网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

如何才能长生不老?保护好生命的时钟—端粒

0
分享至

最近有个小朋友跟我说:他看了一部电影,名字叫做《这个男人来自地球》。这是一部科幻片,讲述了一个可以长生不老的男人的故事。他想问我:在现实中从古至今,从来就没有一个人能够逃脱死亡的宿命,这是为什么呢?有没有一种方法,能够让我们长生不老呢?

这个男人来自地球 剧照

每个人都是从受精卵发育而来的,我们的身体随时都有很多细胞死去,也随时都有很多新的细胞诞生。只可惜,细胞的分裂与复制并不能永远进行下去,在我们出生的一瞬间,DNA上就已经安装好了生命的时钟,我们注定向死而生。了解了这个时钟,就可以用心呵护它,让它走的慢一点,延长我们的生命。

生命的时钟

特别声明:生命科学是一门正在快速发展的科学,任何一种理论和学说都并非尽善尽美,本文目的是介绍DNA复制与端粒学,作者不准备参与任何前沿理论对错的争论。

DNA的结构

从一百多年前的孟德尔时代开始,生物学家们逐渐发现了遗传的秘密。尤其是上个世纪五十年代,人们陆续发现了遗传物质位于染色体的DNA(脱氧核糖核酸)上,而DNA又是由脱氧核苷酸构成的长链。

细胞核、染色体和DNA

每一个脱氧核苷酸可以分为三个部分:脱氧核糖、磷酸和一个碱基。碱基一共有4种,分别叫做腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G、胞嘧啶C,四种不同的碱基就构成了四种不同的脱氧核苷酸。

四种脱氧核苷酸

生物学家沃森和物理学家克里克,通过对DNA的X射线衍射照片的研究,发现了DNA的双螺旋结构。沃森现在还在世,但是由于频繁发表种族歧视言论,许多荣誉都被剥夺了。

沃森和克里克

他们说:脱氧核糖和磷酸交替排列在外侧,构成基本骨架,碱基排列在内侧。而且,碱基一共有4种,并且满足互补配对原则:A一定与T配对,C一定与G配对,这叫做碱基互补配对原则。我们探究了一百年的遗传物质——基因,就是隐藏在这些DNA的碱基对中。

DNA的结构

而且,我们今天还知道:DNA链是有方向性的,它的两条相对的链是反向平行的。我们再来看一下脱氧核苷酸的结构:中间的脱氧核糖含有5个碳原子。从碱基所在的碳原子出发,对每个碳原子标号:1、2、3、4、5,5号碳原子上连接着磷酸。

核苷酸结构

当脱氧核苷酸结合成DNA时,相邻的脱氧核苷酸的磷酸会和第三号碳连起来,形成长链(实际上,是和三号碳上的羟基连接起来)。于是,DNA链就有了方向性:一端靠近五号碳,叫做5’端;另一端靠近3号碳,叫做3’端。两条相对的DNA链,除了它们的碱基互补配对以外,链条方向也是相反的。

DNA由两条反向单链组成

DNA的复制

沃森和克里克的发现轰动了世界,紧跟着,他们又发表了第二篇论文,提出了DNA半保留复制假说。他们认为:在 DNA复制时,碱基之间的连接会断开,双螺旋变成两股单链,分别作为复制的模板。在细胞中有许多的DNA原料——游离态的核苷酸,这些核苷酸会按照碱基互补配对原则,一个一个接到原来的DNA单链上,复制出一条新的单链。这样,新合成的两个DNA分子,每条DNA分子都保留了原来DNA分子中的一条链,这就保证了复制的准确性,这种复制方式就叫做半保留复制。

半保留复制示意图

随着生物技术手段的进步,人们证实了DNA的半保留复制过程,并且逐步弄清楚了这里面的各种细节。现在,就让我们走进DNA,看看它究竟是如何复制的吧!相信我,你一定会被大自然神奇的设计所折服。

原本,DNA的两条单链是紧密缠绕在一起的,彼此配对,保证DNA信息的稳定性。当DNA即将开始复制时,在一种特殊的蛋白质——DNA解旋酶的作用下,DNA双链会分开。解旋酶就好像一个拉链,它将扣在一起的两条DNA拉开,以便于后面的复制过程。此时,两条DNA单链会形成一个Y形结构,人们称为复制叉。

复制叉的形成

其实,对于人类这种直线型的双股DNA,在复制时会有多处同时开始解旋,而且往往会出现一个解旋酶向左运动,另一个解旋酶向右运动的情况。DNA双链向两侧打开,形成复制泡。

复制泡的形成示意图

当一部分的DNA双链已经打开时,复制就已经具备了条件。按照沃森和克里克的设想,游离态的脱氧核苷酸应该按照碱基互补配对原则以原有DNA为模板,复制出新的单链了。但是,要想让核苷酸组成新的DNA链,还有两个要求:

首先,新的核苷酸只能接在原来已有的DNA片段上。也就是说:如果一部分DNA链已经复制好了,剩余的脱氧核苷酸就能继续复制DNA链;但是如果在原来的DNA模板上还没有复制出任何一点新的DNA的话,脱氧核苷酸就不能和模板配对进行复制了 。这就好像一群小朋友,他们会唱歌,但是不会起头,除非你给我起个头,否则我绝对不唱歌。

为了照顾骄气的脱氧核苷酸, 一种称为引物酶的物质,来到DNA模板附近,它会在DNA模板上复制出一小段RNA分子。RNA叫做核糖核酸,它的结构与DNA很类似,也有碱基互补配对,但是也有一点差别:它唱歌会起头。这一小段RNA分子就叫做引物,它的目的是为了后续的DNA可以进行复制。

引物酶合成RNA引物

起了头,歌就好唱了。另一种酶——DNA聚合酶会来到RNA引物附近,把细胞中游离态的脱氧核苷酸拽过来,接到引物后面,就组成了新的DNA链。

DNA聚合酶合成DNA

除了唱歌不会起头,DNA的复制还有另一个特点:具有方向性。组成DNA的脱氧核苷酸只能沿着模板链条的3’端向5’端的方向复制延申新链,复制出的新链是从5’端到3’端延申的。

被解旋酶拉开的两条单链具有不同的方向,一条链的解旋方向就是从3’端到5’端,这叫做前进股;另一条链的解旋方向是从5‘端到3‘端,这叫做延迟股。

解旋酶向左运动,上方是前进股,下方是延迟股

前进股的复制还相对简单:形成RNA引物之后,顺着解旋方向延申DNA就好。可是延迟股就麻烦了:它在被解旋酶拉开时,解旋酶是从它的5’端向3’端运动的。在起始点形成引物之后,新的DNA链形成方向只能与解旋酶的运动方向相反。这样一来,这一条单链的DNA只能一段一端的复制。每隔一段,就有一个RNA引物,再形成一小段DNA。

冈崎片段的形成

这个现象是由日本名古屋大学的冈崎夫妇发现的,所以这些DNA片段被称为冈崎片段。

冈崎夫妇

就这样,延迟股上的冈崎片段一段一段形成。很快,后一段的DNA就会接上前一段的引物。这时DNA就会感觉很愤怒:你是谁?居然挡住我的路!于是,这段愤怒的DNA就会叫来一把基因剪刀——RNA水解酶,把它前方的RNA引物去掉,然后继续复制DNA。直到把这条延迟股填满DNA,在这个过程中还有一种酶——DNA连接酶,它会将DNA复制过程中两端DNA的缺口补上。这样,新的DNA链就复制完毕了。

总结一下:DNA首先在解旋酶的作用下解旋,在引物酶的作用下制造出RNA引物,在DNA聚合酶的作用下从RNA引物开始复制DNA,最后水解掉RNA,把新的DNA单链补全,这就是完整的复制过程。这个过程中,其实还有许多细节,限于篇幅,我们就不一一详述了。

端粒

可是,DNA复制有一个麻烦:在两条单链上延迟股的末端,都会有一小段RNA引物,由于它特殊的位置,水解后留下的空缺无法被DNA填补,于是经过一次复制,两条新链的长度都会比原有的DNA链短一截 ,大约有几十个核苷酸的长度。

缺失的DNA在延迟股的末端

这事情就怪了,我要复制DNA,结果最后复制出的DNA比原来的少了一段。再下一次复制,DNA链条又会少一段。这样怕不是要损失很多遗传信息了吗?这个问题在一段时间内曾经让生物学家们非常疑惑,被称为DNA末端问题。

每个人都系过鞋带,在鞋带两端,总是有一段硬硬的部分,它用来保护鞋带不至于过快的磨损。同样,有科学家猜测:在生物长期进化的过程中,DNA也应该进化出了这个功能,在DNA的两端,有一段DNA序列,在DNA复制磨损时,首先磨损这一段DNA序列,这样就保护了内部的遗传信息,这一段起到保护作用的DNA序列就叫做端粒。

到了上个世纪七十年代末期,加州大学伯克里分校的助理教授伊丽莎白·布莱克本和哈佛医学院的绍斯塔克合作研究了一种生物四膜虫,这种生物很有趣,有7种性别,还有2个细胞核,在较大的细胞核里有许多许多条染色体。

四膜虫

布莱克本和绍斯塔克在研究中发现: 四膜虫染色体末端的DNA序列总是重复GGGGTT的碱基序列,这就是生物学家们一直在寻找的端粒。后来人们发现:端粒结构在各种生物DNA中都普遍存在,比如人的DNA末端端粒序列就是TTAGGG,这就是人类这条DNA鞋带的硬绳头,每次复制的时候,端粒都会磨损,而DNA内部的遗传信息会得到保护。你看,我们的细胞多么的聪明!

端粒序列

可是毕竟,端粒的长度是有限的。在反复的DNA复制和端粒磨损的过程中,端粒的长度越来越短。如果端粒都磨损光了,DNA复制时就会伤到内部的遗传信息。此时,人体就会命令这个细胞停止复制并走向凋亡。如果许许多多的细胞都无法复制慢慢凋亡了,人体就会衰老,最终死亡。

端粒磨损

早在1961年,美国解剖学家海佛烈克就提出:人体的细胞只能分裂40-60次,然后就会衰老和死亡,人体细胞不能永生,这个现象就叫做海佛烈克极限。在布莱克本的工作后,人们了解到:海佛烈克极限与端粒磨损有关。

海佛列克

可是,这样还有个严重的问题:虽然人的个体不是永生的,但是作为一个种群,人类却一直没有灭绝。如果每一次细胞分裂复制,端粒都要磨损,那么只经过几代,端粒就会消耗殆尽,这又如何解释种群的繁衍呢?

1985年, 布莱克本与她的研究生卡罗尔·格雷德在端粒研究中又有了突破!她们发现了细胞中一种特殊的酶——端粒酶。这种特殊的酶含有蛋白质和一端RNA模板,它可以将端粒中的3端DNA延长,然后再经过RNA引物和DNA聚合酶等作用,修复另一条单链,如此就能让端粒得到修复,实现不缩短的DNA复制,这叫做DNA的完全复制。

端粒酶对端粒的修复作用

布莱克本、格雷德和绍斯塔克因为发现了端粒和端粒酶的作用,共同获得了2009年诺贝尔生理学或医学奖。

布莱克本、绍斯塔克、格雷德

按照布莱克本等人的观点:端粒就好像是倒数的计数器,到零了细胞就要死亡。端粒酶则可以重置这个计数器。在人的身体中,体细胞中端粒酶几乎不表达,所以DNA不能完全复制,端粒会不停的缩短,所以人体会衰老和死亡。但是在生殖细胞等特殊细胞中,端粒酶的活性很高,它可以保证每一个生殖细胞都是全新的。所以,一旦孩子出生了,它身体的大部分细胞都会不可避免的走向衰老和死亡,可是总有些细胞,由于端粒酶的修复作用,可以永葆青春,使得种族得以延续。

那么,是否可以有一种方法,激活人体内体细胞中的端粒酶活性,让体细胞也能完全复制,实现人体的永生呢?其实,人体内的确有些体细胞,它们的端粒酶突然变得特别活跃,让细胞能够永远分裂,而拒绝走向衰老和死亡,这就是癌细胞。

没错,癌细胞可以永生。在上个世纪50年代,有一位患有宫颈癌的女性海莉耶塔·拉克斯,它的癌细胞被医生取下进行体外培养,这些癌细胞每过24小时就会增值一倍,成了很好的研究癌症的材料,人们叫它海拉细胞。不幸的拉克斯在1951年就去世了,可是她的癌细胞在全世界的科研院所里培养了70年,有人估计全世界所有的海拉细胞大约有5000万吨。人们从海拉细胞的研究中获得了很多成果,真应了臧克家的诗:有的人活着,他已经死了。有的人死了,可他还活着。

拉克斯和她的海拉细胞

端粒酶在生殖细胞中表达,而在普通体细胞中不表达,这是一种非常微妙的平衡。布莱克本在一次演讲中提到:她曾经与医生一起统计了不同人的端粒长度,发现生活压力大的人,端粒磨损的更厉害,比如照顾一个长期患病的孩子的母亲,照顾的时间越长,自己的端粒越短。这似乎说明了:生活压力会加快端粒的磨损。

端粒长度与照顾生病患儿的时间的关系

端粒长度与压力大小的关系

也许,当我们长期处于极度压抑、愤怒、悲伤等情绪的时候,端粒酶的平衡就会被打破。一部份细胞过快的走向衰老和死亡,另一些细胞为了避免自身的死亡,想方设法激活了端粒酶,让自己癌变。无论那种情况,无疑都会加速人体的死亡。布莱克本说:如果我们想保持青春永驻,那么就要有良好的营养和运动、适当的休息,以及最重要的,要有个好心情。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
沈阳市委书记王新伟已经出任辽宁省委副书记

沈阳市委书记王新伟已经出任辽宁省委副书记

澎湃新闻
2024-03-28 20:24:30
“中国版QE”要来了?国内外资管机构观点罕见一致:央行购买国债不等同于QE

“中国版QE”要来了?国内外资管机构观点罕见一致:央行购买国债不等同于QE

财联社
2024-03-28 19:29:16
凯特王妃光明会血祭身亡?现场画面曝光,戴妃密友曝王室悲剧真相

凯特王妃光明会血祭身亡?现场画面曝光,戴妃密友曝王室悲剧真相

星辰故事屋
2024-03-28 22:04:53
未来3年可能出现的变化:现金、房子会贬值,而这3样却可能升值!

未来3年可能出现的变化:现金、房子会贬值,而这3样却可能升值!

静海
2024-01-10 15:11:32
德国罢工结束,达成35小时工作制协议

德国罢工结束,达成35小时工作制协议

环球时报国际
2024-03-28 07:30:32
当年说出“不是你撞的,干嘛去扶”的法官,18年后,他过得怎样?

当年说出“不是你撞的,干嘛去扶”的法官,18年后,他过得怎样?

大佬日志
2024-03-26 08:00:10
58岁港星黎明诗去世,死因公开引热议,曾公开承认同性恋

58岁港星黎明诗去世,死因公开引热议,曾公开承认同性恋

180°视角
2024-03-28 15:36:28
浙商创投创始合伙人华晔宇被情人举报后续:情人一审被判敲诈勒索获刑3年

浙商创投创始合伙人华晔宇被情人举报后续:情人一审被判敲诈勒索获刑3年

经济观察报
2024-03-28 16:01:14
女主播直接报价格,10000玩一天,最低要一次性支付20天的费用

女主播直接报价格,10000玩一天,最低要一次性支付20天的费用

新游戏大妹子
2024-03-27 11:03:47
3月26日,Angelababy,还真被网友说中了!

3月26日,Angelababy,还真被网友说中了!

元气少女侃娱乐
2024-03-26 12:55:16
奇怪:为何油车时代,国产车没外观漂亮的,但电车一部比一部漂亮

奇怪:为何油车时代,国产车没外观漂亮的,但电车一部比一部漂亮

杂谈哥闲谈
2024-03-27 23:54:28
内蒙古赤峰女子举报遭生父性侵:生父被批捕,检方称已有证据在审查

内蒙古赤峰女子举报遭生父性侵:生父被批捕,检方称已有证据在审查

封面新闻
2024-03-28 15:36:15
出兵帮助俄罗斯打败北约的言论,十分危险且是误国害民

出兵帮助俄罗斯打败北约的言论,十分危险且是误国害民

火星宏观
2024-03-26 07:20:02
小米汽车的三个杀手锏

小米汽车的三个杀手锏

袁国庆
2024-03-28 23:27:54
这下好了,胡萝卜也出来骗人了!这样带泥土的胡萝卜,你敢吃吗?

这下好了,胡萝卜也出来骗人了!这样带泥土的胡萝卜,你敢吃吗?

王大健美食日常
2024-03-28 14:09:11
权威机构联合揭示中国人化学物暴露,江浙沪血清化学物浓度最高!

权威机构联合揭示中国人化学物暴露,江浙沪血清化学物浓度最高!

生命科学前沿
2024-03-27 17:37:07
李铁受贿共计高达7764万元,行贿4205万仅自掏腰包100万

李铁受贿共计高达7764万元,行贿4205万仅自掏腰包100万

直播吧
2024-03-28 21:43:03
闹大了!云南37名游客被扣,不买床垫不让走,云南文旅介入调查

闹大了!云南37名游客被扣,不买床垫不让走,云南文旅介入调查

180°视角
2024-03-27 11:34:16
21.59万元起! 对标特斯拉和保时捷,雷军的“梦想之车”将驶向何方?

21.59万元起! 对标特斯拉和保时捷,雷军的“梦想之车”将驶向何方?

每日经济新闻
2024-03-28 22:39:08
山东淄博一区图书馆岗位招聘1人3323人报考,录取率低于古代中举

山东淄博一区图书馆岗位招聘1人3323人报考,录取率低于古代中举

小萝卜丝
2024-03-28 16:28:51
2024-03-29 03:44:49
李永乐老师
李永乐老师
一个爱科普的豆比中学老师
176文章数 6565关注度
往期回顾 全部

科技要闻

李斌李想何小鹏喊你买小米汽车

头条要闻

小米汽车7分钟大定破2万 网友:这价格真可以杀穿同行

头条要闻

小米汽车7分钟大定破2万 网友:这价格真可以杀穿同行

体育要闻

内维尔:梅努在被多库过掉后又抢回球权 他让我回想起哈格里夫斯

娱乐要闻

莱昂纳多与25岁新女友互相投喂超恩爱

财经要闻

中国版QE要来?国内外机构观点罕见一致

汽车要闻

混动增程双模式 长安UNI-Z售11.79万起

态度原创

健康
旅游
教育
手机
家居

早防早筛,远离肝硬化

旅游要闻

在广西不洗澡,是不是犯了天条啊?

教育要闻

丰台首批拔尖创新人才培养基地校名单出炉!一文盘点北京7区基地校!

手机要闻

4299元,努比亚Z60 Ultra摄影师版开售丨超凡AI,大师影像

家居要闻

邂逅浪漫,注入柔性的法式基因

无障碍浏览 进入关怀版