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Cell:利用CRISPR辅助的纳米显微技术揭示端粒酶探查端粒机制

来源:生物谷 2016-08-22 07:12


2016年8月22日/生物谷BIOON/--当染色体复制时,它的末端会发生磨损。这没有什么大问题:染色体的末端有额外的缠绕,因此这种磨损不会到达染色体的主体部分,在那里有重要的信息贮存着。这种额外的缠绕被称作“端粒”。随着时间的推移,在多次复制后,这种端粒发生降解,直到染色体丢失它的保护性末端,因而这种磨损会到达染色体的主体部分,从而破坏染色体和导致细胞死亡。

这非常不错---最终的细胞死亡本就是它应当这样的。若没有细胞死亡,就会产生细胞永生性,而当存在细胞永生性时,就表明有癌症存在。在端粒遭受降解时,癌细胞也同样快速地延长端粒从而抵消它们的降解。癌细胞是利用端粒酶填补端粒来做到这一点的。基本上,当端粒酶发现端粒和附着到它的上面时,它就将一种DNA重复序列添加到已经存在于端粒上的这种DNA重复序列上,延长这种端粒,从而为染色体添加上保护性末端。

肿瘤学家和癌症研究人员希望端粒酶不会发挥这样的作用。如果没有这种持续的端粒修复,染色体最终将会降解,癌细胞就会死亡。如果没有端粒酶与端粒之间的相互作用,癌细胞将会死亡。

在一项新的研究中,美国科罗拉多大学博尔德分校生物前沿研究所主任、特聘教授和诺贝尔奖得主Thomas Cech博士利用CRISPR基因编辑技术、活细胞和单分子显微镜,首次实时地观察端粒酶和端粒之间的这种至关重要的相互作用。相关研究结果于2016年8月11日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Live Cell Imaging Reveals the Dynamics of Telomerase Recruitment to Telomeres”。

Cech与论文共同作者Jens Schmidt和Arthur Zaug观察到端粒酶在整个细胞核中扩散,和进行碰撞。端粒酶和端粒在细胞核中并不常见,但有时凑巧会看到前者撞击后者。但是端粒酶附着到端粒的中间位置上时是不会带来任何好处的。为了保护染色体,端粒酶必需附着到它的最末端。因此如果端粒酶撞击到端粒的中间位置,那么它很快脱落下来,再次尝试撞击。Cech和同事们将这成为“探查(probing)”。仅当这种探查导致端粒酶直接撞击到端粒的末端时,它才附着到端粒上,并且逗留在那里。

Cech说,“它就像是通过网站TripAdvisor---编者注:一家提供旅游目录信息和旅游相关评论内容的旅游网站---寻找你想要逗留的地方。你寻找不同的旅馆,最终你发现具有你想要的所有特征的一家旅馆。”

Cech将这种机制称作为“一种罕见的小机器在复杂的细胞核地貌中以一种貌似最为简便的途径发现它的罕见的着陆位点。”

考虑一下:端粒酶在整个细胞核中均匀地扩散。当它碰巧撞击到端粒上的某个位置时,它短暂地附着在那里,因而增加端粒附近的端粒酶浓度和让端粒酶有更高的几率撞击到端粒上的它能够安全地附着的地方。

Cech团队能够利用CRISPR DNA编辑技术将一种基因插入到制造端粒酶的基因上。这种插入的基因编码一种附着到端粒酶上的荧光蛋白。他们随后利用一些人称作为纳米显微镜的显微技术观察这种荧光蛋白。

在此之前,足够仔细观察单个蛋白发生的荧光需要先将细胞固定,随后利用显微镜可视化观察它。它会产生快照图片。在这种倍率下,观察活细胞内这个过程的能力就像是拍摄视频

Cech说,“利用固定细胞成像技术,我们不能够观察到细胞的动态行为。快速扩散的端粒酶是观察不到的,会被冲洗掉或者淹没在背景信号中。”

Cech指出这种CRISPR辅助的纳米显微镜(CRISPR-aided nanoscopy)技术将可能被端粒研究领域之外的科学家们使用。他也希望这一发现将有助于筛选抗端粒酶药物。

Cech说,“就现在而言,我们还没有很好的端粒酶抑制剂。我们并不知道我们的第一代端粒酶抑制剂药物在哪个步骤上发挥干扰作用,因此我们并不知道如何优化这些具有抗癌效应的候选药物。”药物阻止端粒酶组装吗?它阻止端粒酶移动到端粒附近吗?它阻止探查吗?它阻止端粒酶发现端粒末端吗?

Cech说,“知道一种药物在哪一个步骤上阻断端粒酶延长端粒的能力可能能够广泛地用于治疗各种癌症。”(生物谷 Bioon.com)

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Live Cell Imaging Reveals the Dynamics of Telomerase Recruitment to Telomeres

Jens C. Schmidt, Arthur J. Zaug, Thomas R. Cech

doi:10.1016/j.cell.2016.07.033
PMC:
PMID:

Telomeres are transcribed generating long non-coding RNAs known as TERRA. Deciphering the role of TERRA has been one of the unsolved issues of telomere biology in the past decade. This has been, in part, due to lack of knowledge on the TERRA loci, thus preventing functional genetic studies. Here, we describe that long non-coding RNAs with TERRA features are transcribed from the human 20q and Xp subtelomeres. Deletion of the 20q locus by using the CRISPR-Cas9 technology causes a dramatic decrease in TERRA levels, while deletion of the Xp locus does not result in decreased TERRA levels. Strikingly, 20q-TERRA ablation leads to dramatic loss of telomere sequences and the induction of a massive DNA damage response. These findings identify chromosome 20q as a main TERRA locus in human cells and represent the first demonstration in any organism of the essential role of TERRA in the maintenance of telomeres.

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