端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在关系——2009年诺贝尔生理学或医学奖简介

２端粒酶的发现、结构与功能
真核生物ＤＮＡ的复制只能沿着５’一３’方向进行， 并需要有互补单链作模板，还要求有一定长度的ＲＮＡ 作为引物。随着引物的切除，随从链５’末端总有一段相 当于ＲＮＡ引物长度的ＤＮＡ不能完整复制下来，这必然 导致染色体ＤＮＡ随着每一次的细胞分裂其端区不断缩 短，这就是Ｗａｒｓｏｎ于１９７２年提出的“末端复制问题 （ｅｎｄ ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ）”Ｉ－３ｊ。但Ｌａｒｓｏｎ和Ｓｐａｎｇｌｅｒ 等在对对数生长期的四膜虫的研究中却发现其端区不 见缩短，甚至还有所延长。针对这一矛盾，Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ和 Ｇｒｅｉｄｅｒ等［４］认为四膜虫端区的延他们在四膜虫的 细胞提取液中发现了一种酶活性成分，能往端区添加重 复序列ＴＴＧＧＧＧ，当时称之为末端转移酶，这就是现在 所称的端粒酶（ｔｅｌｏｍｅｒａｓｅ）。
“染色体携有遗传信息。端粒是细胞内染色体末端 的‘保护帽’，它能够保护染色体，而端粒酶在端粒受损 时能够恢复其长度。”获奖者之一的伊丽莎白·布莱克 本介绍说：“伴随着人的成长，端粒逐渐受到‘磨损，。于 是我们会问，这是否很重要？而我们逐渐发现，这对人 类而言确实很重要。”借助他们的开创性工作．如今人们 知道，端粒不仅与染色体的个性特质和稳定性密切相 关，而且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡。简单讲，端粒 变短。细胞就老化。相反，如果端粒酶活性很高，端粒长
染色体是生物细胞核中的一种易被碱性染料染色 的线状物质。大家都知道，正常人的体细胞有２３对染 色体，这对人类生命具有重要意义，其中的ｘ和Ｙ染色 体是决定男女性别的性染色体。在染色体的末端，有一 个像帽子一样的特殊结构，这就是端粒。作为染色体末 端的“保护帽”，端粒具有维持染色体的相对稳固、防止 ＤＮＡ互相融合及重组的功能，犹如卫兵那样守护染色 体不受损害。而端粒酶的作用则是帮助合成端粒，使得 端粒的长度等结构得以稳定。
自然杂志３１卷６期
诺贝尔奖简介
端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在 大单Ｚ尔芽
——２００９年诺贝尔生理学或医学奖简介
孔令平① 汪华侨②
①副教授，广州医学院从化学院，广州５１０１８２；②教授，中山大学中山医学院人体解剖学与脑研究室，广州５１００８０ 关键词端粒端粒酶细胞衰老癌症
美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德和杰克·绍斯塔克三人同时获得２００９年诺贝尔生理学或医学 奖．这是由于他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”．这一研究成果揭开了人类衰老和肿瘤发生等生理病理 现象的奥秘。本文将就端粒和端粒酶的发现、结构和功能及其与人类衰老、癌症的潜在关系等方面做一简要介绍。
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）、卡萝尔·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。
度就能得到保持，细胞老化就被延缓。
１端粒的发现、结构与功能
２０世纪３０年代，两位著名的遗传学家ＭｃＣｌｉｎｔｏｃｋ 和Ｍｉｉｌｌｅｒ等人发现，染色体的末端存在一种能稳定染色 体结构和功能的特殊成分。如果缺少了此成分，染色体 易降解，相互之间易发生粘连，出现结构的异常。影响染 色体的正确复制，甚至引起细胞的死亡。于是Ｍｉｉｌｌｅｒ从 希腊文的“末端”（ｔｅｌｏｓ）和“部分”（ｍｅｒｏｓ）二词为此特殊 成分创造了一个全新的术语“端粒”（ｔｅｌｏｍｅｒｅ）。但端粒 的精确组成直到１９７８年才由美国科学家Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ和 Ｇａｌｌ首次提出，他们发现单细胞生物四膜虫（ｔｅｔｒａｈｙ－ ｍｅｎａ）的端粒是由一连串简单重复序列ＴＴＧＧＧＧ形成 的［１］。之后包括动物、植物和微生物在内的多种生物的 端粒序列被测定出，发现它们与四膜虫的端粒序列极其 相似，均由富含Ｇ和Ｔ的简单重复序列不断重复而成。 正是这些连接在染色体末端的ＤＮＡ重复序列及结合在 其上的相关蛋白质共同构成了真核生物染色体的“末端 保护帽”——端粒。人类细胞端粒的重复序列为 ＴＴＡＧＧＧ，长度为５～１５ ｋｂ。不同组织细胞其端粒的 长度不同，精子和早期胚胎细胞端粒长度较长．可达 １５～２０ ｋｂ。
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体５ｐ上。ｈＴＥＲＴ是端粒酶起作用的关键结构和主要 调控亚单位，它可以通过逆转录ｈＴＲ模板序列，合成端 粒ＤＮＡ重复序列并添加到染色体末端，从而延长端粒 长度。人体细胞中端粒酶合成和延长端粒的作用是在 胚胎发育过程中完成的，当胚胎发育完成后，端粒酶活 性在大多数组织中消失，除生殖细胞、造血干细胞及外 周淋巴细胞等少数几类细胞外，绝大多数正常体细胞检 测不到端粒酶活性。由此可以认为在胚胎发育时期获 得的端粒，应已足够维系人体的整个生命过程中因细胞 分裂所致的端粒缩短。
对端粒酶活性的表达，ｈＴＲ和ｈＴＥＲＴ两种组分缺一 不可，但它们的表达调控应该是分离的。ｈＴＲ在人的组 织细胞中广泛表达，是一个普遍现象，而ｈＴＥＲＴ只在有 端粒酶活性的细胞中（如生殖细胞、各种具有分裂增殖能 力的细胞和绝大多数肿瘤细胞）表达。ｈＴＲ与端粒酶活 性没有平行关系，而ｈＴＥＲＴ的ｍＲＮＡ水平和蛋白表达 水平则总是与端粒酶活性呈正相关。端粒酶活性阳性细 胞中的ｈＴＥＲＴ基因突变或沉默，则细胞端粒酶活性消 失；在端粒酶阴性的细胞中导入编码ｈＴＥＲＴ的基因，则 可重建细胞的端粒酶活性，结果细胞的端粒增长，寿命延 长，老化过程延缓，甚至出现永生化现象［５｜。
随着端粒分子组成结构的阐明，发现端粒对维护染 色体的功能稳定起到不可替代的作用。它就像一个忠 诚的“生命卫士”，不但保护染色体ＤＮＡ免受外界不良 因素的侵蚀，而且它把基因组序列包裹在内部，在复制 过程中以牺牲自身而避免染色体结构基因被破坏，从而 防止了遗传信息的丢失，维护了染色体结构和功能的完 整。此外，端粒还参与染色体在细胞核中的定位，并对 有丝分裂后期染色体的分离，减数分裂时染色体的重组 和ＤＮＡ双链损伤后的修复都有重要作用［２｜。
３端粒、端粒酶与细胞衰老嘲
早在１９６５年，Ｈａｙｆｌｉｃｋ经过大量反复实验首先证 实了正常人成纤维细胞的分裂次数是有限的，随后发现 许多其他的体细胞如表皮基底细胞、内皮细胞、淋巴细 胞等都有所谓的“分裂钟”来限制它们的分裂次数．此即 为Ｈａｙｆｌｉｃｋ极限（Ｈａｙｆｌｉｃｋ ｌｉｍｉｔ）［７］，但其本质是什么一 直未得到明确解释。直到２０世纪７０年代。Ｏｌｏｖｎｉｋｏｖ 等将细胞分裂终止与“末端复制问题”联系列一起，认为 随着细胞分裂，端粒逐渐缩短，当缩短到失去它的缓冲 作用时，细胞就发生衰老，从而将端粒与生命衰老联系 起来。１９９１年ＨａｒｌｅｙＥ８］提出了较完善的细胞衰老的端 粒假说：人正常体细胞经过多次有丝分裂达到Ｈａｙｆｌｉｃｋ 极限时，端粒缩短到不能继续维持细胞分裂时．便会启 动终止细胞分裂的信号，细胞周期检验点基因如ｐ５３或 （和）ＲＢ表达，细胞周期阻滞，细胞进入Ｇ Ｉ期和ＧⅡ／ Ｍ期之间的Ｍ Ｉ死亡期，被称为复制性衰老（ｒｅｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｓｅｎｅｓｃｅｎｃｅ）。当ｐ５３或（和）ＲＢ失活时，细胞可逃脱复 制性衰老而继续分裂增殖，端粒变得更短，最终端粒末 端功能丧失，染色体失稳，表现出染色体断裂、重组等引 起大规模的细胞死亡现象，只有极少数细胞因为激活了 端粒酶活性而发生逃逸，成为永生化细胞。Ｂｌａｃｋ－
４端粒、端粒酶与癌症
自从１９９４年Ｋｉｍ等０５３建立了高效灵敏的端粒酶 活性检测的ＴＲＡＰ法后，大量研究证实８５％～９０％的 人类恶性肿瘤表达端粒酶活性，如在常见的恶性肿瘤中 端粒酶活性阳性检出率：胃癌８５％，肺癌８０．１％，肝癌 ８５％，乳腺癌８５％，胰腺癌９５％等。而相应的良性肿瘤 则为阴性或仅有少数阳性。由此许多人认为端粒酶的异 常激活是细胞癌变的重要一步。正是由于端粒酶在恶 性肿瘤细胞增殖中的重要性以及其高表达率．而正常体 细胞则很少存在端粒酶活性，使之成为恶性肿瘤诊断和
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万方数据
Ｂｒｉｅｆ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｔｕｒｅ Ｖ０１．３１ Ｎｏ．６
则可以防止染色体末端相互融合，对维持端粒的正常结 构必不可少。其他相关蛋白则可与它们形成复合体，共 同行使调控端粒的长度和（或）保护端粒末端结构等功 能作用。
万方数据
自然杂志３１卷６期
诺贝尔奖简介
ｂｕｒｎＬ９］于２０００年提出了端粒与细胞衰老关系的新假 说：认为端粒是一个动态的由端粒ＤＮＡ和端粒结合蛋 白构成的核蛋白结构，存在戴帽和非戴帽两种状态。戴 帽状态是端粒的功能状态，细胞可以继续分裂，非戴帽 状态端粒则会引发细胞周期阻滞。在正常的细胞分裂 时，端粒可以在戴帽和非戴帽两种状态间变换。随着细 胞分裂的继续，越来越多的细胞端粒处于非戴帽状态， 继而出现衰老、死亡。端粒若进行性缩短或细胞缺乏端 粒酶活性，则难以恢复戴帽状态，但非戴帽状态的端粒 可以通过激活端粒酶活性或以同源重组的途径返回到 戴帽状态，继续进行细胞分裂。这一假说与Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 等［１０］提出的端粒Ｄ环一Ｔ环帽状结构相互呼应，并且与 经典的端粒长度与衰老关系理论并不相悖．因为端粒缩 短到一定长度后不能形成Ｔ环结构。
端粒的结合或相关蛋白最重要的是人端粒重复序 列结合因子（ｔｅｌｏｍｅｒｉｃ ｒｅｐｅａｔ ｆａｃｔｏｒ）ＴＲＦＩ和ＴＲＦ２，此 外还包括ＰＯＴｌ，Ｋｕ７０，Ｋｕ８０，Ｔａｎｋｙｒａｓｃｌ，ＰＩＮＸｌ，ＴＩＮ２ 和ｈＲａｐｌ等。ＴＲＦｌ和ＴＲＦ２均专一性地与端粒ＤＮＡ 重复序列结合。ＴＲＦｌ对端粒的长度起负调控作用，可 以在一定程度上抑制端粒酶在端粒末端的行为；ＴＲＦ２
现在已知，端粒酶是一种特殊的核糖核蛋白酶复合 体，具有逆转录酶活性．能够以自身的ＲＮＡ为模板合成 端粒ＤＮＡ。人端粒酶结构主要包括３部分：端粒酶ＲＮＡ （ｈｕｍａｎ ｔｅｌｏｍｅｒａｓｅ ＲＮＡ，ｈＴＲ）；端粒酶催化亚单位（ｈｕ— ｍａｎ ｔｅｌｏｍｅｒａｓｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｓｕｂｕｎｉｔ，ｈＴＥＲＴ）和端粒相关蛋白 质１（ｔｅｌｏｍｅｒａｓｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ．ｐｒｏｔｅｉｎ １，ＴＰｌ／ＴＬＰｌ）。另外， 还有ｈＳＰ９０（ｈｅａｔ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎ ９０），ｐ２３和ｄｙｓｋｅｒｉｎ等。其 中ｈＴＥＲＴ和ｈＴＲ是端粒酶最关键的结构。人端粒酶 ＲＮＡ有４５５个核苷酸，模板区为５己ＣＵＡＡＣＣＣＵＡＡＣ－３’， 指导端粒重复序列（ＴＦＡＧＧＧ）的合成。ｈＴＲ的结构改变 或成分的丢失均会影响端粒酶的活性。ｈＴＥＲＴ为端粒酶 的催化亚基，是一个包含１ １３２个氨基酸残基的多态链。 具有逆转录酶的共同结构——７个蛋白质域以及端粒酶 催化亚基独特的Ｔ框架保守区域．其编码基因位于染色
正常体细胞端粒的长度是有限度的，随着年龄的增 长和细胞分裂次数的增多，端粒会逐渐缩短，一般丢失 速度为５０～２００ ｂｐ／次［１１］。由此可见端粒长度决定了 细胞的分裂次数，它作为有丝分裂“分裂钟”的物质基 础，调控着细胞的复制寿命，超过分裂极限后细胞自然 衰老死亡，现在这一观点已被大多数的研究者接受。而 端粒酶有维持端粒长度的作用，绝大多的永生化细胞系 中可检测到高水平的端粒酶活性。这里需要指出的是： 端粒酶不是癌基因，其活性的激活本身不会直接导致细 胞癌变的发生。许多研究表明通过转基因技术重建正 常体细胞的端粒酶活性可使细胞的分裂次数大大提高， 甚至永生化，但其核型和表型均保持正常，没有恶性转 变的迹象发生［１２－１４］。这让人很容易联想到端粒酶在衰 老的防治中具有广阔的应用前景，如可通过转基因技术 将ｈＴＥＲＴ基因导入端粒酶阴性的细胞，重建其端粒酶 活性，维持端粒长度，增加细胞的寿命，甚至使细胞永生 化，从而达到防治衰老的目的，这为干细胞的治疗应用 提供了广阔的前景。