把端粒看住嘍

by Mary K Miller，譯者：Madwater，自我簡介：1987年生人，07年畢業於西安交通大學，理工科的精壯猥瑣男，對英語比較喜歡。喜歡看書，類別不限。目前身在杭州。

作為端粒（端粒是染色體末端的一段DNA，影響著衰老和癌症。）研究者中的急先鋒，Elizabeth H. Blackburn 一直不走尋常路。出身於澳洲塔斯馬尼亞的醫生世家，她選擇了醫學科研而非行醫。她熱愛動物，並把它們當作天賜之寶，可是，她並沒有去研究它們，而是被細胞的化學機制深深地迷住了。在墨爾本大學的女子寄宿學院里，她以生物化學為專業。而等到1972年讀研究生的時候，她大膽選擇出國到劍橋大學讀書。在那裡她投入諾貝爾獎得主生物化學家Frederick Sanger 門下，沉浸於遺傳學之中。

在三年的劍橋生活之後，博士頭銜在手的Blackburn啟程去加州大學舊金山分校做博士後，方向是測定病毒的DNA序列。但是她未婚夫John W. Sedat 要去耶魯，於是她也換了研究課題，選擇了耶魯，從此點燃了她此生對端粒研究的熱情。

端粒（telomere）這一術語由美國二十世紀早期的遺傳學家Hermann J. Muller創造，來源是希臘文中表示「末尾」的telos和表示「部分」的meros。Muller 和 另一位美國基因學家 Barbara McClintock 各自獨立地提出了端粒對染色體具有保護作用這一理論，即端粒使得各個染色體彼此分開，否則的話沒有端粒的、赤裸的染色體末端很容易就會互相連接，把兩條長線般的染色體粘在一起。：「McClintock在20世紀30年代做出了了不起的工作，」Blackburn不無崇敬地寫道。在那時，連DNA都不為人所知，而McClintock卻「能在光學顯微鏡下觀察染色體並進行研究。她正確地推測，染色體的末端可以通過某種方式使得（染色體的）結構在複製中保持穩定。」在40年之後，當Blackburn決定將她在劍橋學到的DNA測序技術付諸實踐之時，她是當時唯一以端粒為研究方向的科學家。 「我當時想，啊，端粒會是什麼樣子的呢？沒人知道，也沒有什麼現成的假說。」

Blackburn和端粒及相關生物化學分支的相遇，開闢了她畢生的事業，使她倚身於世界頂尖細胞生物學家的行列。而目前在生物醫學中，端粒研究甚至比Blackburn當年所能想到的更為激動人心，也更為重要。在她30年的研究工作生涯中，Blackburn發表了超過120篇經同行評審的論文，在這個一度被冷落的領域裡的重大發現中扮演了關鍵的角色。而在遲到了15年之後，她也作為一群年輕科學家的導師加入了加州大學舊金山分校的教研隊伍，來到了她最初想去的地方。她和她過去與現在的學生一起，為闡釋端粒在諸多方面的作用機理做出了貢獻，包括它如何保護染色體不受傷害，如何調控細胞的分裂和死亡，以及它在衰老和相關疾病中的作用。

因為Blackburn做出了具有創造性和突破性的工作，她為同行們所賞識，並獲得盛讚。她現在是美國國家科學院的院士，同時被英國皇家學會和美國科學促進會選為會員。她還在小布希總統的第一任期內為總統顧問班子工作，卻在2003年因為對衰老和幹細胞研究的報告持有公開異議而被解僱；當時她覺得這份報告不僅有失偏頗，而且對他們所調查的科學領域反映得也不準確。今年（2005年——校對者注）四月，因為生命科學領域的研究，她又被久負盛名的費城弗蘭克林研究所授予了Benjamin Franklin 獎章；該獎每年頒發一次，被視作美國國內給予一名科學家的無上榮譽。科學界中該獎獲得者有許多要不曾獲諾貝爾獎，要不在此之後獲授諾貝爾獎。

不過在Blackburn職業生涯的前十年，她的艱苦工作並不為人所知。在耶魯做博士後研究員時，她加入了細胞生物學家Joseph G. Gall的實驗室。Gall在當時已經看到了四膜蟲（一種生活在池塘里的、單細胞纖毛原生動物）作為模式生物的研究價值。就像包括人類在內的所有真核生物（細胞中有細胞核的生物）一樣，四膜蟲的染色體也是線狀的。而使得這種原生纖毛蟲與眾不同的是它們染色體的龐大數量：僅僅在它的一個細胞內就有40000條染色體，而在人類的每一個體細胞中只有46條染色體。數量充足的染色體末端使得它成為了研究端粒的理想生物，所以Blackburn開始了檢測它們基因序列的工作。

她的發現十分有意思：四膜蟲的端粒DNA是由重複出現的又短又簡單的核酸序列構成的。相比之下，能夠用來合成基因的DNA則是由更長更複雜的核酸序列組成的。不久她和其他的研究人員在其他生物的端粒DNA序列中發現了類似的重複DNA片段，當然這些片段重複的次數在不同物種間並不一樣。比如四膜蟲端粒中TTGGGG這樣的小片段重複出現了50次左右，而在人類中，TTAGGG這個序列則重複了大約2000次。（T，A和G依次分別代表三種不同的核酸組分： 胸腺嘧啶，腺嘌呤，鳥嘌呤）

這一現象和其他一些實驗結果使得Blackburn開始懷疑這些簡單的序列是有著更複雜的作用的，而且細胞中有些其他的東西在控制著端粒。而她的同事對此卻並不感冒，只是出於禮貌而維持著興趣，甚至在她研究這些序列如何能隨時間推移而保持原樣時也還是這樣。對此Blackburn回憶道「當我們在會上介紹我們的工作時，我總是在全天的最後一個環節上最後發言的那一個。」

自從McClintock 的時代起，生物學家都不加質疑地相信，端粒通過某種方式包住染色體的末端，就好像塑料小管包住鞋帶的末端，使得鞋帶不至於鬆開一樣。因為細胞通常對於檢測和修復其染色體的斷裂處相當警覺，這就使得細胞有可能把一條沒有被端粒所保護的染色體末端錯誤地當作斷口，而試圖把它和另一條染色體的末端結合起來。端粒的作用就是防止這種錯誤的發生。Blackburn當時下決心要找出端粒是怎麼做到這一點的，但是在她真正找到足夠多的線索來描繪這一過程之前，她還有許多年的工作要做，而且這一課題至今仍有很多未知之處。

「我們現在認為，染色體的末端能通過某種方式變得使細胞（普通的修補和複製的機制——校對者）對它們『視而不見』」Blackburn說，「細胞其實能看到這些末端，它們並不是被藏起來了——我們迄今為止還不清楚這些末端是怎麼做到這一點的——但是細胞認出它們後，將會做出對於端粒適合的特定反應（而不是對一般性斷口的反應—譯者注）。這是一個相當動態的過程，而不是像鞋帶頭的保護保護鞋帶一樣是被動的，這一切大大出乎了我們的意料。」

另一個細胞學謎團是：端粒是如何保持長度從而保持自身功效的。在20世紀70年代早期，生化學家就認識到，通常DNA的複製進程並不能一直持續到染色體的最末端。因此在每一次的染色體複製和細胞分裂之後，理論上來說端粒都應該變得短些。如果沒有任何東西來阻止這個過程，那麼端粒一再縮短將使得有基因的序列在染色體的複製和縮短中受到損害，這樣細胞就會死掉。而實際上，細菌的細胞系可以存活並分裂數千代，於是染色體變短的現象就成了「末端複製難題」。

關於細胞如何解決這一問題，一度有許多推測，但是卻沒人能以實驗來解釋。 「在生物裡頭，要紙上談兵、提出假設很容易，」Blackburn說，「但真正重要的是，能否在試管里證明這一機制確實存在。」所以在20世紀80年代中期，Blackburn作為加州大學伯克利分校一所實驗室的負責人，和一位矢志不渝的研究生Carol W. Greider一起，又回過頭去研究四膜蟲，試圖弄清楚細胞是如何保存它們的端粒的。「我們通常認為遺傳物質是神聖不可侵犯的，」Blackburn說，「但是四膜蟲能把它們的體細胞（非生殖細胞）中的染色體切斷，並往末端加入新的DNA重複序列。」

Blackburn 假設在四膜蟲的細胞內有一種未被發現的酶，這種酶能合成新的端粒DNA序列。另一種能合成DNA的酶已經為人所知，就是DNA聚合酶。但DNA聚合酶是以雙螺旋中的一股DNA為複製模版來生成一條新的DNA的，新DNA與原版呈互補關係。（螺旋形DNA 中的核酸總是和與之互補的核酸配對出現，比如腺嘌呤和胸腺嘧啶， 胞嘧啶和鳥嘌呤）

而Blackburn與Greider 假想中的這種「端粒酶」則與之不同。這種酶不是依靠模版組裝新序列，而是從無到有地構建出端粒的序列。為了找到這種酶，Greider 將實驗室合成的人造端粒與四膜蟲細胞的提取物進行混合。根據Greider和Blackburn的推斷，只有在四膜蟲提取物中確實含有這種假想端粒酶時，這種人造端粒才會增長。讓她們感到高興的是，這種人造端粒的DNA確實變長了，為這種端粒酶的存在提供了佐證。

她們新發現的酶是一種非比尋常的分子複合物。就像所有的酶一樣，端粒酶中含有蛋白質，但它同時還含有一段RNA單鏈，一種近似DNA的化學物質。Blackburn對此如此解釋：「端粒酶是RNA和蛋白質協作的結果。」這兩者究竟是如何協作的，沒人知道，但是我們知道RNA的作用正是編碼那些被拼接到端粒DNA的末端上的片段。這樣，端粒酶就能對在細胞分裂中丟失的小段端粒進行恢復。

這個發現很令人吃驚，Blackburn回憶道，「因為人們曾認為，只有像艾滋病毒這樣的壞傢伙才會進行RNA到DNA的轉錄，而現在有種分子也能這麼干，但卻不是去搞破壞，而是發揮使生命延續所必需的關鍵的作用。」現在她懷疑這種端粒酶是一種來自於遠古的分子，是那個由RNA，而非蛋白質和DNA所主導的前生命時代留下的遺產。

既然證實了她們所要的分子確實存在，Blackburn和同道們就可以開始仔細研究端粒酶在細胞中是如何運作了。從20世紀60年代的工作中人們得知，體外培養的人類細胞與單細胞生物的細胞不同，只有很短暫的生命期。分裂大約20至50次（通常認為具體次數和細胞類型高度相關）之後，人類細胞就停止分裂，進入了衰老的靜態階段。那麼端粒是否可能像鐘錶一樣來提醒細胞何時大限將至呢？

Gredier於1988年離開了Blackburn位於伯克利的實驗室，前往紐約長島的冷泉港實驗室去做博士後研究員。在那裡她發現實驗室培育的人類皮膚細胞每分裂一次，端粒就變得短些。這就使得那個假設站住了腳：變短的端粒對於細胞來說是個信號，告訴細胞它的遺傳物質已經老化並且有可能喪失完整性。簡短來說，變短的端粒就像煤礦里的金絲雀*一樣提醒細胞：再繼續分裂下去就危險啦。

Greider的發現引出了這樣的猜想：端粒酶的基因在正常細胞內是不執行任務的；它只在那些活躍分裂的細胞中處於激活狀態，比如在免疫細胞和生殖細胞內。 「我們現在知道在幾乎所有細胞內都有微量的端粒酶來保護端粒，」Blackburn說，「但是卻不足以跟上其變短的步伐。」她又補充道：「隨著時間的推移，端粒最終會逐漸耗盡。」

有趣的是人類的端粒長度也因人而異。比如那些百歲老人的端粒長度就超出人們的預料。較長的端粒是否保護著那些長壽的人呢？畢竟耄耋之人之所以能活得更久，有部分原因便是他們能逃過許多讓同齡人無法幸免於難的病症。也許正是穩健的端粒和額外的端粒酶幫助他們去對抗心臟病及其他疾病。

端粒，疾病和衰老這三者之間的聯繫在2001年得到了確認：人們發現一種名為先天性角化不良**的疾病是由基因變異引起的。在這種病人身上，編碼端粒酶的基因只剩一個拷貝（我們身上大多數基因都有兩個拷貝，一個來自父親，另一個來自母親——校對者），所以他們的端粒很快變短。他們表現出某些早衰的跡象，比如少年時期就頭髮花白，但是最可怕的是他們通常在成年初期或中年就因骨髓功能衰竭而喪失對感染的抵抗力，最終死亡。 「這令人震驚，它提醒我們免疫細胞需要自我更新和大量端粒酶。」Blackburn說。當免疫細胞遇到抗原時必須要大量複製自己，如果沒有足夠的端粒酶，這些細胞沒等到戰勝抗原就被自己分裂死了。

一但清楚了端粒變短會影響衰老，而長端粒可能通過某種方式使人長壽，Blackburn的同事們就開始關注這事了。一度平靜的領域炸了鍋，在醫學和生物學期刊中對「端粒酶」的引用也暴增。當大家都開始研究端粒和端粒酶之後，關於疾病和衰老奧秘的新發現也不斷浮出水面。在對抗人類所面臨的數種最頑強的痼疾方面，它們已經成為了開發新療法的潛在推動力。

最近人們發現變短的端粒不一定會馬上導致細胞死亡，甚至也不一定會導致細胞活力喪失；更重要的則是細胞核中的端粒酶是否足夠挽救和保護剩餘的端粒末端。不同尋常的是，足夠的端粒酶正是癌細胞突破正常的細胞衰老這道基因防禦機制的關鍵之一。

在惡性腫瘤中，失控的癌細胞可以無限分裂和增殖，成為不死之身，將原本供給健康組織養分資源全盤吸收。在20世紀90年代，Greider和其他人發現癌細胞中的端粒酶濃度是正常細胞中的一百倍。高濃度的端粒酶在實驗室培養的癌細胞系中和在體內的卵巢腫瘤中都有發現。

在癌細胞走向惡性的過程中，它們在端粒短到不足以維持細胞分裂之前就以某種方式激活了端粒酶的基因。令人驚訝的是，癌細胞的端粒卻往往比周圍細胞里的要短很多，這證明早在端粒酶補充完畢並重新發揮其關鍵作用之前，癌細胞就已經開始以極危險的速度進行自我複製，而它們的端粒也早已開始變短。如果能以某種方式將端粒酶進行滅活處理，那麼就能在惡性腫瘤擴散到身體其他部分，產生新的惡性腫瘤並造成重大損害之前就阻止住它。（儘管如此，Blackburn仍懷疑癌細胞也許還能以別的方式來阻止端粒縮短。）所以，在癌症治療中，阻斷端粒酶的合成是個頗具吸引力的目標，若是能避開諸如免疫細胞這樣需要靠端粒酶來保持機體健康的細胞，而去瞄準特定的組織的話，就更誘人了。對於Blackburn實驗室的研究人員和其他大學裡或生物公司里的遺傳學家來說，研製端粒酶阻斷劑都已成為研究中新湧現的重要任務。

癌症絕不是唯一一個與端粒長度相關的細胞破壞者。2004年Blackburn與加州大學舊金山分校一名精神病醫生，同時也是她臨床上的同事Elissa S. Epel共同測試心理壓力在細胞層面上對衰老產生的影響。 「我們是從（Epel的）觀察開始著手研究的。她發現生活中長期承擔壓力、處於焦慮狀態中的人們看起來老態龍鍾，分外憔悴，」Blackburn說，「但我們可不知道這是否會影響到細胞中的端粒。這沒人說得准，所以我就說，我們何不研究一下呢。」

Blackburn，Epel以及鹽湖城猶他大學的遺傳學家M. Cawthon共同主導了一項研究，對象是39名20到50歲不等的女性，她們都一直照料一名患有嚴重慢性病的兒女，比如孤獨症或腦癱患兒。該研究將這些很可能承受高壓力的女性與19名子女健康的母親所組成的對照組進行比對。對壓力大小的量化以實驗組中每位女性所照料患兒的年份長短為部分依據，也結合了其他客觀指標，譬如所謂的氧化應激***（即由「自由基****」導致的DNA損傷），而這也是心血管病的主要危險因素之一。

研究者們發現，端粒縮短狀況與該女性照顧患兒的年份長短之間具有清晰的關係。而且，承壓大的女性白細胞中的端粒酶濃度也較低，氧化應激情況也更嚴重。研究者們進一步發現，依照Cohen感知壓力表（這是一種主觀性的問卷，包括十個問題）進行測算的話，實驗組中女性主觀上感受到的壓力值也和血液細胞中較低的端粒酶濃度以及較短的端粒相關，而不管一名女性的孩子患病與否，這個發現都適用。「我們原本沒指望能發現這麼清晰又全面的聯繫，」Blackburn說，「Elissa精心策划了這項漂亮的研究，實驗組和對照組都設計控制得很好，而且壓力和端粒長度之間的聯繫又確實站得住腳。」換句話說就是：女性自己感覺到的自身壓力大小和她體內細胞的反應有關係。就Blackburn和Epel所知，這一實驗結果首字在細胞層面上建立起了精神和身體之間的紐帶關係。

「當然，我們現在想了解的是，到底壓力是如何影響細胞的，」Blackburn說，「壓力使得血液中的荷爾蒙發生變化，改變了血細胞所處的環境。這就是我們實驗室現在想努力弄清楚的事情：到底是什麼影響到了端粒酶。」

Blackburn將她的成功大部分歸功於充滿支持的研究環境，以及伴隨而來的、能夠為滿足好奇心而從事科學研究的機會。「謝天謝地我沒幹工業，」她說，「搞工業確實能做出很棒的研究，但是你就只能奔著特定目標幹下去。（在大學裡）我當然也是追求著具體的目標，但是可以更有創造力。」

她一直看重科學研究中的導師——對她而言，就是劍橋大學的Sanger和耶魯大學的Gall。「Sanger的支持並不張揚，」她說，「他很喜歡待在實驗室里，也喜歡談談科學。我總能和他說上話，這一點很重要。」而Gall也給予了同等的支持。「Joe Gall所帶的女性博士后里，有不少人都幹得相當不錯，他因此很出名。」Blackburn說，「如果他之前的學生或者博士後取得了終身教職，他總會在實驗室里宣布一下。Joe知道傳播積極信息的重要性。」

當輪到她自己的時候，Blackburn對於擔任導師一事相當認真，對女性科研者尤其如此。「Carol Greider向我坦言，我有了孩子這事對她激勵不小，」Blackburn回憶起來，「科研並不意味著你得犧牲你的生活，你可以聰明高效的取得成功，而不用總是加班加點，佔用周末時間。明白這一點很重要。」

當提及她實驗室工作將來在端粒酶研究上的方向時，Blackburn想到兩種可能：「我想要深入地研究染色體，真正從結構上和功能上了解圍繞著端粒究竟發生了什麼。這是個活躍而穩健的過程，就好像鬧哄哄的集市一樣，各種各樣的分子你來我往。我很樂意去了解其中的動態。」但是對她來說同等重要的是，這些深層次的知識應該被「用在治癒病人上。這些知識能為了解病因做些什麼？這些知識將如何被用來應對癌症，長期壓力以及心臟病呢？「我們想利用關於端粒酶和端粒的知識從細胞層面去開發各種療法。」她說。毫無疑問，這是個雄心勃勃的目標，但是既然Elizabeth Blackburn已經推動端粒研究到達如此地步，這也必將是她的囊中之物。

附註1 煤礦里的金絲雀： 舊時礦井借用金絲雀對危險氣體的敏感度來提醒作業人員井下是否具備安全作業條件。

附註2 先天性角化不良是一種少見的遺傳性皮膚病，以皮膚表現為特點、可發展成骨髓再生障礙或腫瘤的多系統性疾病。

附註3 氧化應激（Oxidative Stress，OS），體內氧化與抗氧化作用失衡，傾向於氧化，產生大量氧化中間產物。被認為是導致衰老和疾病的一個重要因素。

附註4自由基：機體氧化反應中產生的有害化合物，具有強氧化性，可損害機體的組織和細胞，進而引起慢性疾病及衰老效應。當一個穩定原子的原有結構被外力打破，而導致這個原子缺少了一個電子時，自由基就產生了。它很容易與其他物質發生化學反應。生物體系主要遇到的是氧自由基。體內活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信號傳導過程。但過多的活性氧自由基就會有破壞行為，導致人體正常細胞和組織的損壞，從而引起多種疾病。

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