醫學

端粒研究剛開端

端粒的研究引發治癒癌症與延長壽命的想像,但是其實相關的研究才剛起步。

撰文/龐中培

醫學

端粒研究剛開端

端粒的研究引發治癒癌症與延長壽命的想像,但是其實相關的研究才剛起步。

撰文/龐中培

重點提要
■染色體末端的端粒具有重複的DNA序列,能夠保護染色體不因為DNA複製的過程而縮短。
■端粒?可以在端粒的末端加上重複序列。在幹細胞、白血球與癌細胞等持續複製的細胞中,端粒?很活躍。
■端粒的長度並不能代表個體壽命的長短,不過它和體重一樣,可以當做健康的指標。

「你要問生命的秘密是什麼?但原則上我們已經知道生命的秘密了。」這是法國生物學家莫納德(Jacques Monod)在記錄分子生物學發展史的《創世第八天》中,對該書作者賈德森(Horace F. Judson)所說的話。莫納德因為發現了基因調控的方式,在1965年獲得諾貝爾生醫獎。自從1953年遺傳物質DNA的雙螺旋結構揭露以來,分子生物學的進展一日千里,莫納德的話很能代表當時一些科學家的樂觀看法。


不過,一門科學研究得越深入,所發掘到的問題往往越多。隨著DNA複製方式解開,證實當初對於雙股DNA複製半保留的說法正確,卻又引發新的問題。原來,DNA複製的時候,無法憑空開始,需要一段RNA做為引子,接在引子後端開始加入新的DNA,爾後這段RNA將會移除,造成最末端一段DNA成為單股。這種複製方式對於大部份原核生物來說,不成問題,因為它們的DNA是環狀的,合成的時候會繞一圈,接回一開始合成的地方。但是真核生物的染色體DNA是線狀的,俄國科學家奧洛夫尼可夫(Alexei Olovnikov)和華生(James D. Waston)在1970年代早期就指出,照這個方法,DNA每次複製之後,都會變短一點。長久下來,染色體中的基因也會跟著消失,這對生物是致命的傷害。但是,實際上並沒有觀察到這個現象,一定有某種機制來維持染色體的長度。


常有先見之明的美國科學家麥克林托克(Barbara McClintock,1983年諾貝爾生醫獎得主)在1930年代就以人為的方式打斷染色體,她發現染色體的斷裂端會彼此連接在一起,形成異常的染色體,但是完整的染色體不會有這種現象。她推測染色體的末端具有某種特殊的結構,能夠保護染色體,讓染色體不會彼此連接。現代遺傳學奠基者之一的繆勒(Hermann J. Muller,1946年諾貝爾生醫獎得主),在同年代也有類似的發現,他將染色體末端的特殊結構命名為端粒(telomere)。隨著分子生物學家的眼光逐漸從原核生物系統擴大到真核生物系統,端粒也越來越受到重視。


大膽的實驗,意外的發現

端粒是真核生物才有的結構,每個細胞中數量有限(人類細胞中不到100個),研究不易。1970年代中期,美國耶魯大學的蓋爾(Joseph G. Gall)發現,原生動物四膜蟲(Tetrahymena)有許多線狀核糖體DNA(ribosomal DNA,用以轉錄出核糖體中的核糖體RNA),兩端都有端粒(總數約有四萬個),就像是微小的染色體一樣,能夠複製。他的博士後研究員布萊克本(Elizabeth Blackburn)長於DNA定序,她發現四膜蟲的端粒DNA是重複數十次的TTGGGG序列。


這樣短的序列重複數十次,一般的生物科系學生都可以看出其中必有玄機。主要的問題有兩個,首先是功能問題:這樣的重複序列就能夠維持染色體的完整嗎?接下來是方式問題:四膜蟲核糖體DNA可以持續複製,並不會縮短,那麼這種序列重複的次數是如何維持的?首先需要解決第一個問題,因為這個問題的答案如果是否定的,那麼第二個問題的重要性便大為降低。


1980年,美國哈佛醫學院的索斯達克(Jack Szostak)在一場研討會上與布萊克本相遇。索斯達克研究的是酵母菌的遺傳學,他注意到線狀的DNA注入酵母菌後,很快就會被分解掉;四膜蟲核糖體DNA也是線狀的,在四膜蟲中卻安然無恙。於是他向布萊克本提議合作一個大膽的實驗:把四膜蟲核糖體DNA末端的重複序列接到其他的DNA兩端,然後送到酵母菌中,看看會如何?


會說這個實驗大膽,是因為酵母菌和四膜蟲雖然都是單細胞真核生物,親緣關係卻非常遠。前者是真菌,而後者屬於原生動物,而且具有兩個細胞核,小核中的基因負責生殖、大核中的基因負責代謝,線狀核糖體DNA就位於大核中。索斯達克說:「我們都不太認為這個實驗會成功,因為四膜蟲和酵母菌親源關係實在太遙遠了。不過,我們手上有所有必要的材料,而且實驗技術也很簡單,所以我們決定就來試試看。」實驗的結果卻是成功的,兩端具有TTGGGG重複序列的線狀DNA,能夠在酵母菌中維持並且複製,可見得端粒中的重複序列的確有維持染色體完整的功能。


索斯塔克的團隊更利用這樣的重複序列,創造出「人造染色體」。一段夠長的DNA只要具備染色體中心粒的結構、複製起始點、兩端加上端粒特有的重複序列,送入酵母菌細胞中,酵母菌就會視其為一般的染色體,不但能加以複製,在細胞分裂的時候也會分配到子代中。這項技術的發展讓科學家能夠操控如染色體那麼長的遺傳物質,對於基因組分析與定序而言是突破性的進展。


意料之外的發現還不只如此。兩端加上四膜蟲端粒重複序列的DNA送進酵母菌後,酵母菌會在這些外來線狀DNA的兩端,加上酵母菌染色體端粒特有的重複序列,而這個序列並非TTGGGG,不過也含有大量的鳥糞嘌呤鹼基(guanine,代號為G)。顯而易見的,細胞的某種機制會把重複的序列加到端粒上,好維持端粒的長度。找出執行這個機制的酵素,便是端粒研究下一個重要目標。


當時端粒的研究才剛起步,標準的實驗方法還在建立當中,在這樣薄弱的基礎之上,要找尋一種從來沒有見過、理論中的酵素,自然是一項艱鉅的任務。挑下重擔的是布萊克本的研究生葛瑞德(Carol W. Greider,目前是美國約翰霍普金斯醫學院教授)。奇蹟也好、巧合也罷,但主要的原因應該是努力不懈,她在1984年的耶誕節當天,確定了四膜蟲的萃取液中具有將TTGGGG序列重複加到端粒末端的活性。這種負責延長端粒長度的酵素稱為端粒末端序列轉移(telomere terminal transferase),簡稱端粒(telomerase),這是一類「含有RNA的反轉錄」。一般轉錄的過程是以DNA為模版,由RNA複製轉錄出RNA。反轉錄的過程則是倒過來,反轉錄以RNA為模板,合成出新的DNA。有些以RNA為遺傳物質的病毒,在複製的過程中,會以反轉錄將病毒自己的RNA反轉錄成DNA;再轉錄成RNA。不過端粒只會以自己具備的RNA當做模版,在DNA末端加上重複的序列,所以即使送入酵母菌中的線狀DNA兩端帶有四膜蟲的端粒重複序列,新加上的端粒序列卻是酵母菌的。


端粒的發現與研究,解釋了端粒保護染色體的方式:DNA的確會因為複製的過程而縮短,不過每次減少的都是端粒的重複序列。而端粒則可以把端粒減少的重複序列加回來,以維持端粒的完整。索斯達克的團隊也找到端粒無法作用的酵母菌突變株,這種酵母菌的染色體隨著每次細胞分裂,端粒就會越來越短,最後失去保護染色體的能力,酵母菌就會死亡。至此,端粒的基本功能和維持方式已經解開,索斯達克、布萊克本、葛瑞德因此在2009年獲頒諾貝爾生醫獎。


重要的酵素,未解的謎題

早在1960年代,美國生物學家黑弗利克(Leonard Hayflick)研究體外培養的人類細胞時,發現細胞最多只能分裂50次左右,之後就不再分裂,這個次數就稱為「黑弗利克極限」(Hayflick limit)。隨著端粒研究的進展,科學家發現人體內大部份的細胞中都沒有端粒的活性,或是活性非常微弱,因此細胞持續分裂、當端粒減短到某種程度,便開始老化,甚至進入細胞凋亡(apoptosis)的程序。但是,90%的癌細胞卻有端粒的活性,不受這種限制,得以無限分裂。


端粒與細胞壽命有關,也和人體壽命有關係,例如年長者的端粒平均來說,就比兒童的短,這樣的發現當然引起許多矚目,再加上端粒與癌症的關聯,使得這個領域在20年來蓬勃發展,每當有重大的發現,媒體便以聳動的標題,宣稱延長壽命的關鍵已經找到了。在癌症的治療方面,由於成人體內的細胞中除了少數種類(例如白血球、生殖細胞、幹細胞、毛囊細胞),端粒的活性大都很弱,因此端粒的抑制劑或許是理想的抗癌藥物... ...


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2011年第117期11月號】



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