染色体末端的双重麻烦：新研究改变了我们对端粒生物学的理解

半个世纪前，科学家Jim Watson和Alexey Olovnikov独立意识到我们的DNA是如何被复制的。线性DNA复制的一个怪癖决定了保护染色体末端的端粒应该随着每一轮复制而变短，这种现象被称为末端复制问题

但解决方案即将到来：Liz Blackburn和Carol Greider发现了端粒酶，一种将端粒重复序列添加到染色体末端的酶。洛克菲勒的蒂蒂亚·德·兰格说：“每个人都认为案子已经结案了。”

现在，发表在《自然》杂志上的研究表明，存在两个末端复制问题，而不是一个。此外，端粒酶只是溶液的一部分——细胞也使用CST–Polα-伯氨酶复合物，这在de Lange的实验室中已经得到了广泛的研究

“几十年来，我们一直认为我们知道末端复制问题是什么，以及端粒酶是如何解决的，”de Lange说。“事实证明，我们错过了一半的问题。”

前导链问题

由于对DNA双螺旋的描述，已知DNA有两条互补的链，方向相反——一条从5'到3'；另一个从3'到5'

当DNA被复制时，这两条链被复制机器（也称为复制体）分离。复制子异构体不间断地复制3'至5'链，这一过程被称为前导链合成。但另一条链是由许多片段（冈崎片段）在短的后向步骤中合成的，这些片段后来被缝合在一起

这个过程相当直接，直到染色体末端。在复制端粒时，前链DNA复制应复制CCCTAA重复序列以产生TTAGGG重复链，而后链合成应相反，产生新的CCCTAA反复序列

末端复制问题的出现是因为前导链合成无法复制端粒的最后部分，留下了一个钝的前导端端粒，没有它的特征和关键的3'悬垂。端粒酶通过在端粒末端添加单链TTAGGG重复序列来解决这个问题。至于滞后链，DNA合成应该没有问题。它可以在3'突出部分的某个地方开始最后一个冈崎碎片

德兰格实验室的高级科学家、该论文的主要作者Hiro Takai说：“DNA复制机器不能完全复制线性DNA的末端，就像你不能在脚下粉刷地板一样。”

CST–Polα/伯氨酶，解决新发现的末端复制问题的酶。来源：来源：Sarah Cai

滞后链问题

正如对生物过程的描述一样，这个模型看起来无懈可击。直到Takai在研究缺乏分子机制的细胞时发现了一个惊人的发现，称为CST–Polα-灵长类酶复合体

He和其他人之前已经表明，CST–Polα-伯氨酶可以补充端粒处的CCCTAA重复序列，这些重复序列已被称为核酸酶的DNA降解酶攻击。这一新数据揭示了一些意想不到的事情：不仅前导链需要帮助——他发现了证据表明，复制子也不能合成滞后链的末端

Takai的研究表明，末端复制问题是之前认为的两倍严重，影响了DNA的两条链。德兰格说：“这一结果与端粒复制模型不符。”

“当时，Hiro和我意识到要么他的结果不正确，要么模型错误。由于他的结果在我看来非常可靠，我们需要重新审视模型。”

De Lange联系了Joseph T.p.Yeeles，剑桥分子生物学实验室研究DNA复制的生物化学家（沃森和克里克研究DNA双螺旋结构的同一实验室）。Yeeles同意，仔细研究复制子在线性DNA模板末端的行为是很好的。复制子异构体是否可以像提议的那样使用3'的悬突来制造最后一个冈崎片段

Yeeles的体外复制实验结果非常清楚。复制子异构体在3'悬突上不产生冈崎片段；它实际上在前导链到达5’端之前很久就停止了滞后链的合成。这种第二末端复制问题意味着DNA的两条链将随着每次分裂而缩短。端粒酶只是阻止这种情况在前导链发生，Hiro的数据表明，CST–Polα-原酶解决了第二末端复制问题，即滞后链的问题

Takai在接下来的四年里设计了新的分析方法，以证实Yeeles在体内的发现。他能够测量由于链末端复制滞后问题而损失的DNA量，揭示了CST–Polα-引物需要添加多少CCCAAT重复才能保持端粒完整

研究结果改变了我们对端粒生物学的理解——需要修改教科书。但这些发现也可能具有临床意义

遗传CST–Polα-初级酶突变的个体患有端粒疾病，如Coats-plus综合征，其特征是眼部疾病以及大脑、骨骼和胃肠道异常。通过更好地了解我们如何维持端粒，总有一天可以在解决这些毁灭性疾病方面取得进展