端粒酶由于其在癌症和衰老中的作用为新药研究铺平了道路

30多年前，当加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员发现端粒酶（一种延长染色体末端并防止它们磨损足以杀死细胞的酶）时，人们开始猜测它在老化和癌症中的作用，掀起了一阵子 - 按压制造药物以激活或阻断酶。

尽管没有一种端粒酶抗衰老药物被吹捧为“青春之泉”，也没有出现抗癌药物，但伯克利加州大学科学家今天发表的关于人端粒酶分子结构的第一张详细图片的出版物应该开始启动努力，允许更有针对性的药物筛选和新药的智能设计。

加利福尼亚大学伯克利分子与细胞生物学教授Kathleen Collins说，“它已经有很长的一段时间了，需要很长时间的坚持。”他已经从事该酶26年的研究。

Collins和Eva Nogales是分子和细胞生物学教授，他是一篇描述本周在Nature杂志上发表的人端粒酶3-D分子结构的论文的高级作者。

一个瓶颈就是获得这种复杂分子的纯样品，它是由六种类型的蛋白质组成的RNA主链组成的，这些蛋白质在染色体末端添加DNA时会四处移动。世界各地的实验室都在争论该酶是单独运作还是作为连体双胞胎运作，以及如何和多少蛋白质装饰RNA骨架。

没有就这些问题达成共识，设计一种靶向分子机器的药物已被证明是困难的，要么破坏端粒酶活性 - 这可以阻止已经增强其端粒酶水平的癌症 - 或重新启动端粒酶，或许为了快速启动身体骨髓移植后的细胞分裂。

第一作者Thi Hoang Duong“Kelly”Nguyen是米勒研究所的博士后研究员，他说，新揭示的结构仍然缺乏细节，但结合人类端粒酶基因序列的知识，为开始考虑药物的潜在靶点提供了足够的信息。在加州大学伯克利分校。

“以前最好的人类端粒酶图像的分辨率只有30埃，我们能够使用冷冻电子显微镜获得约7到8埃的分辨率，”凯利说。“当我到了能够看到所有亚基的地步 - 我们总共有11个蛋白亚基 - 这是片刻，'哇，哇，这就是他们如何融合在一起的时刻。'”

Nguyen，Collins和Nogales正在积极努力将分辨率提高到3或4埃 - 约为两个碳原子的大小 - 这足以用于药物设计。

端粒酶突破了端粒

1970年代后期，伊丽莎白布莱克本在加州伯克利加利福尼亚州拉霍亚市生物研究所担任总裁，现任总统。她和她的同事们使用纤毛原生动物Tetrahymena，发现染色体的末端被重复的DNA序列封闭。研究人员掌握了端粒序列的知识后，发现每当细胞分裂时，多细胞生物组织中的端粒都会变短。端粒保护DNA链免受磨损并在其末端损坏，就像鞋带末端的塑料尖端一样。当细胞被劫持并不断增殖时，它们与每个细胞部分脱离的事实被认为可以保护我们免受癌症的侵害。

1985年，加州大学伯克利分校的布莱克本和当时的研究生卡罗尔格雷德发现了端粒酶，这种酶将DNA加回到染色体的末端，延长了它们，延长了细胞的寿命。Blackburn，Greider和另一位同事Jack Szosak因发现端粒酶而分享了2009年诺贝尔生理学或医学奖。

科学家们后来发现，在人类和其他多细胞生物中，端粒酶仅在胚胎中表达，而不是在大多数成体细胞中表达。这意味着出生时大多数细胞具有预定的生长和分裂能力，然后死亡。许多科学家认为衰竭的端粒是衰老的主要原因。

自1997年首次发现人类端粒酶蛋白以来，柯林斯一直试图确定端粒酶的结构，她和她的同事发现并广泛鉴定了大酶中的许多蛋白质，以及破裂的发夹结构端粒酶的RNA骨架。然而，由于许多不同实验室的结果相互矛盾，它们如何融合在一起就成了一个谜。

Nguyen能够分离活性酶，并比以往任何时候都更好地净化活性酶，并使用新型先进冷冻电子显微镜明确确定活性端粒酶的结构。Cryo-EM是一种用于确定不能结晶和用X射线成像的化合物的分子结构的技术，其开发者赢得了2017年诺贝尔化学奖。

Nguyen说，一旦加州大学伯克利分校的研究小组拥有这种结构，就明白了为什么端粒酶中某些蛋白质的基因突变会干扰该酶引起疾病。在1999年，柯林斯发现了由端粒酶突变引起的第一个已知的人类疾病：称为dyskerin的端粒酶蛋白质中的突变，负责称为先天性角化不良症的罕见疾病。患者出现贫血以及皮肤和肠道问题，最常死于骨髓衰竭。

Collins说，原因是有两个dyskerin分子与RNA骨架结合，不仅要与其他蛋白质的网络接触，还要互相接触，致病突变阻止这些联系，削弱RNA骨架在细胞中存活。一些先天性角化不良患儿的端粒酶水平约为正常人的25％，寿命不到20年。那些半数正常水平的端粒酶通常会在中年时发生健康危机。

柯林斯欣喜若狂，终于得到了一个确定的端粒酶结构，并期待更多地了解身体中最复杂的酶之一的复杂装配过程：一种像核糖体一样复杂的聚合酶，它可以读取RNA来产生蛋白质。

“当我决定研究这种分子时，我并不认为这会很复杂，”她说。“我对1991年端粒酶的工作方式感到好奇，当时我刚刚完成了一个研究生的学习，而且我正在寻找一个非常简单的聚合酶体系来了解核酸相互作用。我想，我的上帝，你不可能比这更简单，那太天真了。“