真核生物复制的终止以及端粒酶的合成

真核生物染色体DNA是线性结构。复制中冈崎片段的连接、复制子之间的连接易于理解，因为都可在线性DNA的内部完成。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙（图9－17）。剩下的DNA单链母链如果不填补成双链，就会被核内DNase酶解。某些低等生物作为少数特例，染色体经多次复制会变得越来越短。然而，染色体在正常生理状况下复制，是可以保持其应有长度的。

图9－17 线性DNA复制的末端问题

端粒（telomere）是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。形态学上，染色体DNA末端膨大成粒状，这是因为DNA及其结合蛋白紧密结合，像两顶帽子那样盖在染色体两端，因而得名。端粒在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性中有着重要的作用。DNA测序发现端粒结构的共同特点是富含T－G短序列的多次重复。例如仓鼠和人类端粒DNA都有（Tn Gn）x的重复序列，重复达数十至上百次，并能反折成二级结构。不同种类细胞的端粒重复单位不同，大多数长5～8bp，由这些重复单位组成的端粒，突出于其互补链12～16个核苷酸内。人类端粒由5′－TTAGGG－3′的重复单位构成，长度为5～15kb。

20世纪80年代中期发现了端粒酶（telomerase），其兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能，是由一条RNA和多种蛋白质构成的核糖核蛋白复合体，蛋白质部分有逆转录酶活性，能以自身携带的RNA为模板逆转录合成端粒DNA。1997年，人类端粒酶基因被克隆成功并鉴定了酶由3部分组成：人端粒酶RNA（human telomerase RNA，hTR，约150nt）、人端粒酶协同蛋白1（human telomerase associated protein 1，hTP1）和端粒酶逆转录酶（human telomerase reverse transcriptase，hTRT）。

线性DNA复制终止时，染色体端粒区域的DNA确有可能缩短或断裂。端粒酶通过一种称为爬行模型（inchworm model）（图9－18）的机制维持染色体的完整。端粒酶识别并结合母链DNA（Tn Gn）x的重复序列并移至其3′－端，以自身携带的RNA为模板开始以逆转录的方式合成DNA；合成一段DNA后，端粒酶爬行移位至新合成的母链3′－端再以逆转录的方式延伸母链；延伸至足够长度后，端粒酶脱离母链，取而代之的是DNA pol，此时母链形成非标准的G－G发夹结构允许其3′－OH反折，同时起引物和模板的作用，在DNA pol催化下完成末端双链的复制。

图9－18 端粒合成的机制

研究发现，培养的人成纤维细胞随着体外传代次数增加，端粒长度逐渐缩短。生殖细胞端粒长于体细胞，成年人细胞端粒比胚胎细胞端粒短。据此至少可以推论在细胞水平，老化是与端粒酶活性下降有关的。

在正常哺乳动物的体细胞中检测不到端粒酶的活性，但在胚胎细胞、生殖细胞以及某些增殖旺盛的细胞中存在较弱的活性。在绝大多数恶性肿瘤细胞中均能检测到明显的端粒酶活性，而良性肿瘤中检测不到。有报道称肿瘤的分化程度与端粒酶活性相关，而肿瘤的组织类型和临床分期与端粒酶活性无明显相关性。端粒酶活性的调节机制错综复杂，且说法不一。胚胎早期端粒酶的活性随着胚胎的发育而逐渐消失（生殖细胞例外），而细胞获得不死性及肿瘤的发生又与端粒酶的再次激活密切相关，其机制目前还不清楚。在临床研究中也发现某些肿瘤细胞的端粒比正常同类细胞显著缩短。可见，端粒酶活性不一定与端粒的长度成正比。端粒和端粒酶的研究，已成为肿瘤学发病机制、寻找治疗靶点重要领域。