Chapter 7 青春之泉是死亡陷阱？
我的大学办公室里有一个摆满了小摆设的架子，上面放满了在会议旅行中收集的纪念品和以前学生送的小礼物。在这些物品中，有一个绿色的塑料药瓶，有人觉得我会喜欢把它当作谈资。瓶子的标签上大胆地承诺着“通过端粒酶激活实现细胞再生”。
这些药丸是众多新型补充剂中的一部分，它们试图从与一种名为端粒酶的 RNA 驱动酶相关的“不朽”光环中获利。在亚马逊上，你可以以看似合理的 25.99 美元价格购买一款名为“青春针”的“保护端粒”抗衰老面霜。与此同时，“HealthyCell 端粒酶激活剂”胶囊已获得 400 条五星评价，其中一位顾客声称该产品治愈了他母亲的阿尔茨海默病。另一位评论者还指出，它“味道很棒”。
我发现，这种名为端粒酶的酶在短短几十年内从一个晦涩的科学话题上升为一个流行词，这确实令人感到奇怪。在 20 世纪 80 年代，端粒酶只引起了一小群研究池塘浮游生物的科学家们的兴趣。如今，它被宣传为名副其实的青春之泉，成为价值数十亿美元的抗衰老产业的一部分。你可能会认为追求不朽是那些异想天开的亿万富翁的白日梦。但至少在细胞层面上，不朽已经存在。而端粒酶就是使之成为可能的秘密配方。
由蛋白质和 RNA 构成的端粒酶，能够通过向染色体末端——即端粒——添加保护性遗传物质，使细胞持续分裂。染色体就像细胞核内一串串 DNA 珍珠。如果没有端粒酶，每次细胞分裂时，这串珍珠的末端就会丢失一颗，整条链会略微缩短。这种损耗过程最终会导致细胞停止生长，进入一种称为衰老的状态，相当于细胞的老年期。但端粒酶延缓了这一过程。它在染色体链的末端添加珍珠，防止衰老，使细胞永葆青春。
端粒酶由人类胚胎中快速生长的细胞产生，但出生时这一机制在大多数细胞中被关闭。关键的少数例外包括干细胞——自然界真正的奇迹。干细胞进行不对称分裂，这意味着与大多数细胞分裂时产生两个完全相同的自身复制品不同，干细胞产生的子代细胞彼此各异。一个干细胞的"子细胞"会成为新的干细胞，与其亲代相同，而第二个子细胞则会转变为身体需要补充的细胞，无论是在皮肤、血液、毛发、消化系统还是其他内脏器官和组织中。干细胞受控的增殖使人体能够自我更新，若没有端粒酶，这一至关重要的过程将无法实现。然而，尽管端粒酶对干细胞的正常功能至关重要，它也是大多数癌症的标志。每当肿瘤细胞偶然找到重启端粒酶生产的方法时，它们就能逃脱正常的细胞衰老过程并获得永生——这往往对我们造成致命后果。
那么，端粒酶是奇迹还是诅咒？由于这种由 RNA 驱动的机器赋予细胞持续分裂而非衰老的能力，人们自然会想，是否有可能以某种方式利用它的力量来延长整个生物体的活力，而不仅仅是单个细胞。某种基于端粒酶的药物真的能让我们的生物钟继续运转吗？要开始回答这个问题，我们必须回到我最喜欢的单细胞毛球——四膜虫。
池塘浮渣的另一课
1977 年，当时我还是麻省理工学院的一名博士后，开着我那辆老旧的沃尔沃手动挡汽车从剑桥前往纽黑文，花了一天时间拜访耶鲁大学教授乔·加尔的实验室。那时，我刚意识到微观生物四膜虫可能为研究者提供的种种可能性，之所以想去乔的实验室看看，是因为他最近发现了一组不同寻常的四膜虫基因，它们以微型染色体的形式存在，每个都比最小的人类染色体还要小上千倍。这些独立的 DNA 分子携带着四膜虫的核糖体 RNA 基因。短短几年后，它们将引领 RNA 自剪接现象的发现，并揭示首个具有催化活性的 RNA 分子——但当时这一切还完全不在人们的视野之中。
在乔的实验室里度过了一个上午，透过显微镜观察四膜虫在玻璃载片有限环境中游动后，是时候吃午饭了。乔的研究小组带我去了克莱恩生物塔顶层的咖啡馆，那是耶鲁校园最高的建筑，其设计显然违背了水平连通性促进互动与合作的原则。但我们都对科学讨论比对建筑批评更感兴趣。乔的团队对他们澳大利亚博士后研究员莉兹·布莱克本【Liz Blackburn】的研究议论纷纷。
莉兹在塔斯马尼亚岛上的霍巴特长大。她从小就对科学产生了浓厚的兴趣，并一路追随对生物学的热爱，进入剑桥大学攻读研究生。在那里，她与两次诺贝尔奖得主弗雷德·桑格【Fred Sanger】合作，完成了一项当时处于前沿的成就——对一种细菌病毒的 DNA 进行测序。这段经历为她后来在耶鲁大学担任博士后、承担一项充满冒险精神的新任务奠定了完美基础，她很快就在确定四膜虫微小染色体末端 DNA 序列方面取得了进展。
当时，莉兹并未考虑在理解癌症或衰老过程方面开辟新天地，也没想过要揭开 RNA 科学的新篇章；她只是以为自己会讲述另一个关于 DNA 的故事。我们中无人知晓究竟何种 DNA 可能存在于染色体的最末端——那些存在于任何生物细胞核内的线性 DNA 分子上。细胞生物学家对这些染色体末端，即端粒（字面意为“末端部分”），长久以来抱有浓厚兴趣，可追溯至赫尔曼·穆勒【 Hermann Muller 】在果蝇及芭芭拉·麦克林托克【Barbara McClintock】在玉米中的观察。1938 年，麦克林托克和穆勒均报告称，若染色体断裂（这在自然界可能自发发生，也可通过 X 射线辐射诱导），断裂的染色体末端会变得不稳定，要么与其他断裂端融合，要么逐渐降解。相比之下，染色体的自然末端却以某种方式免受这些命运。正如鞋带末端有小塑料鞘（称为“鞋带头”）以保持其完整并防止散开，染色体也有端粒。 但在接下来的 40 年里，无人能解染色体端粒如何像鞋带头一样发挥作用的奥秘。
全球有上千个实验室致力于研究染色体中段的测序工作——这些部分包含了基因——但染色体的末端几乎完全未被探索。因此，莉兹和乔将精力集中于此。染色体末端的 DNA 是什么样子的，这些末端又是如何受到保护的？他们决定使用四膜虫的微型染色体，因为每个细胞中的一万份拷贝提供了足够的材料，使他们有机会一探究竟。
在每个四膜虫微型染色体的末端，莉兹发现了一个非常奇怪的现象：一段由六个字母组成的短序列被重复了许多次。其中一条链重复着 CCCCAA，而另一条链则重复着互补序列 TTGGGG：
TTGGGGTTGGGGTTGGGG . . .
AACCCCAACCCCAACCCC . . .
这就像在读一本小说时，突然遇到一个原本通顺的句子，结尾却是一连串的“等等等等等等”。一个“等等”或许还能理解，但一长串就显得完全多余了。这究竟意味着什么？
如今，莉兹和乔因首次测定出端粒的 DNA 序列而广受认可。但有趣的是，在他们 1978 年发表的研究论文中，从未提及“端粒”这个词。他们公布了首个端粒 DNA 序列，却对此只字未提！为何如此谨慎？四膜虫微型染色体太过特殊——比人类染色体小得多且存在大量拷贝——以至于作者若声称大型正常染色体的端粒与之相似，会显得过于冒失。这在科学界屡见不鲜。如果你的研究远远超前于时代，那么包括你自己在内的所有人都需要时间才能充分理解其全部意义。
微小生物的大线索
还需要另一个决定性的实验才能让莉兹·布莱克本确信自己找到了端粒的关键。1978 年，她搬到加州大学伯克利分校，以助理教授的身份开设了自己的实验室。1980 年在新罕布什尔州的一次会议上，莉兹与当时在波士顿丹娜—法伯癌症研究所担任新教职的杰克·绍斯塔克展开了一场对话。杰克正在研究面包酵母的染色体。他发现可以将人工合成的环状 DNA 偷偷导入酵母细胞，并在其中作为微型染色体维持存在，但以同样方式处理的线性 DNA 分子却无法存活。这似乎与常理相悖，因为酵母的天然染色体本就是线性 DNA 分子而非环状结构。
杰克和莉兹推测，线性 DNA 分子在酵母中不稳定的原因可能是其末端缺少某种特殊的稳定结构。也许这些"鞋带"需要配上"金属包头"。当时已知的唯一 DNA"金属包头"就是莉兹在四膜虫微型染色体末端发现的结构。它们是否也能在酵母中发挥这种稳定作用呢？
1982 年，杰克和莉兹合作进行了一项几乎不可能成功的实验。他们将四膜虫 DNA 末端——TTGGGG 重复序列——移植到一段酵母 DNA 的末端。结果证明他们的直觉是对的。四膜虫 DNA 末端使得这段线性 DNA 能在酵母中稳定存在。考虑到这些生物之间巨大的进化距离，这一发现尤为惊人：四膜虫与酵母的差异程度，堪比它与人类的差异。
莉兹实验室的研究生贾尼斯·尚佩【Janis Shampay】对如今在酵母中保持稳定的线性 DNA 末端进行了测序。这原本未必会有惊人发现——她可能只会看到末端仍被四膜虫的 TTGGGG 重复序列封闭。但结果令人震惊：DNA 分子末端不再是 etc.etc.etc.etc.etc.，而变成了 etc.etc.etc.etc.etc.vs.vs.vs.vs.。经鉴定，vs.序列正是酵母用于封闭其天然完整染色体末端的相同序列，即酵母自身的端粒序列。这意味着，尽管四膜虫与酵母是完全不同的物种，但它们的端粒序列相似度极高，当酵母检测到外源端粒（etc.）时，便开始在微型染色体末端添加自身特有的端粒重复序列（vs.）。
贾尼斯、杰克和莉兹只能想到一种方式来解读这些序列结果。序列重复——例如在四膜虫中和酵母中的对比——必定起着端粒的作用，赋予染色体末端稳定性，防止它们被侵蚀。此外，酵母似乎拥有一种端粒延伸酶，能够将四膜虫的重复序列识别为“种子”，并在其上添加自身的端粒序列。这意味着四膜虫体内也必定存在一种端粒延伸酶，负责生成其特有的重复序列。这一切都完美契合，但他们是否在搭建一座纸牌屋？证据将取决于他们能否真正找到这种假想中的端粒延伸酶。而莉兹实验室的一位新研究生正迎接这一挑战。
端粒酶确实存在——而且它需要 RNA
卡罗尔·格雷德【Carol Greider】甚至难以进入研究生院。她患有阅读障碍，标准化考试成绩不佳。但加州大学伯克利分校的分子生物学系没有局限于她的考试成绩，而是深入考察了她的本科研究经历，并对此印象深刻，因此决定给她一个机会——事实证明，这是一个非常明智的决定。
对卡罗尔而言，她不仅为能进入伯克利而兴奋，更因加入莉兹年轻的研究团队而欣喜若狂。在那里，她承担起一项雄心勃勃的任务——从四膜虫中纯化出当时仍属假想的端粒延伸酶。如果这种酶确实存在，它将能够在 DNA 末端添加 TTGGGG 重复序列。对于一个刚入学的博士生来说，这是一个高风险项目——寻找一个从未被发现、甚至可能根本不存在的东西。当时的卡罗尔未曾想到，这份付出不仅会为她赢得名字后的“博士”头衔，还将分享诺贝尔奖的殊荣，并打开一扇通往生命不朽深层问题的大门。
卡罗尔于 1984 年 5 月加入莉兹的实验室。她立即开始在 1 升玻璃瓶中培养四膜虫，破碎细胞并分离细胞核。毕竟，端粒延长发生在细胞核内，因此这里最有可能找到催化延长的酶。随后她通过冻融法使细胞核破裂释放内容物，目标是分离出在细胞分裂后延长染色体末端的“神秘配方”。
卡罗尔和莉兹认为，并不需要整条染色体来触发酶的活性，只需端粒末端——即作用发生的位置即可。于是卡罗尔合成了由 TTGGGG（四膜虫端粒序列）重复组成的短 DNA 链，希望这足以让酶识别端粒并通过添加更多重复序列来延长它。随后，她在试管中用破碎的四膜虫细胞核孵育这些人工端粒。到 1984 年圣诞节时，卡罗尔激动地发现 DNA 正以六核苷酸重复模式——一个接一个的 TTGGGG 重复序列——被延长。她找到了这种酶的直接证据，该酶后来被命名为端粒酶。
正如科学中常见的那样，回答一个大问题往往会立即引出下一个。蛋白质酶怎么可能知道如何合成长达六个核苷酸的特定 DNA 序列？此前从未发现过这样的酶。DNA 和 RNA 聚合酶能够合成长链核苷酸，但它们并非独立完成——它们以 DNA 为模板。逆转录酶（如逆转录病毒中的那些）则以 RNA 为模板制造 DNA。因此，卡罗尔和莉兹猜想，是否可能存在一种 RNA，可以作为添加 TTGGGG 序列的模板。毕竟，互补碱基配对的力量会让 RNA 很容易“记住”TTGGGG；它只需用 A 对应 T，用 C 对应 G。为了验证这一想法，卡罗尔开始用核糖核酸酶（RNase，一种降解 RNA 的酶）预处理四膜虫端粒酶制剂，看看是否会产生任何影响。
1986 年 1 月的那一天，卡罗尔进行实验时，我恰好在伯克利参加一个系里的研讨会。当天早上与她和利兹开会时，卡罗尔向我透露了她想测试端粒酶中是否存在 RNA 成分的想法。如今作为“RNA 专家”，我对 RNA 可能再次施展神奇魔法的可能性感到兴奋不已。那天，系里几位教授轮流带我去参加预定的会议，途中我总会探头进卡罗尔的实验室询问实验进展。其实我们俩心知肚明——这类实验至少需要一整天，半小时就问一次结果纯属逗趣。
回到博尔德后，我得知卡罗尔确实发现端粒酶活性会被 RNase 处理破坏。由于几乎所有酶都是蛋白质且不含 RNA，它们不受 RNase 处理的影响。但端粒酶活性似乎需要 RNA 的存在。因此，端粒酶成为“所有酶都是蛋白质”这一规则的少数例外中最新的成员。其中包括我们研究的四膜虫核酶、其他物种中相关的自剪接 RNA、核糖核酸酶 P，以及核糖体蛋白质合成机器。现在又增加了端粒酶。
几年后的 1989 年，卡罗尔鉴定并测序了四膜虫端粒酶的 RNA 组分。那时她已从伯克利获得博士学位，并前往位于长岛湾沿岸、由吉姆·沃森创立的著名生物学研究圣地——冷泉港实验室。令人惊叹的是，这段 RNA 含有一段 AACCCC 序列，恰好能编码四膜虫端粒的 TTGGGG 重复序列——这验证了她和莉兹的猜想：正是 RNA 模板指导着染色体末端添加何种 DNA 序列。
相应的人类端粒酶 RNA 很快也被识别出来，并被观察到作为类似序列——TTAGGG——的重复模板，该序列构成了人类端粒。因此，现在发现 RNA 处于另一个关键生命过程的核心——延伸染色体末端以确保基因组的完整性。
所有旨在理解端粒和端粒酶的研究都源于好奇心，源于想要从根本上了解染色体如何运作的迫切愿望。最初，医学应用还遥不可及。但随着越来越多的证据表明端粒酶在癌症和衰老中起着核心作用，这一局面即将改变。
永生……在细胞层面
伦纳德·海弗利克【Leonard Hayflick】 1928 年出生，在费城长大。大约 10 岁时，他的叔叔送给他一套吉尔伯特化学套装，在极度信任他的父母的支持下，海弗利克在地下室建立了自己的实验室，在那里他尝试制作爆炸性化学混合物并建造火箭。在宾夕法尼亚大学就读期间，他发现了生物学，最终于 1958 年在费城的非营利机构威斯塔研究所获得了一个职位。在那里，海弗利克成为了培养人类细胞（如肺细胞）的大师，这些细胞无病毒且无癌症，因此他的细胞培养物备受制药行业追捧，用于生产针对风疹（德国麻疹）等疾病的疫苗。
其他培养此类正常人类细胞的研究人员发现，他们的培养物过一段时间就会停止生长，他们将其归因于操作技术不够严谨——于是便丢弃这些培养物重新开始。而海弗利克是一位极其出色的实验家和细心的观察者，当他的培养物停止生长时，他意识到这是某种讯息：正常人类细胞的分裂次数存在上限，通常在 50 至 60 次后便会进入衰老状态。衰老细胞并非死亡——它们会改变形态，转换代谢方式，继续存活但不再分裂。如今我们将这种现象称为细胞达到了“海弗利克极限”。
海弗利克始终认为，正常人类细胞有限的增殖寿命完全合乎逻辑。正如胚胎和儿童时期皮肤、肝脏、骨骼及脑部细胞必须持续分裂一样，成年人体内这些细胞停止分裂同样至关重要。这一点尤为关键，因为无限分裂的替代方案——正是癌症的主要特征。
但谁在计算细胞经历了多少次分裂呢？必定存在某种计时机制。端粒酶的发现催生了一种观点，即端粒长度可能为海弗利克极限设定时钟。如果端粒酶在大多数人体细胞中被关闭，那么端粒的不完全复制会导致其缩短，从而可能引发衰老。相反，在持续生长的生物体（如四膜虫和酵母）以及癌细胞中，端粒酶会始终“开启”，端粒保持其长度，海弗利克极限永远不会达到。1990 年，当时在加拿大麦克马斯特大学拥有实验室的细胞生物学家卡尔·哈利招募了卡罗尔·格雷德来测试端粒缩短假说。在一项极具影响力的研究中，他们发现随着某种人类皮肤细胞的老化，其端粒在每次细胞分裂时稳定缩短约 50 个碱基对。这种相关性引人入胜，但卡尔和卡罗尔正确地得出结论：“尚不清楚这种 DNA 的丢失是否在衰老中起因果作用”——也就是说，它是否真正导致了细胞分裂的停止。
端粒酶真的是促进长寿的“永生酶”吗？当科学家发现端粒酶活性增强是各类癌症的标志时，这是否意味着端粒酶将成为癌症治疗的理想靶点？这些关于端粒酶、衰老与癌症的假设关联，将生物技术公司和大型制药企业引入了对端粒酶蛋白的追寻——因为尽管端粒酶 RNA 至关重要，它必须与蛋白质搭档协同作用。揭开端粒酶的奥秘需要纯化整个复合体（RNA 与蛋白质的组合），这极具挑战性，因为即便在其危害最甚的癌细胞中，端粒酶的含量也极其稀少。只需微量这种物质，就足以让细胞不断分裂。攻克端粒酶纯化难题的任务，最终落在一位名叫约阿希姆·林格纳的瑞士博士后研究员和另一种与四膜虫有远亲关系的小池塘生物身上。
RNA 还不够
瑞士巴塞尔是莱茵河畔一座如童话般的城市。这里是瑞士与德国、法国的交汇处，拥有众多令人惊叹的艺术博物馆——混凝土墙面上悬挂着色彩震撼的巨幅罗斯科画作。五座桥梁横跨莱茵河，其间穿梭着城市四艘渡轮：野人号、狮子号、鹰狮号和乌利号，这些无需机械动力的渡轮让人能轻松往返两岸。这些渡轮设计巧妙，利用河流自然水势单向横渡，只需调转舵向便能借助同一水流返航。同样精妙的是巴塞尔的科研成就——巴塞尔大学、弗里德里希·米歇尔研究所，以及全球两大制药巨头罗氏和诺华均扎根于此。
1992 年，我前往巴塞尔大学生物中心做研究讲座。访问期间，我遇到了一位名叫约阿希姆·林格纳的学生，他当时正在瑞士顶尖 RNA 科学家之一的指导下完成博士学业。约阿希姆询问是否能来博尔德纯化端粒酶。正如卡罗尔和利兹所证明的那样，这种酶很可能含有一个 RNA 亚基。同时，它可能还含有一个或多个蛋白质组分来驱动其 DNA 延伸活性。1993 年，我欢迎约阿希姆来到博尔德，并说服他相信，通过研究一种对扩增所有端粒相关物质具有惊人天赋的生物体，我们或许能在所有公司都失败的地方取得成功。
我选择的生物体是 Oxytricha nova，这种小生物与四膜虫一起生活在世界各地的池塘浮渣中。我从同事 David Prescott 那里了解到 Oxytricha，他曾从博尔德校区的 Varsity Pond 中分离出多种单细胞生物。David 发现了一个令人难以置信的事实：Oxytricha 拥有一亿条极其微小的染色体，每条仅携带一个基因。由于每条染色体有两个末端，每个细胞包含两亿个端粒。相比之下，人类有 23 对染色体，因此一个典型体细胞中有 46 条染色体或 92 个端粒。假设端粒酶的数量与端粒数量成正比，那么与那些试图从人类癌细胞中纯化端粒酶的公司科学家团队相比，Oxytricha 能为我们提供超过百万倍的优势。
正如许多由研究主管推动的“伟大构想”一样，我的提案也存在一些缺陷。约阿希姆很快发现，培养这些 Oxytricha 原生生物非常困难。我们用从当地 King Soopers 超市购买的开放式千层面烤盘培养它们，它们沿着盘底爬行，捕食细菌和藻类。将原生动物从其食物生物中分离出来十分繁琐，因此约阿希姆决定改用另一个物种——Oxytricha 的近亲 Euplotes aediculatus。这种微生物体型庞大（以微生物标准几乎肉眼可见），能粘附在粗棉布上，而细菌和藻类则会被冲洗掉。培养这些生物仍非常耗时，于是我们雇佣了科罗拉多大学的本科生来培育它们。学生们需要培育藻类喂养 Euplotes，用显微镜观察确保其状态良好，并在种群增长后将它们转移到干净的千层面烤盘中。
但是如何从这些生物体中提纯端粒酶呢？约阿希姆决定先鉴定其 RNA 亚基，并以此为“抓手”来提纯完整的酶。他与一名本科生合作，成功从游仆虫中分离并测序了端粒酶 RNA 亚基的基因。游仆虫端粒酶的 RNA 与四膜虫的相似但不完全相同。这正是我们所预料的——因为这两种 RNA 在不同物种中执行相同的生物学功能，它们在漫长的进化过程中适应并发生了变化。
约阿希姆的想法是，通过使用一段与 RNA 亚基模板区域互补的短 DNA 片段作为“鱼钩”，在破碎的游仆虫细胞中“钓取”端粒酶。这段 DNA“鱼钩”应通过互补碱基配对与端粒酶 RNA 模板结合，从而将 RNA 从复杂的细胞混合物中拉出，同时保留其附着的珍贵蛋白质。这一方法效果极佳。在冷藏室中工作了一年——生物化学家在此环境下操作以防止敏感酶受损，就像我们冷藏食物以保鲜一样——约阿希姆成功实现了从任何生物体中首次对端粒酶进行生化纯化。
不幸的是，我们手头纯化的游仆虫端粒酶非常稀少，仅有约 10 微克。一微克的分量微不足道——它仅相当于百万分之一克，而即便一克也不过是一颗葡萄干的重量。我们只有一次机会从这珍贵材料中获取蛋白质序列信息，否则就得重回冷房苦熬数月。因此，我们需要一位世界级的合作者。1996 年春天，我们联系了当时在海德堡欧洲分子生物学实验室的马蒂亚斯·曼恩，他刚发明了一种新的蛋白质测序方法，并渴望在未知蛋白质上测试其效果。我们将无可替代的端粒酶样本寄给他后，短短时间内他就反馈了 14 段游仆虫端粒酶蛋白的氨基酸序列片段——这些信息足以让约阿希姆分离出对应的基因。
痴迷于衰老与端粒长度关系的生物技术公司之一是位于加利福尼亚州门洛帕克的杰龙公司（Geron，取自“老年学”一词）。他们一直在不懈努力从癌细胞中提纯人类端粒酶，但发现这非常困难。因此，他们在 1996 年 8 月于夏威夷大岛科纳海岸的哈普纳海滩酒店举办了为期四天的杰龙端粒酶与癌症研讨会。或许他们希望，在迷人的热带环境和几杯迈泰鸡尾酒的放松下，与会者会透露一些关于这种长期隐藏的蛋白质的关键信息——这种蛋白质与 RNA 合作驱动端粒酶。
在研讨会上，我与老朋友维姬·伦德布拉德（Vicki Lundblad）边喝咖啡边聊了起来，她当时是休斯顿贝勒医学院的教授。我在加州大学伯克利分校担任研究生助教、负责普通化学实验课时，维姬曾是我的学生之一。后来，她成了杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）的研究生，之后又跟随利兹·布莱克本（Liz Blackburn）做博士后。维琪想弄清楚酵母中染色体末端维持的基本原理。有趣的是，她刚刚发现了两个新的酵母基因，当它们失活时，会导致酵母的端粒不断缩短。她因此将这两个基因命名为 Est。
酵母是单细胞生物。通常，它们会无限增殖，其端粒酶始终处于活跃状态。从这个意义上说，它们就像人类的干细胞或癌细胞——不断分裂。对于 Vicki 新发现的 Est 基因，一个合理的解释是它们编码了端粒酶的关键部分。敲除这些基因后，酵母的端粒会随着每次细胞分裂而缩短，导致细胞衰老或老化。Vicki 的 Est 基因序列与以往发现的任何基因都不匹配，因此她不知道下一步该怎么做。我向她介绍了我们在 Euplotes 上的研究结果，我们怀疑我们可能在追踪同一个目标。就在我们讨论交换基因序列时，来自洛克菲勒大学的著名端粒科学家 Titia de Lange 正在附近慢慢地倒咖啡。她鼓励我们见面，并好奇地想听听结果。
当薇姬和我在夏威夷时，约阿希姆在博尔德有了惊人的发现。盯着新发现的游仆虫端粒酶蛋白序列，他有一种奇怪的似曾相识感。他以前见过这个序列，或者至少是非常相似的东西，那就是人类免疫缺陷病毒中著名的逆转录酶。为什么我们的端粒酶蛋白会与 HIV 等病毒的关键蛋白相似？约阿希姆越想越觉得有道理。端粒酶——就像 HIV 一样——必须使用 RNA 模板来合成其 DNA，而逆转录酶蛋白可以推动这一过程。
我从夏威夷回来后，将约阿希姆介绍给了薇姬在贝勒大学的学生蒂姆·休斯。目的是比较游仆虫和酵母的基因序列，看看是否有合作推进的基础。确实存在这样的基础。酵母 Est2 蛋白与我们较大的游仆虫蛋白明显匹配，尤其是在假定的逆转录酶序列周围。但与游仆虫不同，酵母没有可用的分子遗传学工具，酵母允许我们替换基因的多个版本，看看哪些有效，哪些无效。
一场激烈而紧张的合作随即展开。我们构建了酵母 Est2 基因，其突变仅限于约阿希姆所鉴定的逆转录酶序列区域。记得有一天下午走进实验室时，我看到一位研究员手持联邦快递信封，而约阿希姆正将装有 DNA 的试管投入其中。他飞奔下楼赶上了当天最后一班联邦快递取件。这些样本即将送往休斯顿进行端粒分析。
几个月后，一切尘埃落定。在我们推测负责驱动端粒延伸的 Est2 蛋白区域中，即使仅突变单个氨基酸，也会导致酵母端粒缩短并引发衰老现象。这些酵母细胞在我们眼前不可控地老去。由此证明，维基的酵母 Est2 蛋白——进而我们的游仆虫蛋白——对活细胞中的端粒延长过程至关重要。
尽管发现了一些延缓衰老过程的秘密成分令人兴奋不已，但至少在当时，我们的发现仅限于酵母和池塘浮藻。这些洞见能否适用于人类呢？要验证端粒酶、衰老与癌症之间的关系，必须获得人类端粒酶蛋白——这是卡罗尔和利兹所发现的 RNA 部分的关键搭档。
那时正值人类基因组计划的早期阶段，新的 DNA 序列每天都在杂乱无章地公布。就在我们的《科学》论文发表前不久，一段与游仆虫和酵母端粒酶蛋白高度匹配的人类 DNA 序列未经标识地出现在实验室电脑屏幕上。这将成为寻找人类端粒酶蛋白的关键。但一旦我们的论文面世，其他人也必定会建立这种联系。我们仅比全世界提前几周开始分离人类基因的竞赛，一场角逐就此展开！
寻找人类端粒酶基因的一个小组由世界最著名的癌症生物学家之一、麻省理工学院怀特黑德研究所的鲍勃·温伯格领导。命运使然，我当时正是怀特黑德研究所的科学顾问委员会成员。在新罕布什尔州怀特山举行的研究所年度务虚会上，我与温伯格的博士后克里斯·康特和马特·迈耶森在他们的海报前交谈，得知他们正紧追人类端粒酶的踪迹。我说了些类似“你们可能需要换个课题，因为我们已经搞定了”的话。对两位才华横溢、雄心勃勃的博士后说这种话可不明智——他们立刻加倍努力投入工作。
最终，我的实验室赢得了这场竞赛，但优势并不明显。我们描述人类 TERT 基因（全称为端粒酶逆转录酶）的论文于 1997 年 8 月 15 日发表在《科学》杂志上。鲍勃·温伯格的团队仅一周后就在《细胞》杂志上发表了一篇关于人类 TERT 基因的优秀论文。事实上，无论是在实验室还是在活细胞中，将 RNA 亚基与 TERT 蛋白混合都能产生具有活性的端粒酶。
你更喜欢衰老还是永生？
在掌握了人类端粒酶的 RNA 和 TERT 蛋白成分后，终于可以验证端粒酶设定海弗利克极限时钟的假说。达拉斯 UT 西南医学中心的伍迪·赖特教授及其团队与杰龙公司的科学家合作，率先获得了这个期待已久的答案。他们将 TERT 基因导入已知已含有端粒酶 RNA 但缺乏 TERT 的正常人类视网膜细胞，这些细胞随即开始无限增殖。相比之下，未导入 TERT 的视网膜细胞在经历 50 至 60 次群体倍增后停止分裂，并呈现衰老特征。这提供了确凿证据：缩短的端粒确实是决定海弗利克极限的标尺，而活跃的端粒酶能阻止衰老。该技术现已被生物医学研究和产业界用于防止培养的人类细胞衰老。若想让培养的人类细胞无限增殖，只需添加 TERT 基因即可。
端粒酶能够使人类细胞永生化，让它们在实验室中持续分裂而不衰老，这是一个科学事实。但不幸的是，这一发现被过度引申，暗示提高端粒酶水平可能延长人类寿命。这种想法过于简单化：如果我们的细胞不死，那么我们也不会死。这让我想起了我的小饰品架上那些号称“延长寿命”的端粒霜和“临床证明可延长端粒”的“端粒酶激活剂”药丸。由于这些药丸和面霜中的成分是天然植物产品，它们可以作为膳食补充剂销售，无需经过 FDA 批准药物所需的安慰剂对照临床试验。实际上，它们并没有“经过临床验证”。
但让我们暂且假设这些药片和乳霜真如广告所言般有效。如果它们确实能阻止我们的端粒缩短、细胞衰老，这真的会是件好事吗？极难想象如果我们所有细胞都持续分裂会发生什么。不过，若真要大胆推测，可能出现的一种结果是：人类体型不断增大，永无止境地生长下去。或者，考虑到持续细胞分裂与癌症的关联，这些假设中端粒酶持续活跃的人或许会被巨型肿瘤吞噬。
因此，若要使其有益，端粒酶活性和端粒长度的调控必须更加精准。有两种情境下，这项研究若能转化为实用疗法，未来可能产生拯救生命的效果。
第一种情况涉及我们的干细胞，它们负责补充体内衰老的细胞，因此需要在一生中持续分裂。有些人天生端粒极短，比同龄人 99%的端粒都要短。结果，他们的干细胞只需经历很少的端粒缩短就会进入衰老状态，无法再维持关键组织。一种名为先天性角化不良的遗传病正是由此引发。患者表现为皮肤色素异常、指甲和趾甲变形、口腔病变和牙齿问题，许多人后期会死于贫血。进一步分析发现，他们的端粒酶某个组成成分的基因发生了突变，导致需要持续分裂的细胞反而衰老。同样，许多常见的血液疾病（如再生障碍性贫血）和使人衰弱的肺部疾病（如肺纤维化）也是由于端粒酶过少及随之而来的端粒缩短所致。这些患者若能通过安全方式延长干细胞的端粒，将极大获益。 如果我们能开发出一种真正能刺激端粒酶活性的药物，接下来的挑战将是主要将其靶向作用于干细胞。
第二种情况与第一种恰恰相反。大多数癌细胞最初只是携带了少数致命突变、导致其开始快速分裂的正常细胞。在 90%的人类癌症中，端粒酶被重新激活，使这些细胞实际上获得了永生。仅举一例说明这些肿瘤细胞的顽强生命力——海拉细胞（源自 1951 年巴尔的摩著名癌症患者亨丽埃塔·拉克斯肿瘤的首个永生细胞系）因活跃的端粒酶作用，在 70 年后的今天仍存活于全球数千个实验室中。据估算，若将所有培养过的海拉细胞首尾相连，其长度将达 3.5 亿英尺，足以绕地球三圈。
鉴于端粒酶赋予肿瘤细胞的这种可怕能力，科研人员的希望在于找到抑制肿瘤中端粒酶活性或阻止其初始激活的方法。但实现这一目标，科学家们还需破解另一个谜题：端粒酶最初是如何在肿瘤中被重新激活的。
微小的改变能带来巨大的不同
到 21 世纪初，世界各地的科学家已经对肿瘤中的 TERT 基因进行了测序，但他们找不到任何可以解释 TERT 是如何被激活的突变。直到 Franklin Huang 的出现。
富兰克林在俄克拉荷马州长大，父母是来自台湾的移民。他在哈佛医学院获得了医学博士和博士学位，并于 2012 年开始在波士顿丹娜-法伯癌症研究所的 Levi Garraway 实验室担任医学研究员。Levi 是运用 Illumina 公司强大的新技术对肿瘤 DNA 进行测序的领军人物。他的实验室成员正在寻找可能驱动癌症的突变——这些突变也可能是药物干预的靶点。
实验室拥有大量黑色素瘤基因组序列，这些数据已为这种皮肤癌提供了有价值的信息。然而，富兰克林重新审视了这些数据，很快发现一个名为 TERT 的基因中出现了耐人寻味的现象。在 19 份黑色素瘤样本中，有 17 份在同一位置出现了单碱基对突变。这个突变并不在基因的编码区——此前所有人的研究焦点都在那里——而是位于被称为“启动子”的基因区域，因其能促进 DNA 转录为 mRNA。这一变异似乎会形成一个名为“转录因子”的蛋白质结合位点，其结合很可能驱动该基因的转录。这是否就是重新激活端粒酶、为这些癌症提供扩散空间的遗传错误？
实验室的同僚们对此持怀疑态度。他们认为一个致癌突变以如此高的频率出现几乎是不可能的。会不会是数据错误？也许是高科技 DNA 测序仪在这个特定序列上出了问题，导致多次误读？
富兰克林采用了一种传统方法对 DNA 样本进行测序——这种方法不涉及高科技测序仪，因此不会受到其潜在缺陷的影响（如果确实存在任何缺陷的话）。他熬了一整夜才完成测序，但第二天就得到了答案。大多数黑色素瘤 DNA 序列确实在 TERT 基因的相同位置出现了他早先观察到的突变。更重要的是，当他测序取自同一患者非癌变血液的 DNA 时，发现那些 DNA 中的 TERT 基因序列均未出现突变。换言之，这种突变是癌症特有的，因此不可能是 DNA 测序错误——它是真实存在的。
富兰克林和利维随后证明，单碱基突变确实推动了 TERT 基因的转录。后来，他和其他人发现，许多其他癌症也偶然发现了这种对它们有利的技巧——通过完全相同的突变激活 TERT，从而激活端粒酶。非常值得注意的是，这种突变在全球范围内独立发生，每年发生数十万次。据推测，其他许多突变也以类似的频率出现，但它们不会推动肿瘤进展，因此随着时间的推移会被稀释。
TERT 启动子突变的发现具有重要的诊断应用价值。对于多种癌症而言，TERT 启动子突变的存在预示着疾病更具侵袭性——患者若想存活，就需要接受激进治疗。因此，检测这种突变有助于医生制定个性化治疗方案，对于未出现该突变的癌症患者，可能会建议采取更保守的治疗方式，以避免化疗带来的某些衰弱性副作用。
尽管这些诊断应用已经在帮助患者，但将这项研究转化为有效治疗手段的探索仍在继续。其中一个挑战是如何抑制肿瘤中的端粒酶，而不影响同样依赖端粒酶的干细胞。正如我们所有关于 RNA 的故事一样，了解生物学——理解其机制——对于医疗干预至关重要，但这并不能保证成功。从科学发现到将其转化为治愈方法，往往是一条漫长而艰难的道路，而对于端粒酶的研究，这一探索仍在进行中。
在我们的 RNA 探索之旅的下一站——RNA 干扰的案例中，从基础发现到治疗应用的转化发生得更为迅速。基础研究之所以如此重要且激动人心，部分原因在于，当我们对 RNA 的本质有了新发现时，永远无法预知哪些医疗应用可能正蓄势待发。