《Nature》改变教科书的新发现：寻求染色体不朽，但超越端粒酶

最近的研究挑战了长期以来对染色体末端复制问题的理解DNA揭示了两个不同的问题，而不是一个问题。

　　

半个世纪前，科学家吉姆·沃森(Jim Watson)和阿列克谢·奥洛夫尼科夫(Alexey Olovnikov)各自意识到，我们的DNA复制存在一个问题。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在每一轮复制中变得更短，这种现象被称为末端复制问题。一个解决方案出现了: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。

洛克菲勒基金会的Titia de Lange说:“大家都以为案子结了。”

现在，发表在《Nature》杂志上的一项新研究表明，末端复制存在两个问题，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引物酶复合物，该复合物已在de Lange的实验室进行了广泛的研究。“几十年来，我们认为我们知道端粒酶是如何解决末端复制问题的，”de Lange说。“事实证明，我们忽略了问题的一半。”

从DNA双螺旋结构的描述开始，我们就知道DNA有两条相反方向的互补链——一条从5 '到3 ';另一个从3 '到5 '。当DNA被复制时，两条链被复制机制(也称为复制体)分开。复制体不间断地复制3 '到5 '链，这一过程被称为先导链合成。但另一条链是由许多片段(冈崎片段)在短时间内向后合成的，这些片段随后被缝合在一起。

这个过程相当直接，直到染色体的末端。当端粒复制时，前导链DNA复制应复制CCCTAA重复序列以生成TTAGGG重复链，而滞后链合成应相反，生成新的CCCTAA重复序列。末端复制问题的出现是因为前导链合成不能复制端粒的最后一部分，留下一个钝的前导端粒，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。最后的冈崎片段可以从3 '悬挑的某个地方开始。

“DNA复制机制不能完全复制线性DNA的末端，就像你不能在脚下的地板上画画一样，”de Lange实验室的资深科学家、该论文的主要作者Hiro Takai说。

滞后链问题

就生物过程的描述而言，这个模型看起来无懈可击。直到Takai在研究缺乏称为CST–Polα引物酶复合物的分子机制的细胞时，有了一个惊人的发现。他和其他人之前已经证明，CST–Polα引物酶可以在端粒中补充被dna降解酶(即核酸酶)攻击的CCCTAA重复序列。这个新数据揭示了一些意想不到的事情:不仅前导链需要帮助，他还发现了证据，证明后导链的末端也不能被复制体合成。

Takai的研究表明，末端复制问题比之前认为的严重两倍，影响到DNA的两条链。“结果与端粒复制的模型不相符，”de Lange说。“那时，我和Hiro意识到，要么是他的结果不对，要么是模型错了。在我看来，他的结果似乎非常可靠，所以我们需要重新审视这个模型。”

de Lange联系了Joseph T. P. Yeeles，他是剑桥分子生物学实验室(沃森和克里克研究DNA双螺旋结构的实验室)研究DNA复制的生物化学家。Yeeles也认为，仔细观察线性DNA模板末端的复制体是如何表现的是件好事。复制体能否如所提议的那样，利用一个3 '的悬垂来制造最后的冈崎片段?

Yeeles的体外复制实验结果非常清楚。复制体在3′悬垂处不产生冈崎片段;它实际上在前导链到达5 '端之前就停止了滞后链的合成。第二个末端复制问题意味着DNA的两条链都会随着每次分裂而缩短。端粒酶只阻止这种情况发生在前导链上，而Hiro的数据表明CST–Polα引物酶修复了第二个末端复制问题，即后链的问题。

在接下来的四年里，Takai设计了新的实验来证实Yeeles在体内的发现。他能够测量出由于链末端复制滞后问题而丢失了多少DNA，揭示了CST–Polα引物酶需要添加多少CCCAAT重复序列来保持端粒完整。

影响及未来方向

研究结果改变了我们对端粒生物学的认识，这需要对教科书进行修订。但这些发现也可能具有临床意义。遗传CST–Polα引物酶突变的个体患有端粒紊乱，如Coats综合征，其特征是眼睛紊乱，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，有一天我们可能会在解决这些毁灭性疾病方面取得进展。

参考文献:“Cryo-EM structure of the human CST–Polα/primase complex in a recruitment state” by Sarah W. Cai, John C. Zinder, Vladimir Svetlov, Martin W. Bush, Evgeny Nudler, Thomas Walz and Titia de Lange, 16 May 2022, Nature Structural & Molecular Biology.