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孔令平①　汪华侨②①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(Elizabet h H.Blackburn)、卡萝尔・格雷德(Carol W.Greider)和杰克・绍斯塔克(J ack 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。

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。

“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Müller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Müller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(tetrahy2 mena)的端粒是由一连串简单重复序列T T GGGG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T TA GGG,长度为5～15kb。

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15～20kb。

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)TRF1和TRF2,此外还包括PO T1,Ku70,Ku80,Tankyrase1,PINX1, TIN2和hRap1等。

TRF1和TRF2均专一性地与端粒DNA重复序列结合。

TRF1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;・723・TRF2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。

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]。

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’→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Wat son于1972年提出的“末端复制问题(end replication problem)”[3]。

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长不可能是DNA聚合酶作用的结果,而是另有原因。

后来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T T GGGG,当时称之为末端转移酶,这就是现在所称的端粒酶(telomerase)。

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(hu2 man telomerase catalytic subunit,hTERT)和端粒相关蛋白质1(telomerase associated2protein1,TP1/TL P1)。

另外,还有hSP90(heat shock protein90),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5’2CUAACCCUAAC23’,指导端粒重复序列(TT AGGG)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1132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体5p上。

h TER T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h TR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]。

3端粒、端粒酶与细胞衰老[6]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”联系到一起,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Harley[8]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GⅠ期和GⅡ/M 期之间的MⅠ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。

Blackburn[9]・823・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2T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。

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50～200bp/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。