端粒和端粒酶的结构及生物学功能研究进展

黎潇阳 罗丹涛 金雪薇

(重庆师范大学生命科学学院 401331)

20世纪30年代，Hermnn Muller和 Barbara Mcclintock发现天然染色体末端与断裂染色体末端之间的不融合特性，并认为染色体末端结构具有保护染色体的作用。这一发现开启了染色体末端序列的研究工作。此后，科学家借助DNA双螺旋结构研究技术以及核酸测序技术等分子生物学技术，发现了端粒DNA序列的专一反转录酶——端酶(telomerase)，并揭示端粒和端粒酶除了保护染色体之外还能延缓细胞衰老等生物学功能。近年还发现，端粒与癌症的发生有关联，可作为肿瘤治疗的新靶点。本文综述端粒和端粒酶的结构和生物学功能的研究进展。

1 端粒和端粒酶的结构

1.1 端粒的结构 端粒是位于真核生物染色体末端的高度重复DNA序列及其结合蛋白的复合体。正如一根鞋带两端的塑料帽，端粒就是染色体两端的“帽”结构。真核生物各物种端粒DNA序列在进化上都非常保守，富含鸟嘌呤，由单一种类碱基拷贝排列组成，拷贝重复数目、端粒序列的长度因物种而异。例如，原生动物四膜虫端粒的重复序列为TTGGGG/AACCCC，在对数生长期其端粒的长度显著延长；包括人类在内的脊椎动物的端粒序列为TTAGGG/AATCCC，人体细胞染色体端粒DNA长5～15kb，大约包含900～2500个重复拷贝。除了生殖细胞、干细胞、癌细胞等细胞的端粒长度基本保持不变外，伴随着分裂次数的增加，绝大多数细胞端粒长度逐渐缩短，直至临界长度，此时细胞停止分裂并逐渐衰老或死亡[1]。端粒DNA除了包含高度重复的双链结构，在其3＇端还存在富含G的单链悬突，这条3＇悬挂链折回端粒双链区域内部，将自身链的一部分置换出来，并和互补链配对，形成紧凑的大T环结构[2]，而置换出来的那段序列则形成D环，从而使整个端粒DNA序列形成环状结构(D环-T环结构)[3]。在人类，与端粒DNA序列结合的是由6个蛋白组成的特异性复合体，被称为“保卫端粒的蛋白复合体(shelterin)”或者“尾体(telosome)”。该蛋白复合体由2个双链DNA结合蛋白(TRF1和TRF2)、1个TIN2蛋白(连接TRF1和TRF2)、1个单链DNA结合蛋白POT1、1个连接单双链蛋白TPP1和1个核心蛋白RAP1组成[4]。

1.2 端粒酶的结构 端粒与端粒酶共同组成了一个“命运共同体”。人端粒酶全酶的分子量约为500～1500kDa，包括3个重要结构，即人端粒酶RNA(hTR)、人端粒酶催化亚单位(hTERT) 和人端粒酶其他相关蛋白(hTEP1)。端粒酶是一种逆转录酶，通过逆转录自身RNA在端粒DNA 3′—OH末端合成并拼接端粒DNA重复序列。端粒酶活性表达不由hTR和hTEP1决定，故无端粒酶活性的细胞和组织中也能发现hTR和hTEP1的差异表达。但是，hTERT的表达则会极大地促进高活性端粒酶全酶的产生，故hTERT的表达是端粒酶活性必需的。一般细胞端粒酶活性检测皆为阴性，这由hTERT的转录所受到的某些抑制作用所导致；若抑制作用缺失(情况之一为细胞癌变)，hTERT的表达便会激增，从而使端粒酶活性被激活[5]，端粒也就得以减慢缩短进程或保持甚至延长自身长度。研究发现，端粒酶在85%恶性肿瘤细胞和某些必须不断分裂的正常人体细胞中存在，包括造血细胞、干细胞和生殖细胞等。

2 端粒和端粒酶的生物学功能

2.1 端粒和端粒酶与衰老 从细胞生物学角度来看，除了DNA甲基化和线粒体损伤等以外，端粒酶的缺失与端粒的缩短也是导致细胞衰老的重要原因。研究显示，衰老可导致罹患糖尿病、冠心病、阿尔茨海默症等疾病的风险增加，而这些疾病与端粒的退行性缩短相关。DNA复制必须由带有3′—OH的RNA做引物，从新链5′到3′段方向完成复制，而引物的最初占位和最终切除必然会导致母链3′方向的部分序列不能复制到新链。端粒重复序列的出现，挽救了非端粒序列在DNA复制中被遗漏的命运，可见端粒是人体基因组保持完整的重要保障。不过，端粒在作此贡献的同时本身付出的代价是细胞的每次DNA复制会导致端粒长度缩短50～200bp。随着细胞有丝分裂次数的递增，端粒DNA单链遭受的侵蚀加剧，这直接减弱了端粒对染色体的保护功能，使DNA损伤的概率增加，一旦端粒的长度接近临界值，细胞虽活着却会停止分裂，甚至启动凋亡程序。研究表明，通过激活端粒酶活性，人体细胞可以在增长端粒的同时增加生命周期[6]，有力证明了端粒和端粒酶与衰老的关系；端粒短缺的个体患早衰症的比例有所增加，这又从反面论证了上述结论。由于在端粒和端粒酶保护染色体的研究方面做出的杰出贡献，三位美国科学家分享了2009年诺贝尔生理学或医学奖[7]。

2.2 端粒和端粒酶与干细胞功能 干细胞最大功能是自我更新并可分化成各种细胞，因此在人体发育和损伤修复过程中起着举足轻重的作用。小鼠造血干细胞的连续移植实验[8]表明，端粒酶缺失的造血干细胞提早枯竭，这说明端粒酶是维持干细胞活性的重要因素。一项针对急性创伤病人端粒长度的研究[9]发现，该类病人创伤当天外周血端粒显著缩短，术后和出院时端粒几近恢复正常长度。发生这一现象的极大可能原因是，在伤区释放的干细胞趋化因子的作用下，干细胞向伤区集结并诱导分化为功能细胞参与损伤组织修复，而在这个过程中端粒酶和端粒保障了干细胞功能的维持。同时，该研究结果提示，在外周血细胞中端粒的长度和端粒酶的水平也可作为创伤是否恢复的参考指标。

2.3 端粒和端粒酶与癌症 原癌基因在致癌因子叠加作用下被激活，伴随着类似于myc原癌基因编码的转录因子c-myc活性表达，与c-myc表达水平平行的hTERT也得以表达，端粒酶活性激升，端粒长度恢复“年轻”状态，细胞的分裂不再被缩短的端粒叫停，癌变细胞在宿主体内的永生便成为可能，直到宿主因癌症及其并发症耗尽生命[10]。最新研究证实，hTERT基因表达的调控区域的突变(而非hTERE基因本身的突变)是导致高端粒酶水平和引发癌症的直接原因[11]。故hTERT基因启动子的突变与原癌基因的变异有一定的相关性。在癌症病例中，端粒的延长不仅只有端粒酶途径，还有一种替代的延伸机制(ALT)：ALT细胞中某个端粒帽会利用其他染色体的DNA端粒序列作为模板合成新的端粒DNA序列，形成重组端粒DNA以延长端粒的长度。但是，ALT机制仅在约15%的癌症类型中发挥效用[12]。正常细胞随着时间的流逝会走向衰老，其端粒随着分裂次数的增多会不断缩短，但若端粒缩短到临界值，D环—T环结构对染色体的保护作用便会大打折扣，细胞一般会选择凋亡来结束生命。但是，鉴于端粒保护功能骤减会增加染色体受损伤的概率，故也有极少部分癌基因可能被激活，端粒酶活性随之激增，从而诱导癌症的发生。

2.4 端粒与健康长寿 上面已经叙述了端粒和端粒酶与衰老之间的关系，不言而喻，这意味着端粒对维持人体的健康长寿有着特殊而重要的意义。

2.4.1 端粒是生活压力的指标 越来越多的研究表明，在社会压力引发抑郁症病例大量增加的背景下，应激所致的皮质激素分泌异常密切地影响着端粒的长度，科学家常常把端粒长度的缩短看作为重度抑郁症(MDD)患者的标志性分子特征。已经发现，抑郁母亲的女儿比非抑郁母亲的女儿拥有了更短的端粒：生活在有MDD亲属的家庭中的孩子，不仅可能因家中常年存在的抑郁氛围而发展为抑郁患者，还可能面临着生理衰老加速、端粒长度缩短等与其年龄本不相关的医学疾病[13]。来自密歇根大学的针对美国各州儿童的实验[14]强有力地证明，紧张的家庭环境(如潦倒贫穷、家庭暴力等压抑的环境)使儿童从高压力的父母那里继承到的本来就比较短的端粒变得更短。该结果表明，端粒的长度不仅是慢性压力的生物标志物，较短的端粒可与高压的环境恶性循环地互作。维也纳大学的以鹦鹉为对象的研究[15]佐证了端粒长度与个体所受压力的密切关系。结果显示，同龄独居鹦鹉的端粒长度显著短于群居鹦鹉(鹦鹉属于野生群居鸟类)；结合之前得到的另一个实验结论(生活在拥挤环境中的小鼠端粒显著性缩短)，可以认为孤独和拥挤这两种极端的社会环境都会显著增加端粒磨损。

可见，在压力下，生命个体生活压抑会加大罹患疾病的风险，而生命体细胞端粒长度的变化则是压抑程度的分子指标。这提示，和谐的生活环境不仅是生命体精神生活的需要，同时在根本上也是保证健康长寿的需要。

2.4.2 端粒是寿命的重要调节者 美国德州西南医学中心的研究者[16]另辟蹊径，深入研究了端粒3＇悬突与染色体形成的环状结构，发现端粒长度影响着基因调控。环状结构能使端粒与其所在染色体上的其他基因相互作用，影响这些基因的表达或沉默，不过这一互作的前提是端粒的长度必须足够或者随着个体衰老而缩短到某些影响值域。从这个角度来说，端粒长度就像某些基因的定时开关，在端粒还足够长的时候能保持基因沉默或参与基因的激活及后续的表达调控；但是，当端粒太短使环状结构遭到破坏时，端粒与这些基因的通讯联系中断，对基因的调控作用也就会终止。

上述研究揭示，端粒不仅是控制生命体寿命的“有丝分裂钟”，还在生命体的基因表达和生化反应中起着“定时闹钟”的作用，端粒通过基因在相当程度上调控着生命活动和寿命，而一些已知功能的某些碱基序列或许还在默默地发挥其他与生命体的活动和寿命调节相关的功能。

2.4.3 端粒是延长寿命的关键靶标 端粒酶就像一把双刃剑，处理得当，它可以逆转录端粒序列，加长端粒，成为“长生不老药”；而一旦处理不当，它则会引起细胞疯狂增殖，若这个时候细胞由癌基因主导，那就可能在细胞得以永生的同时，癌症也会随之发生。那么，应该怎样对待端粒酶呢？

2015年，斯坦福大学发表的一项研究报告给出了新的启示：可以借鉴端粒酶的有利功能，开发一种可控的、功能类似端粒酶的“药物”，用于延长端粒。研究人员分析了端粒酶结构，改造了能够编码hTERT的mRNA，制成了这种“药物”并成功将其送进人体肌母细胞和成纤维细胞。结果显示，经过“药物”处理的这两种细胞的端粒均得到了迅速而有效的延长，提示通过“药物”让端粒延长来促进人类细胞的年轻化或可成为现实。同时，这项技术的优点之一是“暂时性”，即改造后的mRNA效用时长为48h，这段时间里受处理细胞的端粒会得到延长，但48h之后，随着细胞分裂新延长的端粒便开始逐渐缩短，这样就保证了细胞不会无节制地分裂下去，达到既让细胞增寿又不容许其永生的目的，规避了产生癌症的风险。专家认为，这项研究有希望应用于预防或治疗跟衰老相关的疾病(如心血管疾病或糖尿病等)，对于与端粒异常缩短密切相关的疾病(如假肥大型肌营养不良症等)也有相当的应用前景[17]。但要实现对细胞分裂更加精准的控制，让端粒真正成为永葆青春、延年益寿的“基因保护伞”，还有很多课题有待研究。

2.4.4 端粒与适龄的健康生活 虽然已经知道端粒长度与生命体健康的关系甚密，但是现代生物科技还远未达成利用端粒来实现“青春永葆、长生不老”的梦想，所以即使拥有良好的医疗保障，对于健康的维护大部分还得靠自身的努力。一项针对前列腺癌患者长达5年的研究[18]表明，那些对生活方式积极改进的患者其端粒平均延长了10%，而对照组患者的端粒平均缩短了3%。均衡膳食、适量有氧运动以及全方位压力调节有助于前列腺癌症患者抵抗端粒的缩短趋势。这个研究结果应该可以推及健康的人群，即保持健康的生活方式可以延缓端粒缩短的进程。简言之，做到管住嘴，迈开腿，好心情，全方位积极地保持良好的生活方式，有助于对抗衰老和疾病。而且，这已经从分子生物学方面得到证实。

3展望

端粒和端粒酶在真核生物细胞中起着重要的作用，但是与其相关的一些精细生化反应尚不明了。随着国内外生命科学研究的深入，这些尚未解决的疑问将会陆续揭开谜底。作为时代催生的产物，生命医学与其他学科的交叉研究具有极强的生命力。例如，端粒与社会压力研究为人类认识和调节自身带来福音；而端粒与端粒酶相关研究有望解决更多的实际病理问题。将基础科学与临床医学更加紧密地结合在一起，把理论运用于实践，用实践检验理论，这是当下应当做的最有价值的事情之一。总之，完全有理由相信，对于端粒和端粒酶的全新认知将有效促进人类的健康与长寿。