端粒和端粒酶的結構及生物學功能研究進展

黎瀟陽 羅丹濤 金雪薇

(重慶師范大學生命科學學院 401331)

20世紀30年代，Hermnn Muller和 Barbara Mcclintock發現天然染色體末端與斷裂染色體末端之間的不融合特性，并認為染色體末端結構具有保護染色體的作用。這一發現開啟了染色體末端序列的研究工作。此后，科學家借助DNA雙螺旋結構研究技術以及核酸測序技術等分子生物學技術，發現了端粒DNA序列的專一反轉錄酶——端酶(telomerase)，并揭示端粒和端粒酶除了保護染色體之外還能延緩細胞衰老等生物學功能。近年還發現，端粒與癌癥的發生有關聯，可作為腫瘤治療的新靶點。本文綜述端粒和端粒酶的結構和生物學功能的研究進展。

1 端粒和端粒酶的結構

1.1 端粒的結構 端粒是位于真核生物染色體末端的高度重復DNA序列及其結合蛋白的復合體。正如一根鞋帶兩端的塑料帽，端粒就是染色體兩端的“帽”結構。真核生物各物種端粒DNA序列在進化上都非常保守，富含鳥嘌呤，由單一種類堿基拷貝排列組成，拷貝重復數目、端粒序列的長度因物種而異。例如，原生動物四膜蟲端粒的重復序列為TTGGGG/AACCCC，在對數生長期其端粒的長度顯著延長；包括人類在內的脊椎動物的端粒序列為TTAGGG/AATCCC，人體細胞染色體端粒DNA長5～15kb，大約包含900～2500個重復拷貝。除了生殖細胞、干細胞、癌細胞等細胞的端粒長度基本保持不變外，伴隨著分裂次數的增加，絕大多數細胞端粒長度逐漸縮短，直至臨界長度，此時細胞停止分裂并逐漸衰老或死亡[1]。端粒DNA除了包含高度重復的雙鏈結構，在其3＇端還存在富含G的單鏈懸突，這條3＇懸掛鏈折回端粒雙鏈區域內部，將自身鏈的一部分置換出來，并和互補鏈配對，形成緊湊的大T環結構[2]，而置換出來的那段序列則形成D環，從而使整個端粒DNA序列形成環狀結構(D環-T環結構)[3]。在人類，與端粒DNA序列結合的是由6個蛋白組成的特異性復合體，被稱為“保衛端粒的蛋白復合體(shelterin)”或者“尾體(telosome)”。該蛋白復合體由2個雙鏈DNA結合蛋白(TRF1和TRF2)、1個TIN2蛋白(連接TRF1和TRF2)、1個單鏈DNA結合蛋白POT1、1個連接單雙鏈蛋白TPP1和1個核心蛋白RAP1組成[4]。

1.2 端粒酶的結構 端粒與端粒酶共同組成了一個“命運共同體”。人端粒酶全酶的分子量約為500～1500kDa，包括3個重要結構，即人端粒酶RNA(hTR)、人端粒酶催化亞單位(hTERT) 和人端粒酶其他相關蛋白(hTEP1)。端粒酶是一種逆轉錄酶，通過逆轉錄自身RNA在端粒DNA 3′—OH末端合成并拼接端粒DNA重復序列。端粒酶活性表達不由hTR和hTEP1決定，故無端粒酶活性的細胞和組織中也能發現hTR和hTEP1的差異表達。但是，hTERT的表達則會極大地促進高活性端粒酶全酶的產生，故hTERT的表達是端粒酶活性必需的。一般細胞端粒酶活性檢測皆為陰性，這由hTERT的轉錄所受到的某些抑制作用所導致；若抑制作用缺失(情況之一為細胞癌變)，hTERT的表達便會激增，從而使端粒酶活性被激活[5]，端粒也就得以減慢縮短進程或保持甚至延長自身長度。研究發現，端粒酶在85%惡性腫瘤細胞和某些必須不斷分裂的正常人體細胞中存在，包括造血細胞、干細胞和生殖細胞等。

2 端粒和端粒酶的生物學功能

2.1 端粒和端粒酶與衰老 從細胞生物學角度來看，除了DNA甲基化和線粒體損傷等以外，端粒酶的缺失與端粒的縮短也是導致細胞衰老的重要原因。研究顯示，衰老可導致罹患糖尿病、冠心病、阿爾茨海默癥等疾病的風險增加，而這些疾病與端粒的退行性縮短相關。DNA復制必須由帶有3′—OH的RNA做引物，從新鏈5′到3′段方向完成復制，而引物的最初占位和最終切除必然會導致母鏈3′方向的部分序列不能復制到新鏈。端粒重復序列的出現，挽救了非端粒序列在DNA復制中被遺漏的命運，可見端粒是人體基因組保持完整的重要保障。不過，端粒在作此貢獻的同時本身付出的代價是細胞的每次DNA復制會導致端粒長度縮短50～200bp。隨著細胞有絲分裂次數的遞增，端粒DNA單鏈遭受的侵蝕加劇，這直接減弱了端粒對染色體的保護功能，使DNA損傷的概率增加，一旦端粒的長度接近臨界值，細胞雖活著卻會停止分裂，甚至啟動凋亡程序。研究表明，通過激活端粒酶活性，人體細胞可以在增長端粒的同時增加生命周期[6]，有力證明了端粒和端粒酶與衰老的關系；端粒短缺的個體患早衰癥的比例有所增加，這又從反面論證了上述結論。由于在端粒和端粒酶保護染色體的研究方面做出的杰出貢獻，三位美國科學家分享了2009年諾貝爾生理學或醫學獎[7]。

2.2 端粒和端粒酶與干細胞功能 干細胞最大功能是自我更新并可分化成各種細胞，因此在人體發育和損傷修復過程中起著舉足輕重的作用。小鼠造血干細胞的連續移植實驗[8]表明，端粒酶缺失的造血干細胞提早枯竭，這說明端粒酶是維持干細胞活性的重要因素。一項針對急性創傷病人端粒長度的研究[9]發現，該類病人創傷當天外周血端粒顯著縮短，術后和出院時端粒幾近恢復正常長度。發生這一現象的極大可能原因是，在傷區釋放的干細胞趨化因子的作用下，干細胞向傷區集結并誘導分化為功能細胞參與損傷組織修復，而在這個過程中端粒酶和端粒保障了干細胞功能的維持。同時，該研究結果提示，在外周血細胞中端粒的長度和端粒酶的水平也可作為創傷是否恢復的參考指標。

2.3 端粒和端粒酶與癌癥 原癌基因在致癌因子疊加作用下被激活，伴隨著類似于myc原癌基因編碼的轉錄因子c-myc活性表達，與c-myc表達水平平行的hTERT也得以表達，端粒酶活性激升，端粒長度恢復“年輕”狀態，細胞的分裂不再被縮短的端粒叫停，癌變細胞在宿主體內的永生便成為可能，直到宿主因癌癥及其并發癥耗盡生命[10]。最新研究證實，hTERT基因表達的調控區域的突變(而非hTERE基因本身的突變)是導致高端粒酶水平和引發癌癥的直接原因[11]。故hTERT基因啟動子的突變與原癌基因的變異有一定的相關性。在癌癥病例中，端粒的延長不僅只有端粒酶途徑，還有一種替代的延伸機制(ALT)：ALT細胞中某個端粒帽會利用其他染色體的DNA端粒序列作為模板合成新的端粒DNA序列，形成重組端粒DNA以延長端粒的長度。但是，ALT機制僅在約15%的癌癥類型中發揮效用[12]。正常細胞隨著時間的流逝會走向衰老，其端粒隨著分裂次數的增多會不斷縮短，但若端粒縮短到臨界值，D環—T環結構對染色體的保護作用便會大打折扣，細胞一般會選擇凋亡來結束生命。但是，鑒于端粒保護功能驟減會增加染色體受損傷的概率，故也有極少部分癌基因可能被激活，端粒酶活性隨之激增，從而誘導癌癥的發生。

2.4 端粒與健康長壽 上面已經敘述了端粒和端粒酶與衰老之間的關系，不言而喻，這意味著端粒對維持人體的健康長壽有著特殊而重要的意義。

2.4.1 端粒是生活壓力的指標 越來越多的研究表明，在社會壓力引發抑郁癥病例大量增加的背景下，應激所致的皮質激素分泌異常密切地影響著端粒的長度，科學家常常把端粒長度的縮短看作為重度抑郁癥(MDD)患者的標志性分子特征。已經發現，抑郁母親的女兒比非抑郁母親的女兒擁有了更短的端粒：生活在有MDD親屬的家庭中的孩子，不僅可能因家中常年存在的抑郁氛圍而發展為抑郁患者，還可能面臨著生理衰老加速、端粒長度縮短等與其年齡本不相關的醫學疾病[13]。來自密歇根大學的針對美國各州兒童的實驗[14]強有力地證明，緊張的家庭環境(如潦倒貧窮、家庭暴力等壓抑的環境)使兒童從高壓力的父母那里繼承到的本來就比較短的端粒變得更短。該結果表明，端粒的長度不僅是慢性壓力的生物標志物，較短的端粒可與高壓的環境惡性循環地互作。維也納大學的以鸚鵡為對象的研究[15]佐證了端粒長度與個體所受壓力的密切關系。結果顯示，同齡獨居鸚鵡的端粒長度顯著短于群居鸚鵡(鸚鵡屬于野生群居鳥類)；結合之前得到的另一個實驗結論(生活在擁擠環境中的小鼠端粒顯著性縮短)，可以認為孤獨和擁擠這兩種極端的社會環境都會顯著增加端粒磨損。

可見，在壓力下，生命個體生活壓抑會加大罹患疾病的風險，而生命體細胞端粒長度的變化則是壓抑程度的分子指標。這提示，和諧的生活環境不僅是生命體精神生活的需要，同時在根本上也是保證健康長壽的需要。

2.4.2 端粒是壽命的重要調節者 美國德州西南醫學中心的研究者[16]另辟蹊徑，深入研究了端粒3＇懸突與染色體形成的環狀結構，發現端粒長度影響著基因調控。環狀結構能使端粒與其所在染色體上的其他基因相互作用，影響這些基因的表達或沉默，不過這一互作的前提是端粒的長度必須足夠或者隨著個體衰老而縮短到某些影響值域。從這個角度來說，端粒長度就像某些基因的定時開關，在端粒還足夠長的時候能保持基因沉默或參與基因的激活及后續的表達調控；但是，當端粒太短使環狀結構遭到破壞時，端粒與這些基因的通訊聯系中斷，對基因的調控作用也就會終止。

上述研究揭示，端粒不僅是控制生命體壽命的“有絲分裂鐘”，還在生命體的基因表達和生化反應中起著“定時鬧鐘”的作用，端粒通過基因在相當程度上調控著生命活動和壽命，而一些已知功能的某些堿基序列或許還在默默地發揮其他與生命體的活動和壽命調節相關的功能。

2.4.3 端粒是延長壽命的關鍵靶標 端粒酶就像一把雙刃劍，處理得當，它可以逆轉錄端粒序列，加長端粒，成為“長生不老藥”；而一旦處理不當，它則會引起細胞瘋狂增殖，若這個時候細胞由癌基因主導，那就可能在細胞得以永生的同時，癌癥也會隨之發生。那么，應該怎樣對待端粒酶呢？

2015年，斯坦福大學發表的一項研究報告給出了新的啟示：可以借鑒端粒酶的有利功能，開發一種可控的、功能類似端粒酶的“藥物”，用于延長端粒。研究人員分析了端粒酶結構，改造了能夠編碼hTERT的mRNA，制成了這種“藥物”并成功將其送進人體肌母細胞和成纖維細胞。結果顯示，經過“藥物”處理的這兩種細胞的端粒均得到了迅速而有效的延長，提示通過“藥物”讓端粒延長來促進人類細胞的年輕化或可成為現實。同時，這項技術的優點之一是“暫時性”，即改造后的mRNA效用時長為48h，這段時間里受處理細胞的端粒會得到延長，但48h之后，隨著細胞分裂新延長的端粒便開始逐漸縮短，這樣就保證了細胞不會無節制地分裂下去，達到既讓細胞增壽又不容許其永生的目的，規避了產生癌癥的風險。專家認為，這項研究有希望應用于預防或治療跟衰老相關的疾病(如心血管疾病或糖尿病等)，對于與端粒異常縮短密切相關的疾病(如假肥大型肌營養不良癥等)也有相當的應用前景[17]。但要實現對細胞分裂更加精準的控制，讓端粒真正成為永葆青春、延年益壽的“基因保護傘”，還有很多課題有待研究。

2.4.4 端粒與適齡的健康生活 雖然已經知道端粒長度與生命體健康的關系甚密，但是現代生物科技還遠未達成利用端粒來實現“青春永葆、長生不老”的夢想，所以即使擁有良好的醫療保障，對于健康的維護大部分還得靠自身的努力。一項針對前列腺癌患者長達5年的研究[18]表明，那些對生活方式積極改進的患者其端粒平均延長了10%，而對照組患者的端粒平均縮短了3%。均衡膳食、適量有氧運動以及全方位壓力調節有助于前列腺癌癥患者抵抗端粒的縮短趨勢。這個研究結果應該可以推及健康的人群，即保持健康的生活方式可以延緩端粒縮短的進程。簡言之，做到管住嘴，邁開腿，好心情，全方位積極地保持良好的生活方式，有助于對抗衰老和疾病。而且，這已經從分子生物學方面得到證實。

3展望

端粒和端粒酶在真核生物細胞中起著重要的作用，但是與其相關的一些精細生化反應尚不明了。隨著國內外生命科學研究的深入，這些尚未解決的疑問將會陸續揭開謎底。作為時代催生的產物，生命醫學與其他學科的交叉研究具有極強的生命力。例如，端粒與社會壓力研究為人類認識和調節自身帶來福音；而端粒與端粒酶相關研究有望解決更多的實際病理問題。將基礎科學與臨床醫學更加緊密地結合在一起，把理論運用于實踐，用實踐檢驗理論，這是當下應當做的最有價值的事情之一。總之，完全有理由相信，對于端粒和端粒酶的全新認知將有效促進人類的健康與長壽。