改變教科書的新發現：尋求染色體不朽，但超越端粒酶

半個世紀前，科學家吉姆·沃森(Jim Watson)和阿列克謝·奧洛夫尼科夫(Alexey Olovnikov)各自意識到，我們的DNA復制存在一個問題。線性DNA復制的一個怪癖決定了保護染色體末端的端粒應該在每一輪復制中變得更短，這種現象被稱為末端復制問題。一個解決方案出現了:Liz Blackburn和Carol Greider發現了端粒酶，一種將端粒重復序列添加到染色體末端的酶。

洛克菲勒基金會的Titia de Lange說:“大家都以為案子結了。”

現在，發表在《Nature》雜志上的一項新研究表明，末端復制存在兩個問題，而不是一個。此外，端粒酶只是溶液的一部分——細胞也使用CST–Polα引物酶復合物，該復合物已在de Lange的實驗室進行了廣泛的研究。“幾十年來，我們認為我們知道端粒酶是如何解決末端復制問題的，”de Lange說。“事實證明，我們忽略了問題的一半。”

從DNA雙螺旋結構的描述開始，我們就知道DNA有兩條相反方向的互補鏈——一條從5 '到3 ';另一個從3 '到5 '。當DNA被復制時，兩條鏈被復制機制(也稱為復制體)分開。復制體不間斷地復制3 '到5 '鏈，這一過程被稱為先導鏈合成。但另一條鏈是由許多片段(岡崎片段)在短時間內向后合成的，這些片段隨后被縫合在一起。

這個過程相當直接，直到染色體的末端。當端粒復制時，前導鏈DNA復制應復制CCCTAA重復序列以生成TTAGGG重復鏈，而滯后鏈合成應相反，生成新的CCCTAA重復序列。末端復制問題的出現是因為前導鏈合成不能復制端粒的最后一部分，留下一個鈍的前導端粒，沒有它的特征和關鍵的3 '懸垂。端粒酶通過在端粒末端添加單鏈TTAGGG重復序列來解決這個問題。至于滯后鏈，DNA合成應該沒有問題。最后的岡崎片段可以從3 '懸挑的某個地方開始。

“DNA復制機制不能完全復制線性DNA的末端，就像你不能在腳下的地板上畫畫一樣，”de Lange實驗室的資深科學家、該論文的主要作者Hiro Takai說。

滯后鏈問題

就生物過程的描述而言，這個模型看起來無懈可擊。直到Takai在研究缺乏稱為CST–Polα引物酶復合物的分子機制的細胞時，有了一個驚人的發現。他和其他人之前已經證明，CST–Polα引物酶可以在端粒中補充被dna降解酶(即核酸酶)攻擊的CCCTAA重復序列。這個新數據揭示了一些意想不到的事情:不僅前導鏈需要幫助，他還發現了證據，證明后導鏈的末端也不能被復制體合成。

Takai的研究表明，末端復制問題比之前認為的嚴重兩倍，影響到DNA的兩條鏈。“結果與端粒復制的模型不相符，”de Lange說。“那時，我和Hiro意識到，要么是他的結果不對，要么是模型錯了。在我看來，他的結果似乎非常可靠，所以我們需要重新審視這個模型。”

de Lange聯系了Joseph T. P. Yeeles，他是劍橋分子生物學實驗室(沃森和克里克研究DNA雙螺旋結構的實驗室)研究DNA復制的生物化學家。Yeeles也認為，仔細觀察線性DNA模板末端的復制體是如何表現的是件好事。復制體能否如所提議的那樣，利用一個3 '的懸垂來制造最后的岡崎片段?

Yeeles的體外復制實驗結果非常清楚。復制體在3′懸垂處不產生岡崎片段;它實際上在前導鏈到達5 '端之前就停止了滯后鏈的合成。第二個末端復制問題意味著DNA的兩條鏈都會隨著每次分裂而縮短。端粒酶只阻止這種情況發生在前導鏈上，而Hiro的數據表明CST–Polα引物酶修復了第二個末端復制問題，即后鏈的問題。

在接下來的四年里，Takai設計了新的實驗來證實Yeeles在體內的發現。他能夠測量出由于鏈末端復制滯后問題而丟失了多少DNA，揭示了CST–Polα引物酶需要添加多少CCCAAT重復序列來保持端粒完整。

影響及未來方向

研究結果改變了我們對端粒生物學的認識，這需要對教科書進行修訂。但這些發現也可能具有臨床意義。遺傳CST–Polα引物酶突變的個體患有端粒紊亂，如Coats綜合征，其特征是眼睛紊亂，大腦、骨骼和胃腸道異常。通過更好地了解我們如何維持端粒，有一天我們可能會在解決這些毀滅性疾病方面取得進展。

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