端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能

1、端粒和端粒酶研究及應(yīng)用黃品清10102106摘要：端粒是真核生物染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu) ，由端粒DN府口端 粒相關(guān)蛋白組成，它能維持染色體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能 ，保護(hù)其免受 核酸酶降解，防止其末端融合或重排等。當(dāng)端粒長(zhǎng)度因細(xì)胞復(fù)制而縮 短到極限時(shí)，細(xì)胞就會(huì)走向衰老甚至死亡，而端粒酶的存在能補(bǔ)充已 縮短的端粒從而延長(zhǎng)細(xì)胞壽命甚至使其得到永生。端粒(telomere)是染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)，它的存在及其特殊構(gòu) 象的維持，是保護(hù)線性染色體末端、順利完成DN脈端復(fù)制所必需的。 端粒具有穩(wěn)定染色體末端、解決末端復(fù)制不完整等多重功能。端粒酶 (telomerase)是對(duì)抗正常復(fù)制過程中端粒的縮短、 維持真核

2、生物染色 體長(zhǎng)度的關(guān)鍵酶，在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)尤為強(qiáng)烈。自“端?？s短是觸發(fā) 細(xì)胞衰老的分子鐘”的假說提出后，科學(xué)家們已通過實(shí)驗(yàn)提供了大量 證據(jù)來證明該假說，隨著對(duì)端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能研究的深入， 它們成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。一、端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒(telomere)是保護(hù)真核細(xì)胞染色體末端并維持其完整的特 殊的DNA/蛋白質(zhì)復(fù)合物，它像“帽子” 一樣扣在染色體的兩端，從 而維護(hù)染色體的完整性和穩(wěn)定性，防止染色體被降解、融合和重組，便分裂后得到的子代細(xì)胞能準(zhǔn)確的獲得完整的遺傳信息.1、端粒DNA勺結(jié)構(gòu)端粒DN油兩條長(zhǎng)短不同的DN犍構(gòu)成，一條富含G,另一條富含Co 富含G勺那條鏈5'

3、3'指向染色體末端，此鏈比富含 CcW鏈在其3' 末端尾處可多出1216個(gè)核甘酸的長(zhǎng)度，即3'懸掛鏈(3 overhangstrand), 一定條件下能形成一個(gè)大的具有規(guī)律性很高的鳥 喋吟四聯(lián)體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是通過單鏈之間或單鏈內(nèi)對(duì)應(yīng)的G殘基之間形成Hoogsteen堿基配對(duì)，從而使4段富含G勺鏈旋聚成一段的四鏈體 DNA也有人認(rèn)為，端粒GJ序列可以形成穩(wěn)定的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，它和四聯(lián) 體結(jié)構(gòu)都被認(rèn)為與端粒DNA勺保護(hù)功能有關(guān)。不同物種端粒的重復(fù)序 列和長(zhǎng)度是不一樣的，人類的端粒 DN岫5' 一TTAGGG3'反復(fù)串 聯(lián)而成，不具有編碼任何蛋白質(zhì)功能，進(jìn)化上高度保

4、守，總長(zhǎng)度約5一 15kb,隨著每次細(xì)胞分裂的進(jìn)行，染色體末端丟失 50200bp。 2、端粒結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)端粒結(jié)合蛋白包括端粒酶、保衛(wèi)蛋白復(fù)合體(sheherin)和非保衛(wèi) 蛋白。保衛(wèi)蛋白復(fù)合體由端粒重復(fù)序列結(jié)合因子l(TRFl),端粒重復(fù)序列結(jié)合因子(TRF2)。端粒保衛(wèi)蛋白1(P0rrl) , TRFl相互作用核蛋白 (TIN2) , TIN2相互作用蛋白l(TINTl)及阻抑和活化蛋白1趣印1)組成， 各分布在染色體端粒上，能保持端粒結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定。非保衛(wèi)蛋白有 DNAI復(fù)蛋白R(shí)ADSONBSl月瓜E11, Ku8矯HDNAPKc,各分布不局限在 端粒上。這三類端粒結(jié)合蛋白協(xié)同參與端粒

5、動(dòng)態(tài)平衡的維持和調(diào)節(jié)。 3、D-loop T-loop 結(jié)構(gòu)假說1999年Griffith 等提出端粒結(jié)構(gòu)的D-loopT 100p說。端粒 的3'突出部侵入到端粒重復(fù)序列后形成 Tloop,同時(shí)通過單鏈GH 的TTAGGG環(huán)的端口內(nèi)側(cè)與 CCCTAA基互補(bǔ)形成100200堿基對(duì)的 D-loop。T一 100P的形成為端粒的保護(hù)作用提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并 很好地解析了端粒對(duì)染色體的保護(hù)作用，因?yàn)槎肆？s短到極限長(zhǎng)度時(shí) 已無法形成T-loop ,使端粒失去了保護(hù)功能。染色體不能完整地復(fù)制 導(dǎo)致細(xì)胞死亡。4、端粒與細(xì)脆衰老病關(guān)系的新假說2000年Blackbern提出了新的端粒與細(xì)胞衰老關(guān)系

6、假說：端粒在 正常的細(xì)胞分裂時(shí)能動(dòng)態(tài)地從戴帽狀態(tài)向非戴帽狀態(tài)來回變換，處于前者時(shí)，細(xì)胞能繼續(xù)分裂，處于后者則會(huì)引發(fā)細(xì)胞周期阻滯。當(dāng)一定 量的端粒因多次分裂而縮短到不能形成戴帽狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞將走向衰老甚至死亡。而激活端粒酶后。端粒便能以同源重組的式使非戴帽狀態(tài) 返回到戴帽狀態(tài)，逃回過復(fù)制衰老而繼續(xù)分裂。這個(gè)假說與端粒的 D-loopT-100P帽子結(jié)構(gòu)可以說是相互呼應(yīng)，因?yàn)?T- 100P的形成需 要一定長(zhǎng)度的端粒。從另一個(gè)角度說，端粒的進(jìn)行性縮短使其難以恢 復(fù)戴帽狀態(tài)。由于3'懸掛末端的丟失會(huì)引起T-loop結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo) 致端粒末端的非戴帽狀態(tài)。因此，stemart等提出，3'

7、懸掛末端的丟 失才是觸發(fā)復(fù)制衰老的信號(hào)，揭示了與衰老相關(guān)的端粒結(jié)構(gòu)改變分子 學(xué)機(jī)制。5、端粒在生物體中的功能目前認(rèn)為端粒的主要功能包括：(1)保護(hù)染色體末端防止被核酶降解或被化學(xué)修飾或融合以及非正 常重組，維持其完整性；(2)與其中蛋白質(zhì)共同參與染色體的定位和復(fù)制，使細(xì)胞得以正常 分化或繁殖；(3)反映細(xì)胞分裂的能力與壽命。事實(shí)證明，大多細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度 與細(xì)胞的分裂能力有關(guān)，越長(zhǎng)分裂能力越高，反之亦然。我們也能通 過細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度和分裂一次端?？s短的長(zhǎng)度來估計(jì)細(xì)胞的壽命去 挑選合適的細(xì)胞做相關(guān)的研究。二、端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能端粒酶于1984#由shpay等發(fā)現(xiàn)，它是由端粒酶RNAJ和蛋白質(zhì)組 成

8、的核糖核蛋白酶，直接參與端粒的形成，是一種能將真核生物染色 體末端DNA以延長(zhǎng)的核酸蛋白復(fù)合物。1、端粒酶的結(jié)構(gòu)成分端粒酶包括3個(gè)組分：端粒酶RNA(telomeraseRNA TR),端粒酶 相關(guān)蛋白質(zhì) 1(telomeraseassociated - proteinl , TPl),端粒酶催化 亞單位（TelomeraseReverseTranscriptase , TERT方2、各成分的特點(diǎn)hTR人類端粒酶RNA是人類端粒酶合成端粒DNA勺模板，它是 端粒酶發(fā)揮作用所必須的。由于正常體細(xì)胞中都會(huì)存在hTR卻幾乎沒有端粒酶的活性，而且在多種腫瘤細(xì)胞中測(cè)得的 hT商端粒酶活性 也不平行，因而

9、它不能反映端粒酶活性高低。TPl在端粒酶活性的調(diào)節(jié) 中有重要作用，但有證據(jù)表示它不是端粒酶發(fā)揮活性作用所必須的。 hTERT含有7個(gè)基元的轉(zhuǎn)錄酶，在端粒酶的激活中起關(guān)鍵作用，在無 細(xì)胞的情況下將hT濟(jì)DhTERTI合在一起即可表現(xiàn)端粒酶活性，是端粒 酶活性的限速亞單位。hTERTH Rk平與端粒酶的活性成正相關(guān)： 將載 有hTERTS因的質(zhì)鵝轉(zhuǎn)染端粒酶隱性的成纖維細(xì)胞，可重建端粒酶活 性：使hTERTS因突變，細(xì)胞則不表現(xiàn)端粒酶活性。同一組織的不同 部分，細(xì)胞分裂能力與端粒酶活性成正比， 如在毛發(fā)生長(zhǎng)初期的毛囊 中，含有分裂活性細(xì)胞的部分表達(dá)端粒酶活性，而低度分裂活性細(xì)胞 部分則表達(dá)較低水平的

10、酶活性。3、端粒酶的主要功能目前認(rèn)為端粒酶的主要功能是維持染色體末端的端粒序列，即延長(zhǎng)端粒DN寤含G勺鏈，使其形成G-四聯(lián)體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。保護(hù)染色體。 端粒酶還能修復(fù)已斷裂的染色體末端，從而抵消因細(xì)胞分裂而導(dǎo)致的 端粒DN屈消耗，維護(hù)遺傳信息的完整性。此外，端粒酶能合成串聯(lián) 重復(fù)的TTAGGG列，這提供了 TRF2吉合位點(diǎn)，有助于防止染色體末端 的融合。三、端粒系統(tǒng)與癌癥端粒酶可能在癌細(xì)胞的生長(zhǎng)過程中扮演重要角色。加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)黑素瘤的擴(kuò)散能夠通過抑制端粒酶的活性來 阻止。這項(xiàng)研究首次將端粒酶與糖酵解聯(lián)系在一起。糖酵解是身體中消耗葡萄糖并產(chǎn)生乳酸的糖代謝途徑。端粒酶和糖酵解關(guān)系

11、的確立對(duì)了解端粒酶和糖酵解的功能產(chǎn)生很大的影響。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)支持了通過抑制端粒酶來治療癌癥的基本原理。在這項(xiàng)研究中，研究人員通過對(duì)小鼠的基因表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)皮膚癌細(xì)胞中8個(gè)與葡萄糖代謝有關(guān)的基因在細(xì)胞中端粒酶被抑制 時(shí)，表達(dá)水平降低了。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一種端粒酶抑制劑引入到黑素瘤細(xì)胞中時(shí)， 黑素 瘤細(xì)胞開始發(fā)生變化，細(xì)胞恢復(fù)了以前的喪失的功能，如產(chǎn)生色素的 功能。由于乳酸的積累會(huì)使細(xì)胞變得很酸，控制色素生產(chǎn)的蛋白質(zhì)能夠 被關(guān)閉-這意味著葡萄糖代謝當(dāng)與轉(zhuǎn)移性腫瘤的端粒酶聯(lián)合起來時(shí)起 到一個(gè)關(guān)鍵的作用。正常細(xì)胞中，端粒是每個(gè)染色體末端的單練 DNA, 并且會(huì)隨著細(xì)胞的分裂逐漸縮短。端粒酶在發(fā)生異常的

12、細(xì)胞如癌細(xì)胞 中被活化，它能恢復(fù)端粒長(zhǎng)度并使它們分裂和生長(zhǎng)。因此，端粒酶在 90%的人類癌癥中發(fā)生了過表達(dá)。美國(guó)德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Woodring Wright教授的研究組發(fā)現(xiàn)人類染色體末端的DNA即端粒結(jié)構(gòu)有助于治療癌癥。端粒與細(xì) 胞分裂有關(guān)，它會(huì)隨著細(xì)胞分裂逐次縮短，同時(shí)也意味著細(xì)胞的衰老。 但是，許多癌細(xì)胞都含有一種叫做端粒酶的特殊酶。 這種酶能夠延長(zhǎng) 端粒的長(zhǎng)度，從而破壞了端粒隨細(xì)胞分裂不斷縮短的自然規(guī)律，使細(xì)胞得到永生，即細(xì)胞無控制地進(jìn)行擴(kuò)增瘋長(zhǎng)-癌細(xì)胞的特征。研究人員推測(cè)，能夠影響此機(jī)制的藥物將可能用于減緩正常細(xì)胞 的老化、抑制端粒酶活性來治療癌癥。而且對(duì)端粒長(zhǎng)度的控制機(jī)制的

13、了解，可能促進(jìn)癌癥的治療。Wright教授和Jerry Shay教授已經(jīng)研發(fā)出有助于延緩老鼠體內(nèi)肺癌 細(xì)胞擴(kuò)散的抗端粒酶藥物，并且目前正進(jìn)行人體試驗(yàn)以確定其安全性。 研究人員還指出抗端粒酶藥物還需要與其它手段聯(lián)合使用才能有效 治療癌癥：這類藥物將可能作為手術(shù)或化療等傳統(tǒng)療法之間的連接， 從而防止未被殺死的癌細(xì)胞擴(kuò)散身體的其他組織中去。四、端粒系統(tǒng)與其老衰老是生物在生命過程中整個(gè)機(jī)體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能逐漸衰退 的綜合現(xiàn)象。生物的機(jī)體由細(xì)胞構(gòu)成，生命存在于活細(xì)胞中，故生命 的衰老起始于細(xì)胞。單細(xì)胞真核生物中的端粒長(zhǎng)度必須一直維持， 而 人類細(xì)胞在正常情況下是非永生的，具端粒在許多體細(xì)胞中較短。Gry

14、feR 等于1997年提出了關(guān)于細(xì)胞衰老和永生學(xué)說，認(rèn)為人的 正常體細(xì)胞分裂次數(shù)達(dá)到界限時(shí)，染色體端粒長(zhǎng)度縮短到一定程度， 有絲分裂便不可逆地被阻斷在細(xì)胞周期的 G1期和G2/M期之間的某個(gè) 時(shí)期，這時(shí)的細(xì)胞便進(jìn)入了老化期，隨后死亡。如果細(xì)胞被病毒感染， 或p53、RB p16INK4 ATM APC?腫瘤抑制基因發(fā)生突變，或 Kras 等原癌基因被激活，或DNA1配修復(fù)基因（如hMSH騫）發(fā)生突變，或 某些基因DNAff列發(fā)生了高度甲基化，或僅發(fā)生了低度甲基化，從而 （在未發(fā)生核甘酸突變的情況下）改變了該基因的表達(dá)，此時(shí)細(xì)胞便能 越過阻斷點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行有絲分裂。隨著有絲分裂進(jìn)行，端粒長(zhǎng)度不斷縮

15、短，縮短到一定程度時(shí)，染色體發(fā)生結(jié)構(gòu)畸變，大部分細(xì)胞便死亡, 少部分細(xì)胞激活了端粒酶活性，不斷合成端粒 DN儲(chǔ)卜充端粒的長(zhǎng)度,端粒不再縮短，細(xì)胞便獲得無限分裂增生能力而成為永生化細(xì)胞。這說是端粒-端粒酶假說該假說已為越來越多的研究所證實(shí)。如Hastie發(fā)現(xiàn)人結(jié)腸端粒限 制性片段(TRF)隨著供體年齡增加而逐漸縮短，平均每年丟失33 bp的重復(fù)序列。Allospp等用人成纖維細(xì)胞研究端粒長(zhǎng)度與年齡及有 絲分裂能力的關(guān)系時(shí)也發(fā)現(xiàn)，年齡越小，初始端粒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，有絲分 裂能力亦越強(qiáng)；反之，在一些早老性疾病患者體細(xì)胞中，TRF長(zhǎng)度明顯短于同齡正常人，體外培養(yǎng)這些細(xì)胞時(shí)，具有絲分裂能力較正常人 也明顯減弱

16、。楊仕明等人在分析正常人胃粘膜 TRF長(zhǎng)度時(shí)，也得出相 似的結(jié)論，隨著年齡的增加，其TRF長(zhǎng)度有遞減的趨勢(shì)，且供體年齡 與TRF長(zhǎng)度呈明顯負(fù)相關(guān)(r=0.05 , P<0.01),端粒重復(fù)序列每年平均 丟失(41± 12) bp左右。研究證明，端粒與細(xì)胞壽命的控制密切相關(guān)。人類端粒長(zhǎng)度大約 215 kb,由于存在末端復(fù)制問題，DNA每復(fù)制1次，端粒DNAM會(huì) 丟失50200bp,隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，端粒 DNA也在進(jìn)行性地 縮短，當(dāng)縮短到一定限度后，便不能維持染色體的穩(wěn)定，使細(xì)胞失去 了分裂增殖能力而衰老死亡，這種縮短就是衰老的標(biāo)志。因此，端粒 也被稱為細(xì)胞的“生命鐘”。1

17、973年Olovfnikov博士首次提出了端粒丟失與衰老關(guān)系的理論。 他認(rèn)為端粒的丟失可能是因?yàn)槟撤N與端粒相關(guān)的基因發(fā)生了致死性 的缺失，以后許多人對(duì)該理論進(jìn)行了進(jìn)一步闡明。目前認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)端粒酶活性的缺失將導(dǎo)致端?？s短，這種縮短使得端粒最終成為不能 被細(xì)胞識(shí)別的末端。這并不是說端粒不存在了，而是說端粒短到了一 個(gè)臨界長(zhǎng)度，端粒一旦短于此長(zhǎng)度，就可能導(dǎo)致染色體雙鏈的斷裂， 并激活細(xì)胞自身的檢驗(yàn)系統(tǒng)，從而使細(xì)胞進(jìn)入 M1期死亡狀態(tài)。隨著 端粒的進(jìn)一步丟失，將會(huì)發(fā)生染色體重排，雙著絲粒染色體和非整倍 體染色體的形成，這將進(jìn)一步導(dǎo)致危機(jī)的產(chǎn)生，即M2期死亡狀態(tài)。如果細(xì)胞要維持其正常分裂，那么就必須阻

18、止端粒的進(jìn)一步丟失， 并 激活端粒酶，細(xì)胞進(jìn)行正常染色體復(fù)制。對(duì)于那些無法激活端粒酶的 細(xì)胞將只能面臨衰老的結(jié)果。端粒長(zhǎng)度的縮短可以激發(fā)細(xì)胞老化，一種可能是染色體末端端粒 DNA序列的丟失釋放了端粒結(jié)合轉(zhuǎn)錄因 子，該因子或者激活了衰老誘導(dǎo)基因，或者滅活了細(xì)胞周期進(jìn)行所必 需的某些基因。另一種可能是端粒長(zhǎng)度縮短誘導(dǎo)了 DN硼傷反應(yīng)，導(dǎo) 致細(xì)胞周期受阻。沉默基因機(jī)制認(rèn)為：染色體末端端粒長(zhǎng)度縮短破壞 了端粒周圍染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致這一區(qū)域的基因表達(dá)而誘導(dǎo)細(xì) 胞衰老?？梢?，端粒結(jié)構(gòu)不僅僅是在于維持染色體長(zhǎng)度所必需的，而 且端粒的變化可引起生命狀態(tài)的變化。端粒的長(zhǎng)度是由端粒酶決定的。正常人的體細(xì)胞經(jīng)

19、多次分裂后， 端?？s短，但如果在端?？s短的同時(shí),激活端粒酶，就能以自身的 模板合成端粒，以彌補(bǔ)端粒的缺損，維持染色體的穩(wěn)定性，使細(xì)胞 免于衰老死亡而獲得生存，發(fā)展成為“永生細(xì)胞”。美國(guó)巴爾的摩一位婦女亨利埃塔？拉克絲于1951年在她31歲時(shí)因患胃癌去世，從她體內(nèi)取出的癌細(xì)胞，至今仍在實(shí)驗(yàn)室里不停地分裂增殖，檢測(cè)其中端粒酶的含量，具有高度活性，說明端粒酶在癌細(xì) 胞增殖活動(dòng)中扮演重要角色。五、結(jié)語盡管端粒和細(xì)胞衰老及腫瘤之間有一定的聯(lián)系，但將端粒技術(shù)臨 床應(yīng)用還需要付出很大努力。同時(shí)，如何把握細(xì)胞永生化和癌化之間 的界限，這是最關(guān)鍵也是最困難的瓶頸。而端粒作為細(xì)胞分裂的計(jì)數(shù) 器，在生物界是否具有普

20、遍性，也需要進(jìn)一步探討。端粒和端粒酶作 為一個(gè)整體，如何在細(xì)胞體內(nèi)發(fā)揮生物功能作用，如何協(xié)調(diào)部分細(xì)胞 衰老和存活，這也是今后研究的重點(diǎn)之一。參考文獻(xiàn):1 . Gomez DE ,Tei era AMHve kroaever s i bl e t el ere shor teni 3®Zjyd(2-, 3-dideoxyt i di ne( AZT)t reat meBt JJiBi ophys Res ComM98 246( 1) 107-1102 . Gr if f i t h，上Daul,LRosenf i eld,e tMamma1i ant el 0°er es end i n a l argp di Cleex1l l。1999 97(4) 503-5043 . s t eWar t s Aen-Por at h,I Gar ey , et al ,Eros i on of t hetelere stat e , not telomerse10ssJ sci ence2 002 295(