端粒縮短與骨髓衰竭性疾病的研究進展

高小燕，劉述川

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 血液內(nèi)科， 黑龍江 哈爾濱 150001)

端粒(telomere)是線性染色體末端串聯(lián)重復(fù)的DNA序列，在體細(xì)胞分裂的過程中逐漸縮短[1]。端粒相關(guān)蛋白包裹在端粒表面，通過形成T環(huán)，防止DNA損傷反應(yīng)激活，招募端粒酶復(fù)合物并調(diào)節(jié)其活性，以維持端粒長度的穩(wěn)定。端?？s短與多種疾病有關(guān)，包括早衰綜合征、特發(fā)性肺纖維化、肝硬化和骨髓衰竭(bone marrow failure, BMF)性疾病[2]。BMF是一類起源于造血干/祖細(xì)胞質(zhì)量異常的骨髓造血功能不良性疾病，以骨髓組織增生低下，外周血一系或多系減少為特征，以貧血、感染及出血為主要臨床表現(xiàn)。BMF是多種病因、發(fā)病機制所致的復(fù)雜血液癥候群，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院對BMF患者進行研究證實免疫異常介導(dǎo)的造血干細(xì)胞損傷是其重要的致病機制，且部分BMF患者的端粒長度顯著縮短，這可能與免疫抑制治療無效有關(guān)。本文總結(jié)了目前端粒生物學(xué)異常與BMF的最新研究進展并加以討論。

1 端粒與端粒的維持

端粒由串聯(lián)重復(fù)的核苷酸序列(TTAGGG)和相關(guān)蛋白組成，長約5～20 kb。在細(xì)胞增殖、分裂和衰老的過程中，由于DNA聚合酶的不完全復(fù)制， 端粒不斷地縮短[3]。端粒的結(jié)構(gòu)和功能是由端粒酶和端粒蛋白復(fù)合物(shelterin)共同維持的。端粒酶由端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase, TERT)、端粒酶RNA(telomerase RNA component, TERC)和端粒酶相關(guān)蛋白組成。TERT以TERC為模板在染色體3′末端添加“TTAGGG”序列，使端粒修復(fù)延長。Shelterin是包裹在端粒表面，由6種亞基(TRF1、TRF2、POT1、RAP1、TIN2和TPP1)組成的重要蛋白復(fù)合物，在幫助端粒成帽、調(diào)控端粒長度及維持端粒功能等方面發(fā)揮重要作用。

端粒的功能是維持染色體末端的完整性[4]，避免染色體末端融合和降解。在缺乏端粒重建程序的情況下，每次細(xì)胞復(fù)制會丟失約50 bp的端粒重復(fù)。當(dāng)端粒變得非常短，達到一個臨界長度(2～4 kb)時，細(xì)胞會觸發(fā)一系列保護反應(yīng)：通過招募雙鏈DNA損傷標(biāo)志物如磷酸化組蛋白H2AX和DNA損傷檢驗點，以及激活P53[5]，上調(diào)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑P21，將細(xì)胞周期阻斷于G1期[6]，最終導(dǎo)致細(xì)胞增殖受阻和凋亡。如果細(xì)胞在端粒極短時繼續(xù)存活，則會引起端粒結(jié)構(gòu)和功能紊亂，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，增加疾病的發(fā)生風(fēng)險。

2 端粒與再生障礙性貧血(aplastic anemia, AA)

AA是臨床最常見的BMF，大約1/3的AA患者對免疫抑制治療缺乏反應(yīng)，這些患者的端粒明顯縮短，且端?？s短的程度與疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。端粒越短的患者病程越長、越易復(fù)發(fā)、總體生存率越低，患上晚期和惡性克隆性并發(fā)癥的風(fēng)險越高。正常造血干細(xì)胞表達端粒酶以維持自我更新和分化，AA患者的端粒酶活性減低，與外周血血紅蛋白水平和淋巴細(xì)胞百分率呈顯著正相關(guān)性，端粒酶基因突變者更顯著，這是由于基因突變導(dǎo)致單倍劑量不足所致。AA患者端粒酶活性較健康人增高，且病程越長，端粒酶活性越高，產(chǎn)生機理為造血壓力、機體代償性調(diào)節(jié)和造血負(fù)反饋。AA患者免疫功能異常，T淋巴細(xì)胞功能亢進，分泌大量造血負(fù)調(diào)控因子抑制骨髓造血干細(xì)胞的功能，為了代償衰竭的造血功能，骨髓干細(xì)胞增殖分裂加速導(dǎo)致端粒磨損，繼發(fā)引起端粒酶活性增強以彌補端粒的缺失。

約9%的AA患者存在端粒酶復(fù)合體基因如TERT和TERC的反復(fù)突變[7]，1%～2%的AA患者存在端粒伸長解旋酶1調(diào)節(jié)因子(regulator of telomere elongation helicase 1,RTEL1)的雙等位基因突變，端粒結(jié)合蛋白TRF1、TRF2的基因突變在AA中也偶有報道。部分?jǐn)y帶TERT/TERC突變基因，存在端?？s短、血液學(xué)改變(如輕度貧血、血小板或粒細(xì)胞減少)和骨髓發(fā)育不良等異常的個體，在病毒感染、毒物接觸和氧化損傷的影響下，較正常人更容易發(fā)展成AA[8]，端粒酶基因突變是發(fā)生骨髓衰竭并最終導(dǎo)致AA的重要遺傳致病因素。端?？s短的AA患者數(shù)量遠(yuǎn)多于端粒相關(guān)基因突變的患者數(shù)量，因而存在其他致病因素如免疫異常等，引起造血干細(xì)胞數(shù)量大量減少，造血干細(xì)胞增殖分裂加速導(dǎo)致端?？s短。重型AA患者CD8+T淋巴細(xì)胞端粒長度明顯縮短，且表達凋亡因子、TNF-α和γ干擾素等造血負(fù)調(diào)控因子明顯增高[9]，免疫異?？蓞f(xié)同端粒縮短共同導(dǎo)致AA的發(fā)生。

目前AA的主要治療方案是異基因造血干細(xì)胞移植和免疫抑制治療。端?？s短的AA患者在造血干細(xì)胞移植后，發(fā)生肺損傷和肝損傷等并發(fā)癥明顯增加，預(yù)后極差。在異基因造血干細(xì)胞移植前，減低短端?；颊叩念A(yù)處理劑量，或者選擇端粒較長的造血干細(xì)胞移植供者，可以提高重型AA患者移植后生存率[10-11]。端粒酶基因突變的AA患者免疫抑制治療反應(yīng)率低，治療后復(fù)發(fā)率高，但對雄激素治療反應(yīng)良好。在口服達那唑治療的前瞻性實驗中，AA患者的端粒長度增加，出現(xiàn)造血反應(yīng)[12]。這與雄激素在體內(nèi)芳香化轉(zhuǎn)化為雌激素，通過雌激素受體途徑激活造血細(xì)胞中的端粒酶，上調(diào)TERT的表達、增強端粒酶活性有關(guān)[13]。雄激素還可以直接增加促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin, EPO)的產(chǎn)生，或作用于EPO受體引起血液學(xué)反應(yīng)。在AA小鼠模型中，導(dǎo)入攜帶TERT基因的病毒載體，小鼠端粒酶活性明顯增加，小鼠存活率顯著提高，以端粒酶為靶點的基因治療有望成為AA治療的新目標(biāo)[14]。

3 端粒與骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome, MDS)

MDS是一種髓樣腫瘤，其發(fā)生發(fā)展亦與端粒密切相關(guān)。MDS患者端粒長度顯著縮短，常出現(xiàn)于血液學(xué)異常之前，是MDS最早的特征之一。MDS患者端?？s短與骨髓造血干細(xì)胞病態(tài)造血、細(xì)胞更新增加導(dǎo)致的端粒磨損存在一定關(guān)系。MDS患者端?？s短還與TERC、TERT、RTEL1和TINF2等端粒酶基因突變，以及shelterin基因表達異常有關(guān)。MDS患者端粒長度在不同研究組間呈現(xiàn)較大差異，與MDS異質(zhì)性有關(guān)。越晚期的亞型，端粒長度越短。當(dāng)端粒長度小于3.81 kb時患者存活率明顯降低，端粒長度對MDS的疾病預(yù)后具有高度預(yù)測作用[15]。端粒長度較短還與復(fù)雜核型、國際預(yù)后積分系統(tǒng)(international prognostic scoring system， IPSS)評分高、依賴輸血、骨髓原始細(xì)胞比例高以及罹患惡性血液病的風(fēng)險增加等有關(guān)。

端粒懸突是位于端粒末端并折回形成的環(huán)形(T-loop)結(jié)構(gòu)，對形成染色體末端帽狀結(jié)構(gòu)和維持染色體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，正常情況下不隨年齡增長而縮短。MDS患者端粒懸突明顯縮短，且與IPSS評分高顯著相關(guān)[16]。高危組端粒懸突較低危組明顯縮短，懸突較短的患者預(yù)后較差，端粒懸突長度是影響其預(yù)后的獨立因素。關(guān)于MDS患者端粒酶活性的研究結(jié)果差異較大，可能與不同的測量方法、骨髓和外周血細(xì)胞成分復(fù)雜以及MDS的異質(zhì)性有關(guān)。MDS的端粒酶活性總體保持在正?；蜉p中度升高水平，隨著病情進展端粒酶活性增強，是疾病進展期的標(biāo)志。

MDS似乎處于骨髓衰竭向白血病轉(zhuǎn)化的中間階段，端粒生物學(xué)的異?？赡艽龠M細(xì)胞異常復(fù)制和惡性腫瘤的發(fā)生。端粒功能失調(diào)是核重構(gòu)的早期事件，通過破壞高度有序的核秩序，促進可能導(dǎo)致癌癥的基因組不穩(wěn)定性事件的發(fā)生。小鼠模型的研究表明，端粒功能障礙引起的DNA損傷類型，如SF3B1和DNMT3A，與典型MDS的基因損害一致，可以導(dǎo)致髓樣前體細(xì)胞異常分化[17]。端粒功能障礙還可能導(dǎo)致一個細(xì)胞譜系增殖(基因組不穩(wěn)定的細(xì)胞獲得增殖優(yōu)勢)，并導(dǎo)致另一個細(xì)胞譜系凋亡(基因組不穩(wěn)定導(dǎo)致細(xì)胞死亡)[18]。端粒功能紊亂可以阻礙粒細(xì)胞譜系成熟，而粒細(xì)胞譜系對凋亡具有較強的抵抗能力，從而在原始細(xì)胞水平維持細(xì)胞譜系，這種選擇性凋亡最終導(dǎo)致原始細(xì)胞的增多和惡性克隆事件的發(fā)生。因此，端粒及其功能障礙是MDS向急性髓系白血病轉(zhuǎn)化的重要高危因素。

4 端粒與免疫相關(guān)性全血細(xì)胞減少癥(immuno-related pancytopenia, IRP)

IRP是近十余年從BMF中分離出的一類新的疾病體系，以外周血全血細(xì)胞減少、骨髓中存在造血細(xì)胞自身抗體、骨髓單個核細(xì)胞Coombs實驗陽性和對腎上腺皮質(zhì)激素治療反應(yīng)良好為特征[19]。IRP初治患者外周血總T淋巴細(xì)胞、CD4+T淋巴細(xì)胞、CD8+T淋巴細(xì)胞及B淋巴細(xì)胞端粒長度均明顯縮短，其中B淋巴細(xì)胞端?？s短最為顯著。IRP患者端?？s短與疾病嚴(yán)重程度明顯相關(guān)，端粒越短的患者其外周血白細(xì)胞計數(shù)越低、對腎上腺皮質(zhì)激素等治療反應(yīng)越差，臨床表現(xiàn)積分越高。外周血淋巴細(xì)胞各亞群端粒長度縮短可能與IRP患者以體液免疫功能紊亂為主的免疫機制調(diào)節(jié)異常有關(guān)，端粒長度檢測可能成為IRP診斷、治療及預(yù)后評估的新指標(biāo)。

5 端粒與先天性角化不良

先天性角化不良(dyskeratosis congenita, DC)是人類首個發(fā)現(xiàn)的由端粒異常所致的疾病。它是由編碼端粒酶或shelterin相關(guān)基因突變所致，以端粒早期大量縮短、骨髓衰竭為特征，以兒童時期的黏膜異常(趾指甲角化不良，口腔黏膜白斑，前胸及頸部廣泛網(wǎng)狀色素沉著)和AA為典型臨床表現(xiàn)[20]。性聯(lián)遺傳的DC是由DKC1基因突變引起，約占典型DC病例的25%。其他導(dǎo)致DC的基因異常包括：TERC、TERT、TINF2、NOP10、NHP2、TCAB和C16ORF57等。這些端粒酶及相關(guān)基因突變，加速造血干細(xì)胞端粒的磨損，致使造血干細(xì)胞生命周期縮短、凋亡增加，從而儲備減少并逐漸耗竭[21]。

范科尼貧血(fanconi anemia, FA)是以骨髓衰竭、先天畸形、易患腫瘤以及對DNA鏈間交聯(lián)劑敏感為特征的DNA修復(fù)障礙性疾病。FA患者外周血白細(xì)胞端粒丟失、斷裂，染色體端到端融合增多，端粒DNA修復(fù)缺陷和氧化應(yīng)激反應(yīng)受損。FA端粒縮短與器官畸形的發(fā)生、疾病進展為AA的可能性以及骨髓衰竭的程度直接相關(guān)，與MDS和惡性腫瘤發(fā)病的年齡呈負(fù)相關(guān)。但在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的19個與FA相關(guān)的基因突變中，尚無端粒酶TERT和TERC有關(guān)的基因突變，F(xiàn)A端粒縮短可能是造血壓力倍增、染色體斷裂增加、自由基過度形成、細(xì)胞增殖調(diào)節(jié)異常、凋亡受阻以及疾病治療的結(jié)果。

6 問題與展望

隨著端粒領(lǐng)域研究的不斷深入，端?？s短成為BMF重要的發(fā)病機制。臨床上對BMF患者進行端粒長度、端粒酶活性及相關(guān)基因檢測，有助于了解患者的病情進展、選擇合適的治療方式，以及對疾病預(yù)后做出更加準(zhǔn)確的判斷。顯著縮短的端粒常預(yù)示疾病進展，預(yù)后不良。進一步探索端粒及其相關(guān)蛋白作用機制和端粒酶的未知調(diào)控途徑，研制以端粒為靶點的臨床新藥具有重要的臨床意義，不僅可以幫助延長BMF患者端粒長度、改善病情和預(yù)后，還有助于改善早衰綜合征、肺纖維化、肝硬化等端粒相關(guān)疾病患者的治療效果。