蜜蜂端粒酶活性與端粒長(zhǎng)度研究進(jìn)展

吳文立 牛慶生 王志 王進(jìn)州 劉玉玲 李志勇

（吉林省養(yǎng)蜂科學(xué)研究所，吉林 132021）

Muller 在20 世紀(jì)30年代首次發(fā)現(xiàn)在真核細(xì)胞染色體中存在一種特殊的結(jié)構(gòu)，并將之命名為端粒（telomere）[1]。端粒在染色體中與端粒結(jié)合蛋白一起構(gòu)成了一種特殊的“帽狀”結(jié)構(gòu)，如圖1。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是一小段DNA—蛋白質(zhì)復(fù)合體，其功能是保護(hù)染色體末端的單鏈DNA 不被機(jī)體識(shí)別成破損的雙鏈DNA，避免錯(cuò)誤修補(bǔ)[2]，維持染色體的完整和細(xì)胞的活性。由于細(xì)胞有絲分裂中DNA 復(fù)制是不完整的復(fù)制，每一輪復(fù)制，在染色體末端會(huì)縮短30～200bp，如果不及時(shí)修復(fù)，染色體的缺失就會(huì)逐漸變大，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞功能衰退，引起機(jī)體的衰老，如圖2，所以端粒被稱(chēng)為“有絲分裂時(shí)鐘”和“生命時(shí)鐘”[3]。端粒的修復(fù)是通過(guò)端粒酶的催化和介導(dǎo)來(lái)完成的，端粒酶是一種特別的逆轉(zhuǎn)錄酶，在保持端粒穩(wěn)定、基因組完整、細(xì)胞活性和潛在的增殖能力等方面發(fā)揮重要作用，端粒長(zhǎng)度和端粒酶活性已成為醫(yī)學(xué)界和動(dòng)物學(xué)界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。2009年，3 位美國(guó)科學(xué)家Elizabeth H Blackburn、Jack W Szostak 和Carol W Greider 通過(guò)發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)以及其保護(hù)染色體的功能而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[4]。

圖1

圖2

1 端粒和端粒酶

1.1 端粒的結(jié)構(gòu)和功能

端粒是真核細(xì)胞線(xiàn)狀染色體末端的一種基本結(jié)構(gòu)。在脊椎動(dòng)物中，端粒的絕大部分由一連串重復(fù)序列——(TTAGGG)n 構(gòu)成，昆蟲(chóng)中的這種重復(fù)序列為(TTAGG)n，植物中的這種重復(fù)序列為(TTTAGGG)n[5,6]。每個(gè)重復(fù)序列長(zhǎng)度為5～7bp[7]，在人體中，這種重復(fù)序列的總長(zhǎng)度從36bp到幾十kb不等[8]，并且圍成T環(huán)，形成“帽子”結(jié)構(gòu)，防止染色體末端互相重組、融合和染色體退化[9]。

端粒的主要功能有3 個(gè)：第一，在DNA 復(fù)制過(guò)程中，以RNA 為起始引物，當(dāng)DNA 聚合酶沿著5′到3′復(fù)制完成時(shí)，RNA 被剪切，造成5′末端空缺，從而使5′末端序列縮短，而端粒結(jié)合蛋白與端粒酶通過(guò)復(fù)雜的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)端粒酶的活性，并且保持端粒擁有足夠的長(zhǎng)度；第二，由于端粒存在于染色體末端并且是閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所以能防止單鏈DNA 不被機(jī)體識(shí)別成破損的雙鏈DNA，避免了錯(cuò)誤修補(bǔ)和粘連；第三，一些端粒結(jié)合蛋白可以調(diào)節(jié)其在細(xì)胞核中的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能，其中最突出的就是在減數(shù)分裂Ⅰ期之中，端粒結(jié)合蛋白移動(dòng)到核膜上與中心粒相對(duì)，以此促進(jìn)同源染色體的聯(lián)會(huì)[10]。

1.2 端粒酶的組成和功能

端粒酶是一種核糖體蛋白，含有2 個(gè)重要的組成部分——逆轉(zhuǎn)錄酶和RNA。逆轉(zhuǎn)錄酶可以催化端粒DNA 的合成，而RNA 則是端粒DNA 合成的模板。在機(jī)體正常的細(xì)胞增殖和器官發(fā)育過(guò)程中，端粒酶的活性受到嚴(yán)格控制[11,12]。在脊椎動(dòng)物中，胚胎期的端粒酶具有很高的活性，而后期發(fā)育時(shí)端粒酶的活性逐漸降低[13]；在增殖不活躍的體細(xì)胞中，端粒酶的活性處于低水平狀態(tài)[14,15]。

2 端粒長(zhǎng)度的變化機(jī)制及影響因素

2.1 端粒長(zhǎng)度的變化機(jī)制

端粒酶不能無(wú)限增加端粒自身的長(zhǎng)度，當(dāng)自身達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，其活性就會(huì)在此值上下浮動(dòng)。目前科學(xué)家提出端粒長(zhǎng)度的變化機(jī)制：一類(lèi)是依賴(lài)端粒酶活性，如生殖細(xì)胞、成體干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞[16]；另一類(lèi)是端粒重組，如淋巴細(xì)胞和胃黏膜細(xì)胞中有少量甚至沒(méi)有端粒，卻具有很長(zhǎng)的壽命[17]。如今，已有科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雄性動(dòng)物中的端粒長(zhǎng)度普遍比同種雌性動(dòng)物的短[18]，這可以從分子水平上解釋?zhuān)谏眢w健康狀態(tài)相似、同等饑餓的條件下，女性存活時(shí)間大于男性，亦解釋女性壽命普遍長(zhǎng)于男性；還可以解釋蜂王大量產(chǎn)卵，工蜂日夜勞作，但是其壽命依然普遍長(zhǎng)于從未交尾且養(yǎng)尊處優(yōu)的雄蜂。

2.2 端粒長(zhǎng)度的影響因素

影響端粒長(zhǎng)度的因素主要有環(huán)境因素和遺傳因素。在環(huán)境因素上，已有研究得出結(jié)論，孕婦在孕期奶制品的攝入較多，孕婦的端粒長(zhǎng)度較短；孕婦飲用咖啡者，其臍血端粒長(zhǎng)度短；孕期經(jīng)常保持體育鍛煉的孕婦，其端粒長(zhǎng)度較長(zhǎng)。在遺傳因素上，遺傳變異可能不影響新生兒的端粒長(zhǎng)度，但影響成長(zhǎng)過(guò)程中不同個(gè)體對(duì)環(huán)境暴露導(dǎo)致端粒縮短的易感程度[19]。煙草暴露、生物化學(xué)暴露、酗酒、營(yíng)養(yǎng)不良、肥胖、慢性炎癥以及心理壓力等因素也被證明與較短的端粒長(zhǎng)度相關(guān)[20-30]。

3 關(guān)于蜜蜂和其他昆蟲(chóng)端粒和端粒酶的研究

美洲大蠊，作為一個(gè)非完全變態(tài)昆蟲(chóng)的代表，會(huì)從一個(gè)未成熟的形態(tài)逐漸長(zhǎng)成成蟲(chóng)，在這期間，除生殖器官外，其端粒酶活性會(huì)隨著機(jī)體的發(fā)育而逐漸降低，也就是說(shuō)半變態(tài)昆蟲(chóng)端粒酶活性的大小與細(xì)胞循環(huán)和機(jī)體衰老相關(guān)[31]。但是許多研究顯示，在以蜜蜂為代表的完全變態(tài)昆蟲(chóng)中，并未發(fā)現(xiàn)機(jī)體發(fā)育各階段端粒酶變化的規(guī)律[31-33]。在工蜂發(fā)育過(guò)程中，端粒酶的活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[34]；而年輕蜂王與老年蜂王相比，端粒酶的活性沒(méi)有區(qū)別[35]。Radmila 發(fā)現(xiàn)，蜜蜂中蜂王的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工蜂是因?yàn)槎肆Ｔ谄渲邪l(fā)揮了作用[34]，而蜜蜂生存的環(huán)境因素也會(huì)影響端粒酶的活性和端粒長(zhǎng)度[36]。

4 研究前景與展望

蜜蜂是世界上一種重要的授粉動(dòng)物，愛(ài)因斯坦也曾說(shuō)過(guò)：“如果蜜蜂忽然消失于地球，人類(lèi)的生存時(shí)間不會(huì)超過(guò)4年”，但是蜜蜂的壽命問(wèn)題卻很少得到重視。工蜂的壽命短則30 天，多則200 余天，差距如此之大，究竟原因何在，無(wú)從知曉。而如今，醫(yī)學(xué)界和動(dòng)物學(xué)界都已發(fā)現(xiàn)，端粒是影響真核動(dòng)物壽命的一個(gè)重要因素。尤其在醫(yī)學(xué)界，對(duì)端粒的研究已經(jīng)到一個(gè)成熟階段，經(jīng)研究得知，端粒縮短會(huì)造成人類(lèi)DNA 損傷、炎癥和氧化應(yīng)激等反應(yīng)，無(wú)論是引起心血管疾病的危險(xiǎn)因素或是常見(jiàn)的心血管疾病，如動(dòng)脈粥樣硬化、心臟衰竭、高血壓，都呈現(xiàn)白細(xì)胞端粒縮短[37]。但是對(duì)蜜蜂端粒的研究才剛剛開(kāi)始，還處在摸索階段，不過(guò)前景廣闊。

蜜蜂端粒的研究應(yīng)該從人類(lèi)端粒的研究中得到啟迪。人類(lèi)端粒可以通過(guò)影響人類(lèi)疾病的發(fā)生來(lái)間接影響壽命，也可以通過(guò)直接變短、損傷DNA 或使自身結(jié)構(gòu)異常來(lái)使細(xì)胞衰老，直接影響人類(lèi)壽命。而蜜蜂的疾病很少，端粒可能直接影響蜜蜂的壽命。現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)端粒的研究知道蜜蜂的滋養(yǎng)細(xì)胞和脂肪細(xì)胞與蜜蜂的壽命存在一定的聯(lián)系[38]，而這種聯(lián)系可以為以后更深入的探究蜜蜂壽命奠定基礎(chǔ)。