端粒和端粒的研究

摘要：自端粒和端粒酶发现以来，就一直成为科技工作者的研究热点。端粒具有保护染色体的功能，同时也是端粒酶的底物，解决DNA复制的末端隐缩，保证染色体的完全复制。而端粒酶具有对端粒的延伸作用，使之处于一种不断伸缩的动态平衡中，端粒酶也可以修复断裂的染色体末端。端粒和端粒酶的存在保证了染色体或基因组的稳定性，与细胞的正常分裂有关。最近的研究表明端粒和端粒酶与人的衰老、癌症有重要关系。

关键词：端粒 端粒酶 衰老 癌症

2009 年10 月5 日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将2009 年度诺贝尔生理学或医学奖(The Nobel Prize in Physiology or Medicine)授予3 位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―发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的‖。 Blackburn 和Szostak 发现端粒的一段特殊DNA 序列能使染色体不被降解[1]，而Greider 和Blackburn 则找到了帮助端粒合成的分子——端粒酶。最初端粒和端粒酶的研究只是为了解决染色体复制的难题，但随着研究的深入人们发现了端粒和端粒酶的其他作用——细胞随着端粒的变短而衰老，而当端粒酶的活性足以维护端粒的长度时，细胞将会延迟衰老；在癌细胞得到永生性这一过程中，端粒酶的激活起了非常重要的作用。

[2]

1 端粒和端粒酶的发现

最早观察染色体末端的科学家始于19世纪末期，Rabl[3]在1885年注意到染色体上所有的末端都处于细胞核的一侧。20世纪30年代，两个著名的遗传学家McClintock B 和Muller HJ[5]

发现了染色体的末端可维持染色体的稳定性和完整性。Muller将它定义为―telomere‖。

[6]

James Watson最早就明确指出了这个\"末端隐缩问题\"，并猜想染色体也许可以通过在复制前联体（染色体末端跟末端连起来）的方式来解决末端复制的问题。 30多年前，Hayflick[7]

[4]

首次提出将体外培养的正常人成纤维细胞的―有限复制力‖作为细胞衰老的表征。在此过程中，细胞群中的大部分细胞经历了一定次数的分裂后便停止了，但它们并没有死亡，仍保持着代谢活性，只是在基因表达方式上有一定的改变。于是Hayflick猜测细胞内有一个限制细胞分裂次数的―钟‖，后来通过细胞核移植实验发现，这种―钟‖在细胞核的染色体末端——端粒。Blackburn和Gall[8] 于1978年首次阐明了四膜虫rDNA分子的末端结构，他们发现这种rDNA每条链的末端均含有大量的重复片段，并且这些大量重复的片段多是由富含G、C的脱氧核苷酸形成的简单序列串联而成。在1985年，CW.Greider和EH.Blackburn发现将一段单链的末端寡聚核苷酸加至四膜虫的提取物中后，端粒的长度延长了，这就说明了确实有这样的一种酶存在[2]，并将它命名为―端粒酶‖（telomerase）。之后，耶鲁大学Morin于1989年在人宫颈癌细胞中也发现了人端粒酶[9]。

2 端粒和端粒酶的结构与功能

端粒是存在于真核生物线性染色体末端，由串联重复的短的dsDNA 序列及其相关的蛋白所组成的DNA 蛋白复合体。dsDNA中的一条为富G 链，以5'→3' 指向染色体末端，比另一条互补链长8 ～12 个碱基。端粒既有高度的保守性，又有种属特异性。如四膜虫重复序列为GGGGTT，草履虫为TTGGGG，人为TTAGGG。端粒具有两种相关蛋白，一为端粒结合蛋白（telomere binding proteins，TBP）是一类特异结合在端粒DNA 上的蛋白质，如发酵母中的蛋白质RAPI，哺乳类动物细胞中的蛋白质TRFI。二为端粒相关蛋白（telomere

associated proteins TAP），是一类与TBP 结合的蛋白质，如酿酒酵母中的SIR3/SIR4 和RIFI。它们与端粒结合蛋白质结合，分别发挥建立端粒静止效应和调节端粒长度的作用。

端粒DNA 主要功能有：第一，保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解；第二，防止染色体相互融合；第三，为端粒酶提供底物，解决DNA复制的末端隐缩，保证染色体的完全复制。众所周知，真核DNA是线性DNA，复制时由于模板DNA 起始端为RNA 引物先占据，新生链随之延伸；引物RNA 脱落后，其空缺处的模板DNA 无法再度复制成双链。因此，每复制一次，末端DNA 就缩短若干个端粒重复序列，即出现真核细胞分裂中的―末端复制问题‖。当端粒缩短到一定程度时即引起细胞衰老，故端粒又称―细胞分裂计时器‖。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。同时，端粒又是基因调控的特殊位点，常可抑制位于端粒附近基因的转录活性（称为端粒的位置效应，TPE）。

端粒酶又称端粒末端转移酶（Telomerase），是一种逆转录酶，相对分子质量在200～500 ku，是由蛋白质和RNA 构成的核糖核蛋白体。端粒酶由端粒酶成份(hTR)，催化亚单位(hTRT/hEST2)和端粒酶相关蛋白1(TEP1)3个亚单位组成，可调控端粒的复制，其中hTR充当模板，hTRT/hEST2是决定端粒酶活性的限速决定子。TEP1可能是介导端粒酶与其他分子相互作用的调节亚单位[10]。

端粒酶具有对端粒的延伸作用，在没有端粒酶的细胞中，端粒会逐渐缩短直至损害基因；有端粒酶存在的细胞，则该酶会不断补充新的端粒，使之处于一种不断伸缩的动态平衡中。正是端粒酶的存在维持了大多数组织的端粒长度，从而抵消了因细胞分裂而导致的端粒DNA 的消耗[11]。端粒酶的另一个功能是修复断裂的染色体末端。当断裂的染色体末端有富G、T DNA存在时，即使没有完整的端粒重复序列存在，它也能被端粒酶作为引物DNA并为之延伸端粒序列。因修复断端免遭外切酶对染色体DNA的更多切割，端粒酶在某种意义上讲也维护了基因组的稳定性。此外，在端粒合成中端粒酶还具有去除错配碱基的纠错作用，不仅可以除去错配碱基，还可除去延伸超过模板范围的碱基。

3 端粒、端粒酶与衰老

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。关于衰老的学说有多种， 其中端粒学说由Olovnikov[12]于1973年提出，认为在细胞分裂的过程中，端粒起缓冲作用，但是当端粒缩短到一定程度就会失去缓冲作用，从而导致细胞衰老。Harley等[13]

提出了较为完备的端粒——端粒酶假说，认为正常细胞的端粒缩短到一定程度时会启动终止细胞分裂的信号，使细胞进入第一危机期M1(crisis M1)并退出细胞周期而老化。 人体成纤维细胞染色体在复制过程中的极限现象（即Hayflick细胞分裂极限，一般低于50～60次）和染色体端粒不断地缩短的现象，染色体DNA 每复制一次，端粒就缩短一截，人体成纤维细胞端粒每年会缩短十几个碱基。说明染色体末端重复序列TITFAGGG（端粒）在细胞衰老过程中特异地依赖DNA 复制而丢失。当染色体端粒短到一定长度时，细胞的繁殖就不能再继续进行，细胞分裂次数便达到了极限进而导致细胞和整个生物体的死亡。

端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar[14]等证实的。如果细胞试图要维持其正常分裂，那么就必须阻止端粒的进一步丢失，并且激活端粒酶。Davis T等[15 ]研究发现， Werner 综合征患者的端粒长度与他们的衰老程度相对应，端粒越短，患者的衰老程度越严重。如果增强Werner 综合征患者成纤维细胞的端粒酶活性，就可以延长细胞寿命，控制衰老的进程。

端粒长度以及端粒酶基因变异这两个原因将使人类的寿命更长。正常体细胞中，随着细胞的不断分裂，染色体末端的端粒序列便会不断缩短，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，使细胞出现衰老。

4 端粒、端粒酶与肿瘤

Shay等总结了近年来各种恶性肿瘤组织、癌旁组织、癌前组织及良性肿瘤组织中的端粒酶活性[16]。发现90％的恶性肿瘤组织的端粒酶活性呈阳性：而癌旁组织的阳性率只有6％ ，而且很可能是因为TRAP法很敏感从而使混入其中的极少量恶性肿瘤细胞同时也被检测出来的缘故；良性肿瘤和癌前组织的阳性率分别为14％，而正常组织。除少数种类外。其阳性率均为0。所以端粒酶活性显然是恶性肿瘤的一种标志。

端粒——端粒酶假说认为：当端粒酶活性的缺乏，端粒的长度便缩短到一定程度时，细胞进入危机期M1。如果细胞此时被病毒转染，或者某些抑癌基因如：P53、Rb等发生突变，则细胞越过M1期继续分裂，端粒继续缩短而到达另一个关节点M2，此时染色体出现各种异常形态，大量细胞死亡。但有极少数细胞在此阶段激活端粒酶，染色体形态得到稳定，从而逃避M2危机，成为无限增殖的―永生化细胞‖。(immortalized cells)，即肿瘤细胞。

恶性肿瘤发生的端粒酶理论[ 17 ]认为，端粒酶的激活是恶性肿瘤发生学上的一个共同途径，端粒酶与恶性肿瘤之间的相关性，使它在肿瘤的治疗上有望成为行之有效的新的靶目标。端粒酶主要存在于恶性肿瘤，而在大多数正常组织中没有活性或活性极低，同时端粒酶在恶性肿瘤中发生，尤其在肿瘤的发展中起着关键的作用，通过各种方法抑制端粒酶的活性，可以有效地抑制大多数肿瘤的生长，而对大多数正常细胞没有大的影响。

最近对缺失端粒酶的小鼠研究表明[18 ] ，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。

5 结语

不可否认端粒和端粒酶的发现能获得诺贝尔奖，是因为它跟衰老和癌症的潜在关系获得了更多公众的关注。但是迄今为止它只是衰老和癌症的相关者，勉强算得上指示者，还远不是引起者。其他问题如端粒酶是怎样激活的？同一种肿瘤为何有的表达有的则不表达端粒酶？无端粒酶表达的细胞是如何逃避衰老而成为无限增殖细胞？尽管如此，我们相信科学的足够发展终将揭开这些问题的神秘面纱。

参 考 文 献

1．Szostak J W，Bla ckburn E H．Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors [J]．Cell，1982，29（1）：245-255． 2．Grieder C，Blackburn E．Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena

extracts [J]．Cell，1985，43：405-13．

3．Rabl，C Uber Zelltheilung Morphologisches Jahrbuch 1885，10：214-330．

4．McClintock B．The stability of broken end of chromosome in Zea mays [J]．Genetics，1941 ，41：234-282． 5．Muller HJ．The Remaking of chromosomes [J]．The collecting net. Woods Hole，1938，13：181-198． 6．Watson，J.D．Origin of concatemeric T7 DNA [J]．Nature: New biology，1972，239：197-201．

7．Hayflick L．The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains [J]．Exp.Cell Res，1965，37：614-636． 8．Blackburn EH，Gall J G．A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA

genes in Tetrahymena[J]．J Mol Bio．1978；120：33-53．

9．Morin GB，et al．The human telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ri-bonucleoprotien that

synthesizes TTAGGG repeats．Cell，1989，59：521-529．

10．Takakura M，kyo S，Kanaya T，et al．Cloning of human telomerase catalytic subunit gene promoter and

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11．Blackburn EH．Switching and signaling at the telomere [J] ．Cell，2001，106 (6) ：661 - 673．

12．Olovnikov A M．A theory of marginotomy．The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis

of polynucleotides and biological significance of the phenomenon [J]．J Theor Biol，1973，41(1) ：181-190．

13．马永红，党荣理，任立松等．端粒酶的研究进展[J]．生物技术通报，2008，1：75-78．

14．Bodnar A G，Ouellette M，Frolkis M，et al．Extension of life-span by introduction of telomerase into normal

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fibrob -lasts involve both p53 - dependent and p53 – independent mechanisms[J ]．J Cell Sci，2003，116(Pt 7) ：1349 - 1357．

16．Shay JW，Baccheti S．Eur J Cancer，1997，33：787-791．

17．RhyuM S．Telomeres，telomerase，and immo rtality[J]．J N atlCancer In2 st，1995，87：884．

18．Gonzalez E，Samper E，Fllers JM，et al．Telomerase2deficientmice with short telomeres are resistant to skin

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