端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能研究進(jìn)展

黎瀟陽 羅丹濤 金雪薇

(重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 401331)

20世紀(jì)30年代，Hermnn Muller和 Barbara Mcclintock發(fā)現(xiàn)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(rèn)為染色體末端結(jié)構(gòu)具有保護(hù)染色體的作用。這一發(fā)現(xiàn)開啟了染色體末端序列的研究工作。此后，科學(xué)家借助DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究技術(shù)以及核酸測(cè)序技術(shù)等分子生物學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了端粒DNA序列的專一反轉(zhuǎn)錄酶——端酶(telomerase)，并揭示端粒和端粒酶除了保護(hù)染色體之外還能延緩細(xì)胞衰老等生物學(xué)功能。近年還發(fā)現(xiàn)，端粒與癌癥的發(fā)生有關(guān)聯(lián)，可作為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。本文綜述端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的研究進(jìn)展。

1 端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)

1.1 端粒的結(jié)構(gòu) 端粒是位于真核生物染色體末端的高度重復(fù)DNA序列及其結(jié)合蛋白的復(fù)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(jié)構(gòu)。真核生物各物種端粒DNA序列在進(jìn)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(fù)數(shù)目、端粒序列的長(zhǎng)度因物種而異。例如，原生動(dòng)物四膜蟲端粒的重復(fù)序列為TTGGGG/AACCCC，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期其端粒的長(zhǎng)度顯著延長(zhǎng)；包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物的端粒序列為TTAGGG/AATCCC，人體細(xì)胞染色體端粒DNA長(zhǎng)5～15kb，大約包含900～2500個(gè)重復(fù)拷貝。除了生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌細(xì)胞等細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度基本保持不變外，伴隨著分裂次數(shù)的增加，絕大多數(shù)細(xì)胞端粒長(zhǎng)度逐漸縮短，直至臨界長(zhǎng)度，此時(shí)細(xì)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(fù)的雙鏈結(jié)構(gòu)，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(qū)域內(nèi)部，將自身鏈的一部分置換出來，并和互補(bǔ)鏈配對(duì)，形成緊湊的大T環(huán)結(jié)構(gòu)[2]，而置換出來的那段序列則形成D環(huán)，從而使整個(gè)端粒DNA序列形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)(D環(huán)-T環(huán)結(jié)構(gòu))[3]。在人類，與端粒DNA序列結(jié)合的是由6個(gè)蛋白組成的特異性復(fù)合體，被稱為“保衛(wèi)端粒的蛋白復(fù)合體(shelterin)”或者“尾體(telosome)”。該蛋白復(fù)合體由2個(gè)雙鏈DNA結(jié)合蛋白(TRF1和TRF2)、1個(gè)TIN2蛋白(連接TRF1和TRF2)、1個(gè)單鏈DNA結(jié)合蛋白POT1、1個(gè)連接單雙鏈蛋白TPP1和1個(gè)核心蛋白R(shí)AP1組成[4]。

1.2 端粒酶的結(jié)構(gòu) 端粒與端粒酶共同組成了一個(gè)“命運(yùn)共同體”。人端粒酶全酶的分子量約為500～1500kDa，包括3個(gè)重要結(jié)構(gòu)，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(guān)蛋白(hTEP1)。端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，通過逆轉(zhuǎn)錄自身RNA在端粒DNA 3′—OH末端合成并拼接端粒DNA重復(fù)序列。端粒酶活性表達(dá)不由hTR和hTEP1決定，故無端粒酶活性的細(xì)胞和組織中也能發(fā)現(xiàn)hTR和hTEP1的差異表達(dá)。但是，hTERT的表達(dá)則會(huì)極大地促進(jìn)高活性端粒酶全酶的產(chǎn)生，故hTERT的表達(dá)是端粒酶活性必需的。一般細(xì)胞端粒酶活性檢測(cè)皆為陰性，這由hTERT的轉(zhuǎn)錄所受到的某些抑制作用所導(dǎo)致；若抑制作用缺失(情況之一為細(xì)胞癌變)，hTERT的表達(dá)便會(huì)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(jìn)程或保持甚至延長(zhǎng)自身長(zhǎng)度。研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶在85%惡性腫瘤細(xì)胞和某些必須不斷分裂的正常人體細(xì)胞中存在，包括造血細(xì)胞、干細(xì)胞和生殖細(xì)胞等。

2 端粒和端粒酶的生物學(xué)功能

2.1 端粒和端粒酶與衰老 從細(xì)胞生物學(xué)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(dǎo)致細(xì)胞衰老的重要原因。研究顯示，衰老可導(dǎo)致罹患糖尿病、冠心病、阿爾茨海默癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加，而這些疾病與端粒的退行性縮短相關(guān)。DNA復(fù)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(fù)制，而引物的最初占位和最終切除必然會(huì)導(dǎo)致母鏈3′方向的部分序列不能復(fù)制到新鏈。端粒重復(fù)序列的出現(xiàn)，挽救了非端粒序列在DNA復(fù)制中被遺漏的命運(yùn)，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(xiàn)的同時(shí)本身付出的代價(jià)是細(xì)胞的每次DNA復(fù)制會(huì)導(dǎo)致端粒長(zhǎng)度縮短50～200bp。隨著細(xì)胞有絲分裂次數(shù)的遞增，端粒DNA單鏈遭受的侵蝕加劇，這直接減弱了端粒對(duì)染色體的保護(hù)功能，使DNA損傷的概率增加，一旦端粒的長(zhǎng)度接近臨界值，細(xì)胞雖活著卻會(huì)停止分裂，甚至啟動(dòng)凋亡程序。研究表明，通過激活端粒酶活性，人體細(xì)胞可以在增長(zhǎng)端粒的同時(shí)增加生命周期[6]，有力證明了端粒和端粒酶與衰老的關(guān)系；端粒短缺的個(gè)體患早衰癥的比例有所增加，這又從反面論證了上述結(jié)論。由于在端粒和端粒酶保護(hù)染色體的研究方面做出的杰出貢獻(xiàn)，三位美國(guó)科學(xué)家分享了2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[7]。

2.2 端粒和端粒酶與干細(xì)胞功能 干細(xì)胞最大功能是自我更新并可分化成各種細(xì)胞，因此在人體發(fā)育和損傷修復(fù)過程中起著舉足輕重的作用。小鼠造血干細(xì)胞的連續(xù)移植實(shí)驗(yàn)[8]表明，端粒酶缺失的造血干細(xì)胞提早枯竭，這說明端粒酶是維持干細(xì)胞活性的重要因素。一項(xiàng)針對(duì)急性創(chuàng)傷病人端粒長(zhǎng)度的研究[9]發(fā)現(xiàn)，該類病人創(chuàng)傷當(dāng)天外周血端粒顯著縮短，術(shù)后和出院時(shí)端粒幾近恢復(fù)正常長(zhǎng)度。發(fā)生這一現(xiàn)象的極大可能原因是，在傷區(qū)釋放的干細(xì)胞趨化因子的作用下，干細(xì)胞向傷區(qū)集結(jié)并誘導(dǎo)分化為功能細(xì)胞參與損傷組織修復(fù)，而在這個(gè)過程中端粒酶和端粒保障了干細(xì)胞功能的維持。同時(shí)，該研究結(jié)果提示，在外周血細(xì)胞中端粒的長(zhǎng)度和端粒酶的水平也可作為創(chuàng)傷是否恢復(fù)的參考指標(biāo)。

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(zhuǎn)錄因子c-myc活性表達(dá)，與c-myc表達(dá)水平平行的hTERT也得以表達(dá)，端粒酶活性激升，端粒長(zhǎng)度恢復(fù)“年輕”狀態(tài)，細(xì)胞的分裂不再被縮短的端粒叫停，癌變細(xì)胞在宿主體內(nèi)的永生便成為可能，直到宿主因癌癥及其并發(fā)癥耗盡生命[10]。最新研究證實(shí)，hTERT基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)域的突變(而非hTERE基因本身的突變)是導(dǎo)致高端粒酶水平和引發(fā)癌癥的直接原因[11]。故hTERT基因啟動(dòng)子的突變與原癌基因的變異有一定的相關(guān)性。在癌癥病例中，端粒的延長(zhǎng)不僅只有端粒酶途徑，還有一種替代的延伸機(jī)制(ALT)：ALT細(xì)胞中某個(gè)端粒帽會(huì)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(zhǎng)端粒的長(zhǎng)度。但是，ALT機(jī)制僅在約15%的癌癥類型中發(fā)揮效用[12]。正常細(xì)胞隨著時(shí)間的流逝會(huì)走向衰老，其端粒隨著分裂次數(shù)的增多會(huì)不斷縮短，但若端?？s短到臨界值，D環(huán)—T環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)染色體的保護(hù)作用便會(huì)大打折扣，細(xì)胞一般會(huì)選擇凋亡來結(jié)束生命。但是，鑒于端粒保護(hù)功能驟減會(huì)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(dǎo)癌癥的發(fā)生。

2.4 端粒與健康長(zhǎng)壽 上面已經(jīng)敘述了端粒和端粒酶與衰老之間的關(guān)系，不言而喻，這意味著端粒對(duì)維持人體的健康長(zhǎng)壽有著特殊而重要的意義。

2.4.1 端粒是生活壓力的指標(biāo) 越來越多的研究表明，在社會(huì)壓力引發(fā)抑郁癥病例大量增加的背景下，應(yīng)激所致的皮質(zhì)激素分泌異常密切地影響著端粒的長(zhǎng)度，科學(xué)家常常把端粒長(zhǎng)度的縮短看作為重度抑郁癥(MDD)患者的標(biāo)志性分子特征。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，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(fā)展為抑郁患者，還可能面臨著生理衰老加速、端粒長(zhǎng)度縮短等與其年齡本不相關(guān)的醫(yī)學(xué)疾病[13]。來自密歇根大學(xué)的針對(duì)美國(guó)各州兒童的實(shí)驗(yàn)[14]強(qiáng)有力地證明，緊張的家庭環(huán)境(如潦倒貧窮、家庭暴力等壓抑的環(huán)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(jié)果表明，端粒的長(zhǎng)度不僅是慢性壓力的生物標(biāo)志物，較短的端?？膳c高壓的環(huán)境惡性循環(huán)地互作。維也納大學(xué)的以鸚鵡為對(duì)象的研究[15]佐證了端粒長(zhǎng)度與個(gè)體所受壓力的密切關(guān)系。結(jié)果顯示，同齡獨(dú)居鸚鵡的端粒長(zhǎng)度顯著短于群居鸚鵡(鸚鵡屬于野生群居鳥類)；結(jié)合之前得到的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論(生活在擁擠環(huán)境中的小鼠端粒顯著性縮短)，可以認(rèn)為孤獨(dú)和擁擠這兩種極端的社會(huì)環(huán)境都會(huì)顯著增加端粒磨損。

可見，在壓力下，生命個(gè)體生活壓抑會(huì)加大罹患疾病的風(fēng)險(xiǎn)，而生命體細(xì)胞端粒長(zhǎng)度的變化則是壓抑程度的分子指標(biāo)。這提示，和諧的生活環(huán)境不僅是生命體精神生活的需要，同時(shí)在根本上也是保證健康長(zhǎng)壽的需要。

2.4.2 端粒是壽命的重要調(diào)節(jié)者 美國(guó)德州西南醫(yī)學(xué)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(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)端粒長(zhǎng)度影響著基因調(diào)控。環(huán)狀結(jié)構(gòu)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(dá)或沉默，不過這一互作的前提是端粒的長(zhǎng)度必須足夠或者隨著個(gè)體衰老而縮短到某些影響值域。從這個(gè)角度來說，端粒長(zhǎng)度就像某些基因的定時(shí)開關(guān)，在端粒還足夠長(zhǎng)的時(shí)候能保持基因沉默或參與基因的激活及后續(xù)的表達(dá)調(diào)控；但是，當(dāng)端粒太短使環(huán)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí)，端粒與這些基因的通訊聯(lián)系中斷，對(duì)基因的調(diào)控作用也就會(huì)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(dá)和生化反應(yīng)中起著“定時(shí)鬧鐘”的作用，端粒通過基因在相當(dāng)程度上調(diào)控著生命活動(dòng)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(fā)揮其他與生命體的活動(dòng)和壽命調(diào)節(jié)相關(guān)的功能。

2.4.3 端粒是延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵靶標(biāo) 端粒酶就像一把雙刃劍，處理得當(dāng)，它可以逆轉(zhuǎn)錄端粒序列，加長(zhǎng)端粒，成為“長(zhǎng)生不老藥”；而一旦處理不當(dāng)，它則會(huì)引起細(xì)胞瘋狂增殖，若這個(gè)時(shí)候細(xì)胞由癌基因主導(dǎo)，那就可能在細(xì)胞得以永生的同時(shí)，癌癥也會(huì)隨之發(fā)生。那么，應(yīng)該怎樣對(duì)待端粒酶呢？

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利功能，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。研究人員分析了端粒酶結(jié)構(gòu)，改造了能夠編碼hTERT的mRNA，制成了這種“藥物”并成功將其送進(jìn)人體肌母細(xì)胞和成纖維細(xì)胞。結(jié)果顯示，經(jīng)過“藥物”處理的這兩種細(xì)胞的端粒均得到了迅速而有效的延長(zhǎng)，提示通過“藥物”讓端粒延長(zhǎng)來促進(jìn)人類細(xì)胞的年輕化或可成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是“暫時(shí)性”，即改造后的mRNA效用時(shí)長(zhǎng)為48h，這段時(shí)間里受處理細(xì)胞的端粒會(huì)得到延長(zhǎng)，但48h之后，隨著細(xì)胞分裂新延長(zhǎng)的端粒便開始逐漸縮短，這樣就保證了細(xì)胞不會(huì)無節(jié)制地分裂下去，達(dá)到既讓細(xì)胞增壽又不容許其永生的目的，規(guī)避了產(chǎn)生癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。專家認(rèn)為，這項(xiàng)研究有希望應(yīng)用于預(yù)防或治療跟衰老相關(guān)的疾病(如心血管疾病或糖尿病等)，對(duì)于與端粒異?？s短密切相關(guān)的疾病(如假肥大型肌營(yíng)養(yǎng)不良癥等)也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景[17]。但要實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分裂更加精準(zhǔn)的控制，讓端粒真正成為永葆青春、延年益壽的“基因保護(hù)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(jīng)知道端粒長(zhǎng)度與生命體健康的關(guān)系甚密，但是現(xiàn)代生物科技還遠(yuǎn)未達(dá)成利用端粒來實(shí)現(xiàn)“青春永葆、長(zhǎng)生不老”的夢(mèng)想，所以即使擁有良好的醫(yī)療保障，對(duì)于健康的維護(hù)大部分還得靠自身的努力。一項(xiàng)針對(duì)前列腺癌患者長(zhǎng)達(dá)5年的研究[18]表明，那些對(duì)生活方式積極改進(jìn)的患者其端粒平均延長(zhǎng)了10%，而對(duì)照組患者的端粒平均縮短了3%。均衡膳食、適量有氧運(yùn)動(dòng)以及全方位壓力調(diào)節(jié)有助于前列腺癌癥患者抵抗端粒的縮短趨勢(shì)。這個(gè)研究結(jié)果應(yīng)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?？s短的進(jìn)程。簡(jiǎn)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(duì)抗衰老和疾病。而且，這已經(jīng)從分子生物學(xué)方面得到證實(shí)。

3展望

端粒和端粒酶在真核生物細(xì)胞中起著重要的作用，但是與其相關(guān)的一些精細(xì)生化反應(yīng)尚不明了。隨著國(guó)內(nèi)外生命科學(xué)研究的深入，這些尚未解決的疑問將會(huì)陸續(xù)揭開謎底。作為時(shí)代催生的產(chǎn)物，生命醫(yī)學(xué)與其他學(xué)科的交叉研究具有極強(qiáng)的生命力。例如，端粒與社會(huì)壓力研究為人類認(rèn)識(shí)和調(diào)節(jié)自身帶來福音；而端粒與端粒酶相關(guān)研究有望解決更多的實(shí)際病理問題。將基礎(chǔ)科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)更加緊密地結(jié)合在一起，把理論運(yùn)用于實(shí)踐，用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，這是當(dāng)下應(yīng)當(dāng)做的最有價(jià)值的事情之一?？傊?，完全有理由相信，對(duì)于端粒和端粒酶的全新認(rèn)知將有效促進(jìn)人類的健康與長(zhǎng)壽。