黎瀟陽 羅丹濤 金雪薇

(重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 401331)

20世紀(jì)30年代，Hermnn Muller和 Barbara Mcclintock發(fā)現(xiàn)天然染色體末端與斷裂染色體末端之間的不融合特性，并認(rèn)為染色體末端結(jié)構(gòu)具有保護(hù)染色體的作用。這一發(fā)現(xiàn)開啟了染色體末端序列的研究工作。此后，科學(xué)家借助DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究技術(shù)以及核酸測序技術(shù)等分子生物學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了端粒DNA序列的專一反轉(zhuǎn)錄酶——端酶(telomerase)，并揭示端粒和端粒酶除了保護(hù)染色體之外還能延緩細(xì)胞衰老等生物學(xué)功能。近年還發(fā)現(xiàn)，端粒與癌癥的發(fā)生有關(guān)聯(lián)，可作為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。本文綜述端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的研究進(jìn)展。

1 端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)

1.1 端粒的結(jié)構(gòu) 端粒是位于真核生物染色體末端的高度重復(fù)DNA序列及其結(jié)合蛋白的復(fù)合體。正如一根鞋帶兩端的塑料帽，端粒就是染色體兩端的“帽”結(jié)構(gòu)。真核生物各物種端粒DNA序列在進(jìn)化上都非常保守，富含鳥嘌呤，由單一種類堿基拷貝排列組成，拷貝重復(fù)數(shù)目、端粒序列的長度因物種而異。例如，原生動物四膜蟲端粒的重復(fù)序列為TTGGGG/AACCCC，在對數(shù)生長期其端粒的長度顯著延長；包括人類在內(nèi)的脊椎動物的端粒序列為TTAGGG/AATCCC，人體細(xì)胞染色體端粒DNA長5～15kb，大約包含900～2500個重復(fù)拷貝。除了生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌細(xì)胞等細(xì)胞的端粒長度基本保持不變外，伴隨著分裂次數(shù)的增加，絕大多數(shù)細(xì)胞端粒長度逐漸縮短，直至臨界長度，此時細(xì)胞停止分裂并逐漸衰老或死亡[1]。端粒DNA除了包含高度重復(fù)的雙鏈結(jié)構(gòu)，在其3＇端還存在富含G的單鏈懸突，這條3＇懸掛鏈折回端粒雙鏈區(qū)域內(nèi)部，將自身鏈的一部分置換出來，并和互補(bǔ)鏈配對，形成緊湊的大T環(huán)結(jié)構(gòu)[2]，而置換出來的那段序列則形成D環(huán)，從而使整個端粒DNA序列形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)(D環(huán)-T環(huán)結(jié)構(gòu))[3]。在人類，與端粒DNA序列結(jié)合的是由6個蛋白組成的特異性復(fù)合體，被稱為“保衛(wèi)端粒的蛋白復(fù)合體(shelterin)”或者“尾體(telosome)”。該蛋白復(fù)合體由2個雙鏈DNA結(jié)合蛋白(TRF1和TRF2)、1個TIN2蛋白(連接TRF1和TRF2)、1個單鏈DNA結(jié)合蛋白POT1、1個連接單雙鏈蛋白TPP1和1個核心蛋白RAP1組成[4]。

1.2 端粒酶的結(jié)構(gòu) 端粒與端粒酶共同組成了一個“命運(yùn)共同體”。人端粒酶全酶的分子量約為500～1500kDa，包括3個重要結(jié)構(gòu)，即人端粒酶RNA(hTR)、人端粒酶催化亞單位(hTERT) 和人端粒酶其他相關(guān)蛋白(hTEP1)。端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，通過逆轉(zhuǎn)錄自身RNA在端粒DNA 3′—OH末端合成并拼接端粒DNA重復(fù)序列。端粒酶活性表達(dá)不由hTR和hTEP1決定，故無端粒酶活性的細(xì)胞和組織中也能發(fā)現(xiàn)hTR和hTEP1的差異表達(dá)。但是，hTERT的表達(dá)則會極大地促進(jìn)高活性端粒酶全酶的產(chǎn)生，故hTERT的表達(dá)是端粒酶活性必需的。一般細(xì)胞端粒酶活性檢測皆為陰性，這由hTERT的轉(zhuǎn)錄所受到的某些抑制作用所導(dǎo)致；若抑制作用缺失(情況之一為細(xì)胞癌變)，hTERT的表達(dá)便會激增，從而使端粒酶活性被激活[5]，端粒也就得以減慢縮短進(jìn)程或保持甚至延長自身長度。研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶在85%惡性腫瘤細(xì)胞和某些必須不斷分裂的正常人體細(xì)胞中存在，包括造血細(xì)胞、干細(xì)胞和生殖細(xì)胞等。

2 端粒和端粒酶的生物學(xué)功能

2.1 端粒和端粒酶與衰老 從細(xì)胞生物學(xué)角度來看，除了DNA甲基化和線粒體損傷等以外，端粒酶的缺失與端粒的縮短也是導(dǎo)致細(xì)胞衰老的重要原因。研究顯示，衰老可導(dǎo)致罹患糖尿病、冠心病、阿爾茨海默癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加，而這些疾病與端粒的退行性縮短相關(guān)。DNA復(fù)制必須由帶有3′—OH的RNA做引物，從新鏈5′到3′段方向完成復(fù)制，而引物的最初占位和最終切除必然會導(dǎo)致母鏈3′方向的部分序列不能復(fù)制到新鏈。端粒重復(fù)序列的出現(xiàn)，挽救了非端粒序列在DNA復(fù)制中被遺漏的命運(yùn)，可見端粒是人體基因組保持完整的重要保障。不過，端粒在作此貢獻(xiàn)的同時本身付出的代價是細(xì)胞的每次DNA復(fù)制會導(dǎo)致端粒長度縮短50～200bp。隨著細(xì)胞有絲分裂次數(shù)的遞增，端粒DNA單鏈遭受的侵蝕加劇，這直接減弱了端粒對染色體的保護(hù)功能，使DNA損傷的概率增加，一旦端粒的長度接近臨界值，細(xì)胞雖活著卻會停止分裂，甚至啟動凋亡程序。研究表明，通過激活端粒酶活性，人體細(xì)胞可以在增長端粒的同時增加生命周期[6]，有力證明了端粒和端粒酶與衰老的關(guān)系；端粒短缺的個體患早衰癥的比例有所增加，這又從反面論證了上述結(jié)論。由于在端粒和端粒酶保護(hù)染色體的研究方面做出的杰出貢獻(xiàn)，三位美國科學(xué)家分享了2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎[7]。

2.2 端粒和端粒酶與干細(xì)胞功能 干細(xì)胞最大功能是自我更新并可分化成各種細(xì)胞，因此在人體發(fā)育和損傷修復(fù)過程中起著舉足輕重的作用。小鼠造血干細(xì)胞的連續(xù)移植實(shí)驗(yàn)[8]表明，端粒酶缺失的造血干細(xì)胞提早枯竭，這說明端粒酶是維持干細(xì)胞活性的重要因素。一項(xiàng)針對急性創(chuàng)傷病人端粒長度的研究[9]發(fā)現(xiàn)，該類病人創(chuàng)傷當(dāng)天外周血端粒顯著縮短，術(shù)后和出院時端粒幾近恢復(fù)正常長度。發(fā)生這一現(xiàn)象的極大可能原因是，在傷區(qū)釋放的干細(xì)胞趨化因子的作用下，干細(xì)胞向傷區(qū)集結(jié)并誘導(dǎo)分化為功能細(xì)胞參與損傷組織修復(fù)，而在這個過程中端粒酶和端粒保障了干細(xì)胞功能的維持。同時，該研究結(jié)果提示，在外周血細(xì)胞中端粒的長度和端粒酶的水平也可作為創(chuàng)傷是否恢復(fù)的參考指標(biāo)。

2.3 端粒和端粒酶與癌癥 原癌基因在致癌因子疊加作用下被激活，伴隨著類似于myc原癌基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子c-myc活性表達(dá)，與c-myc表達(dá)水平平行的hTERT也得以表達(dá)，端粒酶活性激升，端粒長度恢復(fù)“年輕”狀態(tài)，細(xì)胞的分裂不再被縮短的端粒叫停，癌變細(xì)胞在宿主體內(nèi)的永生便成為可能，直到宿主因癌癥及其并發(fā)癥耗盡生命[10]。最新研究證實(shí)，hTERT基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)域的突變(而非hTERE基因本身的突變)是導(dǎo)致高端粒酶水平和引發(fā)癌癥的直接原因[11]。故hTERT基因啟動子的突變與原癌基因的變異有一定的相關(guān)性。在癌癥病例中，端粒的延長不僅只有端粒酶途徑，還有一種替代的延伸機(jī)制(ALT)：ALT細(xì)胞中某個端粒帽會利用其他染色體的DNA端粒序列作為模板合成新的端粒DNA序列，形成重組端粒DNA以延長端粒的長度。但是，ALT機(jī)制僅在約15%的癌癥類型中發(fā)揮效用[12]。正常細(xì)胞隨著時間的流逝會走向衰老，其端粒隨著分裂次數(shù)的增多會不斷縮短，但若端?？s短到臨界值，D環(huán)—T環(huán)結(jié)構(gòu)對染色體的保護(hù)作用便會大打折扣，細(xì)胞一般會選擇凋亡來結(jié)束生命。但是，鑒于端粒保護(hù)功能驟減會增加染色體受損傷的概率，故也有極少部分癌基因可能被激活，端粒酶活性隨之激增，從而誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生。

2.4 端粒與健康長壽 上面已經(jīng)敘述了端粒和端粒酶與衰老之間的關(guān)系，不言而喻，這意味著端粒對維持人體的健康長壽有著特殊而重要的意義。

2.4.1 端粒是生活壓力的指標(biāo) 越來越多的研究表明，在社會壓力引發(fā)抑郁癥病例大量增加的背景下，應(yīng)激所致的皮質(zhì)激素分泌異常密切地影響著端粒的長度，科學(xué)家常常把端粒長度的縮短看作為重度抑郁癥(MDD)患者的標(biāo)志性分子特征。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，抑郁母親的女兒比非抑郁母親的女兒擁有了更短的端粒：生活在有MDD親屬的家庭中的孩子，不僅可能因家中常年存在的抑郁氛圍而發(fā)展為抑郁患者，還可能面臨著生理衰老加速、端粒長度縮短等與其年齡本不相關(guān)的醫(yī)學(xué)疾病[13]。來自密歇根大學(xué)的針對美國各州兒童的實(shí)驗(yàn)[14]強(qiáng)有力地證明，緊張的家庭環(huán)境(如潦倒貧窮、家庭暴力等壓抑的環(huán)境)使兒童從高壓力的父母那里繼承到的本來就比較短的端粒變得更短。該結(jié)果表明，端粒的長度不僅是慢性壓力的生物標(biāo)志物，較短的端?？膳c高壓的環(huán)境惡性循環(huán)地互作。維也納大學(xué)的以鸚鵡為對象的研究[15]佐證了端粒長度與個體所受壓力的密切關(guān)系。結(jié)果顯示，同齡獨(dú)居鸚鵡的端粒長度顯著短于群居鸚鵡(鸚鵡屬于野生群居鳥類)；結(jié)合之前得到的另一個實(shí)驗(yàn)結(jié)論(生活在擁擠環(huán)境中的小鼠端粒顯著性縮短)，可以認(rèn)為孤獨(dú)和擁擠這兩種極端的社會環(huán)境都會顯著增加端粒磨損。

可見，在壓力下，生命個體生活壓抑會加大罹患疾病的風(fēng)險(xiǎn)，而生命體細(xì)胞端粒長度的變化則是壓抑程度的分子指標(biāo)。這提示，和諧的生活環(huán)境不僅是生命體精神生活的需要，同時在根本上也是保證健康長壽的需要。

2.4.2 端粒是壽命的重要調(diào)節(jié)者 美國德州西南醫(yī)學(xué)中心的研究者[16]另辟蹊徑，深入研究了端粒3＇懸突與染色體形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)端粒長度影響著基因調(diào)控。環(huán)狀結(jié)構(gòu)能使端粒與其所在染色體上的其他基因相互作用，影響這些基因的表達(dá)或沉默，不過這一互作的前提是端粒的長度必須足夠或者隨著個體衰老而縮短到某些影響值域。從這個角度來說，端粒長度就像某些基因的定時開關(guān)，在端粒還足夠長的時候能保持基因沉默或參與基因的激活及后續(xù)的表達(dá)調(diào)控；但是，當(dāng)端粒太短使環(huán)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞時，端粒與這些基因的通訊聯(lián)系中斷，對基因的調(diào)控作用也就會終止。

上述研究揭示，端粒不僅是控制生命體壽命的“有絲分裂鐘”，還在生命體的基因表達(dá)和生化反應(yīng)中起著“定時鬧鐘”的作用，端粒通過基因在相當(dāng)程度上調(diào)控著生命活動和壽命，而一些已知功能的某些堿基序列或許還在默默地發(fā)揮其他與生命體的活動和壽命調(diào)節(jié)相關(guān)的功能。

2.4.3 端粒是延長壽命的關(guān)鍵靶標(biāo) 端粒酶就像一把雙刃劍，處理得當(dāng)，它可以逆轉(zhuǎn)錄端粒序列，加長端粒，成為“長生不老藥”；而一旦處理不當(dāng)，它則會引起細(xì)胞瘋狂增殖，若這個時候細(xì)胞由癌基因主導(dǎo)，那就可能在細(xì)胞得以永生的同時，癌癥也會隨之發(fā)生。那么，應(yīng)該怎樣對待端粒酶呢？

2015年，斯坦福大學(xué)發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告給出了新的啟示：可以借鑒端粒酶的有利功能，開發(fā)一種可控的、功能類似端粒酶的“藥物”，用于延長端粒。研究人員分析了端粒酶結(jié)構(gòu)，改造了能夠編碼hTERT的mRNA，制成了這種“藥物”并成功將其送進(jìn)人體肌母細(xì)胞和成纖維細(xì)胞。結(jié)果顯示，經(jīng)過“藥物”處理的這兩種細(xì)胞的端粒均得到了迅速而有效的延長，提示通過“藥物”讓端粒延長來促進(jìn)人類細(xì)胞的年輕化或可成為現(xiàn)實(shí)。同時，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是“暫時性”，即改造后的mRNA效用時長為48h，這段時間里受處理細(xì)胞的端粒會得到延長，但48h之后，隨著細(xì)胞分裂新延長的端粒便開始逐漸縮短，這樣就保證了細(xì)胞不會無節(jié)制地分裂下去，達(dá)到既讓細(xì)胞增壽又不容許其永生的目的，規(guī)避了產(chǎn)生癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。專家認(rèn)為，這項(xiàng)研究有希望應(yīng)用于預(yù)防或治療跟衰老相關(guān)的疾病(如心血管疾病或糖尿病等)，對于與端粒異?？s短密切相關(guān)的疾病(如假肥大型肌營養(yǎng)不良癥等)也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景[17]。但要實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞分裂更加精準(zhǔn)的控制，讓端粒真正成為永葆青春、延年益壽的“基因保護(hù)傘”，還有很多課題有待研究。

2.4.4 端粒與適齡的健康生活 雖然已經(jīng)知道端粒長度與生命體健康的關(guān)系甚密，但是現(xiàn)代生物科技還遠(yuǎn)未達(dá)成利用端粒來實(shí)現(xiàn)“青春永葆、長生不老”的夢想，所以即使擁有良好的醫(yī)療保障，對于健康的維護(hù)大部分還得靠自身的努力。一項(xiàng)針對前列腺癌患者長達(dá)5年的研究[18]表明，那些對生活方式積極改進(jìn)的患者其端粒平均延長了10%，而對照組患者的端粒平均縮短了3%。均衡膳食、適量有氧運(yùn)動以及全方位壓力調(diào)節(jié)有助于前列腺癌癥患者抵抗端粒的縮短趨勢。這個研究結(jié)果應(yīng)該可以推及健康的人群，即保持健康的生活方式可以延緩端粒縮短的進(jìn)程。簡言之，做到管住嘴，邁開腿，好心情，全方位積極地保持良好的生活方式，有助于對抗衰老和疾病。而且，這已經(jīng)從分子生物學(xué)方面得到證實(shí)。

3展望

端粒和端粒酶在真核生物細(xì)胞中起著重要的作用，但是與其相關(guān)的一些精細(xì)生化反應(yīng)尚不明了。隨著國內(nèi)外生命科學(xué)研究的深入，這些尚未解決的疑問將會陸續(xù)揭開謎底。作為時代催生的產(chǎn)物，生命醫(yī)學(xué)與其他學(xué)科的交叉研究具有極強(qiáng)的生命力。例如，端粒與社會壓力研究為人類認(rèn)識和調(diào)節(jié)自身帶來福音；而端粒與端粒酶相關(guān)研究有望解決更多的實(shí)際病理問題。將基礎(chǔ)科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)更加緊密地結(jié)合在一起，把理論運(yùn)用于實(shí)踐，用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，這是當(dāng)下應(yīng)當(dāng)做的最有價值的事情之一?？傊?，完全有理由相信，對于端粒和端粒酶的全新認(rèn)知將有效促進(jìn)人類的健康與長壽。