編者按：我們釋出了這篇 1996 年 2 月刊《大眾科學》文章的主要內容，供所有讀者閱讀，因為作者榮獲了 2009 年諾貝爾生理學或醫學獎。數字檔案訂閱者可以獲取 完整 PDF 版本，其中包含完整的藝術作品和說明。
自然界中的事物往往並非表面看起來那樣。海底的一塊岩石可能是一條有毒的魚；花園裡一朵美麗的花可能是一種肉食性昆蟲，正在等待獵物。這種具有迷惑性的外表也延伸到細胞的某些組成部分，包括染色體——包含基因的線性 DNA 鏈。曾經，染色體末端的 DNA 似乎是靜態的。然而，在大多數已被研究的生物體中，末端（稱為端粒）實際上是不斷變化的；它們反覆縮短和延長。
在過去的 15 年中，對這種意外變化的調查產生了許多令人驚訝的發現。特別是，它促成了對一種名為端粒酶的特殊酶的鑑定，該酶作用於端粒，並被認為對於維持許多人類癌症是必需的。後一個發現引發了許多猜想，即能夠抑制該酶的藥物可能對抗多種惡性腫瘤。這項研究也開啟了一種可能性，即端粒長度隨時間的變化有時可能在人類細胞的衰老中發揮作用。
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現代人對端粒和端粒酶的興趣源於 20 世紀 30 年代兩位傑出的遺傳學家進行的實驗：當時的密蘇里大學哥倫比亞分校的芭芭拉·麥克林托克和當時的愛丁堡大學的赫爾曼·J·穆勒。兩位研究人員分別使用不同的生物體進行研究，都意識到染色體的末端帶有特殊的成分，可以提供穩定性。穆勒創造了“端粒”一詞，源自希臘語的“末端”（telos ）和“部分”（ meros ）。麥克林托克指出，如果沒有這些末端帽，染色體會相互粘連，發生結構變化，並在其他方面表現異常。這些活動威脅到染色體以及容納它們的細胞的生存和忠實複製。
然而，直到 20 世紀 70 年代，才確定了端粒的精確組成。1978 年，我們中的一位（布萊克本），當時與耶魯大學的約瑟夫·G·加爾合作，發現 四膜蟲（一種纖毛單細胞池塘生物）中的端粒包含一個非常短的簡單核苷酸序列—— TTGGGG —反覆重複。（核苷酸是 DNA 的構建基塊；它們通常表示為代表化學鹼基的單個字母，這些化學鹼基區分一個核苷酸與另一個核苷酸。T 核苷酸中的鹼基是胸腺嘧啶；G 核苷酸中的鹼基是鳥嘌呤。）
此後，科學家們對包括動物、植物和微生物在內的多種生物體中的端粒進行了表徵。與 四膜蟲 一樣，幾乎所有端粒——包括小鼠、人類和其他脊椎動物的端粒——都包含重複的短亞單位，這些亞單位通常富含 T 和 G 核苷酸 [參見羅伯特·K·莫伊斯撰寫的“人類端粒”；《大眾科學》，1991 年 8 月]。例如，人類和小鼠的端粒以序列 TTAGGG 為特徵；線蟲的端粒以 TTAGGC 為特徵。（ A 代表腺嘌呤， C 代表胞嘧啶。）
當端粒長度的比較表明這種酶可以解決生物學中長期存在的難題時，今天備受關注的端粒酶就被發現了。到 20 世紀 80 年代早期，研究表明，由於某種原因，端粒中重複亞單位的數量在生物體之間甚至同一生物體中的不同細胞之間都存在差異。此外，在給定的細胞中，數量可能會隨著時間的推移而波動。（然而，每個物種都有一個典型的平均值。在 四膜蟲 中，平均端粒有 70 個重複；在人類中，有 2,000 個。）觀察到的異質性促使已搬到加州大學伯克利分校的布萊克本、哈佛大學的傑克·W·紹斯塔克和伯克利的珍妮絲·尚帕伊提出了一個解決所謂的末端複製問題的新方案。
這個問題與細胞每次分裂時都必須準確複製其基因有關，以便每個所謂的子細胞都能獲得完整的基因組。如果沒有完整的基因組，子細胞可能會發生故障並死亡。（基因是產生蛋白質和 RNA 的核苷酸序列，RNA 是執行大多數細胞功能的分子。染色體中的基因分散在染色體的兩個端粒所界定的廣闊 DNA 範圍內。）
1972 年，在哈佛大學和冷泉港實驗室工作的詹姆斯·D·沃森指出，複製 DNA 的酶 DNA 聚合酶無法將線性染色體一直複製到末端。因此，複製機制必須在末端（端粒的一部分）留下一個小區域未複製。從理論上講，如果細胞沒有辦法補償這種怪癖，染色體就會隨著每一輪細胞分裂而縮短。最終，侵蝕將消除端粒和某些細胞世代中的關鍵基因。因此，這些細胞將滅亡，這意味著該細胞譜系的終結。顯然，所有受這種縮短影響的單細胞物種都設法抵消了它，否則它們早就消失了。生殖系細胞（例如精子和卵子的前體）也是如此，它們在多細胞生物中延續物種。但是，這些細胞如何保護它們的端粒呢？
對於布萊克本、紹斯塔克和尚帕伊來說，觀察到的端粒長度波動表明細胞試圖將端粒維持在一個大致恆定的大小。是的，端粒在細胞分裂過程中確實會縮短，但它們也會因新合成的端粒亞單位的附著而延長。研究人員懷疑，這些額外重複序列的來源是某種尚未發現的酶，該酶能夠執行標準 DNA 聚合酶無法執行的技巧。
當細胞複製其染色體（由相互纏繞的兩條 DNA 鏈組成）時，它們首先分離雙螺旋。聚合酶使用這些“親本”鏈中的每一條作為模板來構建新的配對鏈。研究人員設想的特殊酶將能夠從頭開始構建 DNA 單鏈的延伸，而無需現有 DNA 模板的幫助。
1984 年，我們兩人在伯克利布萊克本實驗室工作時，開始探索這種假定的端粒延長酶——端粒酶——是否真的存在。令我們欣喜的是，我們發現它確實存在。當我們將合成端粒與 四膜蟲 細胞的提取物混合時，端粒獲得了新增的亞單位，正如如果存在所提出的酶所預期的那樣。
在接下來的幾年裡，我們和我們的同事瞭解了很多關於端粒酶如何工作的資訊。像所有聚合酶和幾乎所有酶一樣，它主要由蛋白質組成，並且需要蛋白質才能發揮作用。然而，獨特的是，它還包含一個 RNA 分子（與 DNA 近親），其中包含用於構建端粒亞單位的關鍵核苷酸模板。端粒酶將一條 DNA 鏈的末端放置在 RNA 上，定位自身，使模板與該末端相鄰。然後，該酶一次新增一個 DNA 核苷酸，直到形成完整的端粒亞單位。當亞單位完成時，端粒酶可以透過滑動到染色體的新末端並重複合成過程來附著另一個亞單位。
1988 年，格雷德離開伯克利前往冷泉港實驗室，後來我們的研究小組和其他研究小組在與 四膜蟲 不同的纖毛蟲、酵母、青蛙和小鼠中發現了端粒酶。1989 年，耶魯大學的格雷格·B·莫林也首次在人類癌細胞系中發現了它——即在培養皿中維持了幾代的惡性細胞中。今天，很明顯，幾乎所有具有核細胞的生物體都會合成端粒酶。該酶的精確組成可能因物種而異，但每個版本都具有物種特異性的 RNA 模板，用於構建端粒重複序列。
端粒酶在許多單細胞生物中的重要性現在是無可爭議的。這些生物體是不朽的，因為除非發生意外或遺傳學家干預它們的生活，否則它們可以無限期地分裂。正如布萊克本研究小組的郭良玉在 1990 年證明的那樣， 四膜蟲 需要端粒酶才能保持這種不朽性。當酶被改變時，端粒會收縮，細胞會死亡。布萊克本的團隊和其他人同樣在酵母中證明，缺乏端粒酶的細胞會經歷端粒縮短並死亡。但是，端粒酶在人體中起什麼作用呢？人體由無數細胞型別組成，並且比 四膜蟲 或酵母複雜得多？
令人驚訝的是，許多人類細胞缺乏端粒酶。格雷德和其他人在 20 世紀 80 年代後期發現了這一發現，當時他們將費城的研究人員在 25 年前發起的研究線索彙集在一起。在 20 世紀 60 年代之前，人們認為在體內複製的人類細胞能夠無限期地分裂。但是，當時的倫納德·海弗利克和他在威斯達研究所的同事明確證明，這種觀點是不正確的。今天，人們知道，來自人類新生兒的體細胞（那些不屬於生殖系的細胞）通常在培養中分裂 80 到 90 次，而來自 70 歲老人的體細胞可能只分裂 20 到 30 次。當通常能夠分裂的人類細胞停止繁殖時——或者，用海弗利克的話說，變得“衰老”時——它們看起來與年輕時不同，功能效率也較低，過一段時間後它們就會死亡。
在 20 世紀 70 年代，一位名叫 A. M. 奧洛夫尼科夫的蘇聯科學家將這種程式性細胞分裂停止與末端複製問題聯絡起來。他提出，人類體細胞可能不會糾正細胞複製其 DNA 時發生的染色體縮短。當細胞辨別出它們的染色體變得太短時，分裂可能會停止。
直到 1988 年，噹噹時在麥克馬斯特大學的卡爾文·B·哈雷將奧洛夫尼科夫的觀點提請格雷德注意時，我們才意識到奧洛夫尼科夫的觀點。格雷德、哈雷及其合作者對此很感興趣，決定看看染色體是否會隨著時間的推移在人類細胞中變短。
果然，他們檢查的大多數正常體細胞在培養中分裂時都失去了端粒片段，這表明端粒酶沒有活性。同樣，他們和愛丁堡醫學研究委員會 (MRC) 的尼古拉斯·D·哈斯蒂小組發現，隨著人們年齡的增長，某些正常人體組織中的端粒會縮短。（令人欣慰的是，同樣在愛丁堡 MRC 的霍華德·J·庫克已經表明，端粒在生殖系中保持完整。）這些結果表明，人類細胞可能透過跟蹤它們失去的端粒重複序列的數量來“計數”分裂，並且當端粒下降到某個臨界長度時，它們可能會停止分裂。但是，尚未獲得證實這種可能性的確鑿證據。
端粒的減少和增殖能力的下降可能是人類衰老的原因嗎？可能不是主要原因。畢竟，細胞通常可以分裂的次數超過人類壽命所需的次數。然而，老年身體的功能有時可能會因一部分細胞的衰老而受損。例如，區域性傷口癒合可能會因可用於在損傷部位構建新皮膚的細胞數量減少而受到損害，並且某些白細胞數量的減少可能會導致與年齡相關的免疫力下降。此外，眾所周知，動脈粥樣硬化通常發生在血管壁受損的地方。可以想象，反覆受損部位的細胞最終可能會“用完”它們的複製能力，從而導致血管最終無法替換丟失的細胞。然後，損傷會持續存在，動脈粥樣硬化會開始形成。
一些研究人員懷疑，在缺乏端粒酶的人類細胞中觀察到的增殖能力喪失可能並非為了使我們衰老而進化而來，而是為了幫助我們避免癌症。當細胞獲得多個基因突變時，癌症就會發生，這些突變共同導致細胞逃脫對複製和遷移的正常控制。隨著細胞及其後代不受控制地繁殖，它們會侵入並損害附近的組織。有些也可能脫離並轉移到身體的其他部位，在那裡它們不屬於，並在遠處部位建立新的惡性腫瘤（轉移瘤）。從理論上講，缺乏端粒酶會透過導致不斷分裂的細胞失去端粒並在造成太大損害之前屈服來延緩腫瘤的生長。如果癌細胞產生端粒酶，它們將保留其端粒並可能無限期地存活。
早在 1990 年就討論了端粒酶可能對維持人類癌症的重要性。但是，直到最近證據才變得令人信服。1994 年，克里斯托弗·M·康特、西爾維婭·巴切蒂、哈雷及其在麥克馬斯特大學的同事表明，端粒酶不僅在實驗室維持的癌細胞系中具有活性，而且在人體卵巢腫瘤中也具有活性。同年晚些時候，由已搬到加利福尼亞州門洛帕克的 Geron 公司工作的哈雷和德克薩斯大學西南醫學中心達拉斯分校的傑裡·W·謝伊領導的研究小組在 101 個人類腫瘤樣本（代表 12 種腫瘤型別）中的 90 個以及 50 個正常體細胞組織樣本（代表四種組織型別）中的 0 箇中檢測到端粒酶。
然而，即使在獲得此類證據之前，研究人員也已開始探索端粒酶可能如何促進癌症的一些細節。這項工作表明，端粒酶可能在細胞已經失去對增殖的制動後才變得活躍。
第一個線索是洛克菲勒大學的蒂蒂亞·德朗格和哈斯蒂的研究小組獨立做出的最初令人費解的發現。1990 年，這些研究人員報告說，人類腫瘤中的端粒比正常周圍組織中的端粒短——有時甚至非常明顯。
格雷德、巴切蒂和哈雷實驗室的研究解釋了為什麼端粒如此之小。這些團隊誘導人類正常細胞產生一種病毒蛋白，導致細胞忽略通常警告它們停止分裂的警報訊號。經過處理的細胞在通常進入衰老後很久才繼續增殖。在大多數細胞中，端粒急劇縮短，並且未檢測到端粒酶；最終導致死亡。然而，一些細胞在它們的兄弟姐妹死亡後仍然存活下來並變得不朽。在這些不朽的倖存者中，端粒保持在驚人的短長度，並且端粒酶存在。
這些結果表明，癌細胞中的端粒很小，因為細胞僅在它們已經開始不受控制地複製後才合成端粒酶；到那時，細胞可能已經失去了大量的端粒亞單位。當酶最終被啟用時，它會穩定嚴重剪短的端粒，從而使過度繁殖的細胞變得不朽。
這些發現和其他發現導致了一個有吸引力但仍是假設性的模型，用於人類身體正常和惡性啟用端粒酶。根據該模型，端粒酶在發育中的胚胎中由生殖系細胞常規制造。然而，一旦身體完全形成，端粒酶在許多體細胞中被抑制，並且端粒隨著這些細胞的繁殖而縮短。當端粒下降到閾值水平時，會發出訊號阻止細胞進一步分裂。
然而，如果促癌基因突變阻止了此類安全訊號的發出或允許細胞忽略它們，細胞將繞過正常衰老並繼續分裂。它們也可能會繼續失去端粒序列並經歷染色體改變，從而導致進一步的、可能致癌的突變發生。當端粒完全或幾乎完全丟失時，細胞可能會達到崩潰並死亡的地步。
但是，如果危機前時期的基因紊亂導致端粒酶的產生，細胞將不會完全失去它們的端粒。相反，縮短的端粒將被挽救和維持。透過這種方式，基因紊亂的細胞將獲得癌症的不朽性特徵。
這種情況通常已被證據證實，儘管再一次，事情可能並非完全如此。一些晚期腫瘤缺乏端粒酶，並且最近發現一些體細胞——特別是稱為巨噬細胞和淋巴細胞的白細胞——會產生該酶。然而，總的來說，收集到的證據表明，許多腫瘤細胞需要端粒酶才能無限期地分裂。
端粒酶在各種人類癌症中的存在及其在許多正常細胞中的缺失意味著該酶可能成為抗癌藥物的良好靶點。能夠削弱端粒酶的製劑可能會殺死腫瘤細胞（透過允許端粒收縮和消失），而不會破壞許多正常細胞的功能。相比之下，大多數現有的抗癌療法既會干擾正常細胞，也會干擾惡性細胞，因此通常具有相當大的毒性。此外，由於端粒酶存在於多種癌症中，因此這些製劑可能對多種腫瘤有效。
製藥和生物技術公司正在積極探索這些令人興奮的可能性。然而，必須回答許多問題。例如，研究人員需要確定哪些正常細胞（超出已鑑定的少數細胞）產生端粒酶，並且他們需要評估該酶對這些細胞的重要性。如果端粒酶至關重要，那麼幹擾它的藥物實際上可能會被證明具有不可接受的毒性。然而，某些腫瘤細胞中端粒的短度可能會消除這個問題。端粒酶抑制劑可能會導致癌細胞失去它們的端粒並死亡，遠早於正常細胞，正常細胞具有更長的端粒，失去足夠的端粒而遭受任何不良影響。
研究人員還必須證明，抑制端粒酶可以按預期摧毀產生端粒酶的腫瘤。去年 9 月，哈雷、格雷德及其同事表明，一種抑制劑可以導致培養的腫瘤細胞的端粒收縮；受影響的細胞在約 25 個細胞分裂週期後死亡。然而，現在在加利福尼亞大學舊金山分校的布萊克本和她的研究小組發現，細胞有時會補償端粒酶的損失。它們透過其他方式修復其縮短的末端，例如透過一種稱為重組的過程，其中一條染色體從另一條染色體獲得 DNA。如果在人類腫瘤中頻繁發生替代的“端粒挽救”途徑的啟用，那麼針對端粒酶的療法將會失敗。
動物研究應該有助於解決這些擔憂。它們還應該有助於揭示端粒酶抑制劑是否會消除活體內的腫瘤，以及它們是否會足夠快地這樣做以防止癌症損傷關鍵組織。
為了開發將在人體內阻斷端粒酶的製劑，研究人員還必須更清楚地瞭解該酶的確切功能。它是如何附著到 DNA 上的？它是如何“決定”要新增的端粒亞單位數量的？細胞核中的 DNA 上佈滿了各種蛋白質，包括一些專門與端粒結合的蛋白質。端粒結合蛋白在控制端粒酶的活性中起什麼作用？改變它們的活性會破壞端粒延伸嗎？在未來 10 年內，我們有望深入瞭解影響端粒長度的各種分子之間的相互作用。
對端粒大小調控的研究還可以帶來癌症新療法以外的好處。治療各種疾病的一種流行基因療法方法包括從患者身上提取細胞，插入所需的基因，然後將基因校正後的細胞返回給患者。然而，通常，提取的細胞在實驗室中增殖不良。或許單獨插入端粒酶或與其他因素結合使用會暫時增強複製能力，從而可以將更大數量的治療細胞輸送到患者體內。
對端粒的現代研究已經從最初在一個單細胞池塘生物的染色體末端識別出重複 DNA 走了很長一段路。端粒酶對端粒的延伸，最初被認為僅僅是一些單細胞生物維持其染色體的“可愛”機制，但事實證明，正如以往一樣，並非表面看起來那樣。事實上，端粒酶是大多數動物的核細胞保護其染色體末端片段的主要手段。而且，現在，對這一曾經晦澀的過程的研究可能會導致對抗一系列癌症的創新策略。
在 20 世紀 80 年代早期，科學家們不會透過研究 四膜蟲 中的染色體維持來著手確定潛在的抗癌療法。關於端粒酶的研究提醒我們，在自然研究中，人們永遠無法預測何時何地會發現基本過程。你永遠不知道你發現的石頭何時會變成寶石。