端粒（telomere）是染色體末端的一段重復的核苷酸序列，它的主要作用是保護染色體重要的功能片段在復制時不會丟失，而端粒自身的長度會隨著細胞分裂代數的增加不斷變短。當端粒長度降低至一定水平后，細胞分裂會隨即停止，這也是為何大部分細胞正常分裂的代數都存在一個極限（即“海夫利克極限”）。然而，部分細胞可以借助端粒酶（telomerase）不斷延續端粒長度，繼而實現無限分裂。端粒在控制細胞乃至個體壽命、影響腫瘤發生等方面都具有重要的功能。Elizabeth Blackburn, Carol Greider和Jack Szostak三位科學家因發現端粒和端粒酶而榮獲了 2009 年諾貝爾生理與醫學獎。

端粒的結構

端粒是存在于大多數真核生物細胞染色體末端的一段核苷酸重復序列。在脊椎動物中，這段序列是（TTAGGG）n。 在人類中，這段序列大約重復了 2500 次。大部分植物的端粒序列為（TTTAGGG）n，少數為（TTAGGG）n 或其他代替序列。端粒序列的末端有一段未成對的序列，這段序列反向插入前面的一段雙鏈中，在其他蛋白質的協同下，在染色體的末端折疊成一個環狀結構（T-loop）。

端粒縮短的機理

由于 DNA 復制是半保留-半不連續復制，后隨鏈的合成是一個一個片段拼接起來的，這種片段被稱為岡崎片段（Okazaki fragment）。岡崎片段的前面總需要一段 RNA 引物。在復制完成后，RNA 剪切酶、DNA 聚合酶和 DNA 連接酶可以將這些 RNA 引物去掉并填補岡崎片段之間的空隙，但后隨鏈5'端第一個岡崎片段的 RNA 引物降解之后的空隙卻無法得到填補，故而每次 DNA 復制都會造成末端的一小部分 DNA 丟失，留下一段未成對的單鏈 DNA。如果這段 DNA 包含重要的遺傳信息，那么隨著復制次數的增加，重要的遺傳信息就會不斷丟失，導致細胞無法完成正常的生命活動。端粒的作用，相當于給染色體的末端加了一個帽子，以自身長度的不斷減少，來“犧牲性”保護染色體內部重要遺傳信息在復制時免于丟失。

端粒與細胞分裂極限

當端粒長度縮短到一定長度以下后，端粒將無法再折疊成較為穩定的環狀結構。開環的末端會被當做 DNA 損傷被細胞識別，并引發一連串的反應，包括停止分裂和增殖（細胞衰老）和程序性凋亡。開環的染色體末端還會導致染色體融合，由于細胞無法修復這樣的錯誤，這也會導致細胞凋亡。故而，對于大部分細胞而言，都存在一個分裂代數的極限，即“海夫利克極限”。然而，在少部分正常細胞，例如精細胞、一些干細胞和白細胞中，一種叫做“端粒酶”的酶可以不斷延續端粒的長度，使細胞分裂的代數超過海夫利克極限，以行使特殊的生理功能。而在大部分癌細胞中，端粒酶的活性普遍很高，使得癌細胞擁有無限增殖的能力。最典型的例子，是提取自 20 世紀 50 年代宮jin癌患者海拉的癌細胞系（Hela cells），目前仍在全球各大實驗室廣泛使用。因此，可以通過抑制端粒酶的活性達到選擇性殺死癌細胞的目的，以端粒酶為靶點的抗腫瘤療法是藥物化學的研究熱點之一。

端粒與壽命的關系

由于端粒控制著細胞分裂的極限，端粒與壽命之間的關聯很早就引起科學家的關注。在早期的研究中，科學家在一些低等的模式生物（如線蟲C. elegans）中發現，延長端粒長度可以延長個體的壽命。然而，越來越多的研究表明，端粒初始長度與物種壽命之間并不存在簡單的正相關。例如，一項對許多不同種類哺乳動物的端粒初始長度和壽命的統計學分析表明，在不同物種間，端粒初始長度與物種的平均壽命甚至呈一定程度的負相關。又例如，人類的端粒長度只有 5 到 15 kb，而小鼠則有 50 kb，但小鼠的自然壽命（2 到 3 年）遠遠低于人類的自然壽命（~100 年）。這可能是因為雖然小鼠的端粒更長，但小鼠端粒的縮短速度要遠大于人類。另一項研究表明，端粒的縮短速度，而不是端粒的初始長度，與物種壽命的相關性更大。端粒縮短越快的物種，壽命相對也越短。

在人體中，由于實驗設計的復雜性，端粒與個體壽命之間的關聯證據非常有限。理論上，端粒雖然起到了延緩細胞衰老的作用，但端粒本身相當于一種“熔斷”機制，如果端粒不適當地延長，可能會使得一些出現異常的細胞繼續增殖并最終導致癌變。因此，用端粒長度或縮短速度來預測同種多細胞生物個體之間的壽命是很困難的。