端粒及其长度改变与人衰老关系的研究进展

端粒及其长度改变与人衰老关系的研究进展

周璇黄河浪吴磊

(南昌大学公共卫生学院流行病学教研室,江苏南京330006)

关键词〔〕端粒；细胞学；衰老

中图分类号〔〕R592〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家自然科学

通讯作者：黄河浪(1953-)，男，教授，硕士生导师，主要从事慢性非传染病流行病学研究。

第一作者：周璇(1990-)，女，在读硕士，主要从事慢性非传染病流行病学研究。

衰老是许多慢病的最重要危险因素之一。目前，端粒长度改变对人的衰老影响研究备受关注，大量研究证实，衰老与端粒长度存在着一定的关系。随着年龄增长，细胞连续分裂，端粒长度逐渐缩短，染色体结构不稳定使细胞老化丧失增殖能力而死亡，因而认为端粒长度可以用来衡量衰老，且作为人体衰老的生物学标志物。但也有相当一些学者对此认为还需要深入探索。本文在复习相关文献和近期一些研究的基础上，就端粒长度与衰老的关系作一概述。

1端粒的结构、功能及其检测方法

1.1端粒结构端粒是存在于真核细胞染色体末端的特殊结构，由端粒DNA (6个碱基重复序列)和结合蛋白组成。端粒DNA是富含鸟嘌呤(G)的高度保守的重复核苷酸序列，人类端粒以 5′-TTAGGG-3′为重复单位，它位于染色体末端，像帽子一样包裹着染色体的头部。此重复序列具有极性，一条链富含G，称 G链，互补链富含C，称C链，G链3′末端形成特殊的环状结构(D环、T环)以稳定端粒〔1〕。端粒DNA丰富的鸟嘌呤使端粒可以在链内和链间形成非Watson-Crick的G-G碱基配对，形成鸟嘌呤四联体，中间配位结合一个一价金属离子的二级结构，此结构动力学稳定性很强。端粒DNA与结合蛋白形成的特殊复合结构在保证染色体的稳定性中发挥重要作用。

1.2端粒的主要生理功能端粒具有重要的生理功能：(1)可以防止染色体末端DNA被酶解或两条染色体的端区融合、丢失或重排，因而其具有保持染色体稳定的功能，从而保证染色体的完整性。(2)为端粒酶提供底物，解决DNA 复制末端隐缩的问题，从而保证染色体的完全复制。(3)决定细胞的寿命，随着年龄增长，细胞连续分裂，细胞端粒长度逐渐缩短，当端粒缩短到达一定的界限时，染色体结构失去稳定性，使得细胞老化丧失增殖能力而死亡，因而端粒又被称为“细胞分裂计时器”。

1.3关于端粒DNA的检测技术端粒DNA长度的测量方法很多，最经典、应用最广泛的方法是Southern印迹法 (DNA 印迹法)，它对测定细胞整体水平端粒DNA的平均TRF长度具有重要意义。除此之外，端粒的测量方法还有原位杂交荧光定量法(Q-FISH)、荧光标记原位杂交流式细胞仪定量法(Flow-FISH)、狭缝杂交法(slot-blots)、杂交保护分析(HPA)、液相杂交法(TALA)等方法。每种方法各有优缺点，Q-FLSH法能测得每条染色体末端端粒DNA重复数量，但主要适用于处于有丝分裂中期的细胞，而衰老细胞较少进入S期，故不适合应用于衰老细胞〔2〕，而且其实验过程复杂，并需要特殊设备进行定量；Flow-FISH能测定众多细胞中单个细胞或单个染色体的端粒DNA重复数量，快速、准确，但不适用于固态组织〔3〕。学者们可根据实验目的及条件选择相当的方法测量端粒DNA长度。

2端粒长度改变与衰老的关系

2.1影响端粒长度改变的生物因素研究证实，正常细胞不断进行分裂、增殖，细胞端粒长度逐渐缩短。老年人较青年人来说，其细胞端粒长度明显缩短〔4～7〕，人体大多数组织平均每年端粒长度减少的变化范围为20～60 bp〔8〕，当端粒缩短到一定界限，细胞停止分裂，细胞老化而死亡。d′Adda di Fagagna等〔9〕研究发现，端粒缩短引起DNA损伤反应，从而导致基因组不平衡而启动细胞衰老的过程；由此，人们创造性地提出端粒的长度决定着细胞的寿命，被后人称为衰老的“端粒学说”或“细胞有限分裂学说”〔10〕。Harley〔11〕的人类端粒与衰老的研究发现，体细胞端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短，近年Atzmon等〔12〕的研究也发现端粒长度与细胞分裂次数以及与寿命极限有着密切关系。张宗玉等〔13〕在国内研究发现，人胚肺二倍体成纤维细胞每增龄一代，端粒长度减少约49 bp，同时还测定了人体外周血白细胞端粒长度随增龄的变化，结果显示端粒长度平均每年减少约35 bp。Unryn等〔14〕测定正常人体的外周血细胞中端粒长度随年龄变化情况(端粒长度在30～49岁时每年减少51.3 bp，40～80岁每年减少19.8 bp)，提示随着细胞不断分裂，端粒长度逐渐缩短。由此可见，每一次的细胞分裂，染色体都会丢失一部分端粒DNA序列，当其缩短到一个临界长度，即末端限制性片段的长度时(Hayflick界限〔15〕)，细胞不再分裂，逐渐衰老直至死亡。由于端粒还可能限制细胞的分裂次数，因此也有人将端粒的长度称为“生命时钟”〔16〕。

2.2影响端粒长度改变的心理、社会因素有研究指出，细胞端粒的长度受氧化应激、炎症反应、组织修复、慢性疾病、吸烟、体育运动、个性心理以及社会紧张状态等多种与衰老相关因素的综合影响，即端粒长度改变除了受生物因素影响之外还受心理和社会因素影响。有研究〔17〕提示，端粒长度与体质能力呈正相关〔17〕。Kristine等〔18〕研究显示，端粒长度与认知能力也有关联〔18〕。Babizhayev等〔19〕在吸烟对人体累积损害的研究中，以外周血白细胞端粒长度缩短作为氧化应激和炎症损害程度的生物标志物，预示生物衰老的步伐，其结果显示吸烟加快了人外周血白细胞端粒缩短的进程。Fumagalli等〔20〕的研究，在经射线照射的人正常二倍体成纤维细胞中，出现了端粒的损伤，此类损伤不能修复，持续地激活DNA损伤反应体系，从而导致细胞衰老。体外压力诱导的衰老研究中，也发现端粒DNA遭受损伤，端粒长度缩短〔21〕。

2.3端粒长度可以反映年龄变化上述系列研究从不同角度或层面上提示端粒长度改变与人体衰老的关系。正是居于这一前提，有人认为端粒长度能够更好或更全面地反映人体年龄〔22～26〕。Geoff等〔6〕在苏格兰西部进行了2 148人的端粒长度与衰老的横断面研究，从生理心理社会三维度评价衰老，认为端粒长度确实增加了时序年龄对衰老的预测效力，其线性分析结果表明端粒长度与年龄呈负相关。有研究〔27〕结果显示，端粒长度随增龄而缩短。Müezzinler等〔28〕对白细胞端粒长度与年龄关系的129项研究(包括队列研究在内)进行Meta分析，结果表明，随着个体衰老，年龄与端粒损伤的负相关关系已得到肯定，加权线性回归提示每年平均白细胞端粒长度损失24.7 bp，其中队列研究结果表明，白细胞端粒长度随着年龄的增长而缩短，平均每年端粒长度减少范围在32.2～34.5 bp〔29〕。但也有人认为，端粒丢失并不与衰老速度呈绝对正相关，随着增龄大脑和心肌细胞端粒DNA长度未有显著变化〔7〕，实验表明不同组织的端粒长度存在差异，不同种属端粒长度也不一样，鼠的端粒比人类长近5～10倍，但是寿命却比人类短的多。这些均提示，端粒长度与组织器官及个体的预期寿命并不一致〔30〕，因而对端粒长度与年龄两者关系有待深入研究。

3结语与展望

端粒长度与衰老关系的研究作为一个反映人的衰老综合性指标越来越被人们所重视，尤其在时序年龄与生物学年龄检测不一致或存在矛盾的情况下，寻求一个更为科学、更可靠、更具代表性的生物学标志物，是当今老年医学或老年保健学迫切面临且需要解决的现实课题，端粒长度在这方面的优势已初见端倪，相信在不久的将来会获得更多的突破。

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〔2013-09-22修回〕

(编辑徐杰)