第五节

端粒和端粒酶

DNA“包装”的问题解决了，真核细胞又面临另外一个问题，就是DNA的末端。真核生物染色体里面的DNA不像原核生物的细胞里那样是环形的，而是有两端。就如没有鞋带扣的鞋带那样，里面的“线”（DNA链）容易松开，而且细胞也分不清这样的末端是染色体正常的末端，还是DNA双股断裂所产生的末端，会试图去“修复”，把这些断端连起来。这就会造成不同染色体之间的连接，导致严重后果。所以染色体的两端必须有一个保护自己的办法。

研究发现，染色体的末端由许多短的DNA重复序列单位组成，叫做端粒（telomere，这个英文名称来自希腊文 telos，意思为“末端”，和meros，意思为“部分”）。这些重复序列单位一般6~8个碱基对长，富含鸟嘌呤（G）。例如酵母的重复序列单位为TCTGGGTG，四膜虫（纤毛虫的一种）的序列为TTGGGG，植物为TTTAGGG，脊椎动物（包括人）为TTAGGG。在酵母中，这样的重复序列有几百个碱基对长，而人的端粒有1500多个碱基对长。不仅如此，DNA双链中的一根还会比另一根长出一段，成为单链DNA。这根单链DNA又像回形针那样弯回来，在双链部分形成一个“三链结构”，好像鞋带中的一根弯回来打一个结。这样的三链-回形针结构又与若干蛋白质分子结合，好像鞋带的结外面再包上胶布。这样形成的结构很稳定，就像鞋带两端的金属鞋带扣，把DNA的两端结结实实地包裹起来（图3-7）。

即使这样，染色体末端的麻烦还没有完。染色体的两端不是包裹起来就完了，细胞分裂时，染色体里面的DNA还要被复制，而麻烦就出在这里。细菌的环状DNA被复制时，两条链各自从3′到5′的方向开始，完成整圈复制。但是线性的双链DNA复制就不好办了，因为DNA无法走一个圈。染色体的复制是从中间开始，向两端分别进行的。在DNA复制的起始点，双螺旋的两条链分开，再由一种叫做引发酶（primase）的蛋白质以两条DNA链为模板，各合成一小段（大约10个核苷酸长）的RNA引物（primer），新的DNA链则从引物的3′端继续延长。由于DNA双螺旋中的两条DNA链的方向是相反的（见第二章第五节），新的DNA链又只能从5′端开始，向3′端方向合成，其中前导链（leading strand）是从3′到5′的方向被复制的，复制可以持续进行下去，直至这条链的末尾，也就是这条链里面的序列可以完全被复制。新链延长的方向，就是DNA双链不断被打开的方向。但是另一条链（叫“后随链”）就麻烦了，因为这条模板链的打开是从5′到3′方向，而新DNA链的合成也是从5′到3′方向，这就要求新链合成的方向与DNA双链打开的方向相反。

这有点像把上衣的拉链从领口往下拉开。拉链的两根链就像是DNA双螺旋的两条DNA单链，没有被拉开的部分就像是DNA的双螺旋。拉链从领口向下拉开时，假设左边那条链是前导链，方向是从3′（领口处）到5′（衣服下摆处）。引发酶在前导链的3′端合成一小段RNA，接着DNA聚合酶就从RNA引物上延长，沿着这条链从上到下合成新的DNA链，新DNA链合成的方向和拉链拉开的方向是一致的，所以可以一直进行下去，直至下摆。而右边那条拉链是后随链，方向是从5′（领口处）到3′（衣服下摆处）。由于DNA聚合酶只能从新链的5′端向3′端合成（对于模板链就是从3′向5′方向被转录），相当于新DNA链的合成方向是从衣服下摆到领口的方向，和拉链拉开的方向相反。这个难题如何解决呢？

真核生物真是很“聪明”的，解决这个难题的方法就是“跳着走”。在后随链的前方（3′端方向）先合成一段RNA引物，再从引物延伸，合成一段DNA，所以新DNA链合成的方向和双螺旋打开的方向相反。这段新合成的核酸就由两部分组成，DNA和它前面的引物，叫做岗崎片段（Okazaki fragment），是日本科学家岗崎（Okazaki）发现的。由于在合成这段冈崎片段DNA时，拉链又向下拉开了，在这段冈崎片段前方又有一段还没有被转录的DNA。这时引发酶又“跳”到这个冈崎片段的前面，在拉链刚拉开的地方合成另一个RNA引物，再从新引物合成一段DNA。当这段新DNA延长到之前合成的冈崎片段时，它上面的RNA被水解掉，代之以DNA。连接酶（lygase）再把两段DNA连起来，就成为连续的DNA链了。所以后随链DNA的复制是一步一步“跳着走”的。问题就出在这条DNA链的末端，在那里必须有一段DNA作为模板来合成RNA引物。但是在最后一段新的DNA链合成后，由于其RNA引物的前方不再有新合成的DNA，这段RNA引物就不能被DNA序列取代，最后被细胞降解。无论为RNA引物当模板的DNA是在后随链的最末端（3′端），还是离3′端还有一段距离，这段模板DNA和它到3′端之间的DNA序列都无法被复制。也就是说，后随链不能被完全复制，而是要损失一段。由于DNA双螺旋中的两根DNA链是互补的，以前导链为模板合成的是新的后随链，以后随链为模板合成的是新前导链，因此新的前导链在5′端要短一截，而新的后随链在3′端要长一截（图3-8）。

细胞每分裂一次，端粒的DNA会损失30~200个碱基对。如果没有修复端粒的机制，细胞每分裂一次，端粒就缩短一点。经过几十次分裂，端粒就会短到不再能够保护染色体的完整。细胞也会“感知”到这种情况，停止分裂，最后死亡。例如人的成纤维细胞在体外分裂50次左右，就停止分裂，进入衰老状态。这个现象被美国科学家海弗里克（Leonard Hayflick，1928—）于1961年发现，叫做“海弗里克现象”。由于这个原因，端粒的长度被认为是细胞寿命的一个指标，相当于是细胞的“分裂钟”。人的体细胞一般都不能防止端粒的缩短，所以它们的寿命都有限。

而单细胞的真核生物必须有办法来防止端粒的缩短，否则这些生物在分裂若干代后就会死亡。真核细胞的办法，是把新合成的后随链进一步延长，这样在延长的后随链上又可以生成新的岗崎片段，把短一截的新前导链延长。进一步延长新后随链的工作是由端粒酶（telomerase）来完成的。端粒酶是一种反转录酶（reverse transcriptase），即可以用RNA为模板，合成DNA的酶。不仅如此，它自己就带有一个模板RNA分子，这个RNA分子含有端粒重复序列的互补序列（例如CCCAAUCCC），可以和新后随链末端的部分重复序列结合，例如用RNA分子上的CCC部分与新后随链上TTAGGG中的GGG部分结合，再用酶的反转录酶活性，用RNA分子的其余部分为模板，合成新的DNA。由于端粒DNA的序列是重复的，端粒酶上的RNA分子又可以“移位”，结合到新的DNA末端上，再次把DNA延长。这样重复很多次，就可以在新后随链上增加许多新的重复序列。新后随链上的这些新的重复序列就可以作为模板，生成新的岗崎片段，将新的前导链延长，将DNA复制时新前导链损失的端粒DNA序列补回来（图3-9）。

所以端粒酶的作用就是防止真核生物DNA复制时端粒的缩短，让这些细胞能够一直分裂下去。所有的单细胞真核生物都有端粒酶的活性，所以它们能够无限制地分裂繁殖。从真核生物出现到现在的约20亿年中，真核生物的细胞能够一直不间断地繁殖，端粒酶功不可没。生殖细胞、干细胞、癌细胞都有端粒酶的活性，所以它们都能够无限制地繁殖。而组成我们身体的细胞（叫做“体细胞”）一般不再表达端粒酶（虽然为端粒酶编码的基因还在那里），就是为了不让这些体细胞无限繁殖，变成癌细胞，它们只要能够满足这个生物体一生的需要就够了。

染色体复制的问题解决了，真核细胞还面临一个大问题，就是如何把多个复制后的染色体分配到两个子细胞中去。细菌只有一个环状染色体，复制后也只有两个，细菌用ParABS系统“拉”的方式就可以把两份染色体分配到两个子细胞中去（见第二章第十三节，原核细胞的骨骼系统）。而真核细胞有多达几十个染色体，如何保证每个染色体复制后都能够准确地分配到两个子细胞中去？而且真核细胞的染色体不仅其中的DNA分子比细菌的大得多，还含有大量蛋白质，是巨型的DNA-蛋白质复合物，光靠ParA丝的力量已经不足以完成分离染色体的任务了。为了“搬动”染色体，真核细胞需要更强有力的运输系统，这就是真核细胞的“肌肉”和“骨骼”系统。在介绍它们如何帮助真核细胞分裂之前，我们先介绍真核细胞的这些“骨骼”和“肌肉”分子。 aKMBRXEcackKY3Hk/0gWLuwD2fyh6GPmkFkgWHgbN8QjM5IgZegqKs5odtSExZu7