-fold 直接结合 DNA。OB-fold 分子
量约 22 kDa，Baumann 等[2]认为 hPOT1 有 2 个 OB-
fold。而 Theobald 与 Wuttke[3]使用 COMPASS 技术
预测存在OB3。OB2比OB1在2和3之间多31个
氨基酸。hPOT1氨基酸序列5~140为OB1；149~299
为OB2；预测的OB3位于362~521。OB3对应hPOT1
的 PIP1/POTP/TIN1 作用结构域(312~428)， OB3 可
能为 PIP1/POTP/TIN1 作用结构域[4~5]。OB1 与 OB2
之间立体接触面积约 1000Å ，以疏水作用、范得华
力和氢键相互作用[6]。每个OB-fold由高度弯曲反向
平行的 5条链的β-barrels组成。β-barrel的一边和突
出的 L12、L45 环组成凹槽，OB-fold 的凹槽排列
成一个连续的通道。单链 DNA 就嵌合于通道内[7]。
蛋白作用结构域则结合TRF1蛋白, 其具体结构尚无
文献报道。hPOT1 与 TRF1 结合具有特异性，其结
合不依赖于OB-fold[8]。
2　hPOT1 与端粒 DNA 的结合机制　
hPOT1只能结合端粒单链DNA富G链。hPOT1
的单体最小结合单位(minimal binding site, MBS)是
5-TAGGTTAG-3[9]，最适合的结合序列是[TTAGGG]n
(n≥ 2), hPOT1不能与单个TTAGGG 结合，其有效而
稳固的结合需要至少 10 个核苷酸(TTAGGGTTAG)
(hT10)或更长的 ssDNA。hPOT1 结合 MBS 表现出
高度的特异性，除 7位碱基(T→A)替换后结合力不
变，5 位(G → C)替换保持部分结合力外，其余任何
替换都会引起 hPOT1结合力消失[2]。端粒 3G链突出
端侵入双链形成一个大的 T环，侵入的单链突出端
约 100~200 bp 与同源双链的一条链上的碱基配对，
形成一个特殊的替代小环，称为 D-loop。D-loop 上
的 TTAGGG 与配对链上的 CCCTAA 碱基配对。
hPOT1 能与 D-loop 上的 TTAGGG 序列特异结合。
结合时，端粒单链 DNA 发生四级结构调整，
呈高度包裹折叠状，使 DNA 更易与凹槽嵌合。碱
基堆积力和两个非常规的 G-T碱基对促进这一结构
的形成。碱基堆积主要有三种方式：G1-G2、T3-
T4、A5-C6 之间碱基堆积。此外 G1-T4 呈非常规
折叠的二级结构，能影响整个 OB-fold 的状态。经
实验证实 G1-T4碱基序列通过13个氢键直接与DNA
序列作用而结合，而DNA还能与凹槽表面的氨基酸
残基结合，这两个因素是 hPOT1 结合单链 DNA 高
度特异性的关键。T3、T4 环上的 2C 原子与T3 123
位的 Ser 羟基氧原子仅 2.9~3.3Å 的距离，不能再形
成其他羟基群，T4甲基群被DNA-蛋白复合物产生
的疏水作用抑制。这些保证OB只识别DNA而不是
广泛存在于核内的 RNA[7]。结合过程，OB1、OB2
分工存有差异。OB1起主要的结合作用，而OB2除
结合小部分碱基外主要起辅助结合的功能，具体表
现为增加嵌合 DNA 碱基的联系和稳定已经结合的
OB-DNA 复合物。OB1 主要结合部位是 T1-T6，具
有 22 个氢键。OB2 以 9 个氢键与单链 DNA 结合。
OB1 结合前一个端粒重复单位的 8 个核苷酸，OB2
结合紧邻的后一个端粒重复单位的起始 2 个核苷
酸。这样不断延续下去，大量的 hPOT1 就包裹住
了整条单链突出端[9~10]。
hPOT1与端粒的结合依赖于OB-folds的DNA结
合力，然而 hPOT1被募集到端粒区则主要是依赖于
蛋白的相互作用，并不是OB-folds 的DNA结合力，
因为 hPOT1∆OB 的 hPOT1 也能结合至端粒。研究
还发现 PIP1/POTP/TIN1 的表达是 hPOT1 大量结合
端粒的关键，其 244~337 为 hPOT1 募集结构域，
募集 hPOT1 结合至 TRF1-TIN2 复合物，该复合物
能直接携带 hPOT1 与端粒结合。PIP1/POTP/TIN1
还能结合 TIN2，而把 hPOT1 锚定至端粒。抑制
PIP1/POTP/TIN1 表达，会导致 hPOT1-PBR 与端粒
结合大量减少, 表明 PIP1/POTP/TIN1 能直接影响
hPOT1-PBR 的功能 [4~5]。
3　hPOT1 对端粒的保护
在酵母中缺失hPOT1基因引起端粒序列迅速丢
失，染色体不稳，染色体末端同源或异源环化，细
胞发生衰老或凋亡。Veldman等[11]使用RNAi技术阻
断 Hela 细胞 hPOT1 基因功能后，发现 Hela 细胞及
其端粒的稳定性明显下降，最终引起细胞凋亡或衰
老。Hockemeyer 等[12]通过 hPOT1 的 RNAi技术抑制
hPOT1 的正常功能，结果端粒形成了变异结构而引
起端粒功能异常引发综合征(TIFS)。Yang 等[13]通过
TRF2 ∆OB 删除突变体表达，使 hPOT1 从端粒上脱
落后，检测到端粒突出端减少了 60%~70%；还发
现使用反义寡核苷酸抑制hPOT1也导致端粒单链悬
125第2期 刘　飞，等：人端粒保护蛋白 1(hPOT1)保护和调节端粒长度机制
突端大量减少；染色体异常和细胞衰老是缺乏端粒
单链突出端的 hPOT1 和 TRF2 保护的结果，其机制
可能为端粒末端存在的T-loop-D-loop使之区别于断
裂DNA末端而免于被核酸酶降解或环化，而hPOT1
结合D-loop后能够稳定该环，从而增强对端粒的保
护作用。大量 hPOT1 包裹端粒而形成帽状结构。
TRF2 与 hPOT1 在单链突出部分还能结合为复合物
一起结合至 T-loop。Bunch 等[14]发现 hPOT1 的保护
功能需要hPOT1完整的C末端，高表达∆C18与∆C42
的 hPOT1 突变体将导致端粒上 hPOT1 的丢失，引
起染色体末端融合。
但是，有些种类的 hPOT1(-)细胞(hPOT1 阴性
细胞)大部分仍能继续增殖，并没有出现显著的末
端融合和衰老凋亡现象。抑制 hPOT1 后并不引起
HT1080 细胞凋亡。与此类似，在 IMR-90h 纤维原
细胞通过 RNAi 技术抑制 hPOT1 表达后，染色体末
端并不发生自身重组、染色体不稳定和染色体被不
正常隔离等现象：因此，可以推断 hPOT1 的端粒
末端成帽并不是端粒的主要保护方式[10~11]。目前倾
向于认为 hPOT1与其他端粒结合蛋白相互作用，共
同保护端粒末端。Liu 等[15]在研究中发现 hPOT1 在
端粒末端序列与 TRF1、TRF2、TIN2、RAP1、
P IP 1/ PO TP /TIN 1 共同构成较为松散的被称为
telosome 的复合物，他们认为端粒保护主要依赖于
此复合物。de Lange[16]综合已有资料也支持这种观
点，他把由 TRF1、TRF2、POT1、TIN2、RAP1、
TPP1 构成的这种复合物命名为：Shelterin。他认
为在 Shelter in 中 TRF1、TRF2、POT1 直接识别
TTAGGG 序列，它们与 TIN2、RAP1、TPP1 相
互作用，一起构成复合物，且此复合物立体结构是
非静态的；Shelterin与其他DNA相关修复因子，如
ERCC1/XPF和Mre11等蛋白复合物一起保护端粒免
于细胞DNA损伤和受到非正常DNA修复方式的修
复。Stewart 等[17]应用最新发展的 T-OLA 技术检测
端粒长度，研究发现衰老细胞比早中期细胞端粒悬
突端受到更明显的侵蚀而显著缩短；随着 hPOT1、
TRF1、TRF2 等发生脱落，侵蚀不断进行，失去
保护的端粒受侵蚀更加严重，最终单链悬突端丧失
殆尽，但仍保留了大量的端粒双链重复序列。直至
端粒末端不能成帽，进入衰老后续反应而导致细胞
凋亡。另外，hPOT1 在细胞有丝分裂期也发挥了
重要的保护功能。因为当细胞进行有丝分裂时，几
乎所有时期都存在端粒功能异常引发综合征
(TIFS)，以 G1 期最明显，然而并没有发现 TIFS 引
起的细胞周期停滞。进一步研究证实 hPOT1在细胞
周期停止前就修复了受损害的端粒，保证细胞分裂
周期的正常完成[12]。
4　hPOT1 对端粒长度的调节
端粒 DNA- 蛋白复合物存在两种状态：关闭状
态，隔开端粒酶，端粒 D N A 不能延长；开放状
态，端粒酶可结合到染色体末端并表现出活性，端
粒DNA被延长。这两种状态之间的转换可能是通过
滑行或解链 / 重组机制实现的。研究显示，hPOT1
对端粒长度具有正调节和负调节的双重作用，其机
制可能都与hPOT1蛋白参与上述两种状态之间的转
换有关。但其确切机制尚未完全探明。
4.1　正调节端粒长度　Colgin 等[18]发现在 31 例
hPOT1(+)细胞(hPOT1 阳性细胞)中端粒长度显著延
长。在 HT1080 细胞的 hPOT1(+)细胞中平均延长
14kb。剪接体 1 和 2 的延长作用最强。正调节必须
存在 hPOT1 C 末端。但是 hPOT1 并不直接增加端
粒酶活性，而是通过增加端粒酶在细胞内的亚细胞
定位实现，且必须存在端粒酶调节亚单位 hTERT[19]。
在 h P O T 1 ( - ) 的 G M 8 4 细胞，即使存在大量的
hPOT1，端粒也不会延长，当诱导端粒酶活性后，又
能导致长度增加。这表明 hPOT1蛋白的一个功能可
能是通过端粒酶促使端粒延长。因此，Colgin 等[18]
提出hPOT1蛋白对端粒延长的正调节作用是一个端
粒酶依赖途径。
hPOT1 吸引端粒酶延长端粒，但 hPOT1 是否
直接结合hTERT尚无文献报道。hTERT亚结构DAT
域紧邻一个大的保守 N 末端区域(称为 I 域或 GQ
域)，这个结构域能补充 hTERT N 末端缺失的反向
催化活性，DAT域能增加端粒蛋白质与端粒染色质
的结合[19]。hPOT1 破坏 G- 四联体(G-quardruplex)，
形成相对稳定的 ssDNA-hPOT1 中间物，募集端粒
酶延长端粒。hPOT1 并不是单独作用，而是与其
他蛋白，如 hnRNPA1、UP、hnRNPD 和 Blue 及
Werner 解旋酶协同，但只有 hPOT1 具备募集端粒
酶的功能[20]。在合适浓度水平时，hPOT1 的 C 末
端片段将引起hPOT1在端粒的定位减少而引发端粒
延长。hPOT1∆OB比 hPOT1具有更强的端粒延长作
用。hPOT1∆OB 可能裂解端粒的整体构像(T-loop-
D-loop)，同时抑制其他端粒蛋白与端粒序列的结合
使端粒酶与端粒结合，更容易而延长端粒[14]。
4.2　负调节端粒长度　与上述观点相反，Loayza和
126 生命科学 第18卷
de Lange[8]提出hPOT1蛋白是端粒长度的负调节因子
的观点。TRF1 是端粒长度负调节因子，TRF1 和
Rap1p 一样，能“计算”端粒长度[21]，然后通过
hPOT1 蛋白动态地把信息传递到端粒末端。他们认
为，当 hPOT1 蛋白覆盖端粒 DNA 3末端时，可能
抑制端粒酶的活性或使端粒酶无法接近端粒而阻止
端粒延长：因此，端粒足够长时，单链端粒 DNA
3末端的 hPOT1 蛋白增多，TRF1 也相应增多，从
而激活 TRF1 的负调节作用引发端粒缩短[22]。反
之，当端粒的长度太短时，很少甚至没有 hPOT1
蛋白转移到 3末端，从而促进端粒延长。有研究显
示，hPOT1 预先结合 DNA 序列或结合的端粒序列
变异碱基增加时，端粒酶活性就会被抑制。原因可
能有两个：(1)3悬突端鸟苷酸包裹于蛋白之内；(2)
hPOT1 的空间位阻效应；但是当 3悬突端被解开 8
个核苷酸或更多时，端粒酶就能延长 h P O T 1 -
ssDNA，因此至少 8 个核苷酸的距离才能避免立体
位阻效应。
5　展望
最近几年对hPOT1研究取得了很大进展，其结
构功能不断得以了解。目前人们一方面在进一步探
索一系列端粒长度调控蛋白的相互关系与整合作
用；另一方面也在关注与这些蛋白相关的人类疾
病。此外，hPOT1 是否还有其他的亚结构域？是
否还有其他重要生理功能？hPOT1与其他端粒蛋白
的相互作用机制尚未全部弄清，hPOT1 与端粒序列
结合、开 - 关状态的转换机制仍未阐明。hPOT1 与
其他肿瘤相关研究还较少，hPOT1 能否作为肿瘤治
疗的靶点？这些问题都有待进一步研究解决。
[参　考　文　献]
[1] Baumann P, Cech T R. POT1, the putative telomere end-
binding protein in fission yeast and humans. Science, 2001,
292(5519): 1171~1175
[2] Baumann P, Podell E, Cech T R. Human POT1 (protection
of telomeres) protein: cytolocalization, gene structure, and
alternative splicing. Mol Cell Biol, 2002, 22(22): 8079~8087
[3] Theobald D L, Wuttke D S. Prediction of multiple tandem
OB-fold domains in telomere end-binding proteins hPOT1
and Cdc13. Structure, 2004, 12(10): 1877~1879
[4] Liu D, Safari1 A, OConnor M S, et al. PTOP interacts with
POT1 and regulates its localization to telomeres. Nat Cell
Biol, 2004, 6(7): 673~680
[5] Ye J Z-S , Hockemeyer D, Krutchinsky A N, et al. POT1-
interacting protein PIP1: a telomere length regulator that
recruits POT1 to the TIN2/TRF1 complex. Genes Dev, 2004,
18(14): 1649~1654
[6] Trujillo K M, Bunch J T, Baumann P. Extended DNA bind-
ing site in POT1 broadens sequence specificity to allow
recognition of heterogeneous fission yeast telomeres. J Biol
Chem, 2005, 280(10): 9119~9128
[7] Lei M, Podell E R, Bauman P, et al. DNA self-recognition in
the structure of Pot1 bound to telomeric single-stranded
DNA. Nature, 2003, 426(6963): 198~203
[8] Loayza D, de Lange T. POT1 as a terminal transducer of
TRF1 telomere length control. Nature, 2003, 423(6943):
1013~1018
[9] Loayza D, Parsons H, Donigian J, et al. DNA binding fea-
tures of human POT1 a nonamer 5-TAGGGTTAG-3 mini-
mal binding site, sequence specity, and internal binding to
multimeric site. J Biol Chem, 2004, 279(13):13241~13248
[10] Lei M, Podell E R, Cech T R. Structure of human POT1
bound to telomeric single-stranded DNA provides a model
for chromosome end-protection. Nat Struct Mol Biol, 2004,
11(12): 1223~1229
[11] Veldman T, Etheridge K T, Counter C M. Loss of hPOT1
function leads to telomere instability and a cut-like
phenotype. Curr Biol, 2004, 14(24): 2264~2270
[12] Hockemeyer D, Sfeir A J, Shay J W, et al. POT1 protects
telomeres from a transient DNA damage response and deter-
mines how human chromosomes end. EMBO J, 2005, 24
(14): 2667~2678
[13] Yang Q, Zheng Y L, Harris C C. POT1 and TRF2 cooperate
to maintain telomeric integrity. Mol Cell Biol, 2005, 25(3):
1070~1080
[14] Bunch J T, Bae N S, Leonardi J, et al. Distinct requirements
for POT1 in limiting telomere length and maintaining chro-
mosome stability. Mol Cell Biol, 2005, 25(13): 5567~5578
[15] Liu D, OConnor M S, Jun Q, et al. Telosome, a mammalian
telomere-associated complex formed by multiple telomeric
proteins. J Biol Chem, 2004, 279(49): 51338~51342
[16] de Lange T. Shelterin:the protein complex that shapes and
safeguads human telomeres.Genes Dev, 2005, 19(18):
2100~2110
[17] Stewart S A,Ben-Porath I, Carey V J, et al. Erosion of the
telomeric single-strand overhang at replicative senescence.
Nat Genet, 2003, 33(4): 492~496
[18] Colgin L M, Baran K, Bauman P, et al. Human POT1 facili-
tates telomere elongation by telomerase. Curr Biol, 2003, 13
(27): 942~946
[19] Armbruster B N, Linardic C M, Veldman T, et al. Rescue of
an hTERT mutant defective in telomere elongation by fu-
sion with hPOT1. Mol Cell Biol, 2004, 24(8): 3552~3561
[20] Zaug A J, Podell E R, Cech T R. Human POT1 disrupts
telomeric G-quadruplexes allowing telomerase extension in
vitro. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(31):10864~10869
[21] Marcand S, Gilson E, Shore D. A protein-counting mecha-
nism for telomere length regulation in yeast. Science, 1997,
275(5302): 986~990
[22] Kelleher C, Kurth I, Lingner J. Human protection of telom-
eres 1 (POT1) is a negative regulator of telomerase activity
in vitro. Mol Cell Biol, 2005, 25(2): 808~818