揭開植物端粒的“神秘面紗”

葉森木

摘 要： 端粒是構(gòu)成真核生物線狀染色體末端重要的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，DNA由簡單的串聯(lián)重復(fù)序列組成。端粒對(duì)染色體、整個(gè)生物基因組，甚至對(duì)細(xì)胞的穩(wěn)定都具有重要意義，它的作用發(fā)揮離不開端粒酶的作用。目前端粒研究的核心主要是在動(dòng)物細(xì)胞方面。文章就植物端粒、端粒酶及其在植物生長發(fā)育中的調(diào)節(jié)做概述。

關(guān)鍵詞： 端粒 端粒酶 端粒蛋白

1.引言

端粒是真核細(xì)胞線狀染色體末端特殊的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，端粒DNA與端粒結(jié)合蛋白一起形成特殊的“帽子”結(jié)構(gòu)維持染色體的完整。端粒DNA含有大量富含堿基G的簡單串聯(lián)重復(fù)序列，這些重復(fù)序列是由端粒酶來合成的。1939年Barbara McClintock[1]首先研究了玉米的染色體端粒，發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞分裂后期如果染色體在著絲粒發(fā)生斷裂，隨著復(fù)制的進(jìn)行，姐妹染色單體之間就會(huì)在斷裂末端融合形成具有雙著絲粒的染色體，雙著絲粒的染色體在以后的分裂中更容易發(fā)生斷裂。此后，有關(guān)端粒的研究在多種生物中展開，并逐漸證明端粒是染色體的保護(hù)帽，它通過避免染色體的末端融合、重組和外切酶的降解維持染色體的完整性，并在生物生長發(fā)育過程中扮演重要的作用。

2.植物中的端粒的結(jié)構(gòu)和功能

有關(guān)端粒在分子水平上的研究起始于20世紀(jì)70年代末期對(duì)四膜蟲染色體最末端的分析，發(fā)現(xiàn)其末端由串聯(lián)重復(fù)序列5′-TTGGGG-3′組成。以后的研究工作證明端粒結(jié)構(gòu)高度保守，幾乎所有真核細(xì)胞的染色體端粒都由簡單的富含G的重復(fù)序列組成，端粒位于真核細(xì)胞染色體的末端，由一個(gè)富含G的3′末端和互補(bǔ)的富含C的5′末端構(gòu)成，同時(shí)3′末端形成單鏈突出結(jié)構(gòu)，一般有12～16個(gè)堿基。

2.1端粒的核苷酸序列

Richards[1]（1988）第1次從擬南芥中分離得了真核生物的端粒的DNA序列，這段DNA序列包含有53個(gè)拷貝的7個(gè)核苷酸序列5′-TTTAGGG-3′。人類的端粒則有相關(guān)的6個(gè)核苷酸序列5′-TTAGGG-3′重復(fù)組成。有關(guān)研究已經(jīng)確證玉米的端粒含有同樣的重復(fù)序列。玉米、小麥、大麥、水稻和番茄的端粒重復(fù)序列都是5′-TTTAGGG-3′。已經(jīng)證明了在其他植物染色體末端的存在和擬南芥端粒重復(fù)序列5′-TTTAGGG-3′或其突變體構(gòu)成的簡單重復(fù)。

2.2端粒結(jié)合蛋白

端粒功能的實(shí)現(xiàn)不僅取決于特定的核苷酸重復(fù)序列，還需要通過與一些特殊的端粒結(jié)合蛋白結(jié)合實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的人類端粒結(jié)合蛋白有TRF1和TRF2。它們含有一個(gè)與瘤蛋白Myb高度同源的DNA結(jié)合域，其功能類似轉(zhuǎn)錄因子。TRF1通過抑制端粒酶活性調(diào)節(jié)端粒的長度，TRF2維持染色體的穩(wěn)定。

對(duì)于高等植物而言，在端粒結(jié)合蛋白中含有的類似Myb的基元被稱為“telobox”。目前已從玉米和擬南芥中獲得結(jié)合于端粒雙鏈區(qū)的蛋白。Kim在水稻中分離到只與富含G的單鏈端粒序列相互作用的3類端粒結(jié)合蛋白（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），它們對(duì)雙鏈和富含C的單鏈沒有親和性，故稱為水稻富含G鏈端粒結(jié)合蛋白（RGBP）。

3.端粒和端粒酶在植物生長發(fā)育中的調(diào)控作用

端粒酶是一種具有反轉(zhuǎn)錄活性的核糖核蛋白，不但可以維持已經(jīng)存在的端粒DNA，而且端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶能夠識(shí)別斷裂染色體的末端，重新將端粒重復(fù)序列加到染色體的斷裂末端或非端粒DNA上。端粒酶作用的發(fā)揮離不開蛋白質(zhì)亞基和RNA，RNA一般含有8到30個(gè)堿基為單位的與端粒重復(fù)序列互補(bǔ)的1.2到1.9個(gè)拷貝的重復(fù)可以作為合成端粒富含G鏈的模板。目前端粒酶的反轉(zhuǎn)錄酶亞基基因已經(jīng)從擬南芥中得到克隆。

Fitzgerd以幾種開花植物為材料研究了端粒酶體外合成端粒的方式，并根據(jù)端粒酶在合成端粒時(shí)對(duì)引物DNA的要求將端粒酶分為3類：第1類端粒酶要求RNA模板與引物具嚴(yán)格的Watson-Crick堿基配對(duì)，如大豆和胡蘿卜中的端粒酶。第2類端粒酶存在于擬南芥、玉米和花椰菜中。此類端粒酶通過將引物DNA的3′端定位于模板RNA的偏好位點(diǎn)有效延伸非端粒DNA的末端。第3類如高粱的端粒酶，引物可以結(jié)合于模板RNA不相鄰的位點(diǎn)上。

4.結(jié)語

端粒的穩(wěn)定，端粒功能的正常運(yùn)行與端粒酶、端粒結(jié)合蛋白，以及染色體損傷修復(fù)蛋白等的協(xié)調(diào)作用密切相關(guān)。在植物整個(gè)發(fā)育過程中端粒酶與發(fā)育時(shí)期、細(xì)胞的增生能力顯著相關(guān)。端粒長度的維持是一個(gè)受多基因控制的非常復(fù)雜的過程。除了端粒酶在其中發(fā)揮重要作用外，還涉及多個(gè)端粒結(jié)合蛋白和調(diào)節(jié)因子的參與，端粒的研究是近年來的研究熱點(diǎn)，大部分集中在動(dòng)物上。然而，對(duì)于植物的端粒長度的調(diào)節(jié)機(jī)制、端粒結(jié)合蛋白的功能、端粒酶活性的調(diào)控等的研究才剛剛起步。因此，對(duì)端粒結(jié)合蛋白、端粒酶，以及對(duì)其他相關(guān)蛋白找出對(duì)應(yīng)的突變體以分析其功能，必將是以后研究植物端粒及其功能的重點(diǎn)所在。

參考文獻(xiàn)

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