端粒、端粒酶與血管老化的關(guān)系

景曉楊,雷 燕,王 強,修成奎

·綜述與進展·

端粒、端粒酶與血管老化的關(guān)系

景曉楊1,雷 燕2,王 強3,修成奎3

研究伴隨增齡而出現(xiàn)的血管老化問題已成為防治心血管疾病的新靶點。血管老化作為一種退行性疾病,其病理改變主要涉及內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的衰老。端粒學(xué)說是被廣泛討論的衰老假說之一,端粒長度的縮短被認為是細胞衰老的開始;端粒酶作為一種特殊的核糖核蛋白復(fù)合體,能夠有效維持端粒的長度以延緩衰老,進而推測端粒、端粒酶可能通過細胞衰老的形式與血管老化發(fā)生密切的聯(lián)系。

血管老化;端粒;端粒酶;衰老

隨著人口老齡化的加速發(fā)展,有關(guān)增齡在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的作用逐漸被引起重視。血管老化作為一種退行性疾病,是人體衰老的關(guān)鍵始發(fā)因素,主要表現(xiàn)為內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的衰老。根據(jù)其發(fā)病原因的不同,可以分為主要是由增齡導(dǎo)致的生理性老化和由多種血管疾病促發(fā)引起的病理性老化。在細胞衰老領(lǐng)域,端粒學(xué)說一直廣受關(guān)注。端粒作為染色體末端的一段重復(fù)序列,會隨著細胞的有絲分裂而逐漸縮短,從而引發(fā)了細胞衰老,端粒酶的出現(xiàn)則能特定的延長端粒的長度,進而提示在血管細胞衰老進程中端粒和端粒酶起著關(guān)鍵的作用。

1 血管老化的概述

血管是由內(nèi)膜、中層和外膜所組成,構(gòu)成內(nèi)膜和中層的主要細胞是血管內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞,它們是防御各種應(yīng)激因子的第一道防線,外膜主要由成纖維細胞構(gòu)成。血管老化是血管發(fā)生的一種緩慢的退行性變化,其病理改變主要涉及血管內(nèi)皮細胞衰老和功能障礙,平滑肌細胞的衰老、遷移和增殖,以及細胞外基質(zhì)成分的改變和病理產(chǎn)物沉積。根據(jù)發(fā)病原因不同,

可分為主要由增齡導(dǎo)致的生理性老化和由多種血管疾病促發(fā)引起的病理性老化。生理性血管老化表現(xiàn)為隨著增齡而出現(xiàn)血管長度和橫斷面的直徑增長,即血管擴張和屈曲,與此同時,血管壁發(fā)生了質(zhì)的變化;病理性血管老化是由高血壓病、高脂血癥、冠心病以及糖尿病等疾病引起的,它們共同表現(xiàn)為血管僵硬度增加,動脈彈性和順應(yīng)性下降,動脈供血減少,進而引起機體功能降低。

2 端粒、端粒酶的結(jié)構(gòu)及其功能

2.1 結(jié)構(gòu) 端粒是真核細胞的染色體的末端結(jié)構(gòu),被形象地比喻為細胞內(nèi)染色體末端的“保護帽”,它由重復(fù)的DNA序列和端粒結(jié)合蛋白組成,是細胞必需的組分。端粒DNA序列既有高度的保守性,又有種屬特異性,但每種生物都有其特定的序列和平均長度,如四膜蟲重復(fù)序列為GGGGTT,草履蟲為TTGGGG,人類和哺乳動物為TTAGGG[1]。端粒結(jié)合蛋白是由稱為she lterin的六個蛋白的復(fù)合體組成,該復(fù)合體由TRF1、TRF2、TIN2、Rap1、TPP1、POT1組成,其中TRF1、TRF2直接識別單鏈和雙鏈TTAGGG端粒重復(fù)序列,并通過TIN2、Rap1、TPP1、POT1相互聯(lián)系。Shelterin comp lex能夠維持“T-環(huán)”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,“T -環(huán)”結(jié)構(gòu)即3′末端突出的單鏈折疊并侵入端粒的雙螺旋結(jié)構(gòu)形成的;這個“T-環(huán)”有利于端粒在染色體末端形成帽子結(jié)構(gòu)[2],該復(fù)合體不僅可以阻止染色體末端DNA損傷反應(yīng)的激活,而且可以調(diào)節(jié)染色體末端端粒酶活性。依據(jù)結(jié)合特性端粒結(jié)合蛋白分為兩大類[3]:①雙鏈TBPs(doub le-strand TBPs),它在端粒長度的維持中具有重要作用,而且對端粒具有保護和調(diào)節(jié)功能[4];②單鏈TBPs(sing le-strand TBPs),對于染色體末端的“戴帽”,以及端粒酶活性的調(diào)節(jié)具有重要作用[5]。

端粒的結(jié)構(gòu)決定了端粒具有許多重要的功能:①保護染色體末端,防止遺傳信息丟失。端粒DNA如帽子一般保護染色體末端免于被化學(xué)修飾或被核酶降解,從而防止染色體在復(fù)制過程中發(fā)生丟失或形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[6,7]。此外端粒的存在能使得DNA復(fù)制從端粒開始,避免染色體遺傳信息的丟失。②決定細胞壽命。正常體細胞端粒的長度是有限度的,隨著年齡的增長和細胞分裂次數(shù)的增多,端粒會逐漸縮短,一般丟失速度為(50~200)bp/次[8],當(dāng)端粒縮短至一定程度,細胞停止分裂,進入靜止?fàn)顟B(tài),故有人稱端粒為正常細胞的分裂鐘(mistosis clock),因而端粒的長度也就決定了細胞的壽命[9]。③端粒位置效應(yīng),這是由于端粒序列改變了染色體的結(jié)構(gòu),使得接近端粒處的染色體區(qū)域形成異染色質(zhì),而且這一區(qū)域位于核膜附近,離體條件下不易被DNaseⅠ接近,活體內(nèi)不易受到DNA修飾酶的作用。由于聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子不容易接近,抑制了附近基因的表達,這種現(xiàn)象稱為端粒的位置效應(yīng)[10]。

2.2 功能 端粒酶是一種特殊的核糖核蛋白酶復(fù)合體,具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性,它通過引物特異識別位點,以自身RNA為模板,在染色體末端合成端粒DNA,使端粒得以延長。人類端粒酶主要由RNA成分(hTR)、端粒酶相關(guān)蛋白1(hTEP 1)和催化亞單位(hTERT)三部分組成。hTR長約5 6 0 nt,其中有1 1個堿基(5-CUAACCCUAA-3)與人類端粒序列5-TTAGGG-3互補[11],與此區(qū)互補的反義寡核苷酸能抑制端粒酶活性,而這段RNA的突變會導(dǎo)致端粒酶活性的改變[12]。hTEP1的mRNA表達并不限于有端粒酶活性的組織和細胞系,各組織的水平差異與端粒酶的活性無關(guān),因此,端粒酶活性表達并不是由TEP1決定的[13,14],但hTERT則是端粒酶活性所必需的。對端粒酶活性的表達,hTR和hTERT兩種組分缺一不可,但它們的表達調(diào)控是分離的。因為hTR在人的組織細胞中廣泛表達,是一個普遍現(xiàn)象,端粒酶活性沒有平行關(guān)系;而hTERT只在有端粒酶活性的細胞中(如生殖細胞、各種具有分裂增殖能力的細胞和絕大多數(shù)腫瘤細胞)表達,其表達與端粒酶活性呈正相關(guān)[15]。

端粒酶作為一種特殊的DNA聚合酶,有著非常重要的生物學(xué)功能[16],不僅使細胞分裂過程中縮短的端粒長度得到補償,維持端粒的長度,還能夠參與組織分化、細胞因子、胞漿Ca2+水平的調(diào)節(jié),并在一定程度上保護了線粒體,此外,端粒酶還參與細胞凋亡級聯(lián)反應(yīng)核信號的發(fā)放和細胞周期與細胞增殖的調(diào)控[17]。

3 端粒、端粒酶與血管老化的研究

生命機體由細胞構(gòu)成,生命機體的衰老是從細胞衰老開始的。胡章雪[18]認為端粒參與血管老化的機制,主要是通過細胞衰老的途徑發(fā)揮作用的。細胞衰老主要表現(xiàn)為端粒酶的活性明顯下降,端粒功能發(fā)生異常(包括端粒DNA受損、端粒結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變化、端粒明顯縮短)和細胞停止生長。內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞作為血管細胞的主要成分參與了血管老化的發(fā)生,內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的衰老與端粒、端粒酶有關(guān),即端粒的縮短、損傷,端粒酶活性的下降會導(dǎo)致相關(guān)血管內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的衰老,并且通過其衰老與心血管疾病的發(fā)生存在互為因果的關(guān)系。Minamino等[19]通過破壞端粒結(jié)構(gòu)完整性誘導(dǎo)人主動脈內(nèi)皮細胞衰老,首先發(fā)現(xiàn)在人類動脈粥樣硬化區(qū)域有典型的衰老細胞特征,并發(fā)現(xiàn)抑制端粒酶可誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞衰老,而促進端粒酶表達可抑制內(nèi)皮細胞衰老,延長細胞的生長周期。體外細胞實驗表明端粒酶活性在血管平滑肌細胞增殖調(diào)控中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,過表達hTERT可以延長血管平滑肌細胞壽命[20]。另一方面,楊淑均等[21]也指出端粒的過度損耗導(dǎo)致血管內(nèi)皮細胞、內(nèi)皮祖細胞以及平滑肌細胞衰老和功能障礙,進而參與動脈粥樣硬化病理演進,最終引發(fā)冠心病、腦卒中等。黃華等[22]指出早期端粒酶活性增強及端粒長度增加導(dǎo)致內(nèi)膜血管平滑肌增生是高血壓早期血管重塑的表現(xiàn)。可見端粒和端粒酶的生物學(xué)功能發(fā)生異常是導(dǎo)致細胞衰老,以及血管老化的關(guān)鍵因素。

與此同時,在研究有關(guān)端粒酶的端粒外作用機制的同時,也發(fā)現(xiàn)端粒酶與氧化應(yīng)激關(guān)系密切。氧化應(yīng)激引起端粒損傷的重要表現(xiàn)之一是可改變端粒的長度,使細胞端粒縮短,進而加速細胞衰老[23]。而通過檢測端粒DNA限制性酶切片段(te lomerase restriction fragment,TRF)的長度,并結(jié)合熒光原位雜交實驗,發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)在高氧化應(yīng)激環(huán)境下的內(nèi)皮細胞,其端粒縮短的速度加快[24]。實驗發(fā)現(xiàn)40%的高壓氧下細胞傳代次數(shù)降低,端粒縮短速率增大,細胞出現(xiàn)衰老特征,端粒DNA上單鏈斷裂積累。由此推測端粒縮短的主要原因在于衰老過程中或氧脅迫下端粒DNA單鏈斷裂增多,使端粒末端單鏈片段在DNA復(fù)制時丟失[25]。此外,端粒酶轉(zhuǎn)基因鼠表現(xiàn)出明顯的抗氧化應(yīng)激能力,其干細胞的增殖分化能力也提高,而端粒酶基因敲除鼠則表現(xiàn)出較低的抗氧化應(yīng)激能力,并對化療藥物敏感[26,27]。端粒酶還與線粒體關(guān)系密切,但在氧化應(yīng)激狀態(tài)下,端粒酶線粒體定位的確切生理功能還需進一步探討。Haendeler等[28]研究發(fā)現(xiàn)TERT進入線粒體后定位在線粒體基質(zhì),結(jié)合mtDNA編碼區(qū)ND1和ND2區(qū),并認為TERT的線粒體定位全面提高了呼吸鏈的活性,可以抵抗氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的損傷。Ahmed等[29]發(fā)現(xiàn)在TERT過表達的細胞中,mtDNA被保護,線粒體膜電位升高,線粒體超氧化產(chǎn)物和細胞過氧化水平降低,這些表明TERT表達下降能夠?qū)е露肆？s短和細胞衰老,使端粒酶活性下降,相反則能提高線粒體功能和減少不良反應(yīng),使線粒體處于一個溫和應(yīng)激狀態(tài)。

4 有關(guān)端粒、端粒酶與中醫(yī)研究的現(xiàn)狀

張先平等[30]實驗表明,當(dāng)歸多糖(ASP)能夠拮抗X線誘導(dǎo)的造血干細胞(HSC)衰老,其作用機制可能與增加端粒長度及端粒酶活性、下調(diào)P53蛋白表達有關(guān)。周玥等[31]研究發(fā)現(xiàn),人參皂苷Rg1可能通過激活端粒酶活性和減少端粒長度縮短發(fā)揮延緩和治療造血干細胞(HSC)衰老的作用。張洪泉等[32]研究發(fā)現(xiàn),肉蓯蓉多糖(PCD)能拮抗自由基損傷,增強衰老小鼠心和腦組織端粒酶活性和機體免疫功能,對D-半乳糖所致的衰老有一定的改善作用。馬麗杰等[33]實驗發(fā)現(xiàn),鎖陽多糖(CSP)組可以通過抑制D-半乳糖衰老小鼠血細胞和腦細胞染色體末端端粒長度的縮短,延緩組織細胞的衰老進程。楊靖等[34]通過研究發(fā)現(xiàn),四君子湯能拮抗自由基損傷,減少D-gal衰老模型小鼠心、肝、腦組織丙二醛(MDA)含量,并能提高心、腦組織端粒酶活性,但對肝組織端粒酶活性無影響[34]。目前在中醫(yī)藥領(lǐng)域缺乏有關(guān)端粒、端粒酶和血管老化的直接研究,有必要進行加強以闡明其中的關(guān)系。

5 結(jié) 語

血管老化作為一種緩慢的進行性疾病和老齡化社會亟待解決的問題,值得大家廣泛關(guān)注。端粒長度的縮短引發(fā)了衰老,而端粒酶的存在能夠通過延緩細胞衰老,提高細胞抗氧化應(yīng)激水平來延緩衰老,進而可能延緩血管老化,但是仍然存在一些問題。第一,有研究表明端粒長度可能和海拔有關(guān),影響衰老和血管老化[35],如何用藥物代替海拔對端粒長度的影響而延緩血管老化值得進一步的研究。第二,如何控制端粒酶的過度表達是一個有待解決的問題。端粒酶一方面可以維持端粒的長度,有效延緩衰老,同時也會增加細胞癌變的機會,這其中的臨界點需要解決。第三,正常情況下端粒長度隨著細胞分裂不斷縮短,縮短到一定的程度會引發(fā)衰老,但是沒有確切的長度標(biāo)準(zhǔn)。

生命機體的衰老是生物整個生命機體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能逐漸衰退的綜合現(xiàn)象,是一個非常復(fù)雜的進程,端粒僅是其眾多影響因素之一。自從發(fā)現(xiàn)端粒丟失同衰老相關(guān)以來,端粒與細胞衰老的研究不斷深入,但在中醫(yī)藥領(lǐng)域有關(guān)端粒、端粒酶同血管老化的研究并不多,故希望通過加強此方面的研究來進一步證實其中的相關(guān)性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我們相信在不遠的將來就可以在不引發(fā)腫瘤的前提下,能夠通過干預(yù)端粒酶適時適度地作用于端粒,使之延長并延緩血管老化,從而達到有效控制心血管疾病發(fā)生的目的,提高人類的生活質(zhì)量和壽命。

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Relationship between Telomere,Telomerase and Vascu lar Aging

Jing Xiaoyang,Lei Yan,Wang Qiang,Xiu Chengkui
Experimental Research Center,China Academy of Chinese Medica l Sciences,Beijing 100700,China Corresponding Author:Lei Yan

The research of vascular aging problemwith age has become a new target for the prevention and treatment of cardiovascular disease.Vascular aging,which pathological changes mainly involved in endothelial cells and smooth muscle cells senescence,is a degenerative disease.The telomere hypothesis is one of the widely discussed hypothesis of senescence,the shortening of telomere length is considered to be the start of cellu lar senescence;telomerase is a ribonuc leoprotein complex special,which can effectively maintain telomere length in order to delay aging.And then we specu lated that telomere and telomerase may be contact closely with vascular ageing through the formof cell senescence.

telomere;te lomerase;vascu lar aging;aging

R541 R256

:A

10.3969/j.issn.1672-1349.2015.07.011

1672-1349(2015)07-0893-04

2014-10-30)

(本文編輯王雅潔)

國家自然科學(xué)資助項目(No.81273976);中國中醫(yī)科學(xué)院自主選題(No.ZZ 2013002)

1.中國中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心在讀碩士研究生,中國中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心(北京100700);2.中國中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心; 3.中國中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心博士研究生

雷燕,E-mail:jingxy321@163.com