端粒与端粒酶——衰老与疾病的预测因子

端粒与端粒酶——衰老与疾病的预测因子生工食品学院食品科学与营养系章宇0010141摘要：端粒和端粒酶是现代生命科学领域研究的热点，端粒封闭了染色体的末端并维持了染色体的稳定性，端粒缺失会引起染色体融合并导致细胞的衰老及死亡。

端粒酶的活化可延长染色体末端DNA，维持基因组的稳定，并且端粒酶活性的异常表达又会引起细胞永生化或转化成癌细胞。

由于端粒和端粒酶在细胞分裂中有其独特的作用，因此对端粒及端粒酶结构和功能研究，有助于阐明细胞衰老和恶变的机制，对抗衰老及肿瘤的诊断、治疗都具有重要的理论和实际价值。

关键词：端粒；端粒酶；衰老；预测因子1 诺贝尔奖获奖成果——端粒和端粒酶是如何保护染色体的人的生老病死，这或许是生命最为简洁的概括，但其中却蕴藏了无穷无尽的奥秘。

2009年10月5日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth H. Blackburn）、卡罗尔·格雷德（Carol W. Greider）和杰克·绍斯塔克（Jack W. Szostak），以表彰他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”。

这3位科学家的发现“解决了一个生物学重要课题, 即染色体在细胞分裂过程中是怎样实现完全复制, 同时还能受到保护且不发生降解”，由此可能揭开了人类衰老和罹患肿瘤等严重疾病的奥秘。

2 端粒、端粒酶的结构与功能70年代末，Blackburn和Gall首次阐明四膜虫rDNA分子的末端结构，现在人们已经明确端粒是真核细胞线形染色体末端的具有高度保守的重复核苷酸序列和蛋白质的复合体[1]。

人类端粒DNA 由基本序列单元TTAGGG反复串联而成，不具有编码任何蛋白质功能，进化上高度保守[2]。

端粒像帽子一样扣在染色体的两端，维护着染色体的完整性和稳定性，作用是防止染色体被降解、融合和重组，从而保证了遗传信息的完整性，使遗传信息在细胞分裂时能够完全复制，使后代细胞准确获得完整的遗传信息。

端粒酶是目前发现的唯一由RNA和蛋白质构成的核糖核蛋白酶，能够以自身的RNA为模板合成端粒DNA，以补偿因“末端复制问题”而致的端粒片段丢失，是一种逆转录酶。

结构上主要包括3部分：端粒RNA成分（hTR）、端粒酶相关蛋白（TP1/TP2）和端粒酶催化亚单位（hTERT）。

HTR是端粒酶延长端粒的模板，TP1可介导端粒酶与端粒之间相互作用；hTERT是端粒酶不可缺少的催化亚单位，对端粒酶活性的表达调节具有重要意义。

一般认为端粒酶由胚胎发育细胞产生，使胚胎细胞保持旺盛的增殖能力，一旦个体发育完成，大多数细胞就不再表达。

生殖系统、皮肤生发层、小肠黏膜、骨髓、胎儿等增生活跃组织可表达不同程度的端粒酶活性。

3 端粒、端粒酶与细胞老化及衰老的关系衰老是生物在生命过程中整个机体形态、结构和功能逐渐衰退的综合现象。

生物的机体由细胞构成，生命存在于活细胞中，故生命的衰老起始于细胞的老化。

目前认为细胞内端粒酶活性的丧失将导致端粒的缩短，这种缩短使得端粒最终成为不能被细胞识别的末端，这时端粒并不是不存在了，而是端粒缩短到了一个临界长度，端粒一旦缩短到此长度，就可能导致染色体双链的断裂，并激活细胞自身的检验系统，从而使细胞进入M1期（死亡阶段1，mortality stage1），随着端粒的进一步丢失，将会发生染色体重排。

双着丝粒染色体和非整倍体染色体形成，这将导致进一步的危机产生，进入M2期（死亡阶段2，mortality stage2）。

如果细胞要维持正常分裂，就必须阻止端粒的进一步丢失，激活端粒酶，细胞才能进行正常染色体复制，对于那些无法激活端粒酶的细胞只能进入细胞老化。

大量的实验数据证明，端粒、端粒酶与衰老之间存在相关性。

①在多数体细胞中，老年个体的端粒长度较年轻个体短的多，某些细胞如T、B淋巴细胞中的端粒酶活性随年龄的增加而下降[3]。

②年轻个体细胞中的端粒酶活性随年龄的增长而下降[4]。

③需要无限分裂能力的谱系细胞、干细胞的端粒长度较长，且具有较高的端粒酶活性；而大多数具有有限增生能力的体细胞的端粒较短，不表达活性仅低度表达端粒酶活性[5]。

④增生能力强的细胞及永生细胞表达端粒酶活性，即使同一组织的不同部分，其分裂能力也与端粒酶的活性呈正比，如毛发生长初期的毛囊中，含有分裂活性细胞的部分表达端粒酶活性，而低度分裂活性细胞则表达较低水平的酶活性[6]。

⑤端粒酶阴性的细胞在引入端粒酶后，可维持端粒的长度，细胞增生能力加强，甚至细胞永生化[7,8]。

4 端粒、端粒酶与相关疾病端粒随年龄及环境因素影响不断磨损，引起基因不稳，使某些疾病相关基因激活或抑制，可合理解释端粒与年龄相关疾病的关系。

端粒过短，使细胞及组织过早进入老化阶段而易于发生某些老化有关的疾病。

4.1 高血压高血压有明显的家族背景和遗传倾向，具有遗传迟滞性，易感基因外显不全性，以及基因型和表型不相对应性。

高血压的病理生理学改变主要是动脉血管高反应性和血管结构改变。

后者主要是指管壁增厚、管腔狭窄、外周阻力增加。

其细胞学实质是血管平滑肌细胞和成纤维细胞增生并向内膜下迁移。

Hamet等证明，遗传高血压大鼠新生鼠中有心脏、肾脏重量过度增大，增生肾脏细胞更新率增加，DNA半寿期缩短，自发高血压大鼠（SHR）肾脏细胞端粒缩短[9]。

随后的研究发现，在高血压病理过程中有端粒酶活性的增高，国内杨善民等在SHR大鼠动脉组织端粒酶活性研究中发现，出生后被迅速抑制的端粒酶活性在高血压状态下重新被激活。

在成年高血压状态的SHR大鼠胸、腹主动脉及肠系膜动脉组织端粒酶有较高的活性而同龄同源正常血压的大鼠没有端粒酶参与调节细胞的增殖与凋亡的动态平衡，参与细胞老化，在高血压发展中有重要的作用，甚至提示高血压可能就是加速衰老的心血管细胞的表现，但这一推测还需要进一步的实验证明[10,11]。

4.2 动脉粥样硬化动脉粥样硬化是与年龄相关的疾病，其发病机制一般认为是反复的机械、血液动力学或免疫学的损伤，引起炎症纤维增殖反应，VSMC 向内膜迁移，形成斑块。

Samani等研究端粒限制性片段（telomeric restriction fragment，TRF）长度，发现在调整了年龄和性别因素以后，冠状动脉疾病（CAD）患者组白细胞平均TRF长度较无CAD对照组短了303对碱基，相当于大8.6岁后的无CAD个体的TRF平均长度，提示CAD患者加速的细胞衰老可能是由端粒缩短表现出来[12]。

Minamino等将端粒反转录酶（TERT）催化亚单位导入人类血管平滑肌细胞，延长了细胞寿命，表现出年轻的表型[13]。

但动脉粥样硬化病理过程中端粒酶活性的变化国内外均未见报道。

4.3 肿瘤端粒维持染色体的稳定，而恶性肿瘤细胞则常显示出染色体的不稳定，如有环形染色体、端粒联合、双着丝粒染色体等。

正常人体细胞中检测不到端粒酶，一些良性病变细胞、体外培养的成纤维细胞中也检测不到端粒酶活性，但在睾丸、卵巢中的生殖细胞，胎盘及胎儿细胞中此酶均为阳性。

令人注目的发现是恶性肿瘤细胞中具有高活性的端粒酶，端粒酶阳性的肿瘤有卵巢癌、淋巴癌、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌等。

总之，人类肿瘤中广泛存在着较高的端粒酶活性。

杨仕明等对正常胃黏膜、慢性萎缩性胃炎、肠上皮化生、异型增生及胃癌组织中端粒酶活性检测，各组阳性率分别为0、24.6%、38.9%、37.5%、92.3%。

胃癌组与慢性萎缩性胃炎、肠上皮化生、异型增生组比较，差异有高度显著性（P<0.01），表明端粒酶不仅在肿瘤组织中，而在癌前病变或癌前疾病中都有表达[14]。

Yakoob等检测了35例大肠癌组织标本，有32例检出有端粒酶活性，阳性率达92％。

但是端粒酶催化亚基转染至正常人体细胞，并没有产生恶性转变，表明人为的端粒过表达并没有触发肿瘤的形成[15]。

对基因敲除（Knock-out）小鼠的研究表明，在小鼠肿瘤的形成过程中，即使端粒酶基因被敲除仍能发生。

这从一个侧面反映端粒酶对小鼠肿瘤的发生并不是必需的。

但是人体细胞肿瘤的发生机制与小鼠有所不同，因此，在端粒酶和肿瘤的发生之间还存在着许多疑问[16]。

5 展望三位诺贝尔奖获得者的开创性工作有助于揭开人类衰老的奥秘，虽然端粒和端粒酶与细胞衰老关系在某些方面还存在争议，诸多的研究都表明端粒的耗损是衰老发生机制中极其重要的一环。

端粒酶维护端粒的长度，细胞的老化就会被延缓。

然而还有一些问题，如端粒结合蛋白的调控机制及其与端粒酶协同作用机制；端粒酶表达和活性的调控机制；少数端粒酶活性阴性的肿瘤细胞的永生化机制是什么，其端粒维持的机制如何；在癌症日益威胁人类健康的今天，围绕端粒和端粒酶这条线索不断深入，是否有望早日攻克癌症这一医学难题；端粒酶独立于端粒之外的抗凋亡和调节细胞生存的作用机制；氧化应激状态下端粒酶的线粒体定位的机制和功能等问题均有待进一步的探讨和阐明。

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