医学类论文《端粒、端粒酶与衰老》.docx

端粒、端粒酶与衰老端粒系统与衰老、癌症 摘要 端粒是真核生物染色体的天然末端，由许多重复序列及相关蛋白质组成的复杂结构，具有稳定染色体结构，避免遗传信息在复制过程中丢失的作用。端粒酶是一种核酸蛋白复合体，是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶，由RNA单链和结合的蛋白成分共同构成，在大多数的正常人体细胞中没有活性。衰老不仅仅是生长不可逆的停滞，而且涉及到功能的改变;衰老细胞分泌的细胞因子可能会引起组织功能和统一性的下降，这是端粒功能异常通过细胞衰老造成的影响，端粒与端粒酶同衰老是密不可分的。此外，在约85%的肿瘤细胞中检测到了端粒酶活性，这表明端粒系统(端粒、端粒酶)同癌症之间也存在相关性。 随着对端粒和端粒酶研究的不断深入 ,发现端粒系统与衰老、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 ;若激活端粒酶 ,就可以增加细胞分裂次数 ,从而延长寿命。 关键词 端粒 端粒酶 衰老 癌症 前言 近年来，端粒系统(端粒、端粒酶)同人类衰老的关系是生命科学研究的热点之一。端粒是真核生物染色体的天然末端，由许多重复序列与调节蛋白组成的特殊复合体，具有防止染色体末端降解、融合而起到保护染色体完整性，避免遗传信息在复制过程中丢失，维持细胞稳定性的作用。端粒酶是一种核酸蛋白复合体，是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶，由RNA单链和结合的蛋白成分共同构成，能利用自身RNA为模板合成端粒DNA，弥补随着细胞有丝分裂逐渐缩短的端粒长度，但在大多数的正常人体细胞中没有活性。研究发现:“衰老者的端粒缩短”，因此对端粒及端粒酶的研究，将有助于阐明细胞衰老的机制，对抵抗衰老具有重要的理论和实际意义。此外，在近年来的研究中，在约85%的肿瘤细胞中检测到了端粒酶活性。这些事实表明端粒系统(端粒、端粒酶)同癌症之间也存在相关性。 1、 端粒系统 1.1 端粒 端粒是细胞必需的遗传组分，因为它能够补偿染色体末端遗传信息的丢失。在复制过程中，染色体末端的碱基对缓慢地丢失。这种丢失是必要的，因为RNA引物需要一定量的DNA序列(通常在末端)做模板来开始自身的复制过程。由于染色体末端有了端粒，从而使得复制从端粒开始，而不是从实际的染色体开始，这样便可以避免有意义编码序列的丢失。形象的说，端粒的作用好比鞋带末端的塑料头，这些塑料头在第带和解带时可以保护鞋带末端的免遭破损，这恰似端粒在复制起始时发挥的保护DNA链的作用。 早在20世纪30年代，缪勒(Muller)和麦克林托克(Meclintock)等就已发现了端粒结构的存在。1978年，Blackburn和Gall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，因此将这种可使染色体保持稳定的末端称之为端粒。此后，许多学者又分别测定了十几种低等真核生物的端粒DNA，发现这些真核生物末端的DNA组成与结构相同四膜虫rDNA分子末端极为相似，都是由特定的基本序列单元即端粒序列大量重复而构成的。几乎所有的真核细胞都存在端粒，对于一个给定的真核生物物种，它一定具有特征性的端粒DNA序列。研究表明，人类的这段序列为TTAGGG。 1.2 端粒酶 细胞经过多次复制分裂后，端粒是否会耗尽呢,是否存在着某种物质可以影响端粒的长度呢,1985年，Blackburn实验室在四膜虫细胞核撮物中首次发现并纯化了一种物质，它具有端粒特异性末端转移酶活性，可以不依赖于-DNA聚合酶和DNA模板使端粒序列自我复制从而延长并维持端粒长度。Blackburn将之命名为端粒酶。 研究得知，端粒酶是由小分子RNA和蛋白质组成的一种自身携带模板的核糖核酸蛋白酶，它能够利用自身RNA为模板合成端粒DNA，作为依赖RNA的一种特殊DNA聚合酶，属逆转录酶。其中，镶嵌在蛋白质内部的核酸为端粒酶将六聚体核苷酸连接到染色体末端提供模板，是端粒酶呈现活性的必需组分。 体外重建端粒酶显示，端粒酶功能行使最低限度需要两个部分，RNA组分和催化亚单位。通过纯化端粒酶全酶可知，人类端粒酶复合物的分子量约为5001500 kDa，与hTR和hTERT有关的其它亚单位是端粒酶复合物的一部分。研究表明，端粒酶主要具有两个功能，一是端粒酶能自主地对端粒DNA富含G的链进行延长，而富含G的链又能通过GC配对使其终端回折形成特殊的发卡结构，这样DNA复制时新链5端缺失就可以得到补齐，这就为真核生物解决了DNA末端复制问题。另一功能是修复断裂的染色体末端，从而避免了外切酶对染色体DNA更多的切割，维护了基因组遗传的稳定性。断裂染色体末端即使没有完整的端粒重复序列存在，但如有富含G、T的DNA存在，它也能被端粒酶作为引物DNA并为之延伸端粒序列，从而修复染色体断裂末端。 自从首次在卵巢癌细胞组织中发现端粒酶的活性以来 ,目前采用 P C R (基因扩增 )技术 ,已在 9 0%的肿瘤细胞中检测到有活性的端粒酶。正常细胞的端粒酶无活性 ,只有胚胎组织、生殖细胞、造血干细胞中的端粒酶才具活性。但外周血的淋巴细胞的端粒仍随年龄的增长而缩短 ,成人骨髓造血干细胞的端粒也比胚胎造血于细胞短 ,说明正常细胞中端粒受精密调控。细胞分裂较快的组织 ,端粒酶的活性较高 ,而细胞分裂较慢的组织 ,端粒酶的活性较低 ,将永生细胞与正常细胞杂合 ,端粒酶的活性下降 ,说明杂合细胞中的端粒酶受到抑制。 2、 端粒系统与衰老 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。生物的机体由细胞构成，生命存在于活细胞中，故生命的衰老起始于细胞。单细胞真核生物中的端粒长度必须一直维持，而人类细胞在正常情况下是非永生的，其端粒在许多体细胞中较短。 2.1 端粒-端粒酶假说 GryfeR等于1997年提出了关于细胞衰老和永生学说，认为人的正常体细胞分裂次数达到界限时，染色体端粒长度缩短到一定程度，有丝分裂便不可逆地被阻断在细胞周期的G1期和G2/M期之间的某个时期，这时的细胞便进入了老化期，随后死亡。如果细胞被病毒感染，或p53、RB、p16INK4、ATM、APC等肿瘤抑制基因发生突变，或Kras等原癌基因被激活，或DNA错配修复基因(如hMSH2等)发生突变，或某些基因DNA序列发生了高度甲基化，或仅发生了低度甲基化，从而(在未发生核甘酸突变的情况下)改变了该基因的表达，此时细胞便能越过阻断点继续进行有丝分裂。随着有丝分裂进行，端粒长度不断缩短，缩短到一定程度时，染色体发生结构畸变，大部分细胞便死亡，少部分细胞激活了端粒酶活性，不断合成端粒DNA补充端粒的长度，端粒不再缩短，细胞便获得无限分裂增生能力而成为永生化细胞。这说是端粒-端粒酶假说 该假说已为越来越多的研究所证实。如Hastie发现人结肠端粒限制性片段(TRF)随着供体年龄增加而逐渐缩短，平均每年丢失33 bp的重复序列。 Allospp等用人成纤维细胞研究端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系时也发现，年龄越小，初始端粒长度越长，有丝分裂能力亦越强;反之，在一些早老性疾病患者体细胞中，TRF长度明显短于同龄正常人，体外培养这些细胞时，其有丝分裂能力较正常人也明显减弱,8,。杨仕明等人在分析正常人胃粘膜TRF长度时，也得出相似的结论，随着年龄的增加，其TRF长度有递减的趋势，且供体年龄与TRF长度呈明显负相关(r=0.05，P0.01)，端粒重复序列每年平均丢失(41?12)bp左右。 2.2 端粒与衰老 研究证明，端粒与细胞寿命的控制密切相关。人类端粒长度大约215 kb，由于存在末端复制问题，DNA每复制1次，端粒DNA就会丢失50200bp，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。因此，端粒也被称为细胞的“生命钟”。 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，以后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。 2.3 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”。 美国巴尔的摩一位妇女亨利埃塔?拉克丝于1951年在她31岁时因患胃癌去世 ,从她体内取出的癌细胞 ,至今仍在实验室里不停地分裂增殖 ,检测其中端粒酶的含量 ,具有高度活性 ,说明端粒酶在癌细胞增殖活动中扮演重要角色。 2.4 端粒、端粒酶与衰老的实验研究 尽管端粒激发细胞衰老的确切机制需要进一步阐明，但大量的实验数据证明，端粒、端粒酶同衰老之间存在相关性。 目前在正常组织中的支持证据有:(1)在多数体细胞中，老年个体的端粒长度较年轻个体短得多，某些细胞，如T、B淋巴细胞中的端粒酶活性随年龄的增加而下降。(2)年轻个体细胞中的端粒随年龄增长而逐渐缩短。(3)需要无限分裂能力的谱系细胞、干细胞的端粒长度较长，且具有较高的端粒酶活性;而大多数具有有限增生能力的体细胞的端粒较短，不表达或仅低度表达端粒酶的活性。(4)增生能力强的细胞及永生细胞表达端粒酶活性，即使同一组织的不同部分，其分裂能力也与端粒酶活性成正比，如在毛发生长初期的毛囊中，含有分裂活性细胞的部分表达端粒酶活性，而低度分裂活性细胞部分则表达较低水平的酶活性。(5)端粒酶阴性的细胞在引入端粒酶后，可维持端粒的长度，细胞增生能力增强，甚至细胞永生化。 也有一些实验结果并不支持上述观点。如端粒在人血液细胞中随着年龄的变化复杂，在人免疫系统的某些细胞中端粒的长度不断增长，而癌细胞中仍有少数并不表达端粒酶的活性。此外，虽然在人体许多衰老的组织中可见端粒的缩短，但尚未有确切证据证实是因为端粒缩短造成了细胞衰老或细胞危机，这就需要有更新的实验方法来证实。 综上所述，衰老不仅仅是生长不可逆的停滞，而且涉及到功能的改变;衰老细胞分泌的细胞因子可能会引起组织功能和统一性的下降，这是端粒功能异常通过细胞衰老造成的影响。端粒与端粒酶同衰老是密不可分的，虽然现在理论假说很难全面，但是已经证明了同衰老有着紧密相关性的因素端粒系统(端粒与端粒酶)。 3、 端粒系统与癌症 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，不少学者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。这似乎在告诉人们，端粒酶活性的变化也许是伴随细胞恶化而产生的。 许多学者在对癌细胞进行研究的过程中发现，永生化是癌细胞所具有的显著行为，也就是说，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。这似乎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。 根据目前的假说可以看出，衰老可能是由端粒的缩短导致， 这似乎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。为了避免衰老而导致癌症，这显然不是人们激活端粒酶的初衷。那么如何能恰当、正确的发挥端粒/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。 此外，对于端粒抑制剂的研究也在紧锣密鼓的展开了。Colorado大学的两位研究人员Thomas Cech 和Robert Weinbrg博士已独立地克隆出一种控制人类细胞端粒酶活性的基因。应用这种基因，很有可能得到一种新的蛋白质一端粒酶的控制剂。虽然这距离能直接用于人体试验的时间还很遥远，但这毕竟为人类征服癌症以及其它的同衰老有