谈及生物学中的端粒和端粒酶，人们的心头往往首先浮现出衰老这一不可抗拒的自然现象。端粒，作为真核生物染色体末端的DNA重复序列，它肩负着维持染色体完整和调控细胞分裂周期的重任。端粒酶是使端粒延伸的逆转录DNA合成酶，是由RNA和蛋白质组成的核糖核酸-蛋白复合物。其RNA组分为模板，蛋白组分具有催化活性，可催化合成端粒重复序列。

图1. 端粒酶延长端粒机理^[1]

端粒酶能够修复并延长端粒，弥补DNA复制缺陷，防止细胞分裂中端粒损耗，从而增加细胞分裂次数。2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了Elizabeth H Blackburn、Carol W Greider和Jack W Szostak以表彰他们在“揭示端粒与端粒酶在细胞功能和老化中的关键作用”中做出的杰出贡献。

今天，要为大家介绍的是一个与众不同的端粒酶：TelN端粒酶（TelN Protelomerase），TelN端粒酶来自噬菌体N15，是N15复制系统的组成部分，参与线性前噬菌体DNA的生成。与真核生物的端粒酶不同，TelN是不含任何RNA成分的纯蛋白酶，具有切割-连接活性，在切割双链DNA（dsDNA）后会在酶切位点处留下共价闭合的末端。

图2. TelN端粒酶切割位点

TelN端粒酶作用原理

TelN端粒酶的识别位点telRL，是一个长达56 bp的回文序列，两侧是telR和telL。靶序列中心位置同样是一个回文序列telO。TelN端粒酶在telO序列内部切割并且在2个切割末端形成共价闭合的发卡结构，酶切后的DNA载体末端依然由telR和telL组成，形似“狗骨头”（doggybone）。

图3. TelN端粒酶切割原理^[2]

由于TelN端粒酶特殊的酶切-连接活性，可以经过一步酶促反应将环状质粒DNA转变成线性共价闭合的哑铃型分子。与线性开口DNA分子相比，线性闭合DNA在细胞内具有更高的蛋白表达水平，非常适合用于构建高稳定性、携带最少外源序列的线性闭合末端的迷你DNA。

质粒DNA，作为mRNA疫苗、DNA疫苗以及细胞基因治疗等多个领域的核心“元件”，扮演至关重要的角色。传统的质粒生产方式涉及大肠杆菌发酵和多级放大扩增过程，而发酵过程中的不可控风险限制了高质量质粒载体的产量，这成为了限制疫苗产能的关键。英国的Touchlight公司推出了doggybone DNA（dbDNA）载体技术，这项技术颠覆了传统细菌发酵制备质粒DNA的方法，开创性地采用体外酶促法合成DNA，其中使用TelN端粒酶特殊的酶切-连接活性来生成线性闭合末端的迷你DNA是该技术的关键。

TelN端粒酶在DNA酶法合成中的应用

基于phi29 DNA聚合酶及TelN端粒酶的DNA体外酶法技术可以避开生物发酵过程的诸多不可控风险，且体外酶促法合成DNA的速度快、产量高，合成的DNA可用于众多新兴技术，如mRNA疫苗、DNA疫苗、基因治疗载体以及基因编辑等。

图2. DNA酶法合成流程图^[3]

酶法DNA合成工艺流程

01

模板变性

环状质粒DNA模板通过变性处理，将其转化为两个单链环状DNA。

02

滚环扩增

利用Phi29 DNA聚合酶以单链环状DNA为模板，进行滚环扩增，生成具有端粒酶识别序列间隔的长线性双链多联体DNA。

03

切割及共价闭合

TelN端粒酶识别多联体DNA上的端粒酶识别序列（telRL）发挥切割和连接活性，生成线性、末端共价连接DNA单体。

04

去除细菌骨架DNA

限制性内切酶或核酸外切酶降解末端具有开放结构的细菌骨架DNA得到仅含有目标基因表达元件的DNA。

酶法合成DNA技术完美避开生物发酵，可快速实现GMP级别的质粒DNA合成，解决基因治疗领域、mRNA疫苗领域中质粒生产的产能限制，蕴藏着巨大的产业化潜力。为推动DNA酶法合成技术的发展，tyc234cc 太阳成集团可提供DNA酶法合成的核心酶原料：phi29 DNA聚合酶（14404ES）及TelN端粒酶（14540ES）等，助力DNA酶法合成技术研发生产。

太阳成集团TelN端粒酶性能展示

01

切割-连接性能优异，与进口品牌相当

以含有TelN端粒酶识别位点的超螺旋质粒为模板，梯度加入（0.078-5 U）太阳成集团及进口品牌A*的TelN端粒酶将0.5 μg超螺旋质粒转换成封闭线性双链DNA，凝胶电泳检测转换效率，结果显示太阳成集团TelN端粒酶的切割-连接活性与进口品牌A*相当。

图3. TelN端粒酶切割活性检测 M：Marker，C：超螺旋质粒对照

02

双链DNA末端闭合完整性>90%

以含有TelN端粒酶识别位点的超螺旋质粒为模板，加入太阳成集团及进口品牌A*的TelN端粒酶，将0.5 μg超螺旋质粒转换为封闭线性双链DNA，再加入T5核酸外切酶通过条带降解程度来检测其末端完整性，结果显示太阳成集团的TleN端粒酶生成的双链DNA末端闭合完整性>90%，与进口品牌A*相当。

图4. TelN端粒酶末端闭合完整性检测

C1：含TelN识别位点质粒，不加TelN端粒酶与T5核酸外切酶；

C2：含TelN识别位点质粒，加TelN端粒酶，不加T5核酸外切酶；

A*：含TelN识别位点质粒，加A*的TelN端粒酶，加T5核酸外切酶；

Yeasen：含TelN识别位点质粒，加Yeasen的TelN端粒酶，加T5核酸外切酶。

DNA酶法合成相关产品

产品定位	产品名称	产品货号
端粒酶	TelN Protelomerase (5 U/μL)	14540ES
Phi29 DNA 聚合酶	phi29 DNA Polymerase (10 U/μL)	14404ES
核酸外切酶	Exonuclease III	14525ES
核酸外切酶	T5 Exonuclease (10 U/µL)	14538ES
dNTP	dNTP Mix(25 mM each)	10125ES

参考文献

[1] Giardini MA, Segatto M, da Silva MS, Nunes VS, Cano MI. Telomere and telomerase biology. Prog Mol Biol Transl Sci. 2014;125:1-40.

[2] Heinrich J, Schultz J, Bosse M, Ziegelin G, Lanka E, Moelling K. Linear closed mini DNA generated by the prokaryotic cleaving-joining enzyme TelN is functional in mammalian cells. J Mol Med (Berl). 2002;80(10):648-654.

[3] Heinrich J, Schultz J, Bosse M, Ziegelin G, Lanka E, Moelling K. Linear closed mini DNA generated by the prokaryotic cleaving-joining enzyme TelN is functional in mammalian cells. J Mol Med (Berl). 2002;80(10):648-654. doi:10.1007/s00109-002-0362-2.