1、线性染色体端粒线性染色体端粒DNADNA的复制的复制诺贝尔生理学或医学奖诞生地瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院 Elizabeth H.Blackburn Carol W.Greider Jack W.Szostak 伊丽莎白布莱克本 卡萝尔格雷德 杰克绍斯塔克 The 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine Three Americans,Elizabeth H.Blackburn,Carol W.Greider and Jack W.Szostak win 2009 Nobel medicine prize for major genetic d
2、iscoveryUniversity of California San Francisco,CA,USA加利福尼亚大学加利福尼亚州旧金山，美国Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore,MD,USA约翰霍普金斯大学医学院马里兰州巴尔的摩，美国Harvard Medical School;Massachusetts General Hospital Boston,MA,USA;Howard Hughes Medical Institute 哈佛大学医学院，麻省总医院马萨诸塞州的波士顿，美国，霍华德休斯医学研究所伊丽莎白布莱克本l伊
3、丽莎白布莱克本拥有美国和澳大利亚双重国籍。l她1948年出生于澳大利亚，在澳大利亚墨尔本大学修完大学课程后，27岁拿到了英国剑桥大学博士学位。l布莱克本曾在美国耶鲁大学任博士后研究员，并曾任教于美国加利福尼亚大学伯克利分校，l自1990年开始担任美国加利福尼亚大学旧金山分校生物学和生理学教授。l伊丽莎白布莱克本因学术成就卓著曾被美国时代周刊评为年度全球最具影响力的100个人物之一。Elizabeth H.Blackburn University of California San Francisco,CA,USA1948-卡萝尔格雷德l卡萝尔格雷德，美国人。她于1961年出生在美国加利福尼亚州
4、，l曾先后就读于加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和伯克利分校，26岁获得博士学位，其导师正是伊丽莎白布莱克本。l格雷德曾在美国科尔德斯普林实验室从事博士后研究，l从1997年起她开始担任约翰斯霍普金斯大学医学院教授。Carol W.Greider Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore,MD,USA1961-杰克绍斯塔克l杰克绍斯塔克，美国人。1952年生于伦敦，在加拿大长大。l他曾先后就读于加拿大麦基尔大学和美国康奈尔大学，25岁在康奈尔大学获得博士学位。l绍斯塔克自1979年开始在哈佛大学医学院任教，l目前是马萨诸塞综合医院遗传
5、学教授，l同时任职于美国霍华德休斯医学研究所。Jack W.Szostak Harvard Medical School;Massachusetts General Hospital Boston,MA,USA;Howard Hughes Medical Institute 1952-颁奖理由：发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的机制端粒复制的爬行模型端粒复制的爬行模型.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TT
6、GGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC53353RNA templateTelomeraseRNA template555RNA template端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）线性DNA复制后在其新生链的5端总是留下一段空隙，即缩短35533553两条模板链各自复制 引物切除 留下空隙引物 新生链355335533553对于线性DNA来讲，复制时，由于受DNA聚合酶特性限制，子代DNA链的最后一个片断去除引物后，无法填补空隙，易造成子代DNA链的缩短。l对于染色体来讲，由于RNA引物的原因，DNA聚合
7、酶一定会留下染色体末端的一段DNA（即一段端粒）使其不被复制。l那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。l这个缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分裂进一步缩短。位于真核生物染色体末端（一条链的位于真核生物染色体末端（一条链的3-OH），），由蛋白质和由蛋白质和DNA（人类：人类：“TTAGGG”重复序列）重复序列）紧密结合的保护染色体末端的结构。紧密结合的保护染色体末端的结构。端粒功能端粒功能：避免染色体避免染色体DNA链的缩短；防止染色体链的缩短；防止染色体的融合或降解；维持染色体结构的稳定性和的融合或降解；维持染色体结构的稳定性和完整性完整性。(1)端粒端粒DNA(Telo
8、merTelomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端序列高度重复的末端(1)端粒端粒DNA(TelomerTelomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端序列高度重复的末端5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3(富含富含 G 链链)3AACCCC AACCCC AACCCC5(富含富含 C 链链)5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3(富含富含 G 链链)3AACCCC AACCCC AACCCC5(富含富含 C 链链)page55l （1）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核酸酶降解及染色体间相互融和
9、。酸酶降解及染色体间相互融和。l （2）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了末端复制的难题。末端复制的难题。l DNA复制时，复制时，DNA聚合酶必须在聚合酶必须在RNA引物基础引物基础上从上从5向向3方向延伸，而方向延伸，而5端端RNA引物去除后因无而缩引物去除后因无而缩短，结果每复制一次染色体末端将丢失一段序列。端短，结果每复制一次染色体末端将丢失一段序列。端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护了染色体内部的结构基因。另外，有些研究还显示，了染色体内部的结构基因。另外，有些研究还显示，端粒与核
10、运动有关，可能对同源染色体的配对重组有端粒与核运动有关，可能对同源染色体的配对重组有重要意义。重要意义。l。染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不能分裂走向衰老。这就是人类细胞衰老的原因之一。但是人类的种系细胞一生中都能维持分裂、不断增殖。其原因在于：该细胞表达端粒酶。值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一。而在人类正常体细胞均无端粒酶活性。在单细胞生物、多细胞生物的种系细胞中都显示出弱的端粒酶活性。端粒酶以自身一段RNA为模板，通过逆转录酶，转录出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使端粒不缩短，维持完整，从而保持了
11、细胞的永生化生长。page55l端粒酶端粒酶（telomerase）:是一种自身携是一种自身携带带RNA模板的逆转录酶，可以模板的逆转录酶，可以催化合成催化合成端粒。端粒。DNA是一种RNA-蛋白质复合体,它自身携带的RNA具有物种特异性，可以作为模板,通过逆转录过程对该物种DNA末端进行延长page55（2）端粒酶（端粒酶（Telomerase）1985.Carol Greider&Blackburn,1986.Gottchling Gottchling 四膜虫四膜虫 端粒酶端粒酶（telomerase）将将T2G4 末端重复延伸末端重复延伸 游扑虫游扑虫 TelomeraseTelomer
12、ase=RNA CAAAACCCC 链链+末端结合蛋白末端结合蛋白 （TBP）端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶a、核蛋白（、核蛋白（ribonucleoprotein RNP）b、含约长、含约长150NT的的RNA，其中含，其中含 15 拷贝的拷贝的CxAy重复序列，重复序列，是合成端粒是合成端粒T2G4的模板的模板c、延长的、延长的3-T2G4端（端（一段一段cDNA）作为）作为5-端端DNA合成的模板合成的模板端粒复制的爬行模型端粒复制的爬行模型.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTT
13、GGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC53353RNA templateTelomeraseRNA template555RNA templatepage55l通过通过TG链的回折形成链的回折形成l 发夹结构（发夹结构（GG氢键）氢键）l 尺蠖模型尺蠖模型l 实现端粒酶位置的实现端粒酶位置的l 调整调整端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）母链藉非标准碱基配对回折母链藉非标准碱基配对回折DNA聚合酶聚合酶端粒合成完成端粒合成完成进
14、一步加工进一步加工 如上图所示如上图所示,(a)端粒酶以其端粒酶以其RNA为模板为模板,通过逆转录通过逆转录作用作用,催化富含催化富含G链的延伸链的延伸;(b)端粒酶向端粒新端粒酶向端粒新3端移动端移动,继续以其继续以其RNA为模板为模板,催化富含催化富含G的的DNA母链延长母链延长;(c)端粒酶反复移位端粒酶反复移位,通过逆转录反应使端粒富含通过逆转录反应使端粒富含G链增长链增长到足够长度到足够长度;(d)富含富含C链的空缺部分不需要引物酶合成链的空缺部分不需要引物酶合成引物提供引物提供3-OH,而是富含而是富含G的链突出的寡脱氧核苷酸的链突出的寡脱氧核苷酸d(GGGGTTTTGGGG)通过
15、非通过非Watson-Crick配对方式自配对方式自身的身的GGGG之间按之间按G G配对配对,回折形成发卡并提供回折形成发卡并提供3-OH;(e)由发卡引发富含由发卡引发富含C链在链在3-OH以富含以富含G链为模板链为模板,由由DNA聚合酶添加新的聚合酶添加新的dNTP,进一步延伸填补空缺进一步延伸填补空缺,间间隙最后由隙最后由DNA连接酶封口连接酶封口;(f)端粒端粒DNA与端粒蛋白结合与端粒蛋白结合,完成加工后完成加工后,形成完整的端粒。形成完整的端粒。如上图所示如上图所示,(a)端粒酶以其端粒酶以其RNA为模板为模板,使用右边的使用右边的AAC与新掺入的与新掺入的TTG配对配对,催化富
16、含催化富含G链的延伸链的延伸;(b)端端粒酶向端粒新粒酶向端粒新3端移动端移动,此时模板此时模板RNA左边的左边的AAC与与3端新掺入的端新掺入的TTG配对配对;(c)端粒酶在模板端粒酶在模板RNA指导下将指导下将6个一组个一组GGGTGG添加到端粒添加到端粒G链链3端端,重复重复(a)(c)反应反应使端粒富含使端粒富含G链增长链增长;(d)富含富含G链充分延伸链充分延伸,而空缺的而空缺的富含富含C链部分由引物酶合成引物链部分由引物酶合成引物RNA,其序列互补于富其序列互补于富含含G链链3端端;(e)在新合成引物引发下在新合成引物引发下,DNA聚合酶合成聚合酶合成DNA用以填补端粒富含用以填补
17、端粒富含C链的缺口链的缺口;(f)引物被切除后引物被切除后,对应的富含对应的富含G链突出链突出1016个核苷酸个核苷酸;(g)这种带重复序这种带重复序列的端粒列的端粒DNA与端粒蛋白结合后与端粒蛋白结合后,通过通过GG配对自身回配对自身回折在染色体末端形成套索结构折在染色体末端形成套索结构(t环环,telomere loop)。附加：附加：反转录作用反转录作用（RNA指导的指导的DNA合成）合成）v定义定义:以以RNA为模板为模板,按照按照RNA中的核苷酸顺序中的核苷酸顺序合成合成DNA的过程称为反转录的过程称为反转录(reverse transcription,RT)。该过程由反转录酶催化进
18、行。该过程由反转录酶催化进行。v1970年年Temin和和Baltimore同时分别从同时分别从(鸡鸡)劳氏肉劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分病毒中分离出反转录酶，迄今已知的致癌离出反转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有病毒都含有反转录酶。反转录酶。+RNA+RNA+DNA-DNA-RNA+RNA+DNA-DNA-DNA+DNA+v病毒病毒RNARNA的反转录过程的反转录过程 （以前病毒形式整合到宿主细（以前病毒形式整合到宿主细胞胞DNADNA中而使细胞恶性转化）中而使细胞恶性转化）单链病毒单链病毒RNARNA RNA-DNARNA-DNA杂交
19、分子杂交分子 双链双链DNADNA（前病毒）（前病毒）反转录酶反转录酶反转录酶反转录酶v v反转录酶也和反转录酶也和DNA聚合酶一样聚合酶一样,沿沿53 方向合成方向合成 DNA,并要求短链并要求短链RNA作引物。作引物。v 反转录酶是多功能酶，兼有反转录酶是多功能酶，兼有3 3种酶的活性：种酶的活性：RNA指导的指导的DNA聚合酶活性聚合酶活性 DNA指导的指导的DNA聚合酶活性聚合酶活性 核糖核酸酶核糖核酸酶H的活性，专一水解的活性，专一水解RNA-DNA杂交杂交分子中的分子中的RNA，可沿，可沿5 3和和3 5两个方向起核两个方向起核酸外切酶的作用。酸外切酶的作用。l cDNA：利用反转
20、录酶可合成出与任何：利用反转录酶可合成出与任何RNA模板模板（mRNA，tRNA或或rRNA）的碱基序列互补的）的碱基序列互补的DNA互补互补DNA（complementary DNA,cDNA）。）。l l几乎所有真核生物几乎所有真核生物mRNA分子的分子的3 末端都有一段末端都有一段polyA,当加入寡聚当加入寡聚dT作为引物时，作为引物时，mRNA就可作为就可作为模板，在反转录酶催化下在体外合成与其互补的模板，在反转录酶催化下在体外合成与其互补的cDNA，为研究真核结构基因提供了有效途径。，为研究真核结构基因提供了有效途径。反转录酶发现的理论和实践意义：反转录酶发现的理论和实践意义：反转录酶的发现补充了反转录酶的发现补充了“中心法则中心法则”，遗传信息，遗传信息也可以从也可以从RNA传递到传递到DNA。促进了分子生物学、。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了新的线索。目前反转录酶已经成为研究这些学科新的线索。目前反转录酶已经成为研究这些学科的有力工具。的有力工具。
