自然界中的事物往往并非表面所见。海底的一块石头可能是一条毒鱼；花园里一朵美丽的花可能是一只食肉昆虫，正潜伏等待猎物。这种具有迷惑性的外表也延伸到细胞的某些组成部分，包括染色体——包含基因的线性 DNA 链。一度，染色体末端的 DNA 似乎是静态的。然而，在大多数已研究的生物中，末端被称为端粒，实际上是不断变化的；它们会反复缩短和延长。
在过去的 15 年里，对这种出乎意料的动态变化的研究产生了许多令人惊讶的发现。特别是，它促成了一种名为端粒酶的非凡酶的鉴定，该酶作用于端粒，被认为对于维持许多人类癌症是必需的。这一最新的发现引发了许多猜想，认为能够抑制该酶的药物可能对抗多种恶性肿瘤。这项研究还开启了一种可能性，即端粒长度随时间的变化有时可能在人类细胞的衰老中发挥作用。
现代对端粒和端粒酶的兴趣源于 20 世纪 30 年代两位杰出的遗传学家进行的实验：当时的密苏里大学哥伦比亚分校的芭芭拉·麦克林托克和当时的爱丁堡大学的赫尔曼·J·穆勒。两位研究人员分别使用不同的生物体进行研究，都意识到染色体的末端带有一种特殊的成分，可以提供稳定性。穆勒创造了术语“端粒”，源自希腊语的“末端”（telos ）和“部分”（ meros ）。麦克林托克指出，如果没有这些末端帽，染色体就会相互粘连，发生结构变化并在其他方面表现异常。这些活动威胁着染色体的生存和忠实复制，从而威胁着容纳它们的细胞。
然而，直到 20 世纪 70 年代，端粒的精确组成才被确定。1978 年，我们中的一位（布莱克本），当时在耶鲁大学与约瑟夫·G·加尔合作，发现四膜虫（一种纤毛单细胞池塘生物）中的端粒包含一个非常短、简单的核苷酸序列—— TTGGGG —重复多次。（核苷酸是 DNA 的组成部分；它们通常用代表区分不同核苷酸的化学碱基的单个字母表示。T 核苷酸中的碱基是胸腺嘧啶；G 核苷酸中的碱基是鸟嘌呤。）
从那时起，科学家们已经表征了包括动物、植物和微生物在内的多种生物中的端粒。正如四膜虫的情况一样，几乎所有端粒——包括小鼠、人类和其他脊椎动物的端粒——都包含重复的短亚单位，这些亚单位通常富含 T 和 G 核苷酸 [参见罗伯特·K·莫伊齐斯撰写的“人类端粒”；《大众科学》，1991 年 8 月]。例如，人类和小鼠的端粒以序列 TTAGGG 为特征；线虫的端粒以 TTAGGC 为特征。（A 代表腺嘌呤，C 代表胞嘧啶。）
寻找端粒酶
今天备受关注的端粒酶是在比较端粒长度时发现的，这表明这种酶可以解决生物学中一个长期存在的难题。到 20 世纪 80 年代初，研究表明，由于某种原因，端粒中重复亚单位的数量在不同生物之间甚至同一生物的不同细胞之间都存在差异。此外，在一个给定的细胞中，这个数量会随着时间的推移而波动。（然而，每个物种都有一个典型的平均值。在四膜虫中，平均端粒有 70 个重复序列；在人类中，有 2,000 个。）观察到的异质性促使布莱克本（她已搬到加州大学伯克利分校）、哈佛大学的杰克·W·佐斯塔克和伯克利的珍妮丝·香佩提出了一种新的解决方案，以解决所谓的末端复制问题。
这个问题与细胞每次分裂时都必须准确复制其基因有关，以便每个所谓的子细胞都获得一套完整的基因。如果没有一套完整的基因，子细胞可能会发生故障并死亡。（基因是产生蛋白质和 RNA 的核苷酸序列，RNA 是执行大多数细胞功能的分子。染色体中的基因分散在染色体的两个端粒所界定的广阔 DNA 区域中。）
1972 年，在哈佛大学和冷泉港实验室工作的詹姆斯·D·沃森指出，DNA 聚合酶（复制 DNA 的酶）无法将线性染色体一直复制到末端。因此，复制机制必须在末端留下一个小区域（端粒的一部分）未复制。理论上，如果细胞没有办法弥补这种怪癖，染色体就会随着每一轮细胞分裂而缩短。最终，这种侵蚀会消除端粒和细胞某些世代中的关键基因。因此，这些细胞将消亡，宣告该细胞谱系的终结。显然，所有受这种缩短影响的单细胞物种都设法抵消了它，否则它们早就消失了。生殖系细胞（如精子和卵子的前体）也是如此，它们在多细胞生物中延续物种。但是，这些细胞是如何保护它们的端粒的呢？
对于布莱克本、佐斯塔克和香佩来说，观察到的端粒长度波动是一个迹象，表明细胞试图将端粒维持在一个大致恒定的大小。是的，端粒确实会在细胞分裂过程中缩短，但它们也会通过新合成的端粒亚单位的附着而延长。研究人员怀疑，这些额外重复序列的来源是某种未被发现的酶，它能够执行标准 DNA 聚合酶无法执行的技巧。
当细胞复制它们的染色体（由两条相互缠绕的 DNA 链组成）时，它们首先分离双螺旋。聚合酶使用这些“亲本”链中的每一条作为模板来构建新的配对链。研究人员设想的特殊酶将能够从头开始构建 DNA 单链的延伸部分，而无需现有 DNA 模板的帮助。
1984 年，我们两人在伯克利布莱克本的实验室工作，着手发现这种假定的端粒延长酶——端粒酶——是否真的存在。令我们高兴的是，我们发现它确实存在。当我们将合成端粒与四膜虫细胞的提取物混合时，端粒获得了额外的亚单位，正如如果提出的酶存在所预期的那样。
在接下来的几年里，我们和我们的同事了解了很多关于端粒酶如何工作的信息。像所有聚合酶和几乎所有酶一样，它主要由蛋白质组成，并且需要蛋白质才能发挥作用。然而，独特的是，它还包含一个 RNA 分子（DNA 的近亲），其中包含构建端粒亚单位的关键核苷酸模板。端粒酶将 DNA 一条链的末端放置在 RNA 上，定位自身，使模板与该末端相邻。然后，酶一次添加一个 DNA 核苷酸，直到形成一个完整的端粒亚单位。当亚单位完成时，端粒酶可以通过滑动到染色体的新末端并重复合成过程来附着另一个亚单位。
端粒酶与人类衰老
1988 年，格雷德离开伯克利前往冷泉港实验室，后来我们的研究小组和其他研究小组在与四膜虫不同的纤毛虫以及酵母、青蛙和小鼠中发现了端粒酶。1989 年，耶鲁大学的格雷格·B·莫林也首次在人类癌细胞系中发现了它——即在培养皿中维持了世代的恶性细胞中。今天，很明显，几乎所有具有核细胞的生物都会合成端粒酶。酶的精确组成可能因物种而异，但每个版本都具有物种特异性的 RNA 模板，用于构建端粒重复序列。
端粒酶在许多单细胞生物中的重要性现在是无可争议的。这些生物是永生的，因为除非发生意外或遗传学家干预它们的生活，否则它们可以无限期地分裂。正如布莱克本研究小组的郭良宇在 1990 年证明的那样，四膜虫需要端粒酶才能保持这种永生性。当酶被改变时，端粒会收缩，细胞会死亡。布莱克本的研究小组和其他研究小组也同样在酵母中证明，缺乏端粒酶的细胞会发生端粒缩短并死亡。但是，端粒酶在人体中起什么作用呢？人体由无数种细胞类型组成，并且比四膜虫或酵母复杂得多。
令人惊讶的是，许多人类细胞缺乏端粒酶。格雷德和其他人在 20 世纪 80 年代后期发现了这一发现，当时他们汇集了费城的研究人员在 25 年前发起的研究线索。在 20 世纪 60 年代之前，在体内复制的人类细胞被认为能够无限期地分裂。但是，伦纳德·海弗利克和他在威斯达研究所的同事明确地证明了这种观点是错误的。今天，人们知道，来自人类新生儿的体细胞（非生殖系细胞）通常在培养中分裂 80 到 90 次，而来自 70 岁老人的体细胞可能只分裂 20 到 30 次。当正常具有分裂能力的人类细胞停止繁殖时——或者用海弗利克的话说，变得“衰老”时——它们看起来与年轻时不同，功能效率也较低，一段时间后就会死亡。
在 20 世纪 70 年代，一位名叫 A. M. 奥洛夫尼科夫的苏联科学家将这种程序性细胞分裂停止与末端复制问题联系起来。他提出，人类体细胞可能无法纠正细胞复制 DNA 时发生的染色体缩短。当细胞识别到它们的染色体变得太短时，分裂可能会停止。
直到 1988 年，当时的麦克马斯特大学的卡尔文·B·哈雷将奥洛夫尼科夫的思想带给格雷德时，我们才意识到奥洛夫尼科夫的思想。格雷德、哈雷及其合作者对这个问题很感兴趣，决定看看人类细胞中的染色体是否会随着时间的推移而缩短。
果然，他们检查的大多数正常体细胞在培养中分裂时都失去了端粒片段，这表明端粒酶没有活性。同样，他们和爱丁堡医学研究委员会 (MRC) 的尼古拉斯·D·哈斯蒂的研究小组发现，随着人们年龄的增长，一些正常人体组织中的端粒会缩短。（令人欣慰的是，同样在爱丁堡 MRC 的霍华德·J·库克已经证明，端粒在生殖系中保持完整。）这些结果表明，人类细胞可能通过跟踪它们丢失的端粒重复序列的数量来“计数”分裂次数，并且当端粒缩短到某个临界长度时，它们可能会停止分裂。但是，尚未获得这种可能性的确凿证据。
端粒的减少和增殖能力的下降是否可能是人类衰老的原因？可能不是主要原因。毕竟，细胞通常可以分裂的次数超过人类寿命所需的次数。然而，老年身体的功能有时可能会因一部分细胞的衰老而受损。例如，局部伤口愈合可能会因可用于在损伤部位构建新皮肤的细胞数量减少而受到损害，而某些白细胞数量的减少可能会导致与年龄相关的免疫力下降。此外，已知动脉粥样硬化通常发生在血管壁受损的地方。可以想象，反复受伤部位的细胞最终可能会“耗尽”它们的复制能力，从而导致血管最终无法替换丢失的细胞。然后损伤会持续存在，动脉粥样硬化就会发生。
癌症的联系
一些研究人员怀疑，在缺乏端粒酶的人类细胞中观察到的增殖能力丧失可能不是为了让我们衰老而进化出来的，而是为了帮助我们避免癌症。当一个细胞获得多个基因突变，这些突变共同导致细胞逃脱对复制和迁移的正常控制时，癌症就会发生。随着细胞及其后代不受控制地繁殖，它们会侵入并损害附近的组织。有些细胞也可能脱离并转移到身体的其他部位，在那里它们不应该存在，并在远处部位建立新的恶性肿瘤（转移）。理论上，缺乏端粒酶会通过导致不断分裂的细胞失去它们的端粒并在造成太大损害之前屈服来延缓肿瘤的生长。如果癌细胞产生端粒酶，它们将保留它们的端粒，并有可能无限期地存活。
早在 1990 年就讨论过端粒酶可能对维持人类癌症很重要的观点。但是，直到最近证据才变得令人信服。1994 年，克里斯托弗·M·康特、西尔维娅·巴切蒂、哈雷和他们在麦克马斯特大学的同事表明，端粒酶不仅在实验室中维持的癌细胞系中活跃，而且在人体卵巢肿瘤中也活跃。同年晚些时候，由哈雷（他已搬到加利福尼亚州门洛帕克的杰龙公司）和德克萨斯大学西南医学中心达拉斯分校的杰里·W·谢伊领导的研究小组在 101 个人类肿瘤样本（代表 12 种肿瘤类型）中的 90 个样本中检测到端粒酶，在 50 个正常体细胞组织样本（代表四种组织类型）中均未检测到端粒酶。
然而，甚至在获得这些证据之前，研究人员已经开始探索端粒酶可能如何促进癌症的一些细节。这项工作表明，端粒酶可能在细胞已经失去对增殖的控制后才变得活跃。
第一个线索是蒂蒂亚·德朗格（现任洛克菲勒大学）和哈斯蒂的研究小组独立做出的一个最初令人费解的发现。1990 年，这些研究人员报告说，人类肿瘤中的端粒比正常周围组织中的端粒短——有时甚至短得惊人。
格雷德、巴切蒂和哈雷实验室的研究解释了为什么端粒如此之小。这些研究小组诱导来自人类的正常细胞产生一种病毒蛋白，导致细胞忽略通常警告它们停止分裂的警报信号。经过处理的细胞在它们通常进入衰老后很久仍在继续增殖。在大多数细胞中，端粒急剧缩短，并且未检测到端粒酶；最终导致死亡。然而，一些细胞在它们的同胞死亡后仍然存活下来并变得永生。在这些永生的幸存者中，端粒保持在一个非常短的长度，并且存在端粒酶。
这些结果表明，癌细胞中的端粒很小，因为细胞只有在已经开始不受控制地复制后才合成端粒酶；到那时，细胞可能已经失去了大量的端粒亚单位。当酶最终被激活时，它会稳定严重剪短的端粒，从而使过度增殖的细胞变得永生。
这些发现和其他发现导致了一个有吸引力但仍是假设的模型，用于解释人体正常和恶性激活端粒酶的情况。根据这个模型，端粒酶在发育中的胚胎的生殖系细胞中常规产生。然而，一旦身体完全形成，端粒酶在许多体细胞中受到抑制，并且端粒随着这些细胞的繁殖而缩短。当端粒缩短到阈值水平时，就会发出信号，阻止细胞进一步分裂。
但是，如果促癌基因突变阻止了这种安全信号的发出或允许细胞忽略它们，细胞将绕过正常的衰老并继续分裂。它们也可能会继续丢失端粒序列并经历染色体改变，从而导致进一步的，可能致癌的突变发生。当端粒完全或几乎完全丢失时，细胞可能会达到崩溃并死亡的临界点。
但是，如果在危机前期的基因紊乱导致端粒酶的产生，细胞就不会完全失去它们的端粒。相反，缩短的端粒将被挽救和维持。通过这种方式，基因紊乱的细胞将获得癌症的永生性特征。
这种情况通常已被证据证实，尽管，再一次，事情可能并非完全如表面所见。一些晚期肿瘤缺乏端粒酶，并且最近发现一些体细胞——特别是称为巨噬细胞和淋巴细胞的白细胞——会产生这种酶。然而，总的来说，收集到的证据表明，许多肿瘤细胞需要端粒酶才能无限期地分裂。
癌症治疗的前景
端粒酶在各种人类癌症中的存在以及在许多正常细胞中的缺失意味着该酶可能成为抗癌药物的良好靶点。能够削弱端粒酶的药物可能会杀死肿瘤细胞（通过允许端粒收缩和消失），而不会扰乱许多正常细胞的功能。相比之下，大多数现有的抗癌疗法都会扰乱正常细胞以及恶性细胞，因此通常毒性很大。此外，由于端粒酶存在于多种癌症中，因此这些药物可能会对抗多种肿瘤。
制药和生物技术公司正在积极探索这些令人兴奋的可能性。然而，必须回答许多问题。例如，研究人员需要确定哪些正常细胞（除了已经确定的少数细胞）产生端粒酶，并且他们需要评估该酶对这些细胞的重要性。如果端粒酶至关重要，那么干扰它的药物实际上可能会被证明是不可接受的毒性。然而，某些肿瘤细胞中端粒的短度可能会消除这个问题。与具有更长端粒的正常细胞相比，抑制端粒酶的药物可能会导致癌细胞在失去足够的端粒而受到任何不良影响之前就失去它们的端粒并死亡。
研究人员还必须证明，抑制端粒酶可以按预期摧毁产生端粒酶的肿瘤。去年 9 月，哈雷、格雷德及其同事表明，一种抑制剂可以导致培养的肿瘤细胞的端粒收缩；受影响的细胞在大约 25 个细胞分裂周期后死亡。然而，现在在加州大学旧金山分校的布莱克本和她的研究小组发现，细胞有时会补偿端粒酶的损失。它们通过其他方式修复它们缩短的末端，例如通过一种称为重组的过程，其中一条染色体从另一条染色体获得 DNA。如果替代的“端粒挽救”途径在人类肿瘤中频繁激活，那么针对端粒酶的治疗将会失败。
对动物的研究应该有助于解决这些担忧。它们还应该有助于揭示端粒酶抑制剂是否会消除活体中的肿瘤，以及它们是否会足够快地做到这一点以防止癌症损害关键组织。
为了开发将在人体内阻断端粒酶的药物，研究人员还必须更清楚地了解该酶的确切功能。它是如何附着在 DNA 上的？它是如何“决定”要添加多少端粒亚单位的？细胞核中的 DNA 上布满了各种蛋白质，包括一些专门与端粒结合的蛋白质。端粒结合蛋白在控制端粒酶的活性中起什么作用？改变它们的活性会扰乱端粒的延长吗？在未来 10 年内，我们期望了解更多关于影响端粒长度的各种分子之间的相互作用。
对端粒大小调控的研究还可以产生癌症新疗法以外的益处。治疗各种疾病的一种流行的基因疗法方法包括从患者身上提取细胞，插入所需的基因，然后将经过基因校正的细胞返回给患者。然而，通常情况下，提取的细胞在实验室中增殖不良。或许单独插入端粒酶或与其他因素结合使用可以暂时增强复制能力，从而可以将更大数量的治疗细胞输送到患者体内。
对端粒的现代研究已经从最初在单细胞池塘生物的染色体末端鉴定出重复 DNA 走了很长一段路。端粒酶对端粒的延长，最初被认为仅仅是某些单细胞生物维持其染色体的一种“可爱”机制，但事实证明，它并非表面所见。事实上，端粒酶是大多数动物的核细胞保护其染色体末端片段的主要手段。而且，现在，对这种曾经晦涩难懂的过程的研究可能会为对抗一系列癌症带来创新策略。
在 20 世纪 80 年代初，科学家们不会通过研究四膜虫中的染色体维持来着手寻找潜在的抗癌疗法。关于端粒酶的研究提醒我们，在自然研究中，人们永远无法预测何时何地会发现基本过程。你永远不知道你发现的一块石头何时会变成一颗宝石。