端粒及端粒酶的研究进展

端粒及端粒酶的研究进展 岳浩 夏正伟 张腾 郑好 赵蕾 （泰山医学院 基础医学院 临床医学本科 2010 级 1 班） 摘要摘要： 端粒是染色体末端独特的蛋白质-DNA 结构,在保护染色体的完整性和 维持细胞的复制能力方面起着重要的作用.端粒酶则是由 RNA 和蛋白质亚基组 成的、能够延长端粒的一种特殊反转录酶.端粒长度和端粒酶活性的变化与细胞 衰老和癌变密切相关.端粒结合蛋白可能通过调节端粒酶的活性来调节端粒长度, 进而控制细胞的衰老、永生化和癌变.研制端粒酶的专一性抑制剂在肿瘤治疗方 面有着广阔的前景. 关键词关键词： 端粒,端粒酶,衰老,永生化,癌变 端粒是真核细胞染色体末端的重要结构，端粒酶是维持端粒长度的 RNA 依耐性 DNA 聚合酶。近年来，在基础和临床研究方面对端粒和端粒酶进行了 大量的研究，并取得了较大的进展，现综述如下。 一、端粒的结构与功能 端粒是线性染色体末端的核蛋白结构，其功能是防止染色体发生末端融合 和重组。在大多数器官里，端粒 DNA 是富含鸟苷酸的简单串联重复序列 （TTAGGG） ，四个 TTAGGG 重复序列折叠成一个 G-四倍体。对于端粒酶而言， 这是一个惰性底物，这种特性不但为抑制端粒酶的活性提供了分子机制，而且 更多地影响了端粒的功能。端粒被六种核心蛋白 TRF1、TRF2、RAP1、TIN2、TIPP1 和 POT1 组成的复合物所保护，这种复合 物称为屏障因子，有助于防止端粒被作为 DNA 双链缺口加以识别，发生同源 重组和非同源重组并进行不恰当的修复1。端粒 DNA 最末端为一 3端单链突 出物，称之为 G 尾。在哺乳类动物细胞里，这种突出物能侵入端粒最近的区域 形成一个特别的 D 环。重要的蛋白通过 DNA 与蛋白、以及蛋白与蛋白的相互 作用募集到端粒上。 在缺乏端粒酶延长机制时，由于传统的 DNA 聚合酶不能复制端粒，故随 着细胞的不断分裂端粒 DNA 逐渐丢失。有研究2表明，单链端粒的缺失足以 生成至少两种早期癌细胞表型。同时，癌细胞通过激活端粒自我平衡程序获得 无限或非常大的增殖潜力。细胞培养模型研究显示，复制衰老和端粒耗损有密 切的关系，年长者端粒长度较年轻者为短，但体内端粒缩短对人类老化的影响 还难以证明，包括端粒功能障碍对年龄相关的病理变化也是如此。 细胞在进化过程中已经形成对抗端粒 DNA 逐渐丢失的机制。在某些器官， 端粒以重组的方式维持端粒长度。在另外一些器官，端粒的长度由端粒酶合成。 在某些癌组织中检测不到端粒酶，这些癌细胞使用一种非传统的端粒延长 （alternative lengthening of telomeres，ALT）方式来维持端粒长度。发现在酵 母菌中，删除 72 个基因可致短端粒，而有 80 个基因是与野生型酵母菌的长端 粒有关的。他们还发现有 39 个基因对端粒酶缺乏细胞的增殖或端粒长度维持起 重要作用，包括参与脱氧核苷酸的生物合成，姐妹染色质的黏附，空泡蛋白分 类等。 二、端粒酶的结构与功能 端粒酶是一种自身携带模板的反转录酶,催化端粒 DNA 的合成,能够在缺少 DNA 模板的情况下延伸端粒寡核苷酸片段.其活性取决于它的 RNA 和蛋白质亚 基6. Prescott 等发现酵母的端粒酶至少包含两个功能性相互作用的 RNA 分子, 两者都可充当 DNA 聚合作用的模板,端粒酶至少包含两个活性位点.端粒酶除了 具有反转录活性外,还具有核酸内切酶的活性4.小腔游仆虫中有活性的端粒酶 复合物的分子质量大约是 230 ku,含有一个约 66 ku 的 RNA 亚基及两个 123 ku 和 43 ku 的蛋白质亚基,大亚基专一性地和端粒 DNA 底物结合.端粒酶的主要功 能是维持染色体末端的端粒序列,从而抵消因细胞分裂而导致的端粒 DNA 的消 耗.最近发现,端粒酶另外一个重要的功能就是合成串联重复的 TTAGGG 序列, 为 TRF2 提供结合位点,防止染色体的末端融合5. 端粒酶，其功能是通过将 DNA 重复序列添加到染色体的 3末端以对抗端 粒的持续降解。端粒酶是一种高度特异化核蛋白复合物，为端粒 DNA 延长提 供 RNA 模板序列6,7，包括两个基本核心成分，端粒酶逆转录酶或称为端粒酶 催化亚单位（telomerase reverse transcriptase，TERT）和端粒酶 RNA（telomeraseRNA，TR） ，以及几个端粒酶相关辅助蛋白。具有催化活性的 TERT 蛋白使用 TR 成分中的短序列作为模板合成端粒 DNA。人类端粒酶 RNA 成分包括了 451 个核苷酸，5端一半折叠入保守的催化核心，组成了模板区域 和附近的假结节区域。TR 的大小因物种的不同而差异显著，纤毛虫 150 个核苷 酸（nt） ，脊椎动物 556nt，酵母菌超过 1500nt。人们应用种系对比分析法为每 个物种建立了 TR 二级结构模式。从纤毛虫、酵母到脊椎类生物，TR 结构共享 一个模板区域附近相似的假结节结构。研究发现，S.cerevisiae TLC1 RNA 核心 区域包含了一个保守的三级螺旋结构，这种三级螺旋结构的降解造成了体外端 粒酶活性的下降和体内端粒的缩短，并且与蛋白亚单位的结合力没有改变。同 时发现，三级螺旋结构接近端粒引物的 3末端与模板绑定。端粒酶 RNAs 三 级螺旋区域的一个或多个 2-OH 对催化起重要作用。在体外用寡聚核苷酸证实 了三级螺旋结构的形成，而且证实其对端粒酶的功能是必需的。但是，三倍体 干扰突变废除了端粒酶的功能，G-CC 三倍体的补偿突变以 pH 依赖的方式恢复 假结节结构，并且部分恢复体内端粒酶功能。 三、端粒、端粒酶与免疫应答 典型的免疫应答依赖于两种功能淋巴细胞，即 T 细胞和 B 细胞。免疫应答 起始于 T 淋巴细胞和 B 淋巴细胞对抗原的识别和结合，并导致特异性淋巴细胞 的大量扩增。淋巴细胞的端粒缩短到一定长度，无论发生在单倍体还是多倍体 染色体末端，细胞均停止分裂并且衰老死亡或发生凋亡。端粒具有计数细胞分 裂次数的功能并限制了正常体细胞分裂的次数。最近研究表明8，衰老的细胞 与新生的细胞相比，端粒明显缩短，一方面是由于细胞分裂后，累积的端粒缩 短，另一方面是由于端粒酶活性的缺乏或不足，表明端粒在决定这些细胞的复 制寿命上起重要作用。从初始 T 细胞分化为记忆细胞经历多次细胞分裂导致端 粒重复序列的缩短，然而这种累积的端粒缩短是否最终影响记忆 T 细胞的功能 现在还不明确。在 T 细胞分化和分裂过程中，端粒损耗的速率也不清楚。T 细 胞端粒酶表达研究表明，在 T 细胞发育和分化过程中端粒酶活性明显上调。随 着每个周期刺激后体外 T 细胞增殖能力下降，激活 T 细胞端粒酶的活性也下降。 在初始 B 细胞分化为记忆 B 细胞的过程中，端粒长度没有明显丢失。与 T 细胞 一致的是，在静止的 B 细胞端粒酶并不表达，但在丝裂原刺激后酶的活性则迅 速激活。结果表明在 B 细胞分化过程中，端粒酶的活性不仅能够被调节，而且 能够延长体内端粒长度。 四、端粒酶活化与肿瘤 在正常的人体细胞中,端粒程序性地缩短限制了转化细胞的生长能力,这很可 能是肿瘤形成的一个抑制机制.端粒酶的重新表达在细胞永生化及癌变过程中起 着重要的作用.有人甚至认为表达端粒酶的正常细胞更易癌变.人们在代表不同肿 瘤类型的大约 1 000 多个活检样品中发现大约 85%的样品呈端粒酶阳性反应.相 反, 90%以上的邻近正常组织却是端粒酶阴性.从而将这个酶与永生化和肿瘤的形 成密切联系在一起!端粒酶活性与肿瘤的这种特殊关系使之在诊断与治疗方面具 有重要的应用价值8.对端粒酶活性的抑制可能对某些类型的肿瘤来说是一个很 有意义的治疗方法。 五、展望 端粒酶和端粒结构维持的研究为我们洞悉诸如癌症、衰老以及遗传疾病综 合症等医学高度相关领域提供了新方略,尽管它们之间的联系比起初预测要更复 杂。该发现也促进了目前正处于临床检测阶段的基于以端粒酶活性及表达为目 标的癌症治疗新策略的发展。 参考文献: 1.张黎明,贺西,陈志龙. 端粒酶及其与肿瘤的关系J. 自然杂志,2008,23(3): 139-144. 2.孙莹，邹亚学，郑梅竹，等. 端粒，端粒酶与细胞衰老及肿瘤的研究进 展J. 河北科技师范学院学报,2007-6,21(2):73-76. 3.马永红，党荣礼，任立松，等. 端粒酶的研究进展J. 生物技术通报, 2008,1:75-82. 4.刘彦锋，杨楠，陈疏影，等. 端粒酶及其抑制剂的研究进展J. 国外医 药,2007,22(5):191-195. 5.王金海，王瑞国. 端粒酶与肿瘤关系的研究进展J. 福建医药杂志, 2009-10,31(5):78-81. 6.Bianchi A, Smith S, Chong L,et al. TRF1 is a dimer and bendstelomeric DNA. EMBO J, 1997,16(7):