端粒_端粒酶与衰老及年龄的关系

解剖科学进展　Pr ogress of Anat om ical Sciences 2005,11(3):261～264
端粒、端粒酶与衰老及年龄的关系
李长勇,任　甫
(锦州医学院人类学研究所,辽宁锦州121001)
【摘要】　衰老是一种多因素的复合调控过程,表现为染色体端粒长度的改变、DNA 损伤、DNA 的甲基化和细胞的氧化损害等,并已形成了许多学说,而端粒学说成为衰老研究的热点。

本文综述了与衰老紧密相关的因素———端粒、端粒酶的结构及其与衰老和年龄关系的研究进展,阐明对端粒—端粒酶的作用将会在抗衰老方面有着十分重要的理论价值及实际意义。

此外,利用端粒长度变化与年龄的相关性评估人的年龄将在法医学界显示其巨大的应用前景。

【中图分类号】R33913+
8　【文献标识码】A 【文章编号】1006-2947(2005)03-0261-04
Telo m eres and Telo m era se:I m pli ca ti on s for Ag i n g and Age
L I Chang 2y ong,REN Fu
(I nstitute of Anthr opol ogy,J inzhou Medical College,L iaoning J inzhou 121001China )
【Abstract 】　Aging is a comp lex regulat ory p r ocess,involving tel omere alterati ons,DNA da mage,DNA methy 2
lati on and cellular oxidati on .Many theories have been p r oposed t o exp lain the aging p r ocess .However,tel omeres are supposed t o p lay a i m portant r ole in cellular aging,and the tel omere hypothesis of cell aging is becom ing hot s pot .Here we have revie wed the structures and functi ons of tel omere 2tel omerase and the ass ociati on bet w een tel omere 2te 2l omerase and aging/age,which will manifest i m potant theorical and p ractical significance in antiaging .I n additi on,
esti m ating age of hu mans based on tel omere shortening will dis p lay enor mous app licati onal p r os pect in forensic medi 2
cine .
细胞衰老的机制是细胞生物学研究中的重要课题之一,随着分子生物学技术的不断发展,端粒、端粒酶与细胞衰老的关系越来越受到重视,成为细胞衰老研究中的热点。

大量实验证实,随着年龄的增长,体细胞有丝分裂次数增加,但由于末端复制问题的存在,端粒重复序列将逐渐丢失,从而导致染色体端粒长度逐渐缩短,当缩短至临界长度时,细胞便停止分裂而进入衰老期,由此Harley 等人提出了细胞衰老的端粒假说,认为端粒长度的变化可以作为细胞有丝分裂能力的生物钟
[1]。

随着研究的深入,人
们发现端粒长度与个体年龄有着密切的联系,据此,利用端粒长度与年龄的相关性,为人们通过微量组织评估生物年龄提供了一种可能,这无疑将在法医学界显示其巨大的应用价值,笔者拟就该方面的研
【收稿日期】2005-03-31
【基金项目】国家自然科学基金资助项目(30270696)
究进展综述如下。

1　端粒的结构与功能
端粒的概念源于Muller 和McClint ock 在20世
纪30年代的早期研究,人们现已明确端粒是位于真核细胞线性染色体末端具有高度保守的重复核苷酸
序列与特异结合蛋白的复合体[2,3]。

人类细胞端粒DNA 由[5’-TT AGGG -3’]反复串联而成,总长度约
为5～15Kb,其长度主要受端粒酶、端粒结合蛋白和
核糖基转移酶-核糖多聚酶等共同调控[4]。

端粒DNA 不具有编码蛋白质的功能,重复序列的数目也不确定,遗传上高度保守。

与端粒DNA 上的特异序列相结合的蛋白质称为端粒结合蛋白(T BPs ),主要包括T RBP1、Rap1、Rad 、TI N 2、T RF1、T RF2和Pot 等,它们可以为染色体末端加帽,防止核酸降解及末
端与末端的结合,从而保证染色体的稳定性[5,6]。

因此,端粒的功能至少包括:①保护染色体末端不被
降解,防止其粘着、融合及重组,维持其完整性;②参与染色体的定位和复制,保证细胞的正常分化与繁殖;③反映细胞分裂的能力。

随着体细胞的不断分裂,端粒重复序列逐渐缩短的特点决定了细胞分裂次数是有限的,因而端粒可以作为细胞的"分裂钟"预测细胞的复制能力。

2　端粒酶的结构与功能
Greider和B lackurn(1985)首先在四膜虫中发现了端粒酶,它是一种能延长端粒末端、由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白酶。

目前认为端粒酶主要由三个亚单位构成:①端粒酶RNA(hu man tel omer2 ase RNA,hT R);②端粒酶相关蛋白质(tel omerase as2 s ociated p r otein1,TP1/T LP1);③端粒酶催化亚基(hu man tel omerase catalytic subunit,hTERT/ T LP1)[7]。

端粒酶的主要功能是:①通过自身的RNA模板、催化亚单位和辅助蛋白将端粒DNA添加到染色体的末端。

②维持和平衡端粒序列长度。

③修复断裂的染色体末端。

在正常胚胎发育期的体细胞中能检测到端粒酶的活性,而在人体干细胞及造血细胞中虽然也能检测到低水平的端粒酶活性,但难以维持端粒的修复延伸,端粒仍将进行性缩短,最终导致细胞凋亡。

此外,在大多数恶性肿瘤细胞中也可以检测到端粒酶的活性,这表明端粒酶可能成为肿瘤治疗的新靶点[8,9]。

3　端粒、端粒酶与衰老
早在70年代,O l ovnikov就将"末端复制问题"与细胞分裂的终止联系到一起,并首先提出了细胞衰老的端粒假说,1990年美国抗衰老学家Harley在他的研究中也提出了细胞衰老的端粒假说,并引起了科学界的极大重视。

他认为,人正常体细胞在经过有限次的有丝分裂,分裂次数达到“Hayflick极限”,染色体端粒长度缩短到一定程度后,细胞进行的有丝分裂便不可逆地被阻断在细胞周期G
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期和G2/M期之间的某个时期,这时细胞进入了老化期并随后死亡[10,11]。

因端粒长度的缩短而导致细胞分裂停止的机制尚不清楚,目前有三种解释:①端粒具有异染色质的特性,其长度缩短后,端粒体染色质将会侵袭邻近的DNA,影响与生长调控有关的基因表达;②端粒DNA的完全丢失会产生损伤的信号,此信号会激活p53,导致生长的抑制。

如果端粒没有被端粒酶修复,这一抑制将会持续存在;③认为不是损伤的信号,而是缩短了的端粒本身激活了p53,导致永久性生长抑制。

现在更倾向于第三种理论,认为端粒长度缩短到极限时,亦即在端粒长度缩短到可能造成基因损伤前,能够激发细胞周期p53或Rb关卡,p53把缩短的端粒看作为一种DNA损伤的形式,从而使细胞周期停止,进入M1期(死亡阶段1)。

通过使p53/Rb失活以阻断M1期后,细胞继续倍增20～40次,同时端粒进一步丢失,直到DNA损伤反应机制激活,将会发生染色体融合、细胞危机,即M2期(死亡阶段2)[12]。

端粒涉及衰老的有力证据是由A lls opp等[13]人在体外培养不同年龄的人纤维细胞时发现的。

他们发现细胞在培养液中分裂的次数与开始培养分裂的端粒长度成正比,即端粒限制了细胞进行分裂的次数。

在hTERT的基因被克隆成功后,下列实验又为细胞衰老的端粒假说提供了有力的证据。

Bodnar 等[14]在两种端粒酶活性为阴性的正常人细胞(视网膜色素上皮细胞和包皮成纤维细胞)导入能编码人端粒酶催化亚基的载体后,发现其端粒酶活性呈阳性,同时有丝分裂次数亦增加,使其寿命延长了至少20代,且细胞衰老的生物学标记β-半乳糖苷酸的表达也显著减少,这表明端粒长度缩短和体外细胞老化之间具有因果关系。

Rufer等[15]通过逆转录病毒载体将人类TERT基因转入T淋巴细胞后发现转入后的细胞能表达较高水平的端粒酶活性并维持或延长了其端粒的长度,增强了细胞的复制能力。

然而,以端粒的长度作为决定细胞分裂能力的指标,似乎难以对某些试验结果作出合理解释,因此细胞衰老的端粒假说也遇到挑战。

例如,在体外培养的T淋巴细胞中表达端粒酶的活性虽然可使缩短的端粒恢复至原来长度,但仍会与对照组细胞同时停止分裂。

而且,在某些细胞中表达端粒酶的活性而促使细胞生长和存活未必要依赖端粒的延长[16]。

还有研究报道,不同年龄供体角膜内皮细胞TRF长度基本保持不变,而且长期维持在较高水平,但其端粒酶活性为阴性,这可能与人角膜内皮细胞有限的分裂能力有关而不是因为短的端粒片段引起[17]。

尽管在人体许多衰老的组织中可见端粒的缩短,但尚未有确切的证据证实是因为端粒缩短造成了细胞衰老,这就需要有更新的实验方法来证实[18]。

4　端粒DNA长度与年龄的相关性
4.1　同一组织细胞端粒长度随年龄增加逐渐缩短
大量实验证实,大多数组织细胞端粒长度随着
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年龄的增加而逐渐缩短。

Harley等[10]分析了0～91岁不同供体成纤维细胞端粒长度,发现供体年龄与端粒DNA长度及总量成明显负相关,细胞每分裂一次端粒就缩短约50bp。

杨仕明等[19]检测了26例76岁以下不同年龄供体正常胃粘膜端粒限制性片段长度(tel omeric restricti on frag ment,T RF),发现其TRF长度呈年龄递减趋势,端粒重复序列平均每年丢失约41±12bp,据此认为T RF长度可以作为衡量胃粘膜细胞衰老的一种生物学标志。

同样,在血细胞、结肠粘膜细胞和皮肤细胞等实验中也发现了类似的规律。

4.2　同一组织细胞端粒长度随年龄增加而缩短呈不均衡趋势
Frenck等[20]通过对12个家庭里75个健康成员和一组与这些家庭无关的5～48个月的健康小孩的外周血白细胞中端粒长度的检测发现:在不同的年龄段,端粒缩短的速率变化很大。

幼童外周血白细胞中端粒长度缩短得最快,在4岁和青壮年之间,外周血白细胞中端粒长度的缩短进入一个明显的停滞时期,随后外周血白细胞中端粒长度随着年龄的增大而逐渐缩短。

这些数据表明,造血细胞中端粒长度的丢失是一个动态过程,呈不均衡趋势。

4.3　同年龄不同组织细胞端粒的长度不同
无论在群体中,还是同一个体的不同组织中,同一年龄段各组织细胞的端粒长度检测值均存在差异。

如人类精子端粒长度约为15kb,而外周血细胞为12kb。

Friedrich[21]等对从9例老年人的3种组织来源(血液、皮肤和滑液)的不同类型细胞进行端粒长度的比较研究,显示不同类型的细胞之间的端粒长度有差异,而且不断增殖和分裂的组织细胞其端粒长度一般较短。

4.4　有些组织细胞端粒长度并未随年龄增加而缩短
胡晓文等[22]以不同年龄的正常腮腺组织及正常皮肤表皮组织做标本,利用Southern杂交方法测定每份标本的端粒限制性片段长度,然后比较同一组织不同年龄的端粒限制性片段长度,发现皮肤的端粒限制性片段平均长度随着年龄增长而变短,而腮腺组织的端粒限制片段平均长度并未随年龄增长而变短,这说明在不同的组织中由端粒缩短引起的细胞复制性衰老表现程度是不同的。

Egan等[17]选取从5周～84岁之间的13个供体的21份人类角膜上皮组织和角膜内皮组织为样本,检测发现角膜上皮组织细胞T RF长度总是短于相应的角膜内皮细胞,更重要的是角膜内皮细胞TRF长度未随年龄增长而缩短,而是长期保持在一较高水平,但其端粒酶活性为阴性,这说明它们有限的分裂增殖能力不是因为短的端粒片段引起的。

5　问题与展望
衰老是一种多因素的复合调控过程,表现为染色体端粒长度的改变、DNA损伤、DNA的甲基化和细胞的氧化损害等。

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分子修复能力下降学说、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,但作为近年兴起的端粒学还存在着许多难点,例如:人端粒末端的精细结构,端粒的非端粒酶延伸机制;人端粒酶的具体结构及其基因所在的位置;端粒酶的激活机制及其活性调节等还需要进一步的研究。

尽管如此,与衰老紧密相关的因素—端粒、端粒酶仍然给抗衰老带来了广阔的前景,而且人们在这方面的研究已经取得了丰硕的成果。

因此未来进一步探索端粒酶活性调节机制并开发新型延缓衰老的端粒酶抑制剂无疑在抗衰老方面有着十分重要的理论及实践意义。

此外,端粒缩短与年龄的相关性已在体内和体外的许多实验中得到证实。

目前,运用分子生物学技术推断个体年龄在法医学界尚是一个崭新的领域,长期以来这项工作主要停留在通过个体的特定器官如动物的牙齿和骨骼等一系列研究上,而对斑迹验材、软组织等来源的个体年龄尚无法推断,因此端粒DNA变化与年龄相关性的研究为法医学通过人体斑迹和软组织等验材推断个体年龄提供了可能,这无疑将在法医学界显示其巨大的应用前景。

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