28載圓夢！兩座諾貝爾獎盃托起人類「青春之泉」

30多年前，加州大學伯克利分校的研究人員發現了端粒酶（telomerase），這是一種可以延長染色體末端並防止它們磨損的酶，推測其在抗衰老和癌症中可能有用，從此，全球掀起了一場激活或阻斷端粒酶活性的藥物研發熱潮。

至今為止，還未出現以端粒酶為基礎的抗衰老藥物（青春之泉）和抗癌藥物，直到今天，加州大學伯克利分校首次曝光人類端粒酶細緻分子結構，新葯篩選和智能設計的大門即將敞開。這篇重要性論文發表在《Nature》雜誌。

「為此，我們已經期待很久了，這其中是無數的堅持，」分子和細胞生物學教授Kathleen Collins說，她已經從事端粒酶研究快30年了。

Kathleen Collins

Collins和系裡的博後研究員Eva Nogales是文章的共同通訊作者。

「新結構的確認雖然仍缺乏更精細的細節，但結合人類端粒酶基因序列知識，也將提供足夠信息來幫助思考藥物的潛在靶點，」文章一作、Miller研究所博後研究員Thi Hoang Duong（Kelly） Nguyen說。

影響實驗進度的瓶頸是獲得這種複雜分子（被6種蛋白質修飾的RNA骨架）的純凈樣本。世界各地的實驗室都在爭論，端粒酶是以單體形式還是以雙連體形式工作，以及有多少蛋白參與了RNA骨架的修飾。

Nguyen取得成功的關鍵是她分離出了極佳活性的酶，再結合最先進的冷凍電鏡（Cryo-EM）明確活性端粒酶的結構。Cryo-EM的開發人員獲得了2017年諾貝爾化學獎，它被用於測定無法結晶和X-射線成像的分子結構。

「此前，人類端粒酶的最佳圖像解析度僅為30 ?，如今，我們用低溫電子顯微鏡獲得了大約7-8 ?解析度的結構，」Nguyen說。「我們看到了所有亞基的位置，數出來共計11個蛋白質亞基，我們終於恍然大悟，哇，原來端粒酶是這樣組裝在一起的。」

Nguyen、Collins和Nogales正積極努力爭取把解析度提升至3或4 ?（大約兩個碳原子的尺寸），這是藥物設計的理想解析度。

端粒酶結構與疾病

1999年，Collins發現了世上首個因端粒酶突變引起的人類疾病：先天性角化不良（dyskeratosis congenita，DC）。端粒酶組成部分「角化不良蛋白（dyskerin）」突變導致患者貧血，同時皮膚和腸道異常，經常死於骨髓衰竭。

最新文章解開了端粒酶組成蛋白突變導致疾病的機理，Collins說，RNA骨架上結合了2個dyskerin分子，它們不僅接觸其他蛋白網路，而且彼此接觸，基因突變阻止了這些接觸，削弱了RNA骨架在細胞內的存活能力。患有DC的兒童端粒酶水平僅約正常水平的25%，生存壽命不足20歲，而端粒酶水平約為正常一半的患者，中年才會出現健康危機。

Kathleen Collins團隊為終於確定了端粒酶結構而欣喜若狂，她們即將挑戰更高難度的與核糖體一樣複雜的、閱讀RNAs生產蛋白質的聚合酶。

「20多年前，當我決定研究端粒酶時沒想到這個課題竟然這麼複雜，」Kathleen說。「1991年我研究生剛畢業，想找一種簡單的聚合酶系統來理解核酸的相互作用，於是就選了端粒酶，我當時想，上帝啊，不可能有比它更簡單的了吧。我那時真是太天真了：）。」

端粒酶的歷史

20世紀70年代末，加州大學伯克利分校的Elizabeth Blackburn（現在是Salk生物學習研究所榮休所長），她和同事發現原生動物四膜蟲（Tetrahymena）的染色體末端被重複的DNA序列覆蓋，隨著端粒序列知識的破解，研究者們發現細胞每次分裂，多細胞生物組織的端粒就會變短。因為有端粒的保護，DNA鏈才能免受磨損。端粒的消耗被認為是保護機體免受癌症侵襲的一種策略。

1985年，伯克利的Blackburn和當時的研究生Carol Greider共同發現了為染色體末端添加DNA的端粒酶。2009年，Blackburn、Greider和另一名同事Jack Szosak因此共享諾貝爾生理醫學獎。

科學家們發現，人類和其他多細胞生物的端粒酶只在胚胎中表達，大多數成體細胞並不表達。這意味著，人一出生細胞的壽命就已預定。許多科學家認為，較短的端粒是造成衰老的主要原因。

1997年，當人類端粒酶蛋白實現初步描述時，Collins決定解析端粒酶的結構。她和她的同事已經發現並廣泛地描述了這種大型酶的許多組成蛋白，以及RNA骨架上的破碎的髮夾結構。但是有關這些組成部分是如何結合在一起的，許多實驗室的結果都互相矛盾。「解鈴還須繫鈴人」，這一謎團的答案註定屬於伯克利。

原文標題：

Cryo-EM structure of substrate-bound human telomerase holoenzyme

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！