关于端粒、端粒酶和细胞衰老的研究进

关于端粒、端粒酶和细胞衰老的研究进摘要：端粒是真核生物染色体末端的必需结构，具有保护染色体维持基因组稳定的作用。

端粒酶是一种有逆转录酶活性的核糖核蛋白酶复合体，可以自身RNA为模板合成端粒DNA。

端粒及端粒酶的组成结构和功能及其与细胞衰老、永生的关系一直是衰老相关疾病和肿瘤防治研究的热点。

本文就端粒、端粒酶及其与细胞衰老关系的研究进展进行综述。

关键词：端粒、端粒酶、细胞衰老、癌变自1978年发现染色体末端的DNA重复序列以来，人们对端粒的分子结构及功能的研究兴趣越来越浓。

很多领域的研究已经开始解决端粒生物学方面长期以来悬而未决的问题。

最近的众多研究表明,端粒、端粒酶与细胞寿命直接相关,端粒酶的激活和表达程度与肿瘤的发生和转移也有十分密切的关系。

因此,如何合理地控制端粒的长度,控制端粒酶的激活和抑制,以达到延缓衰老和防癌、治癌的目的,将会是一项意义深远的、富有挑战性的工作。

一、端粒“端粒”一词最早为果蝇遗传学家Hermann J·Muller所使用，他在一次精彩的演讲中队端粒做出了最完整的阐述。

以下是他的一段叙述：末端基因一定具有某种特殊的功能，即可以对染色体的末端起到封闭的作用。

从某种意义上讲，如果染色体的末端不被这样“封闭”，染色体就不会持续存在。

所以为了区别其他的基因，我们采用专用的一个词——“端粒”。

端粒具有单极性（unipolar），只与一个（而不是两个）基因连接——此基因在端粒的“近端”，这一点与其他所有基因不同，其他的基因都具有双极性（biopolar）,即和两个基因相连，每侧各有一个基因。

因此双极性基因不能使用简单的切割方法吧基因从它们连接的一侧去除，使之成为具有适当功能的单极基因。

（源自《端粒》伊丽莎白 H·布莱克本）显然，这不是一个细胞学家对染色体物理末端的描述。

Muller的端粒概念一开始就具有双重含义：作为染色体的物理末端，即末端染色体，还作为一个具有一定特性的基因，其中最主要的特性是不能与其他的端粒或染色粒融合。

端粒的1、结构端粒是存在于真核生物线性染色体末端,由串联重复的短的dsDNA 序列及其相关的蛋白所组成的DNA2蛋白复合体。

dsDNA 中的一条为富G 链,以5′→3′指向染色体末端,比另一条互补链长8 个～12 个碱基,这是端粒DNA 分子的结构特征,是端粒酶识别工作的基础。

端粒既有高度的保守性,如原生动物、真菌、植物、动物序列都很相似;又有种属特异性,如四膜虫重复序列为GGGGTT ,草履虫为TTGGGG,人和哺乳动物为TTAGGG,等等。

端粒DNA包括非特异性DNA和由高度重复序列组成的特异DNA序列.通常是由富含鸟嘌呤核苷酸(G)的短的串联重复序列组成，伸展到染色体的3'端.人工合成四膜虫端粒的重复DNA片段(TTGGGG)4端.人和小鼠的端粒DNA重序列为TTGGG.人类端粒的长度约为15Kb碱基。

由于dsDNA存在末端复制问题，故细胞每分裂一次约丢失一个岗崎片断长度的DNA，即25～100对碱基.端粒酶将自身RNA模板合成的DNA重复序列加在后随链亲链的3’端，然后再以延长了的亲链为模板，由DNA聚合酶合成子链,但是由于复制机制的不完整性(或者这不完整性是进化保留的?由此机制来保证细胞的定期衰老和死亡?).端粒还是以一定的速度丢失.端粒酶是一种核蛋白（RNP）主要由RNA和蛋白质组成。

2、功能端粒的功能除保证DNA 完整复制外,还在维持染色体结构稳定(保护染色体不分解和染色体重排及末端不相互融合等) 染色体在细胞中的定位(使之不随机分布) 和引起细胞衰老等方面起着重要作用。

众所周知, 真核DNA 是线性DNA , 复制时由于模板DNA 起始端为RNA 引物先占据,新生链随之延伸;引物RNA 脱落后,其空缺处的模板DNA 无法再度复制成双链。

因此,每复制一次,末端DNA 就缩短若干个端粒重复序列,即出现真核细胞分裂中的“末端复制问题”。

当端粒缩短到一定程度时即引起细胞衰老,故端粒又称“细胞分裂计时器”。

二、端粒酶端粒酶于1984年由shampay等发现，它是由端粒酶RNA链和蛋白质组成的核糖核蛋白酶，直接参与端粒的形成，是一种能将真核生物染色体末端DNA加以延长的核酸蛋白复合物。

1、结构成分及特点端粒酶包括3个组分：端粒酶RNA(Telomerase RNA,TR),端粒酶相关蛋白质1（Telomerase associated-protein1,TP1）,端粒酶催化亚单位（Telomerase Reverse Transcriptase,TERT）。

2、个组分的特点hTR即人类端粒酶RNA,是人类端粒酶合成端粒DNA的模板，它是端粒酶发挥作用所必须的。

由于正常正常体细胞中都会存在hTR，却几乎没有端粒酶活性，而且在多种肿瘤细胞中测得得hTR与端粒酶活性也不平行，因而它不能反映端粒酶活性高低。

TP1在端粒酶的活性调节中有重要作用，但有证据表明它不是端粒酶发挥活性所必须的。

hTERT是还有7个基元的转录酶，在端粒酶的激活中起关键作用，在无细胞的情况下将hTR和hTERT混合在一起即可表现端粒酶活性是端粒酶的活性的限速亚单位。

hTERT mRNA水平与端粒酶活性成正相关：将载有hTERT的质粒转染端粒酶隐性的成纤维细胞，可重建端粒酶活性；是hTERT基因突变，细胞则不表现端粒酶活性。

同一组织的不同部分，细胞分裂能力与端粒酶活性成正比，如在毛发生长初期的毛囊中，含有分裂活性细胞的部位表达端粒酶活性，而低度分裂活性细胞的部位则表达较低水平的酶活性。

3、功能端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，而端粒酶能延长缩短的端粒（缩短的端粒其细胞复制能力受限），从而增强体外细胞的增殖能力。

端粒酶在正常人体组织中的活性被抑制，在肿瘤中被重新激活，端粒酶可能参与恶性转化。

端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。

端粒酶的存在，算是把DNA 克隆机制的缺陷填补起来，藉由把端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂克隆的次数增加。

但是，在正常人体细胞中，端粒酶的活性受到相当严密的调控，只有在造血细胞、干细胞和生殖细胞，这些必须不断分裂克隆的细胞之中，才可以侦测到具有活性的端粒酶。

当细胞分化成熟后，必须负责身体中各种不同组织的需求，各司其职，于是，端粒酶的活性就会渐渐的消失。

对细胞来说，本身是否能持续分裂克隆下去并不重要，而是分化成熟的细胞将背负更重大的使命，就是让组织器官运作，使生命延续，但不是永续，这种世代交替的轮回即是造物者对于生命设计的巧思。

三、端粒、端粒酶与细胞衰老1、衰老假说衰老是一种多基因的复合调控过程，表现为染色体端粒长度的改变、DNA 损伤（包括单链和双链的断裂）、DNA的甲基化和细胞的氧化损害等。

这些因素的综合作用，才造成了寿命的长短。

近几十年来，随着现代遗传学、分子生物学、细胞生物学和分子免疫学等边缘学科的飞速发展，人们对衰老的机理有了深层次的认识，有许多学说如遗传程序学说、DNA分子修复能力下降假说、体细胞突变学说、差错灾难学说和交联学说等已经被人们广泛接受，但端粒学说刚进入人们的研究范围。

端粒缩短可引起衰老，而维持端粒长短的重要活性物质便是端粒酶。

生物学家早就发现一件有趣的事实：就是每一种细胞的寿命都有一定限度，在人工培养条件下，接近这个限度时，哪怕用最好的培养方法都拯救不了既定的命运。

像人体的成纤维细胞，据试验，最多只能繁殖50代，到那时必然趋于死亡。

其他像老鼠的成纤维细胞只能分裂18代，龟的成纤维细胞分裂110代，如此等等。

那么人为什么会衰老，以至走向死亡呢？有研究者对导致人体细胞衰老的原因提出了“程序假说”和“错误积累假说”。

人类的细胞并不能无限制地重复分裂，在分裂50～60次后便会停止。

细胞不再继续分裂的机体组织，便呈现出衰老和机能低下的状态。

随着细胞重复分裂使端粒缩短到一定的长度，从而使细胞停止了分裂。

这就是“程序假说”。

细胞分裂的时候，DNA被复制，但是由于X射线、紫外线、活性氧、有害物质的损害，DNA会发生异常变化，于是DNA在复制过程中就会产生错误。

随着错误的积累，生成了异常蛋白质，细胞机能变得低下，于是细胞便不能继续分裂，呈现出了衰老迹象。

这就是所谓“错误积累假说”。

因此，人不像机器那样容易磨损和坏掉，而是能自我成长和修复，但这只能算是衰老的伴生现象。

对衰老机理的研究就是为了有效地指导抗衰老的研究和实践工作。

但是，人类衰老的原因是多方面的，衰老的机理也是极为复杂的2、端粒、端粒酶与细胞衰老的关系关于端粒丢失同衰老的关系理论是由Olovnikov博士于1973年首次提出的。

他认为，端粒的丢失很可能是因为某种与端粒相关的基因发生了致死性的缺失。

目前认为，端粒缩短是在端粒酶活性的缺失的情况下，由于DNA聚合酶无法完成复制线型DNA双链体的两端而发生。

细胞每分裂一次端粒就缩短一定长度，当TRF的长度为5～7Kb，亦即在端粒的长度缩短到可能造成基因损伤前，能够激发细胞周期P53 和/或Rb关卡(checkpoint ) ，P53 把缩短的端粒识别为DNA双链断裂（DSB），从而使细胞周期停止，于是细胞便进入了M1 期（mortality stage 1），端粒长度继续缩短，最终当细胞端粒的长度缩短到极限，即TRF的长度为2～4Kb时，细胞进入M2 期（mortality stage 2），染色体变得不稳定并发生染色体重排，双着丝粒染色体的形成和非整倍性变化等畸变，导致复制性衰老（replicative senescence）而死亡。

因此，端粒的缩短被称作是能触发衰老的分子钟。

端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar等证实的。

如果细胞试图要维持其正常分裂，那么就必须阻止端粒的进一步丢失，并且激活端粒酶。

Cooke等认为，由于人体细胞中的端粒酶未被活化，从而导致了端粒DNA缩短。

因此，只有那些重新获得端粒酶活性的细胞才能继续生存下去，对于那些无法激活端粒酶的细胞将只能面临趋向衰老的结果。

研究人员最近还发现，患有一种可加速衰老的遗传病人具有异常短的端粒，这进一步表明端粒在衰老过程中所起的重要作用。

在人类细胞中，研究者还发现，端粒缩短的速率与细胞抗氧化损伤的能力相关。

更容易遭受氧化损害的细胞，其端粒缩短更快，然而那些更能抵抗这种损伤的细胞，端粒缩短得较慢。

如果能减免细胞损伤或激活端粒酶，即可控制人类的衰老进程。

四、端粒、端粒酶与肿瘤的防治细胞的生长是需要对自身作精细的调控的。

若这种调节失控，细胞有可能获得无限的增殖能力，当这样的细胞逐渐扩增，最后就会形成肿瘤。

事实证明，肿瘤的无限分裂能力与端粒酶活性有关。