端粒

端粒及其端粒酶的研究

端粒是真核生物线形染色体末端的一种特殊的异质化结构,在稳定染色体及防止染色体在复制时缩短方面有重要作用。其行为的异常被认为同细胞衰老及肿瘤的发生发展有密切关系。端粒酶是一个特殊的具有反转录活性的核糖核蛋白。近来的研究表明,端粒酶已不仅仅能维持端粒的长度,它更有助于肿瘤的形成。笔者综述了端粒的缩短所扮演的双重角色,以及端粒酶的激活与肿瘤之间的关系。

细胞的复制期限被认为由最终导致衰老的两个机制决定,一个是累积的DNA损伤,另外一个是端粒的进行性缩短。

但在人类端粒及端粒酶的基础研究中,还存在着许多难点,如:人端粒末端的精细结构,端粒的非端粒酶延伸机制;人端粒酶的具体结构及其基因所在的位置;端粒酶的激活机制及其活性调节等,均有待于回答。

衰老是一种多基因的复合调控过程,表现为染色体端粒长度的改变、DNA损伤(包括单链和双链的断裂)、DNA的甲基化和细胞的氧化损害等。这些因素的综合作用,才造成了寿命的长短。

人为什么会衰老,以至走向死亡呢?有研究者对导致人体细胞衰老的原因提出了程序假说和错误积累假说。人类的细胞并不能无限制地重复分裂,在分裂50~60次后便会停止。细胞不再继续分裂的机体组织,便呈现出衰老和机能低下的状态。随着细胞重复分 裂使端粒缩短到一定的长度,从而使细胞停止了分裂。这就是程序假说。细胞分裂的时候,DNA被复制,但是由于X射线、紫外线、活性氧、有害物质的损害,DNA会发生异常变化,于是DNA在复制过程中就会产生错误。随着错误的积累,生成了异常蛋白质,细胞机能变得低下,于是细胞便不能继续分裂,呈观出了衰老迹象。这就是所谓错误积累假说。 端粒是真核细胞内染色体末端的DNA重复片断, 由富含G的核酸重复序列和许多蛋白质组成, 不同个体的端粒初始长度差异很大，细胞培养研究表明,当端粒再也无法保护染色体免受伤害时,细胞就会停止分裂,或者变得不稳定。其功能是完成染色体末端的复制,防止染色体免遭融合、重组和降解。染色体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的,端粒的长度决定了细胞的寿命,故而被称为生命的时钟。

端粒的缩短在肿瘤发生和发展过程中扮演着双重角色。当端粒缩短到临界长度时,可引起染色体与基因组的不稳定,从而诱发肿瘤的形成。相反,由于端粒的缩短,又可启动DNA损伤信号,进而抑制肿瘤的发生最新研究显示,引起细胞衰老的原因与端粒的长度无关,而只与以下几个因素相关:端粒的位置效应,DNA损伤信号,以及端粒富含G的3末端突出的缺失。活端粒酶的活性,来延长组织和器官的再生功能。 啮齿类动物的端粒长度终生保持不变,并不随细胞的分裂而缩短

端粒酶(或端粒体酶)是一种能延长端粒末端的核糖蛋白酶,主要成分是RNA和蛋白质,其含有引物特异识别位点,能以自身RNA为模板,合成端粒DNA并加到染色体末端,使端粒延长,从而延长细胞的寿命甚至使其永生化。

端粒酶的激活一方面可以阻止端粒的进一步缩短以维持染色体与基因组的稳定;但是另一方面又可促进肿瘤的形成及裂变。由于端粒酶在绝大多数肿瘤细胞中表达而在正常体细胞中阴性,因此,目前认为端粒酶可做为肿瘤的特异治疗靶点。

研究发现, 90%的恶性肿瘤组织中都存在端粒酶活性，而人体大多数正常细胞和组织,仅在生殖细胞、造血细胞、淋巴细胞等具有增值潜能的细胞中可检测到端粒酶活性。这表明端粒酶的活化与肿瘤的发生发展密切相关,而且端粒酶对于维持肿瘤细胞的生存能力似乎是必需的。

细胞衰老的停滞主要发生在G1期,G1期也是人类肿瘤突变最常见的，根据国外学者推测,细胞衰老基因可分两种,一是细胞增殖相关基因,如P53,Rb, p16等;二是端粒酶相关基因。

他们的思想和实验过程又一次验证了人们经常重复的“格言”：解决生物学问题一定要选好实验材料和实验模型；新技术的应用可以回答以前不能回答的问题；研究某一个问题可能会让你获得意外的收获。

进而由RNA酶H(RNaseH)降解 RNA 引物，留下各处缺口由 DNA 聚合酶 I 补齐，最后在 DNA连接酶(DNA ligase)的作用下连接成大分子DNA链。DNA聚合酶 I 在催化合成DNA时，需要自由3'-OH 作为引物，因此染色体的5' 最末端无法被填补，新合成的染色体就会比母链短一点。如果不填补，那么细胞每复制一次，染色体就会缩短一些。 Blackburn用生化的方法在四膜虫细胞裂解液中寻找端粒酶。1985 年，Blackburn实验室的研究生Carol W. Greider在四膜虫的细胞裂解液中分离出了一种新的酶活性，可以在体外特异性地增加TTGGGG重复序列到端粒DNA序列上，她们便猜测端粒长度的维持就是依赖这种新发现的末端转移酶的活性而实现的，该末端转移酶就是端粒酶。 Szostak和他的博士后Vicki Lundblad在1984年开始用遗传学的方法筛选酿酒酵母中的端粒酶。他们筛选的原理是：在酵母中若转化了含有方向相反的四膜虫端粒序列的环状质粒，酵母细胞将会随机地打开该质粒使之成为线性DNA，同时两端粒之间的基因就被破坏不能表达；但是该过程的完成需要在这个线性 DNA 的末端加上酵母的端粒 DNA，因此在端粒酶突变的酵母中，由于不能在线性染色体末端加入端粒序列，环状质粒的线性化就会受到影响，端粒序列间的基因不会破坏而能正常表达。

这些研究证明端粒酶是端粒复制的主要机制，但是在端粒酶缺失或者丧失活性的情况下，还可以通过同源重组途径来进行。在哺乳动物细胞中也存在着这种端粒酶非依赖

性的端粒维持机制，称之为替代的端粒延伸机制，通过分析上百种癌细胞，人们发现大约 10%的癌细胞就是通过这种替代的端粒延伸机制来维持细胞的永生化的，甚至在某些哺乳动物细胞中也有端粒酶途径和同源重组途径共存的情况。

在大部分多细胞真核生物中，胚胎细胞有较高的端粒酶活性，但是大多数成体细胞中端粒酶的活性较低或缺失，只有在卵巢、睾丸等高分化的组织中才能检测到明显的端粒酶活性。

干细胞要维持自身的自我更新能力，就必须维持端粒的长度或者减慢端粒缩短的速度。研究得最广泛的造血干细胞能够表达端粒酶，但是却不足以维持端粒长度，因此虽然相对体细胞端粒缩短的速度较慢，但最终随着衰老增殖潜能仍会不断下降。在小鼠中 发现端粒酶缺失的造血干细胞在不断移植过程中比野生型造血干细胞提早衰竭，从而证明端粒酶对于造血干细胞的自我更新潜能有着维持作用。

端粒的缩短被认为是一种较好的用来解释正常细胞生长限制性的模型，但是至于短端粒如何引发机体衰老的机制仍然不是很清楚：一种可能性就是端粒缩短引发细胞周期的滞留以及细胞凋亡，从而减少细胞数目，引起组织异常；另一种可能就是端粒的缩短会破坏干细胞对于组织的再生，从而引发器官障碍。

在大多数情况下，细胞选择端粒酶重新表达，从而构成细胞的永生化，因此对于大部分体细胞来说，端粒酶的重新激活都是成为癌细胞的标志。

人体中,编码端粒酶复合物的基因编码元件发生的突变将导致以癌变、干细胞再生和组织维持缺陷为特征的遗传疾病发生。许多能够无限增值的癌细胞能通过提高端粒酶活性来维持端粒结构稳定。

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