染色體複製機制與端粒及端粒酶作用

端粒是存在於真核生物（Eukaryotes）的染色體末端富含有鳥嘌呤（Guanine）

的單股片段。在人類約有數千個鹼基對的長度並重複著TTAGGG /CCAGGG 於雙 股的片段（圖1.3），以及在 3’端單股存在的 TTAGGG 約五百個核酸，並且隨著 細胞分裂而縮短。因此端粒的長度可以視為生物時鐘（Biological Clock），端粒的 存在也被證實與細胞老化以及腫瘤有重要的聯繫。

圖1.3 人類染色體末端的端粒示意圖。¹⁰

對於端粒的縮短，必須由正常的染色體複製說起。¹¹圖 1.4A 中是一個雙股解 旋的DNA，左段的領先股（Leading Strand）由聚合酶（Polymerase）進行由 5’端 往 3’端的方向複製。然而右段的延遲股（Lagging Strand）則在導引子（Primer）

的存在下由 5’端往 3’端進行複製，這個複製過程並不順利，是由一個片段接一個 片段的不連續合成，這是由岡崎教授所發現，稱為岡崎片段（Okazaki Fragment）

將由黏合酶（Ligase）黏合而成連續的 DNA。¹²在這看似完美的過程，在最後卻發 生了缺憾，因為引發複製的導引子將離開，並在DNA 上留下一段未耦合的單股片 段，將使DNA 頭尾相連而失去作用稱之為尾融合（End Fusion）。圖 1.4B 中綠色 螢光標示的端粒在染色體末端，而圖1.4C，則是染色體相接。¹³細胞為了避免發生 如此的悲劇，在演化過程中就已經儲備了一長串的備胎，也就是端粒。

圖1.4 A. DNA 複製機制。¹¹ B. 存在染色體兩端的端粒（綠色螢光）。

C. 端粒的尾融合，端粒串連多個染色體。¹³

圖 1.5A 中說明了分裂次數與端粒長度的關係，¹⁴並指出當端粒過短時造成的 染色體不穩定將造成細胞的老化（Senescence），此時細胞若沒有適當的訊息調控 而啟動端粒酶時，細胞的複製將減緩，並且在型態上也會呈現鬆散，圖 1.5B。¹⁵ 細胞老化若是繼續進行，將會使細胞進一步遭遇到危機（Crisis）進行程序性的死 亡，亦即凋亡（Apoptosis）。

圖1.5 A. 端粒隨體細胞分裂縮短造成的生物現象。¹⁴ B. 細胞凋亡態示意圖。¹⁵

為了使細胞能夠繼續生存，延續端粒是必要的，其中用以延長端粒的端粒酶

（Telomerase）被 Greider 教授與 Blackburn 教授所發現並證實了延長端粒的假設。

16圖1.6 呈現出端粒酶延長端粒的機制，其中端粒酶包含兩個部分，一為人類端粒 反轉錄酶（Human Telomere Reverse-Transcriptase, hTERT）以及 RNA 模板（Telomere RNA Component, hTR）。端粒酶先辨識單純而非繞曲的端粒，並且進行複製，每 當複製完模板的單位，就移到下一個需延長的端粒末端，完成後便脫附。¹⁷

圖1.6 端粒酶延長端粒的作用機制。¹⁷

端粒酶的活性在正常人體中僅在幹細胞（Stem Cell）及生殖細胞（Germ Line Cell）出現，因此在此類細胞有較長的端粒，較慢的老化及死亡速率，如圖 1.7。¹⁴

圖1.7 生殖細胞的端粒與生命周期。¹⁴

體細胞若變異而啟動端粒酶的活性，則可能造成細胞的永生（Immortalization）， 也就可能成為腫瘤，如圖 1.5A。進一步檢視臨床腫瘤樣品，Kim 教授發現多數臨 床樣品都呈現有端粒酶活性。¹⁸表1.2 中，累計至 2000 年的樣品數，平均八成的各 部位腫瘤的端粒酶活性呈現陽性。¹⁷相對於葉酸與上皮增生因子受體的表現在上皮 癌為主，而荷爾蒙受體也侷限在性腺相關腫瘤中表現，因此端粒被視為是表現及 分布最廣的腫瘤標的。

表1.2 臨床腫瘤組織的端粒酶活性。¹⁷