自然界中的事物往往並非表面所見。海底的一塊石頭可能是一條毒魚；花園裡一朵美麗的花可能是一隻食肉昆蟲，正潛伏等待獵物。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。一度，染色體末端的 DNA 似乎是靜態的。然而，在大多數已研究的生物中，末端被稱為端粒，實際上是不斷變化的；它們會反覆縮短和延長。
在過去的 15 年裡，對這種出乎意料的動態變化的研究產生了許多令人驚訝的發現。特別是，它促成了一種名為端粒酶的非凡酶的鑑定，該酶作用於端粒，被認為對於維持許多人類癌症是必需的。這一最新的發現引發了許多猜想，認為能夠抑制該酶的藥物可能對抗多種惡性腫瘤。這項研究還開啟了一種可能性，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。
現代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一種特殊的成分，可以提供穩定性。穆勒創造了術語“端粒”，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，染色體就會相互粘連，發生結構變化並在其他方面表現異常。這些活動威脅著染色體的生存和忠實複製，從而威脅著容納它們的細胞。
然而，直到 20 世紀 70 年代，端粒的精確組成才被確定。1978 年，我們中的一位（布萊克本），當時在耶魯大學與約瑟夫·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、簡單的核苷酸序列—— TTGGGG —重複多次。（核苷酸是 DNA 的組成部分；它們通常用代表區分不同核苷酸的化學鹼基的單個字母表示。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。）
從那時起，科學家們已經表徵了包括動物、植物和微生物在內的多種生物中的端粒。正如四膜蟲的情況一樣，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·莫伊齊斯撰寫的“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。）
尋找端粒酶
今天備受關注的端粒酶是在比較端粒長度時發現的，這表明這種酶可以解決生物學中一個長期存在的難題。到 20 世紀 80 年代初，研究表明，由於某種原因，端粒中重複亞單位的數量在不同生物之間甚至同一生物的不同細胞之間都存在差異。此外，在一個給定的細胞中，這個數量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 個重複序列；在人類中，有 2,000 個。）觀察到的異質性促使布萊克本（她已搬到加州大學伯克利分校）、哈佛大學的傑克·W·佐斯塔克和伯克利的珍妮絲·香佩提出了一種新的解決方案，以解決所謂的末端複製問題。
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獲得一套完整的基因。如果沒有一套完整的基因，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 區域中。）
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，DNA 聚合酶（複製 DNA 的酶）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留下一個小區域（端粒的一部分）未複製。理論上，如果細胞沒有辦法彌補這種怪癖，染色體就會隨著每一輪細胞分裂而縮短。最終，這種侵蝕會消除端粒和細胞某些世代中的關鍵基因。因此，這些細胞將消亡，宣告該細胞譜系的終結。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（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，這些細胞是如何保護它們的端粒的呢？
對於布萊克本、佐斯塔克和香佩來說，觀察到的端粒長度波動是一個跡象，表明細胞試圖將端粒維持在一個大致恆定的大小。是的，端粒確實會在細胞分裂過程中縮短，但它們也會透過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未被發現的酶，它能夠執行標準 DNA 聚合酶無法執行的技巧。
當細胞複製它們的染色體（由兩條相互纏繞的 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 單鏈的延伸部分，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的實驗室工作，著手發現這種假定的端粒延長酶——端粒酶——是否真的存在。令我們高興的是，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，端粒獲得了額外的亞單位，正如如果提出的酶存在所預期的那樣。
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（DNA 的近親），其中包含構建端粒亞單位的關鍵核苷酸模板。端粒酶將 DNA 一條鏈的末端放置在 RNA 上，定位自身，使模板與該末端相鄰。然後，酶一次新增一個 DNA 核苷酸，直到形成一個完整的端粒亞單位。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。
端粒酶與人類衰老
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以及酵母、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世代的惡性細胞中。今天，很明顯，幾乎所有具有核細胞的生物都會合成端粒酶。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。這些生物是永生的，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宇在 1990 年證明的那樣，四膜蟲需要端粒酶才能保持這種永生性。當酶被改變時，端粒會收縮，細胞會死亡。布萊克本的研究小組和其他研究小組也同樣在酵母中證明，缺乏端粒酶的細胞會發生端粒縮短並死亡。但是，端粒酶在人體中起什麼作用呢？人體由無數種細胞型別組成，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，當時他們彙集了費城的研究人員在 25 年前發起的研究線索。在 20 世紀 60 年代之前，在體內複製的人類細胞被認為能夠無限期地分裂。但是，倫納德·海弗利克和他在威斯達研究所的同事明確地證明了這種觀點是錯誤的。今天，人們知道，來自人類新生兒的體細胞（非生殖系細胞）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。當正常具有分裂能力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，一段時間後就會死亡。
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，人類體細胞可能無法糾正細胞複製 DNA 時發生的染色體縮短。當細胞識別到它們的染色體變得太短時，分裂可能會停止。
直到 1988 年，當時的麥克馬斯特大學的卡爾文·B·哈雷將奧洛夫尼科夫的思想帶給格雷德時，我們才意識到奧洛夫尼科夫的思想。格雷德、哈雷及其合作者對這個問題很感興趣，決定看看人類細胞中的染色體是否會隨著時間的推移而縮短。
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·哈斯蒂的研究小組發現，隨著人們年齡的增長，一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·庫克已經證明，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丟失的端粒重複序列的數量來“計數”分裂次數，並且當端粒縮短到某個臨界長度時，它們可能會停止分裂。但是，尚未獲得這種可能性的確鑿證據。
端粒的減少和增殖能力的下降是否可能是人類衰老的原因？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，而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，已知動脈粥樣硬化通常發生在血管壁受損的地方。可以想象，反覆受傷部位的細胞最終可能會“耗盡”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，動脈粥樣硬化就會發生。
癌症的聯絡
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不是為了讓我們衰老而進化出來的，而是為了幫助我們避免癌症。當一個細胞獲得多個基因突變，這些突變共同導致細胞逃脫對複製和遷移的正常控制時，癌症就會發生。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。有些細胞也可能脫離並轉移到身體的其他部位，在那裡它們不應該存在，並在遠處部位建立新的惡性腫瘤（轉移）。理論上，缺乏端粒酶會透過導致不斷分裂的細胞失去它們的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，它們將保留它們的端粒，並有可能無限期地存活。
早在 1990 年就討論過端粒酶可能對維持人類癌症很重要的觀點。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、哈雷和他們在麥克馬斯特大學的同事表明，端粒酶不僅在實驗室中維持的癌細胞系中活躍，而且在人體卵巢腫瘤中也活躍。同年晚些時候，由哈雷（他已搬到加利福尼亞州門洛帕克的傑龍公司）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 個樣本中檢測到端粒酶，在 50 個正常體細胞組織樣本（代表四種組織型別）中均未檢測到端粒酶。
然而，甚至在獲得這些證據之前，研究人員已經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控制後才變得活躍。
第一個線索是蒂蒂亞·德朗格（現任洛克菲勒大學）和哈斯蒂的研究小組獨立做出的一個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——有時甚至短得驚人。
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。這些研究小組誘導來自人類的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。經過處理的細胞在它們通常進入衰老後很久仍在繼續增殖。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，一些細胞在它們的同胞死亡後仍然存活下來並變得永生。在這些永生的倖存者中，端粒保持在一個非常短的長度，並且存在端粒酶。
這些結果表明，癌細胞中的端粒很小，因為細胞只有在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，從而使過度增殖的細胞變得永生。
這些發現和其他發現導致了一個有吸引力但仍是假設的模型，用於解釋人體正常和惡性啟用端粒酶的情況。根據這個模型，端粒酶在發育中的胚胎的生殖系細胞中常規產生。然而，一旦身體完全形成，端粒酶在許多體細胞中受到抑制，並且端粒隨著這些細胞的繁殖而縮短。當端粒縮短到閾值水平時，就會發出訊號，阻止細胞進一步分裂。
但是，如果促癌基因突變阻止了這種安全訊號的發出或允許細胞忽略它們，細胞將繞過正常的衰老並繼續分裂。它們也可能會繼續丟失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臨界點。
但是，如果在危機前期的基因紊亂導致端粒酶的產生，細胞就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永生性特徵。
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表面所見。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——會產生這種酶。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。
癌症治療的前景
端粒酶在各種人類癌症中的存在以及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。能夠削弱端粒酶的藥物可能會殺死腫瘤細胞（透過允許端粒收縮和消失），而不會擾亂許多正常細胞的功能。相比之下，大多數現有的抗癌療法都會擾亂正常細胞以及惡性細胞，因此通常毒性很大。此外，由於端粒酶存在於多種癌症中，因此這些藥物可能會對抗多種腫瘤。
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（除了已經確定的少數細胞）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是不可接受的毒性。然而，某些腫瘤細胞中端粒的短度可能會消除這個問題。與具有更長端粒的正常細胞相比，抑制端粒酶的藥物可能會導致癌細胞在失去足夠的端粒而受到任何不良影響之前就失去它們的端粒並死亡。
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；受影響的細胞在大約 25 個細胞分裂週期後死亡。然而，現在在加州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它們縮短的末端，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。如果替代的“端粒挽救”途徑在人類腫瘤中頻繁啟用，那麼針對端粒酶的治療將會失敗。
對動物的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中的腫瘤，以及它們是否會足夠快地做到這一點以防止癌症損害關鍵組織。
為了開發將在人體內阻斷端粒酶的藥物，研究人員還必須更清楚地瞭解該酶的確切功能。它是如何附著在 DNA 上的？它是如何“決定”要新增多少端粒亞單位的？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？改變它們的活性會擾亂端粒的延長嗎？在未來 10 年內，我們期望瞭解更多關於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產生癌症新療法以外的益處。治療各種疾病的一種流行的基因療法方法包括從患者身上提取細胞，插入所需的基因，然後將經過基因校正的細胞返回給患者。然而，通常情況下，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可以暫時增強複製能力，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單細胞池塘生物的染色體末端鑑定出重複 DNA 走了很長一段路。端粒酶對端粒的延長，最初被認為僅僅是某些單細胞生物維持其染色體的一種“可愛”機制，但事實證明，它並非表面所見。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，對這種曾經晦澀難懂的過程的研究可能會為對抗一系列癌症帶來創新策略。
在 20 世紀 80 年代初，科學家們不會透過研究四膜蟲中的染色體維持來著手尋找潛在的抗癌療法。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一塊石頭何時會變成一顆寶石。