方舟子的Blog

    今年诺贝尔生理学或医学奖授予了3名美国科学家，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”，让一般公众第一次听说“端粒”这个术语。

    这几天在网上搜索这个名词解释的人想必不少。虽然曾经有一位知名时评家教育我们，现而今维基百科完全可以替代科普文章了，但是还是有资深科技记者抱怨说，看了半天维基百科有关端粒的解释也没看懂。如果没有相应的生物学知识，的确是不容易看懂的。于是国内报道纷纷以讹传讹说端粒酶“这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症”云云。

    端粒酶并不是什么“染色体的自然脱落物”，三位获奖科学家的研究当初也不是抱着揭开人类衰老和癌症之谜这么实际的动机，而是想要解决遗传学上的一个难题，它涉及到细胞中的遗传信息是怎么被完整地复制下去的。

    每个细胞中都有一整套遗传信息，它们是用一类叫做核苷酸的化学物质来编写的。这样的核苷酸共有四种，分别简称A、T、G、C，这就是编写遗传信息的“字母”，它们的排列组合就是遗传信息的编码。许许多多“字母”一个挨一个互相连接，组成一条长长的链条，也就是我们经常听到的遗传物质DNA。

    每个DNA分子实际上是两条链条绞在了一起。这两条链条并不是随随便便放一块的，而是按照A配T，G配C的方式一一对应起来，也就是说，如果一条链上的某个位置是A，那么在另一条链上的相应位置必然是T。如果已有了一条DNA链，就可以根据配对的原则，用零散的“字母”合成另一条链，遗传信息就是这么复制下去的。

    组成DNA的“字母”是核苷酸。核苷酸的基本结构是一个5个碳原子组成的环，环上连着碱基、磷酸基和羟基。它们各有用处：碱基决定了这个核苷酸是什么“字母”，而磷酸基和羟基是连接各个核苷酸的桥梁。某个核苷酸的磷酸基和前面核苷酸的羟基结合，一个个地串起来形成DNA链。这样，在这条链的一端，就剩下一个磷酸基没有结合，根据磷酸基在碳环上的位置，我们把它叫做5′端；而在链的另一端，则剩下一个羟基没有结合，我们把它叫做3′端。如果一条DNA链的走向是5′端到3′端，那么和它配对的另一条链的走向就是3′端到5′端。

    细胞分裂的时候，一分为二变成两个子细胞，原来的遗传信息也要复制一分传给子细胞。这时，原先结合在一起的两条DNA链在中间分开，一边分开，一边各以其中的一条旧链做为模板，按配对的原则合成新的DNA链，组成两个DNA分子。这个过程需要一种叫做聚合酶的蛋白质来完成。聚合酶只能合成5′->3′方向的DNA，而且前面必须已先有DNA或RNA（和DNA类似但不完全相同的物质）做为引物才能开始合成。问题就来了。其中一条旧链的起点是3′，聚合酶用它做为模板合成一条5′->3′的新链，可以一直合成下去。但是另一条旧链的起点是5′，聚合酶没法用它做模板合成3′->5′方向的DNA。

    怎么办呢？细胞解决这个问题的办法是在这条旧链的起点前面的某个地方放一小段RNA做为引物，聚合酶就从这个引物开始合成一小段5′->3′的DNA，一直合成到复制起点。然后在前面再放一段RNA引物，再合成一小段DNA……最后就出现了许多小段的DNA，被许多RNA引物分隔开。然后，这些RNA引物被清除掉，由另一种聚合酶填补上DNA，这样就形成了一条完整的DNA新链了。

    这条DNA新链真的就完整了吗？并没有。聚合酶在填补引物留下的空缺时，前面必须已有DNA在那里，它才能往上填。对那些在中间的空缺，这没有问题。但是在最末端的那段空缺，前面没有DNA，它就填不了了。这样，DNA每复制一次，末端就会丢失一截。

    人体细胞的遗传信息分布在46条染色体上，一条染色体就是一条DNA双链。细胞每分裂一次，染色体也复制一次，染色体末端就要丢失一截，相当于遗传信息少了一小段文字。遗传信息的复制必须非常忠实，有时改变一个字母都会引起突变导致大麻烦，何况每复制一次少一段文字呢？

    所以细胞必定有某种办法来保护染色体末端的信息不丢失。这个巧妙的办法就是今年诺贝尔奖获得者发现的：在染色体末端有一长串不带遗传信息的DNA，叫做端粒。这样染色体每次复制时丢失的是一小段端粒，不会影响到染色体携带的遗传信息的完整性。

    但是染色体每复制一次端粒就短一截，复制几十次后端粒就没了，这时如果继续复制下去，遗传信息就要开始丢失了，细胞就会病变、死亡。所以一般细胞只能分裂几十次就衰老、死亡，不能无限分裂下去。有一个学说认为细胞分裂次数有限就是衰老的原因，而这是由于端粒越来越短导致的。

    如果有办法修复端粒，是不是就能永葆青春了呢？今年诺贝尔奖获得者的另一个发现是，在细胞中有一种叫端粒酶的蛋白质，能修复端粒。但是在一般的细胞中端粒酶的活性非常低，起不到什么作用。不过有一类细胞的端粒酶活性倒是非常强，因此它们可以无限地分裂下去，长生不老，那就是——癌细胞！

    所以如果我们想要长生不老而去增强端粒酶的活性，反而可能搞得到处长癌。不过，我们可以根据癌细胞的这个特点，研制出针对端粒酶的疫苗，就有可能用来预防、治疗癌症。现在就有一些这类药物在进行临床研究。这是当初意料不到的。对端粒的研究，本来只是科学家们出于好奇，要解决遗传学的一个难题而已。

2009.10.12.

（《中国青年报》2009.10.14.）