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解开衰老谜题第一步:科学家获得端粒酶高清3D分子结构

时间: 2018年05月02日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
人们对端粒功能的认识源自上世纪70年代。1973年,前苏联科学家Alexei Olovnikov提出端粒假说。细胞每经过一次分裂,染色体两端的端粒就会缩短。他据此推测,当染色体缩短到一定限度后

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人们对端粒功能的认识源自上世纪70年代。1973年,前苏联科学家Alexei Olovnikov提出端粒假说。细胞每经过一次分裂,染色体两端的端粒就会缩短。他据此推测,当染色体缩短到一定限度后,细胞将失去分裂能力。这是人类首次将端粒与衰老联系起来,也掀起了与端粒相关研究的浪潮。

到了1984年,加州大学伯克利分校的Carol Greider和Elizabeth Blackburn在单细胞生物四膜虫中首次发现,一种酶可以合成染色体末端的DNA、弥补细胞分裂对端粒的损耗,这种酶也被命名为端粒酶。

在生物体内,端粒酶的活性受到严格的调控。随后的研究发现,在人类和其他多细胞生物中,端粒酶主要在胚胎期和需要分裂增殖的细胞中表达,而在分化成熟的成体细胞中,端粒酶的活性已经丧失。因此,很多科学家认为,端粒酶的缺失是衰老的主要原因。

Greider和Blackburn的革命性的发现不仅让两位科学家在25年后获得诺贝尔奖,还让科学界及民众看到了延长寿命的曙光:如果我们能让端粒酶始终处于激活的状态,细胞就有可能实现无限复制。

然而,直至今日,对端粒酶的研究也没能给我们带来抗衰老药物,一个重要的原因就是我们对这种酶的了解还十分有限。今天,一篇发表于《自然》杂志的论文带来新的希望。同样来自加州大学伯克利分校的研究团队运用冷冻电镜技术,首次揭示人体中端粒酶的3D分子结构,端粒酶结构的破解将为靶向性药物的研发提供可能。

冷冻电镜下的高分辨率图像

加州大学伯克利分校的分子及细胞生物学教授Kathleen Collins已经在这一领域摸索了26年,她激动地表示:“这项研究持续了很长时间,在不懈的坚持努力下终于实现。”Collins和她的同事Eva Nogales共同领导了这项研究。

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Kathleen Collins(左)和Eva Nogales(右)

在过去30多年间,我们对端粒酶结构的认识十分有限,只知道它是由一个RNA骨架和6种不同的蛋白组成,但对于修饰RNA骨架的蛋白有多少个、端粒酶是独立执行任务还是连结成对的,此前我们一概不知。这让科学家很难“对症下药”,找到激活端粒酶的手段。

端粒酶研究的一大困难在于得到纯净的端粒酶分子。论文第一作者,加州大学伯克利分校的博士后Nguyen分离并纯化得到了纯度远超此前的端粒酶分子。此后,运用最先进的冷冻电镜技术,他们首次得到了活性端粒酶的清晰3D结构。作为去年诺贝尔化学奖表彰的技术,冷冻电镜可以帮助科学家得到无法结晶、无法使用X射线的复合物的结构。

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端粒酶的3D结构

在这项研究中,他们将人类端粒酶图像的分辨率提升了4倍,从此前的30埃发展到7~8埃(1埃=10-10米)。在高分辨率图像中,研究人员终于发现端粒酶的真正结构。Nguyen回顾起当时的情景:“当我第一次观察到端粒酶包含11个蛋白亚基时,我激动地喊道:‘哇,这就是它们组装在一起的方式!’。”

现在,研究团队正朝着将分辨率提升至3~4埃的目标努力,这一目标相当于碳原子直径的两倍,将为相关药物的设计提供足够的理论支撑。

端粒酶结构揭开罕见怪病机制

Nguyen说,他们新发现的结构仍然缺失精细的细节,但结合我们对人体端粒酶基因测序的数据,这一发现足以让科学家开始寻找抗衰老药物的潜在靶点。

尽管长寿药的研发还需大量研究,但这一发现已经为一类罕见病的研究带来重大突破。1999年,Collins发现了首例由端粒酶突变导致的人类疾病:角化不良蛋白的突变引发一种名为先天性角化不良的罕见疾病,患者出现贫血症及其他皮肤和肠道问题,并可能死于骨髓再生障碍。但是,对于端粒酶蛋白的突变是如何导致疾病的,人们始终没有答案。

Collins等人根据最新研究发现,正常情况下,两个角化不良蛋白附着在RNA骨架上,它们不仅需要向外延伸、与其他蛋白连接,还需要彼此接触。而导致疾病的突变阻止蛋白间的连接,从而削弱了RNA骨架的生存能力。一些先天性角化不良患儿的端粒酶含量只有正常人的25%,其寿命往往只有不到20岁。而端粒酶含量为正常人一半的患者,通常在中年时期遭遇健康危机。

Collins对这项发现感到十分兴奋。“当我决定研究这个分子时,我没想到它会是如此复杂,”Collins回忆起她开始从事这项研究时的情形,“1991年博士毕业时,我对端粒酶的工作机制产生了兴趣。那时,我在寻找一种简单的聚合酶系统,当我看到端粒酶时,我在想,天呐,没有比它还要简单的了。现在看来,当时我简直太天真了。”破解了“最简单的”端粒酶结构后,Collins还将向着更多复杂的酶发起挑战。

编译:吴非