2009年12月13日

諾貝爾生醫獎—端粒與端粒酶

作者/康繼之、張大釗(任職中央研究院原分所暨基因體中心)

端粒和端粒酶的功能在確保染色體DNA完整複製,與老化及癌症相關。三位科學家因解開其運作機制,獲今年諾貝爾生醫獎。

雖說眼見為憑,但自然界的事物往往和我們所看到的表象不同。例如看似海藻上的一塊岩石,可能是一條有毒的魚;在花園裡一朵美麗的花,可能是一隻等待著獵物的昆蟲;同樣的表象也發生在細胞中,負責人類遺傳訊息的染色體DNA看似是個靜止的結構,但其實染色體會隨著細胞的分裂不停運作,尤其是染色體的末端——「端粒」,更是不停地縮短與延長,過程中蛋白質與端粒反覆結合與分離,整體的端粒結構亦是快速地改變。

這個變化看似不起眼,卻牽連著細胞分裂過程中染色體DNA的完整複製,也同時關係著老化與癌症。伊莉莎白.布萊克本(Elizabeth H. Blackburn)、傑克.索斯塔克(Jack W. Szostak)以及卡羅.格雷德(CarolW. Greider)這三位美國科學家在端粒(telomere)與端粒酶(telomerase)的發現及研究,解答了DNA序列之所以能完整複製與預防分解的機制,而榮獲今年的諾貝爾生理醫學獎。

源自四膜蟲的發現

端粒與端粒酶的研究起源於1930年代,當時穆勒(Hermann Muller,1946年諾貝爾生醫獎得主)和麥克林托克(Barbara McClintock,1983年諾貝爾生醫獎得主)就發現染色體末端有種特殊的構造,似乎具有保護染色體的功能。穆勒結合希臘文中的「尾端」(telos)以及「部分」(meros)兩詞,成為目前我們所熟悉的「端粒」(telomere)這個名詞,並定義其為染色體末端的DNA序列。儘管穆勒等人已經發現,缺乏這個尾端的保護會導致染色體末端相連,而使細胞分裂異常,影響到細胞的存活,但當時對其作用機制仍然一無所知。

到了1978 年,布萊克本在研究四膜蟲(Tetrahymena,一種單細胞原生蟲)的染色體時,發現染色體的端粒是由一段重複的序列「TTGGGG」所組成;而索斯塔克則在1980 年發現,放入酵母菌的線狀質體會隨著時間快速地被降解。在1980年的一場會議上,布萊克本所發表的研究結果,吸引了索斯塔克的興趣,兩人因此展開合作。他們把從四膜蟲純化出的端粒序列「CCCCAA」放在線狀質體的末段,再將這樣的質體放進酵母菌中,驚奇地發現這些端粒序列能夠保護線狀質體的完整。尤其是端粒序列在跨物種間仍然能夠作用,更驗證了長期以來未能證實的端粒保護染色體之機制。後來科學家也證明在大部分物種中——從原生生物到動植物的染色體末端,都有端粒序列存在。【更詳細的內容,請參閱第480期科學月刊】

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