端粒和端粒酶結(jié)構(gòu)與作用的研究進(jìn)展

張涵渝

（鄒平縣第一中學(xué) 山東 鄒平 256200）

1 引言

端粒是真核細(xì)胞染色體末端的一小段DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，能夠保持染色體的完整性和控制細(xì)胞分裂周期，而端粒酶是核蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶，可以把端粒修復(fù)延長(zhǎng)，從而增加細(xì)胞分裂次數(shù)。端粒和端粒酶與細(xì)胞的凋亡、永生以及癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，研究端粒與端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能對(duì)深入了解細(xì)胞衰老和凋亡及研究癌癥有著重要意義。因此，本文就近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)端粒和端粒酶的研究展開文獻(xiàn)綜述。

2 端粒和端粒酶

2.1 端粒

端粒位于真核細(xì)胞染色體末端，是一段結(jié)構(gòu)富含鳥嘌呤的DNA序列及與之結(jié)合的蛋白質(zhì)的復(fù)合體，該復(fù)合體像是戴于染色體兩端的帽子結(jié)構(gòu)。端粒的DNA序列呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)即D環(huán)?-T環(huán)結(jié)構(gòu)[1]。真核生物的端粒序列拷貝重復(fù)數(shù)目和長(zhǎng)度因物種而異，人類端粒主要由5’-（TTAGGG）n-3’重復(fù)DNA序列構(gòu)成。除少數(shù)細(xì)胞如生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌細(xì)胞端粒長(zhǎng)度保持不變外，絕大多數(shù)端粒的長(zhǎng)度隨分裂次數(shù)的增加而逐漸縮短，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界長(zhǎng)度時(shí)，細(xì)胞停止分裂并逐漸衰老或死亡，因此端粒可被當(dāng)作是“生命的時(shí)鐘”或“有絲分裂的計(jì)數(shù)器”[2]。

2.2 端粒酶

端粒酶是一種特異核酸蛋白質(zhì)復(fù)合物逆轉(zhuǎn)錄酶，由互補(bǔ)于端粒DNA的RNA亞基和端粒酶催化亞基及端粒酶相關(guān)蛋白組成。在人類細(xì)胞中，人的端粒全酶由人端粒酶RNA（TR）和人端粒酶其他相關(guān)蛋白（hTEP1）與人端粒酶催化亞單位（hTERT）組成，分子量約為500～1500KDa，其中hTERT能夠促進(jìn)產(chǎn)生高活性端粒酶全酶，在端粒酶活性及端粒長(zhǎng)度維持中起到?jīng)Q定性作用[3-4]。端粒酶能夠以自身RNA為模版，逆轉(zhuǎn)錄合成相應(yīng)的端粒DNA序列并連接到端粒上從而使端粒在細(xì)胞分裂中無消耗，進(jìn)而影響細(xì)胞衰老與凋亡。

3 端粒和端粒酶的作用機(jī)制

端粒和端粒酶與細(xì)胞分裂、衰老、凋亡、永生等密切相關(guān)，影響細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡[5]。

3.1 端粒的作用機(jī)制

在DNA復(fù)制時(shí)，由于引物（帶有3’-OH的RNA）的最初占位和最終切除會(huì)使DNA母鏈的一部分序列被遺漏，而端粒重復(fù)序列可以有效地對(duì)抗這種遺漏。一般DNA每復(fù)制一次，端粒就會(huì)減短20～50bp，當(dāng)其短到一定長(zhǎng)度后，染色體的繼續(xù)復(fù)制便會(huì)導(dǎo)致DNA編碼區(qū)不完整，染色體將會(huì)融合或被降解，細(xì)胞則會(huì)走向衰老、凋亡等[6]。有學(xué)者指出，細(xì)胞在每次分裂過程中都會(huì)由于DNA聚合酶功能障礙而不能完全復(fù)制它們的染色體，因此最后復(fù)制DNA序列可能會(huì)丟失，最終造成細(xì)胞衰老死亡[7]。因此，位于染色體末端的端粒能夠代替有功能的染色體序列丟失，有效的避免編碼區(qū)基因被破壞，保證基因的完整性。

3.2 端粒酶的作用

首先，端粒酶具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性，能夠以自身的RNA為模板，反向合成與端粒互補(bǔ)的DNA序列，加在其末端，防止染色體的末端融合成。此外，端粒酶能夠維持端粒的復(fù)制，修復(fù)斷裂的染色體末端，抵消因細(xì)胞分裂而導(dǎo)致的端粒的消耗，維護(hù)遺傳穩(wěn)定性[8-9]。端粒酶的活性在人胚胎發(fā)育過程中逐漸消失，在某些情況下一些細(xì)胞能夠重新獲得端粒酶活性，從而使端粒在染色體復(fù)制中不變短，導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)無限增殖，成為永生化或惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞。

4 端粒和端粒酶的應(yīng)用

4.1 端粒和端粒酶與細(xì)胞衰老

細(xì)胞的衰老與端粒及端粒酶密切相關(guān)，端粒縮短的關(guān)鍵原因是細(xì)胞內(nèi)端粒酶活性的降低或缺失，縮短的端粒不能被細(xì)胞所識(shí)別，引發(fā)細(xì)胞衰老[10]。國(guó)外研究者發(fā)現(xiàn)，皮下注射過定時(shí)釋放TERT的特殊藥物的老鼠體內(nèi)新長(zhǎng)出許多細(xì)胞，這是由于該藥物重啟了老鼠體內(nèi)休眠的端粒基因，影響端粒酶活性及端粒的長(zhǎng)度[11]。此外，我國(guó)學(xué)者通過檢測(cè)靶細(xì)胞的hTERT基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)入hTERT能夠增強(qiáng)哺乳動(dòng)物的端粒酶活性，這就為延長(zhǎng)哺乳動(dòng)物的壽命提出了新的方案[12]。2015年斯坦福大學(xué)發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告給出了新的啟示：可以借鑒端粒酶的有力功能，開發(fā)一種可控的功能類似端粒酶的“藥物”，用于延長(zhǎng)端粒，使細(xì)胞增壽而不會(huì)永生。在該啟示下，研究人員目前已研制出了這類藥物。

4.2 端粒和端粒酶與腫瘤

研究提示85%～90%的腫瘤細(xì)胞中都具有端粒酶活性[13]，這是正常的細(xì)胞沒有的比例。有學(xué)者認(rèn)為，由于端粒酶的缺失，端粒的長(zhǎng)度隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加而不斷縮短，削弱了端粒的保護(hù)作用，從而增加染色體的損傷風(fēng)險(xiǎn)，促使腫瘤早期發(fā)生。而后期，極少部分癌基因被激活，端粒酶激活，細(xì)胞無限增殖，腫瘤惡化[14]。端粒酶抑制劑已被較為廣泛的認(rèn)為是治療惡性腫瘤的潛在有效療法。研究顯示，端粒酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑伊美司他，能夠鍵合和阻斷端粒酶的活性位點(diǎn)使端粒的縮短，細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡，從而抑制多種不同的癌細(xì)胞，而非競(jìng)爭(zhēng)性的端粒酶抑制劑BIBR1532能夠誘導(dǎo)端粒侵蝕和生長(zhǎng)抑制作用，從而發(fā)揮抗腫瘤作用[15-16]。

綜上，端粒及端粒酶有著特殊的結(jié)構(gòu)，在真核細(xì)胞的分裂、衰老及永生等方面發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用。臨床研究顯示，端粒酶抑制劑能夠高效有選擇性地誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，雖目前在廣泛地運(yùn)用于抗腫瘤的臨床治療當(dāng)中仍存在一些問題，但是具有很大的應(yīng)用前景。因此，不斷深入研究端粒和端粒酶的功能及作用機(jī)制，對(duì)尋求細(xì)胞衰老及腫瘤的平衡從而達(dá)到同時(shí)對(duì)抗衰老及腫瘤的作用顯得至關(guān)重要。

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