揭开植物端粒的“神秘面纱”

叶森木

摘 要： 端粒是构成真核生物线状染色体末端重要的DNA-蛋白质复合结构，DNA由简单的串联重复序列组成。端粒对染色体、整个生物基因组，甚至对细胞的稳定都具有重要意义，它的作用发挥离不开端粒酶的作用。目前端粒研究的核心主要是在动物细胞方面。文章就植物端粒、端粒酶及其在植物生长发育中的调节做概述。

关键词： 端粒 端粒酶 端粒蛋白

1.引言

端粒是真核细胞线状染色体末端特殊的DNA-蛋白质复合体，端粒DNA与端粒结合蛋白一起形成特殊的“帽子”结构维持染色体的完整。端粒DNA含有大量富含碱基G的简单串联重复序列，这些重复序列是由端粒酶来合成的。1939年Barbara McClintock[1]首先研究了玉米的染色体端粒，发现在细胞分裂后期如果染色体在着丝粒发生断裂，随着复制的进行，姐妹染色单体之间就会在断裂末端融合形成具有双着丝粒的染色体，双着丝粒的染色体在以后的分裂中更容易发生断裂。此后，有关端粒的研究在多种生物中展开，并逐渐证明端粒是染色体的保护帽，它通过避免染色体的末端融合、重组和外切酶的降解维持染色体的完整性，并在生物生长发育过程中扮演重要的作用。

2.植物中的端粒的结构和功能

有关端粒在分子水平上的研究起始于20世纪70年代末期对四膜虫染色体最末端的分析，发现其末端由串联重复序列5′-TTGGGG-3′组成。以后的研究工作证明端粒结构高度保守，几乎所有真核细胞的染色体端粒都由简单的富含G的重复序列组成，端粒位于真核细胞染色体的末端，由一个富含G的3′末端和互补的富含C的5′末端构成，同时3′末端形成单链突出结构，一般有12～16个碱基。

2.1端粒的核苷酸序列

Richards[1]（1988）第1次从拟南芥中分离得了真核生物的端粒的DNA序列，这段DNA序列包含有53个拷贝的7个核苷酸序列5′-TTTAGGG-3′。人类的端粒则有相关的6个核苷酸序列5′-TTAGGG-3′重复组成。有关研究已经确证玉米的端粒含有同样的重复序列。玉米、小麦、大麦、水稻和番茄的端粒重复序列都是5′-TTTAGGG-3′。已经证明了在其他植物染色体末端的存在和拟南芥端粒重复序列5′-TTTAGGG-3′或其突变体构成的简单重复。

2.2端粒结合蛋白

端粒功能的实现不仅取决于特定的核苷酸重复序列，还需要通过与一些特殊的端粒结合蛋白结合实现。目前已经发现的人类端粒结合蛋白有TRF1和TRF2。它们含有一个与瘤蛋白Myb高度同源的DNA结合域，其功能类似转录因子。TRF1通过抑制端粒酶活性调节端粒的长度，TRF2维持染色体的稳定。

对于高等植物而言，在端粒结合蛋白中含有的类似Myb的基元被称为“telobox”。目前已从玉米和拟南芥中获得结合于端粒双链区的蛋白。Kim在水稻中分离到只与富含G的单链端粒序列相互作用的3类端粒结合蛋白（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），它们对双链和富含C的单链没有亲和性，故称为水稻富含G链端粒结合蛋白（RGBP）。

3.端粒和端粒酶在植物生长发育中的调控作用

端粒酶是一种具有反转录活性的核糖核蛋白，不但可以维持已经存在的端粒DNA，而且端粒酶反转录酶能够识别断裂染色体的末端，重新将端粒重复序列加到染色体的断裂末端或非端粒DNA上。端粒酶作用的发挥离不开蛋白质亚基和RNA，RNA一般含有8到30个碱基为单位的与端粒重复序列互补的1.2到1.9个拷贝的重复可以作为合成端粒富含G链的模板。目前端粒酶的反转录酶亚基基因已经从拟南芥中得到克隆。

Fitzgerd以几种开花植物为材料研究了端粒酶体外合成端粒的方式，并根据端粒酶在合成端粒时对引物DNA的要求将端粒酶分为3类：第1类端粒酶要求RNA模板与引物具严格的Watson-Crick碱基配对，如大豆和胡萝卜中的端粒酶。第2类端粒酶存在于拟南芥、玉米和花椰菜中。此类端粒酶通过将引物DNA的3′端定位于模板RNA的偏好位点有效延伸非端粒DNA的末端。第3类如高粱的端粒酶，引物可以结合于模板RNA不相邻的位点上。

4.结语

端粒的稳定，端粒功能的正常运行与端粒酶、端粒结合蛋白，以及染色体损伤修复蛋白等的协调作用密切相关。在植物整个发育过程中端粒酶与发育时期、细胞的增生能力显著相关。端粒长度的维持是一个受多基因控制的非常复杂的过程。除了端粒酶在其中发挥重要作用外，还涉及多个端粒结合蛋白和调节因子的参与，端粒的研究是近年来的研究热点，大部分集中在动物上。然而，对于植物的端粒长度的调节机制、端粒结合蛋白的功能、端粒酶活性的调控等的研究才刚刚起步。因此，对端粒结合蛋白、端粒酶，以及对其他相关蛋白找出对应的突变体以分析其功能，必将是以后研究植物端粒及其功能的重点所在。

参考文献

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