Nature：端粒酶結構解析工作最新研究進展

　　端粒酶(Telomerase)主要負責合成能夠保護染色體末端完整性的DNA片段。最近發現的端粒酶復合體的組裝機制有望幫助我們更好地認識其結構以及相關的功能。

　　早期有關DNA復制機制的研究發現了一個驚人的現象，即細胞在每一輪分裂的時候都會讓染色體DNA的末端縮短一點點，如果放任不管，那么終究有一天，細胞里的DNA就會所剩無幾了。不過不用擔心，端粒酶可以解決這個問題。端粒酶是位于染色體末端的一種結構，它里面含有一系列的非編碼DNA重復序列(non-coding DNA repeat)，這些序列會隨著每一次復制而縮短，不過它們的犧牲是有價值的，可以保護染色體內部的編碼區不受細胞復制和分裂的影響。端粒酶在分裂迅速的細胞里主要起到了合成，并且維持端粒(telomeres)在一定長度的作用。后來又發現，端粒酶對于永生化的腫瘤細胞意義重大，因為它可以阻止腫瘤細胞的端粒因為細胞的快速復制分裂而縮短，這讓科研人員們異常興奮，他們認為終于找到了一種廣譜的抗癌作用靶標，于是就掀起了一股研究端粒酶復合體化學結構的熱潮。不過盡管經過了20多年的研究，還是有很多端粒酶的細節問題沒有弄清楚，Jiang等人在《自然》(Nature)上發表的文章總算是解決了這個問題。

　　端粒酶一直都是蛋白質結構研究領域里的一個大難題，這是因為在細胞中端粒酶的豐度非常低，而且端粒酶本身的結構也非常復雜。端粒酶是一種全酶(holo-enzyme)，由多個蛋白質亞基和一個在進化上相對保守的端粒酶RNA組成，端粒酶在細胞內的豐度很低，但是在細胞外又很難通過人工表達的方式獲得。所以結構生物學家一直都將研究的重點放在端粒酶中容易獲得的某些片段上，希望能夠窺一斑而知全貌。

　　很多前期的端粒酶結構研究工作采用的都是四膜蟲(Tetrahymena thermophila)這種模式生物作為研究材料。最近，對四膜蟲這種原生動物體內的天然端粒酶復合體開展的生物化學研究終于取得了突破，找到了構成端粒酶全酶的所有組成分子，填補了以往研究工作中的空白。有了這些分子，以及前人積累下的高分辨率的部分結構信息，Jiang等人通過電鏡(electron microscopy, EM)向我們展示了四膜蟲端粒酶的完整結構，也讓我們第一次看到了端粒酶的全貌。

圖1 端粒酶全酶簡明結構圖。Jiang等人通過電鏡發現端粒酶全酶主要由兩大部分組成，它們分別是核心催化組份和另外一端的輔助因子組份。其中p50蛋白則起到了連接這兩大組份的橋梁作用。

　　Jiang等人使用電鏡重建技術(EM reconstruction technique)首次解析出來的端粒酶全酶三維結構圖的分辨率達到了25埃米(?ngstr?m)。為了確定每一個組份在全酶中的精確位置，Jiang等人又采用精細的遺傳試驗技術和蛋白純化技術進行了更深入的研究。他們使用了各種能夠與端粒酶全酶中的某一些部位特異性結合的抗體作為實驗材料進行了試驗研究，這些抗體與端粒酶結合之后也能夠在電鏡下成像(與沒有抗體結合的圖像相比，在有抗體結合的部位圖像密度會更高一些)。他們還自己設計了一段RNA序列，以此來確定端粒酶本身攜帶的RNA片段在全酶中處于什么位置。這段人工RNA序列能夠與病毒的衣殼蛋白(coat protein)結合，也能夠起到類似于抗體的標記作用，在電鏡成像過程中顯示出來。在組成端粒酶全酶的7大蛋白組份中，除了一個蛋白之外，這些試驗工作足以確定另外6大蛋白組份，以及端粒酶RNA在端粒酶中各自所處的位置。

　　之前的生物化學研究表明，端粒酶至少從功能上可以分為兩大部分，即具有延伸端粒DNA片段功能的核心催化組份和能夠促進端粒DNA片段多次延伸的輔助組份。Jiang等人獲得的端粒酶三維結構圖也證實了這種觀點，從圖1中我們可以看出，端粒酶全酶主要由兩部分組成，其中一個部分就是由端粒酶RNA TER、p65和TERT等組份組成的核心催化組份，另外一個部分就是由p75、p19、p45和Teb1組成的輔助組份。Jiang等人提出了一個完整的催化核心結構模型，而且該模型也符合現有的亞基間相互作用試驗數據，這也從另外一個方面驗證了他們的試驗結果。

　　這個三維結構模型還給我們帶來了另外一個驚喜，我們發現在之前還沒有確定功能的p50組份蛋白在端粒酶全酶中實際上起到了“中間人”的作用，p50蛋白可以將催化組份和輔助組份連接起來，而且體外實驗還發現，p50蛋白對于端粒酶的活性也具有至關重要的決定性作用。這個意外的驚喜也肯定會讓p50蛋白成為未來端粒酶研究工作中的熱點。一定會有很多人熱衷于在其它的生物系統，比如脊椎動物和酵母中尋找類似于p50的蛋白，并且證實這些蛋白是否也和p50蛋白一樣具有促進多亞基復合物形成的作用。

　　Jiang等人得到的這份端粒酶全酶結構圖給我們獻上了一份出乎預料之外的大禮，也為未來的端粒酶全酶結構—功能研究工作打下了堅實的基礎。比如我們可以根據這份結構圖判斷應該研究端粒酶全酶中哪些RNA和蛋白質，以及蛋白質之間的相互作用位點。不過我們現在還不清楚四膜蟲端粒酶中的DNA處置因子(DNA-handling factors，即輔助組份)和核心端粒酶因子(core telomerase factors，即核心催化組份)之間的這種結構關系是不是也同樣適用于哺乳動物的端粒酶。最近得到的一份人類端粒酶全酶電鏡解析圖譜表明我們人類的端粒酶和四膜蟲的端粒酶還是有所區別的，我們人類的端粒酶可以形成一個有功能的二聚體。不過這份人體端粒酶的結構圖譜并沒有告訴我們任何有關人體端粒酶與已知的端粒酶相關DNA結合蛋白(telomerase-associated DNA-binding proteins)之間有什么相互作用。

　　如果要對端粒酶全酶的組裝過程以及功能進行一番徹底的了解，那么就一定需要有一份高分辨率的三維結構圖譜，從原子層面上去認識端粒酶組份蛋白、RNA以及DNA底物分子各自的作用。由于端粒酶的活性與腫瘤密切相關，所以對端粒酶的結構研究也有助于我們找到有價值的作用位點，針對端粒酶開發出高效的抗癌藥物。Jiang等人使用的這種電鏡重建技術是我們結構生物學研究領域中里程碑式的一項技術，它有助于我們解析其它多種重要蛋白的X線晶體結構(X-ray crystal structure)，比如對核糖體及RNA聚合酶的結構分析等。所以我們相信，在不久的將來一定可以得到一份更清晰的端粒酶全酶三維結構圖。