簡介
電子螢光顯微鏡下，白色的為端粒端粒是存在於真核細胞線狀染色體末端的一種特殊結構，它與端粒結合蛋白一起構成了特殊的“帽子”結構，能夠維持染色體的完整，其實質為一小段DNA-蛋白質複合體。
端粒在正常人體細胞中，可隨著細胞分裂而逐漸縮短。真核DNA是線形DNA，複製時由於模板DNA起始端為RNA引物先占據，新生鏈隨之延伸；引物RNA脫落後，其空缺處的模板DNA無法再度複製成雙鏈。因此，每複製一次，末端DNA就縮短若干個端粒重複序列，即出現真核細胞分裂中的“末端複製問題”。當端粒縮短到一定程度時即引起細胞衰老。
端粒的功能除保證DNA完整複製外，還在維持染色體結構穩定（保護染色體不分解和染色體重排及末端不相互融合等），染色體在細胞中的定位（使之不隨機分布）和引起細胞衰老等方面起著重要作用。
概述
端粒是短的多重複的非轉錄序列（TTAGGG）及一些結合蛋白組成特殊結構，除了提供非轉錄DNA的緩衝物外，它還能保護染色體末端免於融合和退化，在染色體定位、複製、保護和控制細胞生長及壽命方面具有重要作用，並與細胞凋亡、細胞轉化和永生化密切相關。當細胞分裂一次，每條染色體的端粒就會逐次變短一些，構成端粒的一部分基因約50～200個核苷酸會因多次細胞分裂而不能達到完全複製（丟失），以至細胞終止其功能不再分裂。因此，嚴重縮短的端粒是細胞老化的信號。在某些需要無限複製循環的細胞中，端粒的長度在每次細胞分裂後被能合成端粒的特殊性DNA聚合酶-端粒酶所保留。
組成
端粒就像DNA的帽子，保護DNA重要信息不丟失端粒通常由富含鳥嘌呤核苷酸（G）的短的串聯重複序列組成，端粒DNA是由簡單的DNA高度重複序列組成的，染色體末端沿著5'到3' 方向的鏈富含GT。在酵母和人中，端粒序列分別為C1－3A/TG1－3和TTAGGG/CCCTAA，並有許多蛋白與端粒DNA結合。一個基因組內的所有端粒，即一個細胞里不同染色體的端粒都由相同的重複序列組成，但不同物種的染色體端粒的重複序列是各異的。哺乳動物和其他脊椎動物染色體端粒的重複序列中有一個TTAGGG保守序列，串聯重複序列的長度在2 kb到20 kb之間。
端粒的重複序列不是在染色體DNA複製時連續合成的，而是由端粒酶（Telomerase）合成後添加到染色體的末端。端粒酶最早是在四膜蟲（Tetrahymena）中發現的。端粒除了含有重複DNA序列外，還包含有特殊的非核小體蛋白，即端粒結合蛋白。根據該蛋白的結合特性分為兩類，一類與端粒重複序列特異性結合，在維持端粒長度方面起到重要作用，並且對端粒具有保護和調節作用；另一類與3′末端的單鏈突出結合，用於合成染色體末端的帽子結構以及調節端粒酶活性。
功能
端粒酶的主要功能
人類端粒DNA的四連體結構端粒在不同物種細胞中對於保持染色體穩定性和細胞活性有重要作用，端粒酶能延長縮短的端粒（縮短的端粒其細胞複製能力受限），從而增強體外細胞的增殖能力。端粒酶在正常人體組織中的活性被抑制，在腫瘤中被重新激活，端粒酶可能參與惡性轉化。端粒酶在保持端粒穩定、基因組完整、細胞長期的活性和潛在的繼續增殖能力等方面有重要作用。對這個過程的研究可以防止體細胞克隆中的端粒異常，也有助於通過移植和基因治療的方法解決退型性疾病。
端粒DNA主要功能
第一，保護染色體不被核酸酶降解；
第二，防止染色體相互融合；
第三，為端粒酶提供底物，解決DNA複製的末端隱縮，保證染色體的完全複製。
研究簡史
科學家們在尋找導致細胞死亡的基因時，發現了一種叫端粒的存在於染色體頂端的物質。端粒本身沒有任何密碼功能，它就像一頂高帽子置於染色體頭上。在新細胞中，細胞每分裂一次，染色體頂端的端粒就縮短一次，當端粒不能再縮短時，細胞就無法繼續分裂了。這時候細胞也就到了普遍認為的分裂100次的極限並開始死亡。因此，端粒被科學家們視為“生命時鐘”。
科學家由此又開始研究精子和癌細胞內的染色體端粒是如何長時間不被縮短的原因。1984年，分子生物學家在對單細胞生物進行研究後，發現了一種能維持端粒長度的端粒酶，並揭示了它在人體內的奇特作用：除了人類生殖細胞和部分體細胞外，端粒酶幾乎對其他所有細胞不起作用，但它卻能維持癌細胞端粒的長度，使其無限制擴增。早在30年代，繆勒(Muller)和麥克林托克(Meclintock)等就已發現了端粒結構的存在。1978年，四膜蟲的端粒結構首先被測定。1990年起，凱文·哈里(CalvinHarley)就把端粒與人體衰老掛上了鉤：第一、細胞愈老，其端粒長度愈短；細胞愈年輕，端粒愈長，端粒與細胞老化有關係。衰老細胞中的一些端粒丟失了大部分端粒重複序列。當細胞端粒的功能受損時，就出現衰老，而當端粒縮短至關鍵長度後，衰老加速，臨近死亡。第二、正常細胞端粒較短。細胞分裂會使端粒變短，分裂一次，縮短一點，就像磨損鐵桿一樣，如果磨損得只剩下一個殘根時，細胞就接近衰老。細胞分裂一次其端粒的DNA丟失約30～200bp(鹼基對)。第三、研究發現，細胞中存在一種酶，它合成端粒。端粒的複製不能由經典的DNA聚合酶催化進行，而是由一種特殊的逆轉錄酶——端粒酶完成。正常人體細胞中檢測不到端粒酶。一些良性病變細胞，體外培養的成纖維細胞中也測不到端粒酶活性。但在生殖細胞、睪丸、卵巢、胎盤及胎兒細胞中此酶為陽性。令人注目的發現是，惡性腫瘤細胞具有高活性的端粒酶，端粒酶陽性的腫瘤有卯艇癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、結腸癌、肺癌等等。人類腫瘤中廣泛地存在著較高的端粒酶耥端撾酶作為腫瘤治療的靶點，是當前較受關注的熱點之一。其他與壽命有關的基因也在被不斷地發現，它們的工作原理與端粒相似。科學家們不但希望能找到人體內所有的生命時鐘，更希望找到撥慢時鐘的方法。目前很多植物的端粒酶已被提取出，許多國家的研究組正在從事相關課題的研究。有觀點聲稱，即使可保護端粒在分裂中不被降解的藥物被發明，其對於生命常青的意義也有待商榷，應為當一個老年人被植入年輕的端粒後，其身體是否能接受還是一個問題。憑藉“發現端粒和端粒酶是如何保護染色體的”這一成果，揭開了人類衰老和罹患癌症等嚴重疾病的奧秘的三位美國科學家（美國加利福尼亞舊金山大學的伊莉莎白·布萊克本(ElizabethBlackburn)、美國巴爾的摩約翰·霍普金斯醫學院的卡羅爾·格雷德(CarolGreider)、美國哈佛醫學院的傑克·紹斯塔克(JackSzostak)。） 獲得2009年的諾貝爾生理學或醫學獎。
最新研究成果
從2007年開始，首個以端粒為靶標的TA-65營養補充片劑就能夠從醫生那裡買到。製藥商T.A.科學公司表示，TA-65片劑能夠提高人體的骨密度和免疫能力，對於與衰老相關的生物標記物也有一定的作用，服用了這種片劑的人報告說，他們的運動、視覺和認知能力都有所增強。但是，旨在延緩老化的端粒酶激活療法也可能增加罹患癌症的機率。有研究表明，提升小鼠體內端粒酶的活性，會使它們更容易患上皮膚癌和乳腺癌。
2012年根據美國杜克大學基因組學與政策研究所的科學家進行的一項新研究，家庭暴力可能對兒童的DNA造成破壞並導致早衰。研究指出，遭受兩種以上家庭暴力的兒童染色體端粒縮短速度更快，與同齡人相比患心臟病的時間提前7到10年。
2012年8月，芬蘭研究人員發現，嚴重超負荷工作會引起人體細胞基因中的染色體端粒（telomeres）縮短，加速人體衰老。
2013年2月，美國卡內基－梅隆大學研究人員發表的研究報告說，有些人更容易患感冒原因可能在於這部分人的白細胞端粒較短。通過研究發現，白細胞端粒較短的人接觸感冒病毒後的感染風險要高於端粒較長者。值得注意的是，隨著成年人年齡增加，白細胞端粒長度“預測感冒”的能力就越強。其中，一種特定類型的白細胞——CD8CD28－T細胞的端粒長度“預測感冒”的能力最強。
研究人員介紹說，這類白細胞的一個重要作用就是清除已感染病毒的細胞，但它們的端粒與其他類型白細胞相比，縮短得更快。此前就有研究發現，這類白細胞端粒縮短與免疫系統標記物減少有關。他們推測，感冒病毒來襲時，端粒較短的T細胞無法像端粒較長的T細胞那樣增殖迅速，因此難以高效清除受感染的細胞。
研究套用
端粒長度的維持是細胞持續分裂的前提條件。 在旺盛分裂或需要保持分裂潛能的細胞，如生殖細胞，幹細胞和大多數癌細胞中，端粒酶（Telomerase）被激活，它在端粒末端添加端粒序列，保證這些細胞中端粒長度的穩定，維持細胞的分裂能力。細胞中有端粒酶的存在並不能保證端粒的延伸。因為端粒DNA的四個TTAGGG重複序列可以形成一種四鏈的G-四鏈體結構。該結構非常穩定，會阻止端粒DNA與端粒酶的相互作用。中科院動物所譚錚領導的端粒與衰老研究組研究發現了一種hnRNPA2*蛋白，它可以與端粒DNA和端粒酶發生作用，主動打開端粒G-四鏈體結構，將端粒3’端的5個鹼基暴露出來，促進它和端粒酶的RNA模板配對，從而增強端粒酶的催化活性和進行性。在器官組織中，hnRNPA2*的表達水平與端粒酶活性呈正相關。在細胞內hnRNPA2*蛋白伴隨著端粒酶共定位於卡佳爾體和端粒。在細胞中認為表達hnRNPA2*可以使端粒延長，降低表達則使端粒縮短。這些特徵說明hnRNPA2*決定了端粒DNA是否可以得到延長，因此它在調控端粒長度平衡，維持細胞的分裂能力中起著重要作用。該研究成果在PNAS發表，為遺傳疾病研究提供了重要理論依據。
相關遺傳病
在染色體亞端粒區存在高度同源性序列在減數分裂過程中發生異常同源重組，而導致該區域發生微小的缺失、重複或染色體相互易位，稱為染色體亞端粒區重組異常。該疾病患者主要表現為不同程度的智力低下、伴有生長發育遲緩和各器官、系統的畸形。三體綜合徵。
有絲分裂
細胞生活學相關知識
| 細胞生物學(cell biology)是研究細胞結構、功能及生活史的一門科學。細胞生物學由Cytology發展而來，Cytology是關於細胞結構與功能(特別是染色體)的研究。細胞生物學是以細胞為研究對象，從細胞的整體水平、亞顯微水平、分子水平等三個層次，以動態的觀點，研究細胞和細胞器的結構和功能、細胞的生活史和各種生命活動規律的學科。 |
