沉淀与分享
2024世界顶尖科学家论坛开幕式奉献了5场代表着顶尖科学家顶尖思考的主旨演讲，5位中外科学家对全球科学前沿、科技探索趋势和人类未来发展的洞察与前瞻，给现场嘉宾和线上观众带来了深刻的启迪。这5场主旨演讲是2024顶科论坛重要的思想文献，将陆续与全球科学同道分享。
端粒：新兴技术为疾病防治开辟新途径
卡罗尔·格雷德
Carol Greider
2009年诺贝尔生理学或医学奖得主
加州大学圣克鲁兹分校分子、细胞与发育生物学杰出教授
摘要：
端粒是在染色体末端的结构，在人类多种疾病的发展中发挥着关键作用。端粒由相同的DNA重复序列组成，其长度分布对细胞功能至关重要。较短端粒与衰老相关的退行性疾病密切关联，而端粒过长则与癌症风险增加相关。因此，揭示端粒长度调控的机制对于开发新型疾病治疗策略至关重要。
然而，过去30年间被广泛采用的端粒长度测定方法并不精确，而且往往难以复制。一种基于纳米孔长读长DNA测序的创新方法由此诞生。该方法能够精准测定酵母和人类细胞的端粒长度。这项创新技术的研究结果显示，每条染色体的末端具有独特的端粒长度分布，其调控机制与其他染色体的端粒无显著关联。这一意外发现为构建新的端粒长度调控模型提供了重要线索，预示着在疾病防治领域的广阔应用前景。
今天，我想给大家讲一个故事，一个关于好奇心驱动科学研究的故事。本次演讲的主题是“端粒：新兴技术为疾病防治开辟新途径”。端粒是染色体末端的DNA序列。幻灯片展示了一张染色体的图片，上面包含了所有重要的基因和调控元件，而端粒就位于染色体的末端。端粒有两大基本功能：一是保护染色体末端的稳定，二是维系染色体的长度。
端粒是简单的重复DNA序列，每次细胞分裂时都会丢失一些。如图所示，用黑框标记的即为染色体。我向在座的所有从事染色体研究的观众致歉，我接下来只重点介绍端粒这一重复序列。在脊椎动物中，TTAGGG会在染色体末端不断重复。每次细胞分裂时，染色体末端在其复制过程中不能完全复制，因此端粒会随着每次细胞分裂而变短。
然而，这个过程不可能无限持续下去，否则也就不会有今天的主旨演讲（所涉及的研究）了。细胞通过一种名为端粒酶的酶来解决端粒变短的问题。在DNA复制导致端粒缩短后，端粒酶能够识别缩短的端粒，并将这些重复序列重新添加到染色体末端。端粒酶是一种神奇的机制酶，由一个RNA模板（称为TR或端粒酶RNA）和一个催化蛋白复合物（TERT，即端粒酶反转录酶）组成。今天无法详细介绍这种酶的奇妙之处，但我想谈谈端粒酶为什么如此重要。
端粒酶必须使端粒维持长度的平衡。幻灯片上展示的是一组（染色体）细胞，其中每条染色体由于末端复制现象导致其长度都不同。如果你截取如图示端粒的下述部分，然后用传统的南方墨点法观察这些端粒，那么你就会在右侧的四条样品条带中看到它们的长度并不一致。通过我们称为端粒长度分布模式的分析后发现，有一些端粒很短，绝大多数端粒长度中等，还有一些端粒很长。因此既可以将之展现为这样的长度分布图，也可以绘制成这样的小提琴图。而端粒酶（的作用）即是必须维持这种分布。
那么，端粒酶为什么重要呢？对于需要多次分裂的细胞来说，端粒酶是必不可少的。正常的组织更新涉及干细胞，干细胞需要先复制自身，然后分化成各种不同类型的细胞。由于细胞分裂的次数很多，端粒酶对于细胞分裂以实现正常的组织更新至关重要。端粒酶对于癌症（的发生发展）也有关键作用。正常的组织特异性干细胞会进行分化，但如果图中红色的细胞发生突变，可导致其分裂次数增多进而变成肿瘤细胞。除非能有办法维持端粒长度，这些肿瘤细胞才无法继续生长。因此，端粒酶对于肿瘤细胞的生长发展至关重要。我今天重点介绍（细胞分裂）正常情况下的组织更新，但如果大家感兴趣的话，我们稍后也可以讨论一下端粒酶在癌症中扮演的角色。
总之，我们很想知道细胞缺少端粒酶会如何。于是，我们利用基因敲除小鼠来研究缺少端粒酶的情况。我们培育了左上角所示的小鼠，称之为G1小鼠，这是一种缺乏端粒酶的小鼠。两只G1小鼠交配后会生出第二代端粒酶缺失小鼠，即G2小鼠。你可以让这些G2小鼠相互交配，生出G3小鼠。随着小鼠的代代繁衍，它们的端粒也会逐渐缩短，因为（缺乏）端粒酶导致无法延长染色体的末端。
我们从这些小鼠身上了解到，端粒过短会导致组织更新能力丧失。血液方面发现了骨髓功能衰竭；肠道方面发现更新能力丧失、细胞内膜缺失；皮肤方面，伤口愈合能力下降；头发方面表现为早生白发；睾丸方面则是细胞死亡和不育。
我们对这些小鼠进行了长达数年的研究，以了解端粒酶如何在正常细胞中发挥作用的基本机制。这些年的研究表明，人类有一些遗传疾病与端粒酶活性不足相关。我们在小鼠身上所做的研究表明，随着每一轮细胞分裂的进行，当端粒变得非常短直至分裂的最后阶段，短端粒会引发细胞死亡或衰老。
在人类疾病方面，我们发现端粒酶及其他端粒维持基因的遗传突变会导致与年龄相关的退行性疾病。图中展示了一个家族的三代人，其中标记为黑色的个体存在端粒酶基因突变。随着每一代的繁衍，从祖母到父亲再到儿子，其端粒逐渐缩短，原因是这些人缺乏足够的端粒酶。这与我们在端粒酶基因敲除小鼠身上的发现非常相似。这些患有“短端粒综合征”的个体，由于其端粒的不断缩短，会出现骨髓功能衰竭，因为细胞无法在骨髓中继续分裂。此外，还会出现诸如肺纤维化这一致命的肺部疾病、免疫衰老、易患肺气肿、肝硬化、胃肠道症等此类疾病。
这一发现非常具影响力，我们也非常希望了解（端粒酶对）这些疾病的影响情况。为了测量端粒长度，以确定哪些人可能患有短端粒相关的疾病，彼得·兰斯多普开发了一种名为荧光定量原位杂交法（Q-FISH）的技术，用以测量端粒的长度。如左图所示的人类的白细胞，可以看到荧光点为已与探针结合的端粒，并显示出每个细胞中的端粒重复情况。右图即是用该法检测的192个样本个体，可以看到正常端粒存在一个长度分布，而在白细胞中，端粒平均长度会随着年龄的增长而缩短。在正常人群中，端粒长度存在分布区间，就像人类的身高也是在一个分布区间内波动。正常人的身高各不相同，同样的，每个人的端粒长度也可能截然不同。
玛丽·阿曼纽斯将这种检测方法引入了约翰斯·霍普金斯大学医学院，作为研究端粒长度的临床检测手段。玛丽发现，伴有端粒基因缺陷的人端粒长度较短，有罹患与年龄相关疾病的风险。上一张幻灯片中展示了正常人群的端粒长度分布情况，未携带端粒基因突变的个体的端粒长度大约处于第五十百分位，而伴有端粒基因突变个体的端粒长度，则处于该图的第一至第十百分位之间。因此，现在可以利用临床检测手段来确定哪些人更容易罹患这些疾病。
玛丽继续研究并已发现有140个家族存在这些端粒疾病的遗传突变，其中各个年龄段个体的端粒都明显较短。
因此，我们发现端粒长度的平衡在人类疾病中发挥着重要作用。在这些患有“短端粒综合征”的家族中，端粒过短的个体会出现干细胞衰竭，从而导致与年龄相关的退行性疾病。另一方面，端粒过长或端粒酶过度活跃的人则容易罹患癌症。因此，端粒长度的平衡对于理解其机制至关重要。于是，我们开始研究维系这种平衡的相关机制，以助于我们更快发现疾病的成因。端粒过长或过短都可能导致疾病。
新方法的问世也带来了新的发现。我们开始使用纳米孔测序技术，这是一种新的测序技术，由加州大学圣克鲁斯分校的戴维·迪默、马克·阿克森和丹尼尔·布兰顿共同开发，同时也是一种长读长测序技术。一般的测序技术只能读取500-600个碱基对的序列，而这种技术能读取长达5-10万碱基对数量，因此我们可以获得超长的DNA读长。我们开发了一种方法，使用这种长读长测序技术来测量端粒长度，结果令人十分惊讶。
我们的做法是获取全染色体DNA。它代表了细胞中所有的染色体，然后在这些染色体的末端添加一个独特的序列标签，随后使用纳米孔测序技术进行全基因组测序。由于该法测定出的序列读长极长，因而能够直接确定端粒长度，也可以通过与基因组进行序列比对来识别染色体，随后绘制出端粒长度的分布图。
在对酵母基因组DNA进行这种操作时，我们首先观察了所有端粒，并看到了与之前南方墨点法结果一致的长度分布模式。令人惊讶的是，当观察特异染色体末端的三个重复样本时（本例中为酵母染色体1L），发现这些重复样本的端粒长度都明显短于所有端粒的平均长度。而在观察染色体2L和3L时，我们发现所有重复样本的端粒长度都明显长于所有端粒的平均长度。然后，在观察酵母中的所有染色体时，我们又发现每条染色体的末端都保持了特定的平衡，而且在生物重复样本中都是如此。这让我们惊讶极了。
过去的研究都是基于假设所有染色体末端的端粒长度分布是相同的。（最新的研究表明）每个端粒都围绕其特异的长度进行调节，而我们一直研究的总体分布实际上是由染色体末端特异性的端粒长度组成的。这意味着我们需要考虑新的长度调控模型。
染色体末端的特异性的端粒长度在所有生物体中都是一致的吗？我们需要开发另一种端粒测序方法，再次使用纳米孔测序技术来测量人类端粒，因为人类基因组比酵母基因组庞大得多。
因此，我们开发了一种目标富集法，可以对特定端粒进行靶向标记并富集此类端粒序列进行定制性测序，而不是对整个基因组进行测序。同样的，我们可以使用纳米孔测序来测量端粒长度，并将这些序列读长具体分配到每一条人类染色体。
这种新的检测方法具有很高的可重复性。左图展示了我们利用纳米孔测序这项新技术，对同一样品进行的14次分析，和获得的高重复性结果。由于我的实验室从约翰斯·霍普金斯大学搬到了加州大学圣克鲁兹分校，右图是我们在这两所院校由不同的研究团队对相同的样本进行分析，结果显示即使在两个不同的实验室中进行这项检测，差异也微乎其微。
研究发现，人类端粒长度确实具有染色体末端特异性。而且值得注意的是，这是人类细胞系HG002，它是用于开发第一个端到端、长读长测序基因组的二倍体细胞系。另一边的蓝色部分是所有端粒长度的平均值，大约是4500碱基对。然而，如果查看1p染色体的母本等位基因，你会发现其长度刚好低于4000碱基，而1p父本等位基因的长度大约是1万碱基对。因此，在这一细胞系的两个同源染色体上，端粒长度相差6000碱基对。
当然，并不是所有特定染色体末端的长度都存在差异。这里我要强调的是，3p染色体的母本和父本长度相同。而9p染色体的母本和父本中，母本更长。所以，并不总是父本更长。现在，谜题来了，而我们拥有解开这个谜题的好方法，因为我们可以利用序列分析来确定是什么导致了这些染色体端粒的长度有如此大的差异。请我们回顾一下之前的研究结果，即每个端粒都围绕其自身独特的长度进行调节，并在不同个体间保守。如今，我们可以探索染色体末端的端粒长度对于了解人类疾病所具有的重要意义了。
总结一下，端粒长度保持着平衡的区间分布。端粒过短会导致与年龄相关的退行性疾病，而端粒过长则容易引发癌症。以前测量端粒长度的方法无法区分特定的染色体末端，而纳米孔测序技术使我们能够检测到特定染色体末端特异性的端粒长度，并因此发现新的调节端粒长度的生物学机制。
我的演讲主题就是新技术在超越旧范式方面具有变革性。感谢我实验室的成员们，他们正在针对染色体末端特异性端粒长度的机制，继续开拓性的研究。
编 辑 | 秣 马
责 编 | 小 文