Science丨胡泓淼等解析酿酒酵母端粒酶复合物结构

端粒是真核生物染色体末端的保护性结构，与基因组稳定性和细胞增殖潜能密切相关。在细胞分裂过程中，端粒会逐渐缩短。多数真核生物依赖一种逆转录酶——端粒酶，通过其自身RNA组分作为模板，在染色体末端添加端粒重复序列，以实现端粒长度的维持。端粒酶复合物包含催化亚基TERT（Telomerase Reverse Transcriptase）蛋白，RNA组分，以及多种其它蛋白组分。端粒酶复合物组分在不同真核生物中有很大差异。端粒酶在衰老和疾病中发挥着重要作用。一方面，端粒酶失调与细胞衰老和早衰症相关。另一方面，在85%-90%的癌症中，端粒酶表达量上调，从而维持癌细胞端粒长度，使其获得持续分裂和无限增殖的能力。

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）数十年来一直是端粒生物学研究的重要模式生物。基于酿酒酵母开展的分子遗传学研究揭示了端粒酶的重要功能和调控机制。然而，酵母端粒酶复合物在生化和结构研究上却极具挑战性。该复合物在细胞中的含量较低，并包含一个较长的非编码RNA组分（1157 nt），以及为数众多的蛋白组分。目前，这些蛋白和RNA组分如何协同组装成酵母端粒酶复合物并调控其功能，仍不完全清楚。

2026年3月26日，英国MRC分子生物学实验室（MRC-LMB）ThiHoang Duong (Kelly) Nguyen团队（第一作者 胡泓淼博士）与加拿大舍布鲁克大学Raymund Wellinger教授和蒙特利尔大学Pascal Chartrand教授的研究团队合作，在Science发表了题为Cryo-electron microscopy structure of the budding yeast telomerase holoenzyme的研究论文。该研究首次解析了酿酒酵母端粒酶的高分辨率三维结构，整合并解释了过去30多年间围绕该复合物开展的大量遗传和生化研究，揭示了端粒酶各组分之间的相互作用方式，并在分子层面上揭示了酵母端粒酶新的作用机制。同时，研究还进一步展示了不同真核生物中端粒酶在结构上的多样性，为深入理解端粒酶的进化及其功能调控提供了重要参考。

图1. 酿酒酵母端粒酶的三维结构

Kelly研究团队首先建立了一种表达纯化策略，从大量酵母细胞中提取微量端粒酶样本，进而利用冷冻电镜技术首次成功解析了该复合物的冷冻电镜结构（图1）。酵母端粒酶结构显示，其RNA组分TLC1的多个远端区域会聚在一起，与Est蛋白（Est1, Est2, Est3）以及Pop1/6/7复合物共同形成一个紧凑的核心结构。该核心结构可分为两个模块：“Est1-Pop模块”和“催化模块”。这两个模块由OB-fold 蛋白Est3紧密连接在一起。除该核心结构外，酵母端粒酶还包含非常长的RNA连接区，参与结合Ku70/80以及Sm7复合物。

在催化模块中，研究团队在TERT蛋白Est2中发现了一个新型的锌指结构，可能在催化过程中起到稳定RNA模板的作用。后续的生化和遗传实验证明了该结构在体外和体内均对端粒酶活性至关重要。这一锌指结构在酵母菌目中也保守存在的。

Est3蛋白在酵母端粒维持过程中起着关键作用，然而其在端粒酶复合物中的具体作用机制仍不完全清楚。该结构直观地揭示了Est3蛋白能够作为“分子胶水”稳定整个酵母端粒酶复合物。Est3蛋白通过两个重要的结构基序参与和Est2的相互作用。一个是N端NOB基序，它是一段长的loop结构，能被Est2锌指结构锚定；另一个是位于OB fold中的TEL patch，能与Est2 TEN结构域互作。该相互作用与Kelly团队此前解析的人端粒酶与shelterin复合物TPP1的结构中TERT-TPP1互作模式相似，进一步证明了Est3与TPP1的结构同源性。

在Est1-Pop模块中，研究团队证实了Pop1/6/7复合物是酵母端粒酶的稳定组分，并在端粒维持中发挥着关键作用。Pop1/6/7复合物同时也是RNase P/MRP的一部分，参与RNA加工过程。在酵母端粒酶复合物中，Pop1通过一个“衣架状”的loop结构，同时结合Est2和Est3蛋白。进一步的生化和遗传分析证明了该Pop1 loop结构对端粒维持起着至关重要的作用。

最后，与之前解析的四膜虫和人的端粒酶复合物结构对比，可以发现，不同于细胞内许多其他关键蛋白复合物，端粒酶复合物在不同真核生物中呈现出显著的结构多样性（图2）。尽管存在这些进化上，不同端粒酶复合物通常会包含四个核心模块：TERT模块、OB-fold蛋白模块、生物合成/组装模块以及招募模块。

图2. 端粒酶复合物的进化多样性

综上所述，该研究深化了我们对酵母端粒酶复合物结构与功能的理解，同时突显了端粒酶复合物在真核生物中的进化多样性。端粒酶与癌症及衰老密切相关。因此，深入理解端粒酶的结构、功能及其调控机制对于人类健康具有重要意义。同时，研究不同物种中端粒酶复合物的结构和功能，也能为干预致病真核生物增殖提供思路。

本研究由英国MRC分子生物学实验室（MRC-LMB）Thi Hoang Duong (Kelly) Nguyen研究员为本文的主要通讯作者，该实验室的博士后研究员胡泓淼为论文的独立第一作者及共同通讯作者。

https://doi.org/10.1126/science.adz5344

制版人： 十一

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