Nature热点：两文解析端粒酶结构奥秘

　　

细胞是设计精巧的人体单元，每执行一项任务可能需要1到2个蛋白参与工作，但是涉及到细胞生死存亡的问题时，如染色体末端有串联的DNA和蛋白组成的蛋白复合体—端粒，它的工作机制往往牵涉到所以的蛋白组分，每一种蛋白都具有特殊的功能，只有所有的蛋白一起工作才能发挥端粒的作用。

 

由萨克研究所（Salk Institute）的分子和细胞生物学实验室的教授Vicki Lundblad博士带领的生物研究小组发现一种可延长端粒的蛋白。这一新的发现在8月24日《Nature Structure and Molecular Biology》的在线版上。

 

Lundblad说，他们发现的蛋白命名为Est3蛋白，研究者通过对Est3蛋白的三维结构进行预测解析Est3与端粒间的相互作用模式。对Est3三维结构的预测是研究该蛋白的最佳工具。

 

端粒是存在于真核生物线性染色体末端，由串联重复的短的dsDNA序列及其相关的蛋白所组成的DNA蛋白复合体。众所周知，真核DNA是线性DNA，复制时由于模板DNA起始端为RNA引物先占据，新生链随之延伸；引物RNA脱落后，其空缺处的模板DNA无法再度复制成双链。因此，每复制一次，末端DNA就缩短若干个端粒重复序列，即出现真核细胞分裂中的“末端复制问题”。当端粒缩短到一定程度时即引起细胞衰老，故端粒又称“细胞分裂计时器”。幸运的是，有端粒酶的存在，端粒酶是修复端粒的酶复合体，能延长端粒的长度，使细胞保持年轻。

 

尽管端粒酶的具体结构暂时不被人所知，Lundblad在芽酵母里发现三种Est蛋白与RNA的复合物：Est2和RNA在端粒重新构筑的过程中起催化作用，而Est1和Est3控制这一催化过程。但是，这两种蛋白是如何确保这一过程顺利完成的机制至今不明。

 

Lundblad实验室的研究小组早期的研究已经回答这一问题，Est1将端粒酶移动到端粒上，这一过程可确保酵母细胞持续地分裂。如果没有Est1，端粒酶不能结合到染色体的末端上，那么端粒就会逐渐变短。

 

在最近的研究中，Lundblad和共同第一作者博士后研究生Jaesung Lee以及研究生Edward Mandell将研究的焦点集中在Est3上，他们利用计算机软件预测Est3的三维立体结构。结果，他们发现与其他的端粒蛋白一样，Est3的结构也具有OB折叠的特征。对折叠的部位进行仔细的研究发现，折叠面上的一段特殊的氨基酸是Est3蛋白与端粒结合的必须序列。

 

为了仔细研究这段氨基酸对端粒的作用，Lundblad实验室开始了艰苦的研究工作，他们将氨基酸逐个突变，并将突变的蛋白再植入酵母细胞里，观察酵母细胞端粒的变化情况和细胞的活力情况。

Lundblad研究小组详尽的研究结果揭开了端粒酶调控的机制：将端粒酶折叠区表明的氨基酸灭活会导致端粒变短，端粒酶严重的失去效力。

 

将Est3蛋白上的一组氨基酸序列灭活导致Est3失去与其他两个Est蛋白相互作用的能力。对氨基酸灭活不会影响端粒酶结构的完整性，但是会使Est3失去活性。寻找导致Est3失去活力的机理是未来研究的方向。

 

Lundblad说，随着科技的发展进步，科学家们已经可以对蛋白质的结构进行预测和分析了，这加快了的蛋白质功能的研究步伐，比如说，Est3，它的功能一直不被人们所知，但是有了蛋白结构分析技术就能对Est3的功能进行预测分析了。

 

将Est3的结构与其他蛋白对比带来令人意想不到的结果。研究小组发现，酵母细胞里的Est3蛋白与人类的端粒酶蛋白TPP1具有极高的相似性。但是，令研究小组惊讶的是，TPP1并不是端粒酶复合物的亚单位。TPP1的功能是保护端粒不受细胞里的酶的伤害，细胞里的有些酶会导致染色体被破坏，因此说，TPP1与酵母端粒酶的作用不一样。

 

在生物医学研究领域里，端粒酶活性的研究是当今的热点：某些老年化的疾病会导致端粒酶失效导致端粒缩短，细胞凋亡，而端粒酶如果过度活跃就可能导致细胞复制不受控制，这是引发癌症的部分原因。

 

研究端粒蛋白的共同结构为端粒功能的研究奠定了基础，比如说，端粒酶的OB折叠，可能不仅仅影响端粒酶的生物结构，还可能是影响信号通路的因子。

 

Lundblad最终的结论是，我们现在研究的是蛋白的折叠结构，在Est3和TPP1都可看到有折叠结构的出现，这一结构是端粒酶与端粒结合识别的关键位点。

 

原文摘要：The Est3 protein associates with yeast telomerase through an OB-fold domain

Nature Structural & Molecular Biology

Published online: 24 August 2008 | doi:10.1038/nsmb.1472

 

Nature Structural & Molecular Biology 同期还出版了康奈尔大学和密歇根大学关于端粒酶的研究性文章。

原文摘要：A proposed OB-fold with a protein-interaction surface in Candida albicans telomerase protein Est3

Nature Structural & Molecular Biology

Published online: 24 August 2008 | doi:10.1038/nsmb.1471

 

（生物通 张欢）