端粒学说线性染色体"末端复制问题"早在20世纪三十年代，科学家Barbara McClintock 和Hermann Muller就发现，区别于一般的DNA断裂，染色体末端不会发生相互融合；此外，只有包含有末端的染色体片段才能被完整复制。

因此，科学家们推测，真核生物线性染色体的末端是一种特化的结构，Muller将之命名为端粒（Telomere，在古希腊语中，telos 表示末端，而meros表示片段）。

然而在当时，人们还不知道端粒与随机产生的DNA断裂末端有什么差异。

20世纪五六十年代，当科学家们尝试解析真核生物如何实现染色体DNA的精确复制时，又一个端粒相关的难题产生了。

DNA聚合酶进行每一轮线性DNA的复制都会导致少量末端核苷酸的丢失，其结果是，真核生物线性染色体，作为基因的载体，会在细胞分裂过程中逐渐缩短。

1972年，James Watson提出了"末端复制问题"，他同时推测，真核生物需要一种特殊机制来确保线性染色体末端的完整复制。

同时，Alexey Olovnikov也推测，染色体末端的逐渐缩短将导致细胞的衰老。

端粒能够稳定线性染色体七十年代后期，Blackburn在耶鲁大学Joseph Gall实验室进行博士后研究，她希望能确定真核生物染色体末端的DNA序列。

她选择了四膜虫（Tetrahymena thermophila）作为模式动物，因为相较于其他真核生物，它包含有大量的微小染色体（minichromosome），这也就意味着她能够获得大量的染色体的末端片段。

最终，她测定到四膜虫的染色体末端是（CCCCAA）的六核苷酸重复序列。

紧接着，她发现类似的序列在其它线虫中也同样存在。

但当时她们还不知道这种古怪的序列特征在其它真核生物中是否也同样存在。

1980年，Blackburn在加州大学成立了自己的实验室。

在一次研究会议上，她与酵母遗传学家Jack Szostak进行了交流，他们决定在酿酒酵母中检测四膜虫端粒的功能。

当时Jack Szostak已经知道，外源的线性DNA在酵母细胞内不是整合入染色体，就是被核酸酶降解，不能稳定地独立于染色体外存在和遗传。

有趣的是，当在线性DNA的两端接上四膜虫端粒DNA序列后，这些外源DNA被导入酵母细胞后能够稳定存在。

这个实验充分说明了四膜虫的端粒具有保护线性DNA的作用。

这项发现被认为是构建人工染色体的关键步骤之一。

研究者们进一步在酵母染色体末端鉴定到了短的特征性的重复序列，同时还发现，这些特征性序列能够被添加到包含有四膜虫端粒的外源DNA末端。

于是，人们推测，酵母细胞存在一种机制能够以端粒本身为模板，在线性染色体末端添加端粒重复序列。

当时科学界对"末端复制问题"的机制存在争论：一种假说认为细胞通过同源重组来实现染色体末端序列的扩增；Blackburn和Szostak等人则认为体内存在一种特化的DNA聚合酶能够将端粒序列添加到染色体的末端。

八十年代早期，Carol Greider作为博士研究生加入Blackburn研究组后，开始用生物化学的方法寻找和鉴定他们假说中的端粒DNA聚合酶。

她们推测，由于四膜虫成千上万的微小染色体都含有端粒，四膜虫也该含有丰富的端粒DNA合成酶。

在1984年的圣诞节，Greider终于证实四膜虫细胞分离液中包含一种新的酶，它能够在体外以端粒序列为底物合成端粒六核苷酸重复序列。

她们后来将这个酶命名为端粒酶。

她们紧接着希望能够阐明端粒的序列是如何被决定的。

她们大胆地推测，每个生物的端粒酶都包含一个DNA或RNA组分作为模板。

用RNA酶处理的端粒酶组分失去了合成端粒DNA的活性，因此，Blackburn和Greider认为RNA在端粒DNA合成过程中发挥重要作用。

最终，Greider纯化到了端粒酶，其包含了一个蛋白亚基和一个RAN亚基。

不久Greider在冷泉港实验室成立了自己的研究室，并进一步证实，端粒酶的RNA亚基决定了端粒的序列。

与此同时，Jack Szostak和他的博士后Victoria Lundblad在酵母中筛选并获得了一系列端粒复制所必需的基因，这些基因的突变将导致端粒的逐渐缩短和细胞衰老。

由此，他们第一次证实了端粒长度的稳态对细胞存活的重要作用。

染色体DNA的两个难题以及端粒概念的提出20世纪70年代初，对DNA聚合酶特性的深入了解引申出了一个染色体的复制问题。

DNA聚合酶在复制DNA的时候必须要有引物来起始，而且它的酶活性具有方向性，只能沿着DNA5'到3'的方向合成。

染色体复制之初可以由小RNA作为引物起始合成，之后细胞的修复机器启动，DNA聚合酶能够以反链DNA为模板，以之前合成的DNA为引物，合成新的DNA取代染色体中间的RNA引物。

但是线性染色体最末端的RNA引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。

所以线性染色体DNA每复制一轮，RNA引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度（图一）。

尽管这个引物不长，但是细胞千千万万代地不断复制，如果不进行补偿，染色体不断缩短，最终就会消失。

James Watson（因为发现DNA双螺旋结构获得诺奖）最早就明确指出了这个"末端隐缩问题"，并猜想染色体也许可以通过在复制前联体（染色体末端跟末端连起来）的方式来解决末端复制的问题[3]。

图一早在1939年，潜心玉米遗传性状研究的Barbara McClintock女士（因为发现玉米的转座子获得诺奖）注意到，在减数分裂后期偶然产生的染色体断裂很容易重新融合起来形成"桥"。

在紧接着的有丝分裂中，这种染色体"断裂－融合－桥－断裂"的循环不断继续[4]。

既然染色体的断裂末端这么容易相互融合，那么染色体的自然末端，为什么不容易相互融合呢？合理的推测是，染色体的自然末端不同于非正常的DNA断裂末端，它应该有一个特殊的结构来避免染色体之间的相互融合。

在逐渐明晰了染色体末端特殊结构的概念之后，人们给了它一个专有名称-端粒（telomere）。

端粒DNA序列的发现以及人工染色体的发明那么端粒为什么与众不同呢？简单地，首先是，它的DNA序列有没有特殊性？提到端粒不能不提到一种特殊的模式生物四膜虫（Tetrahymena thermophila）。

它对于发现端粒和端粒酶的贡献就像线虫之于发现细胞凋亡一样（2002年的诺贝医学奖授予了细胞凋亡的研究）。

四膜虫有两个细胞核。

小核很稳定，含5对染色体，用于生殖传代。

而大核在接合细胞的发育过程中，染色体断裂成200-300个小染色体，rDNA从染色体上断裂后通过复制更是形成高达～10000个小染色体四膜虫的小染色体众多，也就说端粒可能非常丰富。

这就为端粒研究提供了得天独厚的材料。

1978年，Liz女士利用这种特殊的模式生物纯化了rDNA，以rDNA 为模板通过体外合成参入dNTP的实验，推断四膜虫的端粒是由许多重复的5'-CCCCAA-3'六个碱基序列组成的[5]。

第一个谜底揭开了，哦，重复序列，端粒DNA果然特殊。

序列本身隐隐暗示着解决染色体末端的隐缩问题和保护问题的机制。

1980年，当Liz女士在会议上报告她的这一发现的时候，引起了Jack Szostak 的极大兴趣。

他那时候试图在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中建构人工线性染色体，让它能够在细胞中像自然染色体一样复制。

但是当环状质粒线性化转入酵母细胞后，它很快地被降解掉。

它的降解是不是因为它的末端没有端粒保护呢？端粒序列的发现让Jack Szostak有机会把线性质粒末端连接上四膜虫的端粒DNA，然后再导入酵母细胞。

奇迹发生了，线性质粒不再降解，它可以在细胞内复制，人工染色体的想法实现了！[6] and 值得一提的是，人工染色体的实现当初也许仅仅是满足人们的异想天开，但它实际上使DNA的大片段克隆成为可能，后来为人类基因组测序的工作立下了汗马功劳。

这也是Jack Szostak共同获得诺贝尔奖的重要原因。

1984年，Liz实验室通过将酵母端粒克隆到线性人工染色体的方法，发现酵母的端粒序列是由不太规则的TG1-3/C1-3A重复序列组成的[6,7]。

端粒复制的两个假说以及端粒酶活性的发现在1984年报道酵母端粒序列的同一篇文章中，Liz实验室发现了一个有趣的现象：带着四膜虫端粒DNA的人工染色体导入到酵母后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒序列[7]。

由于端粒是由重复序列组成的，当时人们普遍猜想同源重组是延伸端粒补偿染色体末端隐缩的机制。

但是同源重组只能复制出更多本身的序列，为什么在四膜虫端粒上加的是酵母的端粒序列而不是四膜虫端粒本身的序列呢？这个现象同源重组是无力解释的。

也许，可能，酵母中存在专门的 "酶"来复制端粒DNA。

究竟是重组还是全新的酶？为了厘清这两个假说，Liz意识到最重要的是找到这个"酶"。

如前所述，在四膜虫接合细胞的大核发育过程中，大核产生了非常丰富的小染色体，每一个小染色体都被从头加上了端粒。

可以推测，如果"酶"的假说成立，此时细胞内的"酶"活性应该是非常高的。

1984年，Carol女士作为博士生加盟了Liz实验室。

她们俩精心讨论设计实验，用四膜虫的核抽提液与体外的端粒DNA进行温育，试图在体外检测到这个"酶"活性，看到端粒的延伸。

经过不断优化条件，尤其是把底物换成体外合成的高浓度的端粒DNA后，同年的圣诞节，勤奋的Carol同学打开暗盒曝光x光片，终于清楚地看到了"酶"活性。

在测序胶的同位素曝光片上，端粒底物明显被从新加上了DNA碱基，而且每六个碱基形成一条很深的带，与四膜虫端粒重复基本单位为六个碱基正好吻合[8]。

这种酶活性不依赖于DNA模板，只对四膜虫和酵母的端粒DNA进行延伸，而对随机序列的DNA底物不延伸；并且该活性不依赖于DNA聚合酶[8]。

由于同源重组对序列没有特异性的要求并且依赖于DNA聚合酶的活性，至此，她们澄清了这两种假说，证明了有一种"酶"来延伸端粒DNA。

这种酶后来被命名为"端粒酶"（telomerase）。

端粒酶RNA亚基的发现紧接着她们开始对端粒酶活性进一步定性。

此时Tom Cech（因为发现RNA可以有催化酶活性获得诺奖）正好访问Liz的实验室，她/他们一起做了个简单的实验，就是用RNA酶处理样品，降解样品的RNA，看看端粒酶活性是否受到影响。

结果是酶活性竟然消失了，端粒酶活性依赖于RNA[9,10]。