发现端粒酶

美国科学家近日发现了一种功能极似端粒酶的蛋白质，它能四处运送至关重要的蛋白质块来修复在正常复制中被丢失的染色体末端。如果没有这样的日常维护，干细胞将很快停止分裂，胚胎也将无法发育。 　　这是10年来首次发现端粒酶的新蛋白组分，这也许将成为抗癌疗法的一个有价值靶标。该项研究成果刊登在1月30日出版的《科学》杂志上。 　　端粒酶可在成体干细胞、免疫细胞和正在发育的胚胎细胞中正常表达。在这些细胞中，端粒酶附着在新复制的染色体末端，从而使细胞的分裂不受约束。如果没有端粒酶，细胞将停止分裂，或在有限数目的分裂后死亡。不幸的是，这种酶在许多癌细胞中也很活跃。研究人员发现，阻止这种称为TCAB1蛋白的不恰当表达，也许能限制端粒酶到达其DNA靶标(端粒)，并限制细胞的寿命。 　　研究人员表示，目前还没有有效的端粒酶抑制剂。多年来，端粒酶一直是研究热点，但科学家们困扰于其大尺寸和极其少量。成人体内的少数细胞可制作出这种巨型蛋白复合物，但制作量非常之少，因此只有端粒酶的部分成分已被确定。研究人员称，要找出端粒酶的所有蛋白成分是一项难以置信的巨大挑战，端粒酶中的未知成分甚至被称为“暗物质”。 　　美国斯坦福大学医学院的研究人员使用高灵敏的蛋白鉴别技术(质谱)，找到了端粒酶中TCAB1的存在。去年年初，研究人员曾利用相同的技术首次确定了另两种蛋白pontin和reptin，这两种蛋白对端粒酶这种巨型复合物的形成非常重要。此次，研究人员则确定了TCAB1蛋白具有以前未知的功能。 　　与pontin和reptin不同的是，TCAB1是端粒酶的一个真正组成部分。但它对酶的活性来说并不是必需的，它只是给称为卡哈尔体(Cajalbodies)的细胞核中的处理和保持区域补充端粒酶复合物。卡哈尔体将对各种使用RNA小分子来引领其活性的蛋白进行修饰，譬如，端粒酶使用RNA分子作为嵌在染色体末端的DNA链的模板。在适当的时候，TCAB1将端粒酶复合物运送到新复制染色体的等待端。 　　研究人员表示，TCAB1对端粒酶完成从卡哈尔体到端粒的跳跃是绝对必需的。一旦抑制其在人类癌细胞中的活性，端粒就会变短，这也意味着癌细胞会更快地死亡。研究人员认为，TCAB1蛋白可能是一种负责将各种分子运往其目的地的普通生物运输器。下一步，研究人员将继续对TCAB1进行研究，并寻找端粒酶的其他组成部分。

美国《时代》周刊12月9日在其网站上揭晓了本年度十大科学发现评选结果。 　　1. 最出众的长角恐龙 　　美国科学家在犹他州发现了15只角，而它们竟然是重达2500公斤的巨型恐龙的头顶装饰物。这种名为科斯莫角龙的恐龙生活在7600万年前，犹他大学研究人员在2007年的一次探险活动中出土了这些化石残骸，但直到今年9月才正式为其命名并进行了描述。化石不仅揭示了这种年代久远的奇异物种，而且表明从前的北美与现在并不一样。 　　2. 物质比反物质多1% 　　美国费米国家实验室的Tevatron加速器在碰撞实验中发现，中性B介子衰变后的产物似乎存在一种不对称性。传统的粒子物理学理论认为，宇宙大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，但二者相遇的瞬间就会一起湮灭，而事实是目前的世界由物质组成，反物质却不知所踪。直到今年，费米实验室的科学家发现，粒子碰撞过程中产生的μ介子(一种重电子) 数量比反μ介子多1%。虽然这是个很小的数目，但很显然，正是物质和反物质数量上这一微小差额创造了宇宙。 　　3. 月球水比想象的丰富 　　布满灰尘和岩石的月球予人的印象便是一片不毛之地。但其实它比我们想象的要更加潮湿。美国国家航空航天局的LCROSS(月球陨坑观测和传感卫星)对月球南极附近区域实施了“双星撞月”任务，并对撞击产生的羽尘进行了分析，结果发现月球水的含量比天文学家预期的多出大约50%，月球的湿润程度几乎是撒哈拉沙漠的两倍。这或许足以让未来定居月球的人就地建造供水设施，相较于从地球运水而言更容易也更经济。 　　4. 机器人考古墨西哥金字塔 　　墨西哥特奥蒂瓦坎古城遗址上的金字塔群一直是北美6大考古宝藏之一。现在，尘封往事的神秘面纱将被缓缓揭开：科学家今年将一个配备有照相机的考古机器人送到地下，机器人在探索过程中发现了一条12英尺(约3.66米)宽的隧道，其建于2000年前的拱型屋顶依旧保存完好。考古学家满怀希望地认为，隧道可能通往大祭司的坟墓，这一发现将揭示建造这座中美洲大都市的人从前的生活面貌。 　　5. 衰老是基因作祟 　　为什么有些人可以青春永驻，而有些人却在为“红颜辞镜”而叹息感慨?原因之一可能与人类TERC基因附近的一小簇DNA(脱氧核糖核酸)序列有关。一项发表在《遗传学》杂志上的英国研究发现，拥有一个TERC基因副本的人，其端粒的长度与年长他们三四岁但不携带这一基因的人差不多，换句话说，他们比实际年龄老了三到四岁。而《自然》杂志公布的另一项研究表明，哈佛医学院的研究人员通过开启过早衰老的老鼠体内的一个端粒酶基因，扭转了老鼠的衰老进程，老鼠的器官也得以再生，其萎缩的大脑体积增大，并且恢复了生育能力。 　　6. 行星普查数量激增 　　天文学家们从未停止过对太阳系外已知行星的普查，并于今年发现了许多新的天体“公民”。最令人兴奋的发现当属Gliese 581g，这是天文学家发现的首颗在所谓的“宜居带”围绕母星旋转的太阳系外行星，该区域气温条件不太冷也不太热，适合生命存活。不过，这颗“宜居”行星可能真的是个童话故事，因为后续研究已经在怀疑其是否存在。但对于科学家来说，有一点毋庸置疑，那就是那里还有更多类似的星球存在，或者人类很快就会找到它们。 　　7. 隐藏历史的终极时空斗篷 　　时空斗篷听上去好像挺玄的，但英国伦敦帝国学院的物理学家马丁麦考尔在《光学杂志》上发表了一篇论文，从理论上描述了利用“超物质”打造时空斗篷的可行性。通过对“超物质”进行分子改造，可以扰乱电磁能(光粒子)的流动，光在经过“超物质”时传播速度就会出现加快或者放慢，从而在时间和空间上形成一段空白。按照麦考尔半开玩笑的描述，使用这项技术，窃贼可以进入房间将保险柜里的物品席卷一空，但一刻不停工作的监控摄像头却会“错过”这一过程。不过，该技术也有美中不足之处：考虑到光传播的速度，哪怕只隐形几分钟，这件斗篷的尺寸就得大约1亿米长。 　　8. 史前化石或能填补人类进化空白 　　南非马拉帕洞穴出土了两具距今大约200万年前的高级灵长类动物骨架化石，分别属于一位成年女性和一名男童。在从猿到人的进化过程中，由于南方古猿和人猿之间有着巨大的差异，科学界一直怀疑，这两者之间存在某种过渡物种。《科学》杂志今年4月刊登论文指出，化石可能填补了人类进化史上重要的一环，因为之前几乎没有骸骨证据表明在那段时期中人类进化过程到底发生了什么。但对于这个被称为源泉南方古猿的新物种具有何意义，古生物学家持有不同观点，有些人认为它对于理解人类进化并无帮助。 　　9. 合成第117号元素 　　俄美科学家利用粒子加速器，成功将锫和钙同位素合成为一种拥有117个质子的新元素ununseptium，它可能就是科学家一直寻找的第117号元素。新元素只存在瞬间(不到一秒)就消失了，必须在其他实验室再次被独立合成出来，才能获得认可，确保它在元素周期表上永久地“站住脚”。对Ununseptium进行的放射性衰变分析可能将证实“稳定岛”的存在，根据这一理论，超重元素可能稳定存在长达几个月或者几年的时间。但就目前来看，元素周期表似乎还没有被完全补足。 　　10. 猫的饮水技巧 　　麻省理工学院、普林斯顿大学和弗吉尼亚理工大学的科学家们终于揭开了为何一只猫在喝牛奶的时候却不会弄湿下巴和胡须的秘密。对高速录像的分析结果显示，狗会将舌头卷成长柄勺状来舀水喝，而猫的饮用方式更优美，它会将自己的舌头卷到液面以下，然后轻轻触碰液面。猫舔食液体的速度快达每秒4次，这是一个地心引力、惯性和以每次0.1毫升的速度舔食液体却不会引起液体动荡或溢出的流体动力学相互作用的复杂过程。

近日，约翰霍普金斯大学医学院Carol W. Greider团队在Science发表了题为“Human telomere length is chromosome end–specific and conserved across individuals”的文章，介绍了一种基于纳米孔测序技术的端粒分析方法——Telomere Profiling，可以单核苷酸分辨率测量细胞中每个端粒的长度。Carol W. Greider曾与Elizabeth Blackburn、Jack Szostak以”发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的“这一研究成果，获得2009年诺贝尔生理学或医学奖。研究团队利用这一新方法对 147 个个体的染色体端粒长度进行分析，发现端粒中位长度为 4.7kb，但不同染色体端粒长度差异极大，平均值相差超6kb。特别地，这种染色体末端特异性端粒长度差异具有个体保守性，在出生时就已确定，随年龄增长也得以保持。这一发现对于理解端粒生物学、衰老过程以及相关疾病的发生具有重要意义。综上，Telomere Profiling方法易于实施、结果精确并且成本较低，可广泛应用于科学研究和临床诊断，将使探索端粒生物学的全新领域成为可能。文章发表在Science主要研究内容:1.纳米孔端粒分析准确且可重复报告端粒长度为确定人类端粒是否在所有染色体上保持共同的长度分布，或者特定的染色体末端是否保持自己独特的长度分布，研究团队开发了一种富集、分析端粒的方法Telomere Profiling：首先使用生物素化的寡核苷酸（TeloTag）标记端粒末端；随后用链霉亲和素分离标记的端粒，并通过限制性内切酶酶切将其释放；最后通过牛津纳米孔技术（ONT）长读长测序方法对端粒进行测序。据悉，使用该方法检测每个样本的成本约为75美元。此外，研究团队还开发了新生物信息学分析流程来确定染色体末端特异性端粒长度。接下来，研究团队通过对0岁至90岁人群的外周血单核细胞（PBMC）进行了端粒分析，并将其与Southern印迹法、FlowFISH检测的结果进行对比。结果显示，经不同方法所检测的端粒长度高度一致，表明Telomere Profiling方法具有高度准确性及优异可重复性。此外，研究团队还通过检测7个样本的端粒长度来检测实验室间的差异性，确认了该方法的广泛适用性和可靠性。图1. 纳米孔技术进行端粒分析是准确和精确的2.端粒长度随年龄增长而发生变化已知端粒长度随着年龄的增长而缩短，但先前方法无法在核苷酸分辨率上测量端粒长度。为检测端粒长度动态范围，研究团队使用Telomere Profiling对11个个体（0-84岁）的DNA样本进行分析，并根据端粒长度进行排序；通过Southern印迹法对相同的DNA进行测量，并将其作为验证。结果显示，Telomere Profiling预测了端粒长度的等级顺序，捕获了Southern印迹的动态范围，并测量端粒随年龄增长而缩短的情况，这对于理解衰老过程中的生物学变化至关重要。此外，Telomere Profiling还确定了端粒长度的第1、第10和第50百分位数。研究团队还将该方法与FlowFISH进行了比较，使用先前诊断为短端粒综合征的特发性肺纤维化（IPF）患者的5μg存档DNA样本进行分析。结果显示，大多数IPF样本的整体端粒长度与FlowFISH测量结果相似，表明Telomere Profiling能够检测出患病个体，有望助力临床诊断和治疗。图2. 纳米孔端粒分析检测端粒长度随年龄的动态变化3.人类端粒具有染色体末端特异性长度和单倍型特异性长度差异为确定人类是否具有染色体末端特异性端粒长度，研究团队分析了来自二倍体HG002细胞系的端粒，从HG002细胞系中分离DNA，并对端粒进行测序，将平均总长度为16.4 kb的reads映射到HG002参考基因组中，共有77个染色体末端通过质量筛选。结果显示，每条染色体的末端表现出不同的端粒长度分布；端粒中位长度为 4.7kb，有66个端粒的长度分布与均值有显著差异，平均长度差异超过6kb。除染色体末端特异性长度外，一些端粒在母系和父系单倍型之间也存在显著差异。上述结果表明，人类端粒具有染色体末端特异性长度分布。图3. 染色体末端特异性端粒长度4.染色体特异性端粒长度在个体间是保守的研究团队将150个个体的端粒序列与最近发布的泛基因组中的亚端粒序列进行了比对，将300个单倍体基因组的全基因组序列与3个高质量单倍体参考T2T基因组CHM13、HG002母基因组和HG002父基因组的序列进行比对，以确定每个参考基因组中相同亚端粒的可重复性。在所有reads中，87%在泛基因组和CHM13中定位到相同的染色体末端，90%在泛基因组和HG002母系中定位到相同的染色体末端，88%在泛基因组和HG002父系中定位到相同的染色体末端。这些数据表明，经Telomere Profiling检测的reads均可映射到一个特定的泛基因组染色体图谱，具有很高的可信度。研究团队建立了相对平均端粒长度，分析了147个个体PBMC样本每个染色体末端端粒长度，并根据端粒的相对长度对染色体末端进行排序。结果显示，17p、20q和12p往往是群体中最短的端粒，而4q、12q和3p往往是最长的端粒。因此，虽然在单个个体中可以看到端粒长度的单倍型特异性差异，但在整个群体中，某些染色体末端更有可能比总体平均值短，而其他染色体末端更有可能比总体平均值长。研究团队还分析了不同年龄段的样本，在婴儿脐带血样本发现了同样的端粒长度差异，说明随着年龄增长，端粒长度普遍缩短，但长度差异保持不变。这些结果表明，个体端粒长度的差异是在出生时就已存在，且在不同个体间是保守的。图4. 染色体特异性端粒长度在人群中是保守的综上所述，研究团队开发了一种简单通用的端粒富集分析方法Telomere Profiling，并跨越了广泛的年龄范围，基于该方法发现了染色体特异性和单倍型特异性的端粒长度分布，其中一些端粒长度之间存在显著差异，拓展了端粒长度的临床意义。综上，Telomere Profiling将帮助人们更深入地了解端粒生物学，并有望推动相关领域发展，从而有望找到治疗疾病的新方法。研究团队指出：“Telomere Profiling可使精确的端粒长度研究广泛应用于实验室、临床和药物发现工作中。因此，在未来的研究中，应该加强不同人群的检测，以证实某些染色体末端是否始终是最短的还是最长的。”原文链接：K. Karimian et al., Human telomere length is chromosome end–specific and conserved across individuals. Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado0431