端粒、端粒酶与肿瘤

十章 端粒、端粒酶与肿瘤 端粒(telomere) 端粒是真核细胞内染色体末端的蛋 白质-DNA结构，其功能是完成染色体 末端的复制，防止染色体免遭融合、 重组和降解.从单细胞的有机体到高等 的动植物，端粒的结构和功能都很保 守.
端粒DNA
大多数有机体的端粒DNA由非常短而且 数目精确的串联重复DNA排列而成，富含 鸟嘌呤.个别种类的端粒DNA重复单元很长. 端粒的DNA序列多种多样，其功能不需要 独特的序列来维持.尽管在许多物种中端粒 DNA有相当大的变化，但仍可在进化关系 非常远的生物中发现相同的端粒序列， 端粒DNA的平均长度因物种而异.在人大 约15 kb，在人体中，随着细胞的持续分裂， 端粒会缓慢缩短.

分析对正常组织、良性病变及恶性肿 瘤组织端粒酶活性结果： 1.正常组织中，除生殖细胞和部分造血干细 胞显示微弱的端粒酶活性外，均无端粒酶 活性。 2.良性病变组织中除个别病例有很微弱的端 粒酶活性外，如肝炎、肝硬化、良性脑膜 瘤，绝大多数病例均显示端粒酶活性阴性。 3.恶性肿瘤组织恰恰相反，绝大多数恶性肿 瘤组织均显示明显的端粒酶活性。神经细 胞瘤和胃癌组织中端粒酶高表达病例生存 期明显低于端粒酶的低表达病例。
端粒确实随着每次细胞分裂而缩短， 但能被新合成的端粒片段再延长， 1984年首先在四膜虫中证实了有这种 能使端粒延长的酶的存在―端粒酶。 端粒酶为一种核糖核蛋白酶，端粒 的合成是以一段RNA为模板，端粒酶 通过反转录过程合成端粒片段并使其 连接于染色体的端粒末端。端粒酶的 发现解释了自然界如单细胞生物是如 何处理“复制末端问题”

端粒的数量控制着细胞的增殖能力，是 细胞内的分裂钟. 当正常人体细胞的端粒缩 短至一定程度时，启动阻止细胞分裂的信 号，细胞开始衰老死亡，此即所谓的 Hayflick界限(M1期). 一些细胞由于癌基因、抑癌基因等的 突变逃逸M1期，获得一定的额外增殖能力， 进入第二死亡期(M2).此时端粒酶仍为阴性， 端粒进一步缩短.大部分细胞达到极限而死 亡，生存下来的细胞具有无限增殖的能力， 端粒酶重新活化，成为永生细胞.在肿瘤形 成过程中，端粒的延长是一个重要的一个 必要的步骤！
端粒为真核细胞染色体末端的特殊结构 -DNA 多个重复序列。生物体内染色体末端的端粒处于 不断地缩短或缩短和延长的变化之中。端粒酶能 不断地延长染色体末端已缩短的端粒，是恶性肿 瘤生长必需酶。 在不表达端粒酶的正常细胞中，位于染色体末 端的端粒DNA在连续的细胞分裂中逐渐丧失，当 端粒缩短到临界长度时，细胞增殖停止。在癌细 胞中，端粒酶刺激端粒DNA的重新合成。因此， 端粒不会缩短，细胞增殖以不受抑制的状态继续 进行。
端粒结合蛋白
目前对端粒结合蛋白还了解甚少 . 在酵 母中，端粒的主要结合蛋白是Rap1p，在体 外以很高的亲和性与端粒上的许多识别位 点相结合，Rap1p与端粒长度的调节有关， Rap1p能够阻止端粒酶接近端粒从而负调节 端粒的长度 . 相反，有人说， Rap1p 可以在 端粒周围通过聚集端粒酶或提高端粒酶活 性而延长端粒. 因此末端限制性结合蛋白可 能是端粒染色质的一个普通特性.
4.人组织胚胎和发育过程中端粒酶活性： 在胚胎、新生儿和成人的睾丸和卵巢 组织中始终具有端粒酶活性，但成熟的精 子和卵子无酶活性。除脑组织外，胚胎发 育的第16-20周，所有母细胞组织中均有明 显的端粒酶活性。端粒酶在新生儿外周血 细胞和未满月婴儿包皮组织中显示活性。 除生殖细胞外，出生后２个月的婴儿任何 体细胞未见端粒酶活性。
端粒酶能不断地延长染色体末端已缩短 的端粒，是恶性肿瘤生长必需酶。 在不表达端粒酶的正常细胞中，位于染 色体末端的端粒DNA在连续的细胞分裂中 逐渐丧失，当端粒缩短到临界长度时，细 胞增殖停止。在癌细胞中，端粒酶刺激端 粒DNA的重新合成。因此，端粒不会缩短， 细胞增殖以不受抑制的状态继续进行。
一、端粒的发现
检测方法： 1.引物延伸分析法：（primer-extention assay） 检测细胞或组织的端粒酶活性需大量的细胞及 长时间放射自显影，所得的信号弱。1994年有人 在恶性肿瘤组织中检测到端粒酶活性。 2.端粒重复扩增分析法（telomerie repeat amplification protocol assay,TRAP）技术：PCR技 术以检测端粒酶活性，检测组织的端粒酶活性 3.在引物方面作了改进,相继建立了荧光法、原位端 粒重复片段扩增法及TRAP与闪烁技术联用的 SPA法等敏感的检测手段，在医疗检测中得到了 迅速的应用.
二、人各种组织端粒酶活性分析 端粒的长度可以作为反映细胞分裂能 力的“分子钟”。恶性肿瘤主要表现为细 胞失去控制的无限增殖，造成对机体的损 害。如果恶性肿瘤细胞缺乏端粒酶，随着 细胞分裂染色体末端的端粒逐渐缩短，当 端粒长度缩短到一定程度时，细胞进入衰 老阶段，停止分裂将不造成机体损害；但 恶性肿瘤内端粒酶的存在，将不断地延长 已缩短的端粒，使恶性肿瘤显示无限制的 增殖能力。
端粒酶(telomerase)
端粒酶是一种核糖核蛋白,自身携带 模板的反转录酶，催化端粒 DNA 的合 成，能够在缺少 DNA 模板的情况下 , 能 够以自身携带的 RNA 为模板，逆转录 合成端粒 DNA 并添加于染色体末端， 从而维持了端粒长度的稳定。
端粒酶活性取决于它的 RNA 和蛋白质亚 基.端粒酶至少包含两个活性位点 .端粒酶除 了具有反转录活性外，还具有核酸内切酶 的活性。另外一个重要的功能就是合成串 联重复的 TTAGGG 序列，为 TRF2 提供结合 位点，防止染色体的末端融合. 端粒酶的RNA亚基是合成端粒DNA的 模板，对于端粒酶的结构和催化活性都十 分重要 . 人端粒酶 RNA 有 455 个核苷酸 . 端粒 酶 RNA 重要序列缺乏保守性，但都有保守 的二级结构 . ，端粒酶的 RNA 决定了端粒 DNA的序列.
1972年James Watson提出复制末端问题， 复制DNA的DNA多聚酶不能将线性染色体 的DNA完全复制。也就是说在线性染色体 的DNA复制时，DNA多聚酶留下染色体末 端一段DNA（一段端粒）不被复制。这样 真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞 分裂而缩短，这个缩短的端粒再传给子细 胞后，随着细胞的再一次分裂进一步缩短。 细胞每次分裂，染色体末端端粒逐渐缩短， 直至细胞衰老。人类体细胞遵循这个规律 从细胞出生到细胞衰老。
Muller和Mcdintock发现染色体末端结构对保 持染色体的稳定是十分重要的。Muller将这一结 构命名为端粒（telomere）, 如果末端没有这个结 构，染色体将相互粘着而发生结构和功能异常， 直到70年代人们才在四膜虫（一种单核细胞生物） 中证实了这种端粒结构，为极简单的６个核苷酸 TTGGGG序列多次重复。以后，人们在多种生物 体包括动物、植物和微生物中均证实有端粒的存 在。所有的端粒包括人、鼠和其他脊椎动物均表 现为富含T和G核苷酸的DNA重复序列。人类端 粒的结构为染色体末端TTGGGG序列上千次的重 复。
在正常的人体细胞中，端粒程序性地缩短限 制了转化细胞的生长能力，这可能是肿瘤形成的 一个抑制机制. 端粒酶的重新表达在细胞永生化及癌变过程 中起着重要的作用.有人认为表达端粒酶的正常 细胞更易癌变.在不同肿瘤大约1 000多个活检样 品中发现大约85％的样品呈端粒酶阳性反应.相 反，90％以上的邻近正常组织却是端粒酶阴性. 这个酶与永生化和肿瘤的形成联系密切. 端粒酶活性与肿瘤的这种特殊关系使之在诊 断与治疗方面具有重要的应用价值.对端粒酶活 性的抑制可能对某些类型的肿瘤来说是一个很有 意义的治疗方法
染色体异常引起的基因重排能使被 抑制的端粒酶重新激活，激活的端粒 酶将重新填补已缩短的端粒是细胞获 得或保持无限的分裂能力变成恶性肿 瘤细胞。
三、端粒酶与肿瘤诊断和治疗 由于端粒酶活性见于绝大多数恶 性肿瘤，而人正常细胞中未见该酶活 性，端粒酶活性为恶性肿瘤的诊断和 治疗带来了希望。首先，端粒酶活性 的检测有希望成为早期恶性肿瘤的标 志物，若能将转移癌细胞与外周血细 胞分开亦可作为载体转移癌的标志物。

四、端粒酶基因研究初步概况 1.突变的端粒酶可抑制癌细胞生长 2. 研究发现，端粒酶催化亚单位（人端 粒酶逆转录酶， hTERT）的抑制在抗 肿瘤疗法的研究中起着重要作用。 3. 仍未认识编码端粒酶全酶的整个基因。
正常体细胞、肿瘤细胞和人组织胚胎 及发育过程中，端粒酶活性不同。机体发 育成熟后，体细胞端粒酶均被抑制，其端 粒随着每次的细胞分裂逐渐缩短，当端粒 完全或几乎完全丢失后，细胞将灭亡或死 亡。当端粒短至一定阈值时会发出某种信 号使细胞不再分裂。某种促癌基因突变阻 止信号发出或使细胞不理会信号时，细胞 将绕过正常的衰老过程继续分裂，染色体 末端的端粒将继续缩短并使染色体异常， 最后可能引起癌基因突变。