端粒（telomere）與端粒酶（telomerase）的功能在於確保染色體DNA的完整複製，與預防分解。端粒的長度，某種程度上是一種生物學的年齡標記，而端粒酶可以穩定端粒的長度，其活性與細胞衰老或癌細胞的抑制有關。

美國三位科學家伊麗莎白•布萊克本(Elizabeth　Blackburn)、卡蘿爾•格雷德(Carol Greider)和傑克•索斯塔克(Jack Szostak)因解開其運作的機制而榮獲2009年諾貝爾生理醫學獎。本篇將就其發現之旅作一簡單要述。

早在1930年，穆勒（Hermann Joseph Muller，1946年諾貝爾獎得主）與麥克林托克（Barbara McClintock，1983年諾貝爾獎得主）就發現真核細胞染色體DNA的末端有一段重複的序列，穆勒結合希臘文中的「尾端」telos以及「部分」meros組成telomere「端粒」這個名詞。當時僅知道：端粒的功能在於保護染色體末端結構的穩定性、避免染色體融合（end-to-end fusion），對於維持細胞生存及基因體的完整性十分重要。

但是根據詹姆斯•華生（Jamse Watson）等人於1972年提出的「染色體末端複製問題」（end-replication problem），端粒的長度會隨著DNA不完整的複製而漸趨減短。

在DNA合成酶的研究中，科學家發現：細胞在進行DNA 複製時，DNA聚合酶只能從5端（5’）往3端（3’）的方向移動，於是分為連續的領先股（leading strand）及不連續的延遲股（lagging strand）。領先股可完整的複製到末端，但延遲股（lagging strand）在複製末期則會因為RNA引子（RNA primer）的移除，而造成 DNA 5端的空隙（gap），使得染色體末端端粒序列無法被複製。

於是DNA每複製一輪，末端都將損失一段約100~200bp的DNA片段。如果沒有補償機制，DNA在經過萬千代的複製後，終將不斷縮短甚至消失。隨著時間的演進，依端粒的長度判斷，許多單細胞生物應該早就絕種了。

1978年，布萊克本(Elizabeth　Blackburn)發現四膜蟲（Tetrahymena  thermophila）的端粒是一段重複了50次的六核苷酸序列「TTGGGG」。

這種外觀呈橢圓長梨狀的單細胞原生動物，在它的大細胞核裡，染色體能大珠小珠落玉盤——斷裂成上百個小染色體。經過複製後，則變成上萬個。由於每個染色體末端都有端粒，四膜蟲無疑是端粒的富礦。

布萊克本發現四膜蟲的端粒是串聯了50次的六核苷酸序列「TTGGGG」，於是推論端粒巧妙地透過重複的序列來解決末端複製問題

而索斯塔克(Jack Szostak)當時正嘗試在酵母菌中建構人工染色體，發現人工合成的線狀質體，放入酵母菌後每每遭到了快速降解的命運。在一次會議上，兩人的研究主題受到彼此的吸引，並展開合作。他們成功地讓帶有四膜蟲端粒序列的線狀質體，完整的保存在酵母菌中。

一個四膜蟲有兩個核，一個是掌管生殖的小核 MIC（micronucleus），一個是控制細胞其他生理代謝機能的大核 MAC (macronucleus)。大核與小核都是由接合生殖完成後、兩個小核所融合產生的新核所發育分化而來。四膜蟲行有性接合生殖期間，大核形成，其中來自小核的染色體會分裂成許多碎片，然後依次複製（replicate）生成許多較小染色體的副本。

另一個問題是，端粒的DNA片段如何複製呢？
布萊克本傾向，應該存在一種專門的「酶」，專職端粒的複製工作。1984年初，剛進布萊克本實驗室的博士班學生格雷德(Carol Greider)與布萊克本進行了一系列結合四膜蟲萃取物與端粒的實驗，終於發現他們預期中合成端粒的酵素是存在的，並於1985年將結果發表於Cell期刊上。
接著，又發現端粒酶是RNA和具反轉錄酵素活性的蛋白酶所組成，其中RNA序列正是「CCCCAA」，剛好可以當作端粒複製時的模板（templet）。

四膜蟲的端粒酶由RNA和蛋白質所組成 

科學家發現幾乎所有的真核生物都有端粒酶的存在，例如，正常成年人幾乎所有細胞，端粒酶均處於活性非常低的狀態。這意味著，任憑端粒不斷縮短，端粒酶不為所動，人們走上不可避免的衰老之路（圖四A）。可是在生殖細胞或癌細胞裡，因為端粒酶的活性很高，使得端粒保持恆定，所以生殖細胞和癌細胞能呈現出無限複製增殖的能力。 

（A）沒有端粒酶存在，隨著細胞分裂，染色體會縮短，端粒耗盡時，會造成染色體不穩定，導致細胞衰老死亡。
（B）有端粒酶存在，可維持端粒長度及染色體的穩定。