端粒是DNA的一些无义重复序列，目的在于保护内部有遗传效应的DNA序列
[PDF]2009年諾貝爾生理醫學獎---端粒酶的發現
ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/.../9909-06.pdf
... 引子（虛線）的引導，複製. 完成後，RNA引子被清除並以DNA的鹼基來填補缺口，但是末端留下的缺口卻無法填. 滿（圓圈處），經過不斷的複製，會使DNA越來越短。
端粒酶的發現
一
般
報
導
50 ｜科學發展 2010年9月，453期
端粒和端粒酶的發現
1982年，Elizabeth Blackburn和Jack Szostak發現染色體末端具特殊序列的端粒
（telomeres），能夠保護染色體避免被降解。之後在1985年，Blackburn實驗室的研究生
Carol Greider在生物體內找到了能夠合成這種特殊序列的端粒酶（telomerase）。這3位
美國科學家在端粒和端粒酶上的重大發現，為1980年代後的細胞生物學打開了嶄新的一
頁，特別是在老化以及癌症領域。一直到今天，端粒相關研究仍然持續不墜，也因此為
他們贏得了2009年的諾貝爾生理醫學獎。
2009年諾貝爾生理醫學獎—
端粒酶的發現
■ 尤泰元．林敬哲
3位美國科學家在端粒和端粒酶上的重大發現，
為1980年代後的細胞生物學打開了嶄新的一頁，特別是在老化以及癌症領域。
一直到今天，端粒相關研究仍然持續不墜，
也因此為他們贏得了2009年的諾貝爾生理醫學獎。
● Elizabeth Blackburn教授和他的
先生John Sedat教授
（圖片來源：http://nobelprize.
org/nobel_prizes/medicine/
laureates/2009/blackburn-
photo.html）
● Jack W. Szostak和他的夫人
（圖片來源：http://nobelprize.org/nobel_
prizes/medicine/laureates/2009/szostak-
photo.html）
● Carol W. Greider檢視端粒酶活
性的證據
（圖片來源：http://nobelprize.
org/nobel_prizes/medicine/
laureates/2009/greider-photo.
html）
一
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科學發展 2010年9月，453期｜ 51
不完美的端粒複製機制
端粒是染色體末端的特殊結
構，在1930年代，Hermann Muller
（1946年諾貝爾生理醫學獎得主）
和 Barbara McClintock（1983年
諾貝爾生理醫學獎得主）發現它
可以保護DNA，防止DNA被重
組。端粒這個名詞是由Muller所
命名的，在希臘字裡，telo意指
末端，mero意指單位。
不過當時只知道染色體末
端具有這特殊結構，對端粒保護
DNA的機制和其序列一無所知。
一直到了西元1953年後，James
Watson和Francis Crick（1962年諾
貝爾生理醫學獎得主）提出DNA
的結構，以及Arthur Kornberg
（1959 年諾貝爾生理醫學獎
得主）發現 DNA複製酶（DNA
polymerase）複製DNA的機制後，
端粒的重要性才逐漸受到注意。
當時已經知道真核生物的染
色體是由許多條線性的DNA所組
成的，在細胞分裂的過程中，染
色體DNA也隨著複製。當複製
DNA時，必須遵循一定的方向：
雙股DNA中的一股必須藉由短
的核醣核酸（RNA）來引導其複
製。隨後，進行DNA複製的酵素
把短的RNA引子移除，並且填補
空缺而成為一連續的DNA分子。
但是當最後一個RNA引子被
移除後，DNA複製酵素無法填補
缺少的部分，於是在末端的地方
就會殘留空隙，染色體的末端便
會短少50∼200個核酸序列。如
此經過不斷的細胞複製後，導致
雙股DNA的末端也會隨著分裂
次數的增加而變短，這稱為線性
DNA末端複製缺陷。
然而，一顆受精卵變成一個
完全的個體，要經過無數次的細
胞分裂，可想而知，細胞一定有
一個特殊的機制來解決「DNA
末端複製缺陷」所衍生問題。染
色體末端的端粒有甚麼特殊的結
構，以及細胞如何解決DNA末端
複製的缺陷，這些難題也因此逐
漸受到科學家的重視。
● 圖片中顯示的是染色體DNA染色的結果，綠色的點就是端粒。端粒具有保護染色體
的作用，若端粒的結構變短，染色體末端失去保護，可能導致細胞內數個染色體黏
接在一起，造成染色體異常，細胞無法正常運作，甚至死亡或癌化。（圖片來源：
陽明大學生物藥學所／黃豐淳）
● DNA的複製具單一方向性，不同方向的複製需要依賴RNA引子（虛線）的引導，複製
完成後，RNA引子被清除並以DNA的鹼基來填補缺口，但是末端留下的缺口卻無法填
滿（圓圈處），經過不斷的複製，會使DNA越來越短。
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發現端粒序列
一切的故事始於西元1975
年。當時Blackburn剛從英國劍
橋大學的Fred Sanger（因定出胰
島素序列及發明DNA定序法，
分別得到1958和1980年諾貝爾
化學獎）實驗室完成她的博士
學業，並到美國耶魯大學的Joe
Gall實驗室進行博士後研究。
Blackburn想利用她學得的DNA
定序法，找出端粒這種末端
DNA的特殊序列。
然而那年代的DNA重組技
術仍未成熟，這些末端DNA序
列無法用一般的重組DNA技術
分離複製，DNA定序技術也只
能將較小片段的DNA定序，因
此無法從一般動物細胞中分離
純化這種末端DNA。
幸好Gall發現了一種類似
草履蟲的四膜蟲，這種原生動
物細胞內有非常大量的線性微
小核醣體DNA，可以很容易
純化取得，因此能拿來做為研
究DNA末端序列的材料。由
於選擇了一個很適合的研究材
料，Blackburn得以發現這種微
小核醣體DNA的末端，是由
TTGGGG這6個鹼基序列重複約
20∼70次所組成的。
1977年，Blackburn到加州
大學舊金山分校演講她發現的
結果，一位學生在演講後問她，
核醣體DNA末端的TTGGGG重
複次數不同，是因為TTGGGG
這序列加到DNA末端的次數不
同所造成的嗎？雖然Blackburn
也如此認為，但在當下卻無實
驗證據可據以回答。這個問題
一直到Blackburn在加州大學柏
克萊分校建立了自己的實驗室，
經過數年的研究後，才證實核醣
體DNA上的TTGGGG重複序列
的確是後來才加上去的。
然而，這種在四膜蟲核醣
體線性DNA末端的TTGGGG末
端重複序列，就是一般染色體
末端的端粒嗎？這種重複序列
是否可以保護線狀DNA的完整
性？這些問題仍沒有答案。
端粒延長機制
大約在同時，Szostak在康
乃爾大學利用酵母菌研究DNA
如何重組。Szostak在Ray Wu的
實驗室完成了博士學位，1979
年到波士頓的Sidney Farber癌
症研究中心建立了自己的實驗
室。在酵母菌的研究中，他注
意到當線狀DNA送入酵母菌
後，會快速地降解或重組，然
而Blackburn在四膜蟲中發現的
核醣體DNA雖然也是線狀，卻
可以持續保存在四膜蟲的細胞
核內。於是，他大膽假設：也
許TTGGGG重複序列可以保護
線性DNA的穩定。
1980年，在一個於新罕布
夏州舉辦的DNA研究研討會
中，Szostak詢問Blackburn合作
研究端粒的意願，他提出了一
個瘋狂而有趣的實驗：把四膜
蟲中的TTGGGG重複序列純化
出來，接到酵母菌的某段線性
DNA末端，觀察是否能保護這
段DNA不被重組或水解，並讓
這段DNA可以在細胞中複製、
轉殖。酵母菌和四膜蟲在生物
界的親緣關係很遠，沒有任何
的證據和理由可以支持酵母菌
的端粒和四膜蟲的端粒有相同
或類似的序列、結構，更何況
要讓四膜蟲的端粒在酵母菌體
內也具有功能並保護DNA末
端。
無論如何，這個瘋狂想
法後來被他們證實成功了：
TTGGGG重複序列加到DNA
末端後，可保護線狀DNA免於
被重組或降解，並幫助DNA
在酵母菌內複製。有趣的是，
當Blackburn實驗室的成員Janis
Shampay後來純化這段送入酵母
菌的DNA後，發現酵母菌以自
己本身的端粒重複序列TG1-3加
到四膜蟲的TTGGGG端粒序列
後面，說明了酵母菌可以利用
本身的端粒複製機制來延長四
膜蟲的端粒序列。這項研究結
果也證明在真核細胞中，複製
端粒的基本機制可能是很類似
的。
Szostak的發現不只幫助人
類了解端粒的功能，也促成了在
酵母菌中製造「人造染色體」
的想法。Szostak實驗室的研究
生Anderw Murray後來發現，只
要結合中心粒、DNA複製起始
點、端粒的序列，以及適當長
度的DNA，就可以被酵母菌視
為正常的染色體，跟著細胞一
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科學發展 2010年9月，453期｜ 53
起分裂，持續在細胞中複製、保
存。這種人造染色體在之後應用
於人類基因體分析和序列解碼
上，有很卓越的貢獻。
發現端粒酶
端粒的序列被Blackburn定序
出來後，不論在四膜蟲或酵母菌
中，都發現含有大量的鳥糞嘌呤
形成的重複序列。Szostak也發現
細胞會利用某種未知的機制，把
這樣特殊的DNA序列加到DNA
末端。究竟這種未知的機制是什
麼？是否由一種仍未發現的「端
粒序列轉移酵素」，把一段DNA
轉移到另一段DNA末端？這些問
題最後被Greider所發現的端粒酶
所解答。
Greider的雙親都是科學家，
高中畢業後，她離開家鄉到加州
大學Santa Barbara分校讀書。進
入大學後，她就展現了對研究的
極大興趣，積極參觀了幾個實驗
室。大二時，她進到生物化學實
驗室，和周遭的伙伴一起討論實
驗，思考如何解決遇到的問題。
由於那種在充滿腦力激盪和
共同進步環境下的感覺一直讓她
無法忘懷，因此從大學畢業後，
她就申請了加州多個大學的分子
生物研究所學程。然而只有兩所
學校願意給她面試的機會，因為
令人難以置信的是，這位諾貝爾
獎得主其實是個閱讀障礙患者。
即使她有好的研究經驗、好的推
薦信，甚至傑出的成績，但在參
與美國研究生入學資格考這種有
限制時間的正式考試時，卻無法
順利地閱讀考題。
所幸，Blackburn願意給她
機會，在1984年，Greider進入
Blackburn的實驗室，開始在四膜
蟲體內尋找能夠延長端粒序列的
酵素。這是個困難的實驗，因為
自然界是否有這種酵素存在仍是
未知數。Blackburn曾經說：「一
個害怕失敗的人，通常不會選擇
這種充滿不確定性的題目來研
究。」
Greider清楚這個實驗的困
難度，但她顯然不怕失敗，埋頭
進行研究，一天經常工作達12個
小時。由於她的不斷努力，終於
在9個月後的耶誕節，奇蹟似地
在四膜蟲細胞萃取液中分析到她
一直尋找的酵素活性，可以把
TTGGGG這6個鹼基重複地加到
端粒序列後面。
如果你覺得這時候她們會開
香檳慶祝，那就錯了！Greider
曾經提及：「當你發現一件符合
你預期的成功實驗結果時，第一
件事就是要再三確認這成果是否
是真的？有沒有別種解釋方式？
之後你會開始怪自己當初怎麼沒
想到其他的解釋方式，為什麼當
初不多做一個步驟去排除這些可
能？到最後你早就忘記一開始的
興奮，只會一直怪自己笨。」於
是又經過7個月的努力，排除了
各種其他的可能解釋，最終證實
四膜蟲體內的確有可以延長端粒
序列的酵素。
Blackburn和Greider最初把
這酵素命名為「端粒序列轉移酵
素」，簡稱為「端粒酶」。後來
更進一步研究，他們發現端粒
● 端粒在正常細胞中會漸漸縮短，癌細胞、幹細胞和生殖細胞則因為有延長端粒的
酵素「端粒酶」，而能增加細胞分裂的次數。端粒酶中含有與端粒DNA鹼基序列
「TTAGGG」互補的RNA鹼基序列，RNA和端粒結合後，端粒酶把聚集的自由鹼基黏合
起來，而延長端粒的DNA鹼基序列。
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54 ｜科學發展 2010年9月，453期
癌化細胞經常可以避開老化的生命周期，進行無限制的快速分裂，
於是這些大量增生的「腫瘤」影響了正常細胞的生理功能，甚至致命。
酶是個利用RNA為模板合成出
DNA的反轉錄酶。
細胞複製老化
端粒酶可以利用RNA模板
去延長DNA末端的端粒序列，
因此染色體DNA不會隨著細胞
複製越變越短，也解決了先前所
提到的「DNA末端複製缺陷」
的問題。但如果端粒酶或端粒
喪失保護DNA的功能，細胞
會發生怎樣的變化呢？Szostak
實驗室的博士後研究員Vicki
Lundblad發現一種特別的酵母菌
突變株，這種酵母菌會喪失延
長端粒的功能，因此端粒會因
為「DNA末端複製缺陷」隨著
細胞複製而持續變短。當端粒
短到無法再保護DNA時，細胞
就會開始抑制本身的生長、複
製，稱為複製老化。
後續的研究發現，這些會
造成老化的突變多發生在端粒
酶相關的基因上。有趣的是，
這樣的複製衰老也發生在人類
的細胞中。Greider和加拿大
McMaster大學的Calvin Harley合
作，發現整體來說，老年人的
端粒比小孩的短。人類成體細
胞因為缺少端粒酶的表現，隨
著複製次數的增加，端粒會持
續縮短。由於老年人的細胞經
過較多次的分裂，端粒損耗較
多，最後逐漸走向複製衰老。
因此，端粒的長度可以說是計
算細胞分裂次數的計時沙漏，
當沙子漏完時，細胞便不再分
裂而衰老。
端粒酶與癌症的關係
在正常情形下，老化的
現象是生命必然的周期，如果
這樣的周期失去調控，常常會
有可怕的後果。例如癌細胞原
本是身體的正常細胞，這些正
常的細胞由於某些因素導致基
因不正常的「開啟」或「關
閉」，於是傷害逐漸累積，細
胞進而癌化。癌化細胞經常可
以避開老化的生命周期，進行
無限制的快速分裂，於是這些
大量增生的「腫瘤」影響了正
常細胞的生理功能，甚至致
命。
1994年Woodring E. Wright
與 Jerry W. Shay的實驗室發現，
相較於正常人體細胞不表現端
粒酶活性，癌症細胞會活化端
粒酶的表現，藉以維持端粒長
度供細胞複製用。後續的研究
更指出，約百分之九十的癌細
胞組織中，端粒酶的活性處在
一個「開啟」狀態。端粒酶活
性的活化維持了端粒的長度，
可使細胞不致進入複製性的老
化，就好比不斷地添加沙子到
沙漏中，使沙子沒有流完的一
天。因此癌細胞不會產生複製
性的老化現象，可以不受限制
地增生複製。
如果抑制了端粒酶的活性，
是否可以使癌細胞失去無限增
生的能力，進而抑制癌症的發
展？尋求抑制端粒酶活性的藥
物，配合抗癌藥物的使用，這
種雙管齊下的治療方式是目前
癌症治療的方向之一。而且由
於正常成體細胞沒有端粒酶活
性，會減低被這類藥物影響所引
起的副作用。也因為如此，端粒
酶相關的研究蓬勃發展。1994年
以前，端粒酶的相關研究每年
只有少數幾篇報告，但1994年以
後，呈指數成長，在2005年，端
粒酶相關研究已達每年六千多
篇。
雖然端粒酶相關研究領域
已吸引許多科學家的注意和興
趣，研究得以快速進展，然而
● 喪失端粒酶功能的酵母菌，隨著
細胞複製次數的增加，菌落的數
量及大小會逐漸縮小。這種因為
細胞隨著端粒的縮短會逐漸抑制
本身的生長和複製的現象，稱為
複製衰老。（圖片來源：陽明大
學生物藥學所／尤泰元）
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科學發展 2010年9月，453期｜ 55
仍有許多問題待釐清。舉例來
說，細胞維持端粒長度的機制尚
未完全明瞭。已有研究指出，一
旦在細胞上使用端粒酶的抑制藥
物，細胞仍然可以利用如DNA重
組來達成增長端粒的效果，以躲
過老化的結果。細胞究竟如何利
用DNA重組方法來延長端粒，則
是個謎題。
此外，端粒酶的「開啟」與
「關閉」之間的調控機制仍然未
完全清楚了解，甚至這方面的基
礎研究成果要用於醫藥應用上仍
嫌不足。因此仍然需要科學家的
共同努力研究，以期不久的未
來，對端粒延長的機制有更進一
步的認識，以利老化和抗癌藥物
的開發。
科學家的互動與科學發展
在實驗室中，Blackburn和
Greider之間的相處很有趣。她們
在討論實驗時，常常對一個問題
持相反的意見，然後開始互相辯
解說服對方相信自己，一直到兩
方都開始相信對方說得有道理，
接受自己的想法才停止。
真理是越辯越明的，很多
實驗遇到的問題也在她們兩個的
討論之下，有了互相都可以接受
的解決方式，而最後順利解決問
題，甚至常常有令人驚艷的想法
在爭論的過程中萌生。身為老師
的Blackburn自己也說，她很享受
跟Greider討論科學的過程。能遇
到如此亦師亦友的研究伙伴，相
信也是Greider的機運。
在1985年4月加州大學洛杉
磯分校舉辦的一個研討會上，
Greider第1次對外發表她在四膜
蟲體內發現的「端粒序列末端轉
移酵素」，可惜似乎沒有獲得太
大回響。可能是端粒的研究在當
時仍然沒有引起大家的重視，一
些學者甚至批評她迷失方向。只
有包括Szostak實驗室的少數科學
家，意識到Greider研究成果所具
有的指標性意義。會後的討論時
刻，Szostak甚至邀請Greider去參
加他們舉辦的宴會，對Greider來
說，這是一種相當程度上的肯定
和支持，讓她可以繼續鑽研當時
不被大家認同的研究。
這也說明了許多專門的尖
端研究是孤單的，而一旦遇到可
以溝通、討論的伙伴，是非常振
奮人心的。此外，不同研究領域
之間的合作是很重要的，例如觀
察四膜蟲端粒在酵母菌體內的作
用，是集合不同觀點的想法而激
發出來的創意。
科學發展的本源
不論是Blackburn、Greider或
是Szostak，他們當初會進行端粒
酶的相關研究，其實純粹是好奇
心驅使。Blackburn一開始只是想
研究端粒有怎樣的特殊序列，後
來意外發現這樣的特殊序列具有
重複性。接下來和Szostak合作，
只是想觀察端粒序列能不能保護
DNA被降解，又意外發現不同生
物種族間具有相同的複製端粒機
制。因此開始思考是否有特別的
機制來合成這些端粒序列，最後
發現未知的端粒反轉錄酶。
有趣的是，當初用四膜蟲或
酵母菌做為研究的實驗材料，沒
有想到相關的研究後來可以廣泛
地運用到細胞老化，甚至癌症研
究上。
2009年的諾貝爾生理醫學獎
的頒發，告訴我們科學研究的起
源不一定要多偉大、多有意義，
重要的是好奇心的驅使而想進一
步研究生物界的基本問題。如果
沒有Szostak瘋狂而大膽的想法，
又如何成就之後如雨後春筍般蓬
勃發展的端粒酶研究呢？對研究
本身抱持的態度與信念，會決定
你是個怎樣的科學家。
Greider曾說過，科學家應該
具備一種非常直觀、誠實的科學
原則，不要過分誇張事實（Don't
overstate things），以實事求是的
精神，並充分討論，甚至可和不
同領域的人一同合作，鑽研、努
力於任何你想回答的有趣問題。
最後這些努力累積起來，常常會
是出乎意外的成就。
尤泰元．林敬哲
陽明大學生物藥學研究所
2009年的諾貝爾生理醫學獎的頒發，告訴我們科學研究的起源不一定要多偉大、
多有意義，重要的是好奇心的驅使而想進一步研究生物界的基本問題。
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