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[小红猪]把端粒看住喽Comments>>

发表于 2010-02-18 07:52 | Tags 标签:,

by Mary K Miller,译者:Madwater,自我简介:1987年生人,07年毕业于西安交通大学,理工科的精壮猥琐男,对英语比较喜欢。喜欢看书,类别不限。目前身在杭州。

作为端粒(端粒是染色体末端的一段DNA,影响着衰老和癌症。)研究者中的急先锋,Elizabeth H. Blackburn 一直不走寻常路。出身于澳洲塔斯马尼亚的医生世家,她选择了医学科研而非行医。她热爱动物,并把它们当作天赐之宝,可是,她并没有去研究它们,而是被细胞的化学机制深深地迷住了。在墨尔本大学的女子寄宿学院里,她以生物化学为专业。而等到1972年读研究生的时候,她大胆选择出国到剑桥大学读书。在那里她投入诺贝尔奖得主生物化学家Frederick Sanger 门下,沉浸于遗传学之中。

在三年的剑桥生活之后,博士头衔在手的Blackburn启程去加州大学旧金山分校做博士后,方向是测定病毒的DNA序列。但是她未婚夫John W. Sedat 要去耶鲁,于是她也换了研究课题,选择了耶鲁,从此点燃了她此生对端粒研究的热情。

端粒(telomere)这一术语由美国二十世纪早期的遗传学家Hermann J. Muller创造,来源是希腊文中表示“末尾”的telos和表示“部分”的meros。Muller 和 另一位美国基因学家 Barbara McClintock 各自独立地提出了端粒对染色体具有保护作用这一理论,即端粒使得各个染色体彼此分开,否则的话没有端粒的、赤裸的染色体末端很容易就会互相连接,把两条长线般的染色体粘在一起。:“McClintock在20世纪30年代做出了了不起的工作,”Blackburn不无崇敬地写道。在那时,连DNA都不为人所知,而McClintock却“能在光学显微镜下观察染色体并进行研究。她正确地推测,染色体的末端可以通过某种方式使得(染色体的)结构在复制中保持稳定。”在40年之后,当Blackburn决定将她在剑桥学到的DNA测序技术付诸实践之时,她是当时唯一以端粒为研究方向的科学家。 “我当时想,啊,端粒会是什么样子的呢?没人知道,也没有什么现成的假说。”

Blackburn和端粒及相关生物化学分支的相遇,开辟了她毕生的事业,使她倚身于世界顶尖细胞生物学家的行列。而目前在生物医学中,端粒研究甚至比Blackburn当年所能想到的更为激动人心,也更为重要。在她30年的研究工作生涯中,Blackburn发表了超过120篇经同行评审的论文,在这个一度被冷落的领域里的重大发现中扮演了关键的角色。而在迟到了15年之后,她也作为一群年轻科学家的导师加入了加州大学旧金山分校的教研队伍,来到了她最初想去的地方。她和她过去与现在的学生一起,为阐释端粒在诸多方面的作用机理做出了贡献,包括它如何保护染色体不受伤害,如何调控细胞的分裂和死亡,以及它在衰老和相关疾病中的作用。

因为Blackburn做出了具有创造性和突破性的工作,她为同行们所赏识,并获得盛赞。她现在是美国国家科学院的院士,同时被英国皇家学会和美国科学促进会选为会员。她还在小布什总统的第一任期内为总统顾问班子工作,却在2003年因为对衰老和干细胞研究的报告持有公开异议而被解雇;当时她觉得这份报告不仅有失偏颇,而且对他们所调查的科学领域反映得也不准确。今年(2005年——校对者注)四月,因为生命科学领域的研究,她又被久负盛名的费城弗兰克林研究所授予了Benjamin Franklin 奖章;该奖每年颁发一次,被视作美国国内给予一名科学家的无上荣誉。科学界中该奖获得者有许多要不曾获诺贝尔奖,要不在此之后获授诺贝尔奖。

不过在Blackburn职业生涯的前十年,她的艰苦工作并不为人所知。在耶鲁做博士后研究员时,她加入了细胞生物学家Joseph G. Gall的实验室。Gall在当时已经看到了四膜虫(一种生活在池塘里的、单细胞纤毛原生动物)作为模式生物的研究价值。就像包括人类在内的所有真核生物(细胞中有细胞核的生物)一样,四膜虫的染色体也是线状的。而使得这种原生纤毛虫与众不同的是它们染色体的庞大数量:仅仅在它的一个细胞内就有40000条染色体,而在人类的每一个体细胞中只有46条染色体。数量充足的染色体末端使得它成为了研究端粒的理想生物,所以Blackburn开始了检测它们基因序列的工作。

她的发现十分有意思:四膜虫的端粒DNA是由重复出现的又短又简单的核酸序列构成的。相比之下,能够用来合成基因的DNA则是由更长更复杂的核酸序列组成的。不久她和其他的研究人员在其他生物的端粒DNA序列中发现了类似的重复DNA片段,当然这些片段重复的次数在不同物种间并不一样。比如四膜虫端粒中TTGGGG这样的小片段重复出现了50次左右,而在人类中,TTAGGG这个序列则重复了大约2000次。(T,A和G依次分别代表三种不同的核酸组分: 胸腺嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤)

这一现象和其他一些实验结果使得Blackburn开始怀疑这些简单的序列是有着更复杂的作用的,而且细胞中有些其他的东西在控制着端粒。而她的同事对此却并不感冒,只是出于礼貌而维持着兴趣,甚至在她研究这些序列如何能随时间推移而保持原样时也还是这样。对此Blackburn回忆道“当我们在会上介绍我们的工作时,我总是在全天的最后一个环节上最后发言的那一个。”

自从McClintock 的时代起,生物学家都不加质疑地相信,端粒通过某种方式包住染色体的末端,就好像塑料小管包住鞋带的末端,使得鞋带不至于松开一样。因为细胞通常对于检测和修复其染色体的断裂处相当警觉,这就使得细胞有可能把一条没有被端粒所保护的染色体末端错误地当作断口,而试图把它和另一条染色体的末端结合起来。端粒的作用就是防止这种错误的发生。Blackburn当时下决心要找出端粒是怎么做到这一点的,但是在她真正找到足够多的线索来描绘这一过程之前,她还有许多年的工作要做,而且这一课题至今仍有很多未知之处。

“我们现在认为,染色体的末端能通过某种方式变得使细胞(普通的修补和复制的机制——校对者)对它们‘视而不见’”Blackburn说,“细胞其实能看到这些末端,它们并不是被藏起来了——我们迄今为止还不清楚这些末端是怎么做到这一点的——但是细胞认出它们后,将会做出对于端粒适合的特定反应(而不是对一般性断口的反应—译者注)。这是一个相当动态的过程,而不是像鞋带头的保护保护鞋带一样是被动的,这一切大大出乎了我们的意料。”

另一个细胞学谜团是:端粒是如何保持长度从而保持自身功效的。在20世纪70年代早期,生化学家就认识到,通常DNA的复制进程并不能一直持续到染色体的最末端。因此在每一次的染色体复制和细胞分裂之后,理论上来说端粒都应该变得短些。如果没有任何东西来阻止这个过程,那么端粒一再缩短将使得有基因的序列在染色体的复制和缩短中受到损害,这样细胞就会死掉。而实际上,细菌的细胞系可以存活并分裂数千代,于是染色体变短的现象就成了“末端复制难题”。

关于细胞如何解决这一问题,一度有许多推测,但是却没人能以实验来解释。 “在生物里头,要纸上谈兵、提出假设很容易,”Blackburn说,“但真正重要的是,能否在试管里证明这一机制确实存在。”所以在20世纪80年代中期,Blackburn作为加州大学伯克利分校一所实验室的负责人,和一位矢志不渝的研究生Carol W. Greider一起,又回过头去研究四膜虫,试图弄清楚细胞是如何保存它们的端粒的。“我们通常认为遗传物质是神圣不可侵犯的,”Blackburn说,“但是四膜虫能把它们的体细胞(非生殖细胞)中的染色体切断,并往末端加入新的DNA重复序列。”

Blackburn 假设在四膜虫的细胞内有一种未被发现的酶,这种酶能合成新的端粒DNA序列。另一种能合成DNA的酶已经为人所知,就是DNA聚合酶。但DNA聚合酶是以双螺旋中的一股DNA为复制模版来生成一条新的DNA的,新DNA与原版呈互补关系。(螺旋形DNA 中的核酸总是和与之互补的核酸配对出现,比如腺嘌呤和胸腺嘧啶, 胞嘧啶和鸟嘌呤)

而Blackburn与Greider 假想中的这种“端粒酶”则与之不同。这种酶不是依靠模版组装新序列,而是从无到有地构建出端粒的序列。为了找到这种酶,Greider 将实验室合成的人造端粒与四膜虫细胞的提取物进行混合。根据Greider和Blackburn的推断,只有在四膜虫提取物中确实含有这种假想端粒酶时,这种人造端粒才会增长。让她们感到高兴的是,这种人造端粒的DNA确实变长了,为这种端粒酶的存在提供了佐证。

她们新发现的酶是一种非比寻常的分子复合物。就像所有的酶一样,端粒酶中含有蛋白质,但它同时还含有一段RNA单链,一种近似DNA的化学物质。Blackburn对此如此解释:“端粒酶是RNA和蛋白质协作的结果。”这两者究竟是如何协作的,没人知道,但是我们知道RNA的作用正是编码那些被拼接到端粒DNA的末端上的片段。这样,端粒酶就能对在细胞分裂中丢失的小段端粒进行恢复。

这个发现很令人吃惊,Blackburn回忆道,“因为人们曾认为,只有像艾滋病毒这样的坏家伙才会进行RNA到DNA的转录,而现在有种分子也能这么干,但却不是去搞破坏,而是发挥使生命延续所必需的关键的作用。”现在她怀疑这种端粒酶是一种来自于远古的分子,是那个由RNA,而非蛋白质和DNA所主导的前生命时代留下的遗产。

既然证实了她们所要的分子确实存在,Blackburn和同道们就可以开始仔细研究端粒酶在细胞中是如何运作了。从20世纪60年代的工作中人们得知,体外培养的人类细胞与单细胞生物的细胞不同,只有很短暂的生命期。分裂大约20至50次(通常认为具体次数和细胞类型高度相关)之后,人类细胞就停止分裂,进入了衰老的静态阶段。那么端粒是否可能像钟表一样来提醒细胞何时大限将至呢?

Gredier于1988年离开了Blackburn位于伯克利的实验室,前往纽约长岛的冷泉港实验室去做博士后研究员。在那里她发现实验室培育的人类皮肤细胞每分裂一次,端粒就变得短些。这就使得那个假设站住了脚:变短的端粒对于细胞来说是个信号,告诉细胞它的遗传物质已经老化并且有可能丧失完整性。简短来说,变短的端粒就像煤矿里的金丝雀*一样提醒细胞:再继续分裂下去就危险啦。

Greider的发现引出了这样的猜想:端粒酶的基因在正常细胞内是不执行任务的;它只在那些活跃分裂的细胞中处于激活状态,比如在免疫细胞和生殖细胞内。 “我们现在知道在几乎所有细胞内都有微量的端粒酶来保护端粒,”Blackburn说,“但是却不足以跟上其变短的步伐。”她又补充道:“随着时间的推移,端粒最终会逐渐耗尽。”

有趣的是人类的端粒长度也因人而异。比如那些百岁老人的端粒长度就超出人们的预料。较长的端粒是否保护着那些长寿的人呢?毕竟耄耋之人之所以能活得更久,有部分原因便是他们能逃过许多让同龄人无法幸免于难的病症。也许正是稳健的端粒和额外的端粒酶帮助他们去对抗心脏病及其他疾病。

端粒,疾病和衰老这三者之间的联系在2001年得到了确认:人们发现一种名为先天性角化不良**的疾病是由基因变异引起的。在这种病人身上,编码端粒酶的基因只剩一个拷贝(我们身上大多数基因都有两个拷贝,一个来自父亲,另一个来自母亲——校对者),所以他们的端粒很快变短。他们表现出某些早衰的迹象,比如少年时期就头发花白,但是最可怕的是他们通常在成年初期或中年就因骨髓功能衰竭而丧失对感染的抵抗力,最终死亡。 “这令人震惊,它提醒我们免疫细胞需要自我更新和大量端粒酶。”Blackburn说。当免疫细胞遇到抗原时必须要大量复制自己,如果没有足够的端粒酶,这些细胞没等到战胜抗原就被自己分裂死了。

一但清楚了端粒变短会影响衰老,而长端粒可能通过某种方式使人长寿,Blackburn的同事们就开始关注这事了。一度平静的领域炸了锅,在医学和生物学期刊中对“端粒酶”的引用也暴增。当大家都开始研究端粒和端粒酶之后,关于疾病和衰老奥秘的新发现也不断浮出水面。在对抗人类所面临的数种最顽强的痼疾方面,它们已经成为了开发新疗法的潜在推动力。

最近人们发现变短的端粒不一定会马上导致细胞死亡,甚至也不一定会导致细胞活力丧失;更重要的则是细胞核中的端粒酶是否足够挽救和保护剩余的端粒末端。不同寻常的是,足够的端粒酶正是癌细胞突破正常的细胞衰老这道基因防御机制的关键之一。

在恶性肿瘤中,失控的癌细胞可以无限分裂和增殖,成为不死之身,将原本供给健康组织养分资源全盘吸收。在20世纪90年代,Greider和其他人发现癌细胞中的端粒酶浓度是正常细胞中的一百倍。高浓度的端粒酶在实验室培养的癌细胞系中和在体内的卵巢肿瘤中都有发现。

在癌细胞走向恶性的过程中,它们在端粒短到不足以维持细胞分裂之前就以某种方式激活了端粒酶的基因。令人惊讶的是,癌细胞的端粒却往往比周围细胞里的要短很多,这证明早在端粒酶补充完毕并重新发挥其关键作用之前,癌细胞就已经开始以极危险的速度进行自我复制,而它们的端粒也早已开始变短。如果能以某种方式将端粒酶进行灭活处理,那么就能在恶性肿瘤扩散到身体其他部分,产生新的恶性肿瘤并造成重大损害之前就阻止住它。(尽管如此,Blackburn仍怀疑癌细胞也许还能以别的方式来阻止端粒缩短。)所以,在癌症治疗中,阻断端粒酶的合成是个颇具吸引力的目标,若是能避开诸如免疫细胞这样需要靠端粒酶来保持机体健康的细胞,而去瞄准特定的组织的话,就更诱人了。对于Blackburn实验室的研究人员和其他大学里或生物公司里的遗传学家来说,研制端粒酶阻断剂都已成为研究中新涌现的重要任务。

癌症绝不是唯一一个与端粒长度相关的细胞破坏者。2004年Blackburn与加州大学旧金山分校一名精神病医生,同时也是她临床上的同事Elissa S. Epel共同测试心理压力在细胞层面上对衰老产生的影响。 “我们是从(Epel的)观察开始着手研究的。她发现生活中长期承担压力、处于焦虑状态中的人们看起来老态龙钟,分外憔悴,”Blackburn说,“但我们可不知道这是否会影响到细胞中的端粒。这没人说得准,所以我就说,我们何不研究一下呢。”

Blackburn,Epel以及盐湖城犹他大学的遗传学家M. Cawthon共同主导了一项研究,对象是39名20到50岁不等的女性,她们都一直照料一名患有严重慢性病的儿女,比如孤独症或脑瘫患儿。该研究将这些很可能承受高压力的女性与19名子女健康的母亲所组成的对照组进行比对。对压力大小的量化以实验组中每位女性所照料患儿的年份长短为部分依据,也结合了其他客观指标,譬如所谓的氧化应激***(即由“自由基****”导致的DNA损伤),而这也是心血管病的主要危险因素之一。

研究者们发现,端粒缩短状况与该女性照顾患儿的年份长短之间具有清晰的关系。而且,承压大的女性白细胞中的端粒酶浓度也较低,氧化应激情况也更严重。研究者们进一步发现,依照Cohen感知压力表(这是一种主观性的问卷,包括十个问题)进行测算的话,实验组中女性主观上感受到的压力值也和血液细胞中较低的端粒酶浓度以及较短的端粒相关,而不管一名女性的孩子患病与否,这个发现都适用。“我们原本没指望能发现这么清晰又全面的联系,”Blackburn说,“Elissa精心策划了这项漂亮的研究,实验组和对照组都设计控制得很好,而且压力和端粒长度之间的联系又确实站得住脚。”换句话说就是:女性自己感觉到的自身压力大小和她体内细胞的反应有关系。就Blackburn和Epel所知,这一实验结果首字在细胞层面上建立起了精神和身体之间的纽带关系。

“当然,我们现在想了解的是,到底压力是如何影响细胞的,”Blackburn说,“压力使得血液中的荷尔蒙发生变化,改变了血细胞所处的环境。这就是我们实验室现在想努力弄清楚的事情:到底是什么影响到了端粒酶。”

Blackburn将她的成功大部分归功于充满支持的研究环境,以及伴随而来的、能够为满足好奇心而从事科学研究的机会。“谢天谢地我没干工业,”她说,“搞工业确实能做出很棒的研究,但是你就只能奔着特定目标干下去。(在大学里)我当然也是追求着具体的目标,但是可以更有创造力。”

她一直看重科学研究中的导师——对她而言,就是剑桥大学的Sanger和耶鲁大学的Gall。“Sanger的支持并不张扬,”她说,“他很喜欢待在实验室里,也喜欢谈谈科学。我总能和他说上话,这一点很重要。”而Gall也给予了同等的支持。“Joe Gall所带的女性博士后里,有不少人都干得相当不错,他因此很出名。”Blackburn说,“如果他之前的学生或者博士后取得了终身教职,他总会在实验室里宣布一下。Joe知道传播积极信息的重要性。”

当轮到她自己的时候,Blackburn对于担任导师一事相当认真,对女性科研者尤其如此。“Carol Greider向我坦言,我有了孩子这事对她激励不小,”Blackburn回忆起来,“科研并不意味着你得牺牲你的生活,你可以聪明高效的取得成功,而不用总是加班加点,占用周末时间。明白这一点很重要。”

当提及她实验室工作将来在端粒酶研究上的方向时,Blackburn想到两种可能:“我想要深入地研究染色体,真正从结构上和功能上了解围绕着端粒究竟发生了什么。这是个活跃而稳健的过程,就好像闹哄哄的集市一样,各种各样的分子你来我往。我很乐意去了解其中的动态。”但是对她来说同等重要的是,这些深层次的知识应该被“用在治愈病人上。这些知识能为了解病因做些什么?这些知识将如何被用来应对癌症,长期压力以及心脏病呢?“我们想利用关于端粒酶和端粒的知识从细胞层面去开发各种疗法。”她说。毫无疑问,这是个雄心勃勃的目标,但是既然Elizabeth Blackburn已经推动端粒研究到达如此地步,这也必将是她的囊中之物。

附注1 煤矿里的金丝雀: 旧时矿井借用金丝雀对危险气体的敏感度来提醒作业人员井下是否具备安全作业条件。

附注2 先天性角化不良是一种少见的遗传性皮肤病,以皮肤表现为特点、可发展成骨髓再生障碍或肿瘤的多系统性疾病。

附注3 氧化应激(Oxidative Stress,OS),体内氧化与抗氧化作用失衡,倾向于氧化,产生大量氧化中间产物。被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。

附注4自由基:机体氧化反应中产生的有害化合物,具有强氧化性,可损害机体的组织和细胞,进而引起慢性疾病及衰老效应。当一个稳定原子的原有结构被外力打破,而导致这个原子缺少了一个电子时,自由基就产生了。它很容易与其他物质发生化学反应。生物体系主要遇到的是氧自由基。体内活性氧自由基具有一定的功能,如免疫和信号传导过程。但过多的活性氧自由基就会有破坏行为,导致人体正常细胞和组织的损坏,从而引起多种疾病。

附注资料来源:百度百科http://baike.baidu.com/

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8 Responses to “[小红猪]把端粒看住喽”

  1. maokk说道:

    鞋带头,好玩。

  2. HelloBeauty说道:

    端粒啊~长生梦啊~

  3. 老牛拉车说道:

    看来长生梦还远着啊!…

  4. smartless说道:

    过年期间人好少啊!

  5. mako说道:

    写得很好啊

  6. 流浪小K说道:

    写得也很长啊

  7. hzbbs说道:

    信息量很大,非常感谢!

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