端粒与端粒酶及作用机理的应用

端粒与端粒酶及作用机理的应用
周梓耘
（生物技术 10102117）
内容摘要：端粒是线状染色体末端的DNA重复序列，是真核染色体两臂末端有特定的DNA重复序列构成的结构，使正常染色体端部间不发生融合，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。

端粒酶是负责端粒延长的一种酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。

对端粒和端粒酶的研究还加深了人们对衰老和癌症等重大生物医学问题的理解，也为人们寻找和设计药物或手段来延缓衰老和治疗疾病提供了契机。

激活其活性，增加细胞分裂次数，从而延缓衰老；抑制其活性，减少至抑制细胞分裂，从而治疗癌症。

关键词：端粒；端粒酶；衰老；癌症
一、端粒
1、什么是端粒：
端粒是真核细胞染色体末端由特定的DNA重复序列构成的特殊结
构，位于线性染色体末端。

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的短
的串联重复序列组成，伸展到染色体的3'端。

由于复制机制的不
完整性，正常细胞线性DNA复制时5'末端消失，故细胞每分裂一
次约丢失一个冈崎片断长度的DNA，即25-100对碱基，因此端粒
会以一定的速度丢失。

随着体细胞不断增殖，端粒逐渐缩短，当
端粒缩至一定程度时，细胞停止分裂，处于静止状态。

因此，严
重缩短的端粒是细胞老化的信号。

故有人称端粒为正常细胞的
“分裂钟”，端粒长短和稳定性决定了细胞寿命，并与细胞衰老和
癌变密切相关。

2、端粒的发现：
二十世纪三十年代，Barbava McClintock和Hermann J.Muller发现，染色体的末端有一种能稳定染色体结构和功能的特殊成分。

如果缺少了这种成分，染色体之间就会互相粘连、出现结构的变化或其它错误的行为，以致影响到染色体的生存和正确复制，并进一步威胁到细胞的存亡。

于是从希腊文的"末端"（telos）和"部分"（meros）二词为这种特殊的成分创造了一个全新的术语"端粒"（telomere）。

3、端粒的生物学功能：
可保护染色体末端结构，维持染色体稳定，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5'末端在消除RNA 引物后造成的空缺，保护染色体结构基因DNA，调节正常细胞生长。

二、端粒酶
1、什么是端粒酶：
端粒酶是在细胞中负责端粒的延长的一种酶，是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。

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，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。

端粒酶的存在，就是把 DNA 克隆机制的缺陷填
补起来，即由把端粒修复延长，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。

2、端粒酶的发现：
端粒酶是1985年Blackburn在四膜虫细胞核提取物中首先发现并纯化的。

Blackburn实验室发现带着四膜虫端粒的人工线性染色体导入到酵母后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒。

当时人们普遍倾向于认为同源重组是端粒延伸的机制，但是同源重组无法回答以上的现象。

一个更为合理的解释是：端粒的复制是由专门的酶来承担的。

Blackburn实验室从大核的裂解液中发现了能延伸体外合成的四膜虫端粒DNA的酶活性。

这种酶活性不依赖于模板，因而命名为端粒末端转移酶活性，简称端粒酶。

但很快他们又发现这种酶，其实是以RNA为模板合成出DNA的反转录酶。

3、端粒酶的生物学功能：
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。

端粒酶的活性在真核细胞中可检测到，端粒酶中含有RNA模板，其功能是合成染色体末端的端粒，使因每次细胞分裂而逐渐缩短的端粒长度得以补偿，进而稳定端粒长度。

三、端粒与端粒酶作用机理的应用
1、延缓衰老：
1.1端粒与衰老：
端粒与细胞寿命的控制密切相关。

人类端粒长度大约2-15 kb，由于存在末端复制问题，DNA每复制1次，端粒DNA就会丢失50-200bp，随着细胞分裂次数的增加，端粒DNA也在进行性地缩短，当缩短到一定限度后，便不能维持染色体的稳定，使细胞失去了分裂增殖能力而衰老死亡，这种缩短就是衰老的标志。

1973年Olovfnikov博士首次提出了端粒丢失与衰老关系的理论。

他认为端粒的丢失可能是因为某种与端粒相关的基因发生了致死性的缺失，后又有许多人对该理论进行了进一步阐明。

目前认为，细胞内端粒酶活性的缺失将导致端粒缩短，这种缩短使得端粒最终成为不能被细胞识别的末端。

这并不是说端粒不存在了，而是说端粒短到了一个临界长度，端粒一旦短于此长度，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期死亡状态。

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的形成，这将进一步导致危机的产生，即M2期死亡状态。

如果细胞要维持其正常分裂，那么就必须阻止端粒的进一步丢失，并激活端粒酶，细胞进行正常染色体复制。

对于那些无法激活端粒酶的细胞将只能面临衰老的结果。

端粒长度的缩短可以激发细胞老化，一种可能是染色体末端端粒DNA序列的丢失释放了端粒结合转录因子，该因子或者激活了衰老诱导基因，或者灭活了细胞周期进行所必需的某些基因。

另一种可能是端粒长度缩短诱导了DNA损伤反应，导致细胞周期受阻。

沉默基因机制认为:染色体末端端粒长度缩短破坏了端粒周围染色质结构的完整性，导致这一区域的基因表达而诱导细胞衰老。

可见，端粒结构不仅仅是在于维持染色体长度所必需的，而且端粒的变化可引起生命状态的变化。

1.2端粒酶与衰老：
端粒的长度是由端粒酶决定的。

正常人的体细胞经多次分裂后 ,端粒缩短 ,但如果在端粒缩短的同时 ,激活端粒酶 ,就能以自身的模板合成端粒 ,以弥补端粒的缺损 ,维持染色体的稳定性 ,使细胞免于衰老死亡而获得生存 ,发展成为“永生细胞”。

1.3延缓衰老相关实验研究：
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，端粒酶能延长缩短的端粒，从而增强体外细胞的增殖能力。

绍斯塔克获得丧失了能够添加端粒结构的酵母突变体，这些突变酵母开始还可正常生长，但随着端粒DNA 的逐渐消失，酵母生长缓慢，最终停止分裂。

布莱克伯恩制备了端粒酶中RNA 缺乏的四膜虫突变体，结果其效应类似,两种突变细胞都出现了提前衰老的现象；相反有功能的端粒可防止染色体损伤和延迟细胞衰老。

格雷德研究小组发现人类细胞的衰老也可被端粒酶延迟。

这些结果都说明了端粒长短与细胞寿命有密切关联，但考虑到衰老是一个复杂的过程，受多种因素的影响，因此端粒只可能是重要因素之一。

精子和卵子等生殖细胞中可以制造端粒酶，而大多数成年细胞却丧失了这一功能，从而导致成年细胞的端粒长度短于生殖细胞，至少体外实验证明端粒的缩短将逐渐导致细胞的衰老。

因而研究端粒酶的机理对于延缓细胞及机体衰老有着至关重要的作用。

2、防治癌症：
肿瘤是一种体细胞遗传病，人们很早以前就把目光集中到遗传物质的载体——染色体上。

通过研究染色体在肿瘤形成中的变化，发现人恶性肿瘤细胞中染色体的端粒酶的活性均不同于正常体细胞；在许多正常体细胞中检测不到端粒酶活性，而几乎所有的人类恶性肿瘤细胞中的端粒酶均呈现活性。

统计资料表明，84.8%的恶性肿瘤具有活化状态的端粒酶，而仅在4.2%的正常组织、癌旁组织和良性肿瘤中端粒酶呈阳性。

因此可以推断，端粒酶活性的变化也许是伴随细胞恶化而产生的。

随着对端粒和端粒酶研究的不断深入,已发现端粒系统与癌症有密切关系。

如果抑制端粒酶的活性 ,就可以使癌细胞停止分裂增殖 ,达到抗癌目的。

端粒的缩短在肿瘤发生和发展过程中扮演着双重角色。

当端粒缩短到临界长度时，可引起染色体与基因组的不稳定，从而诱发肿瘤的形成。

相反，由于端粒的缩短，又可启动DNA损伤信号，进而抑制肿瘤的发生。

在一些慢性疾病中，如：动脉脂肪硬化，溃疡性结肠炎等，可检测到缩短的端粒。

经实验证实，是由于缩短的端粒限制了组织和器官的再生功能，当引入TERT基因表达端粒酶时，可以恢复缩短的端粒。

因此，在衰老的细胞和慢性疾病过程中，可以通过激活端粒酶的活性，来延长组织和器官的再生功能。

端粒酶的激活一方面可以阻止端粒的进一步缩短以维持染色体与基因组的稳定；但是另一方面又可促进肿瘤的形成及裂变。

有研究显示端粒酶有助于肿瘤的形成远胜于它对端粒的延长。

在某些肿瘤去分化的过程中端粒酶活性也未受到抑制。

总而言之，在缺失端粒酶的情况下，并不影响肿瘤的初步形成，但是要维持肿瘤的发生、发展及恶性转化，却要有稳定的端粒长度，这往往要求端粒酶的重新激活。

由于端粒酶在绝大多数肿瘤细胞中表达而在正常体细胞中阴性，因此，目前认为端粒酶可做为肿瘤的特异治疗靶点。

对癌细胞进行研究发现永生化是癌细胞所具有的显著行为，即癌细胞具有端粒酶被激活的细胞所具备的特性。

1995年Hiyama等人在对100例成纤维神经细胞瘤的研究中证实，有端粒酶活性表达的肿瘤组织占94%，端粒酶活性越高的组织越容易伴有其它遗传学变化，并且预后不良；而低端粒酶活性的肿
瘤组织中未见有相应的变化且都预后良好，甚至有3处于IVS阶段的无端粒酶活性的病例竟出现了肿瘤消退的现象。

这说明端粒酶同癌症之间存在着相关性，但是否因果关系，还很难定论。

根据目前的假说，衰老可能是由端粒的缩短导致，这可以通过激活端粒酶来阻止。

可是，一旦重新获得有活性的端粒酶，这些细胞又将成为永生化细胞，继而衍变为癌症。

因此恰当的发挥端粒与端粒酶在解决衰老与癌症中的作用是生命研究领域的一个新课题。

结论：
对端粒和端粒酶的研究加深了人们对衰老和癌症等重大生物医学问题的理解，也为人们寻找和设计药物或手段来延缓衰老和治疗疾病提供了契机。

激活其活性，增加细胞分裂次数，从而延缓衰老；抑制其活性，减少至抑制细胞分裂，从而治疗癌症。

但细胞衰老的端粒一端粒酶假说仍有待探究，因此研究端粒系统及作用机理的应用是意义重大的。

若能正确的发挥端粒系统在衰老与癌症这一生命研究领域的作用，将会造福人类。

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