2019年端粒端粒酶与细胞衰老的关系

1、天津农学院端粒端粒酶与细胞衰老的关系农学系生物技术及应用学号：1201093109姓名：赵国庆1. 【摘要】 研究显示，端粒酶活性被激活，可维护端粒的长度，细胞将会延缓衰老，避免癌变。此外，端粒酶的发现还在理论上丰 富和发展了分子肿瘤学，据研究显示 90%的人体肿瘤与端粒酶相 关，若我们通过端粒酶活性的检测，提前预知肿瘤的发生，从而 提前预防和治疗，或者若我们能使癌细胞中的端粒酶再度 “休眠”, 恶性肿瘤就会停止生长，以此来治疗癌症。2. 【关键字】 端粒端粒酶肿瘤癌症衰老染色体1概念1.1端粒;真核生物线性染色体的末端具有一种特殊的结构。端粒(telomere)是保护真核细胞染色体末端并维持

2、其完整的特殊的DNA/蛋白质复合物。1.2端粒酶：是一种由RNA和蛋白质组成的酶，RNA和蛋白质都是 酶活性必不可少的组分。端粒酶可看做是一种反转录酶。 端粒酶组成 中的RNA可作为模板，催化合成端粒的 DNA片段。2结构2.1端粒的结构端粒是短的多重复的非转录序列(TTAGGG )及一些结合蛋白组 成特殊结构，除了提供非转录 DNA的缓冲物外，它还能保护染色体 末端免于融合和退化，在染色体定位、复制、保护和控制细胞生长及 寿命方面具有重要作用，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。 当细胞分裂一次，每条染色体的端粒就会逐次变短一些， 构成端粒的 一部分基因约50200个核苷酸会因多次细胞分

3、裂而不能达到完全复制（丢失），以至细胞终止其功能不再分裂。因此，严重缩短的端 粒是细胞老化的信号。在某些需要无限复制循环的细胞中，端粒的长 度在每次细胞分裂后被能合成端粒的特殊性 DNA聚合酶-端粒酶所 保留。2.2端粒酶的结构端粒酶由三部分组成：端粒酶RNAJhTR）、端粒酶协同蛋白（hTP1） 和端粒酶逆转录酶（hTRT。兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能。 端粒酶通过一种称为爬行模型的机制维持染色体的完整。其作用靠端粒酶RNA辨认及结合母链DNA并移至3'端，开始逆转录复制，延伸 足够长度后，端粒酶脱离母链，DNA-pol取代之，此时3'端折回来， 同时起引物和模板的作

4、用，在 DNA-pol催化下完成末端双链的复制。培养的人成纤维细胞随着培养传代次数增加，端粒长度逐渐缩短。 而且生殖细胞端粒长于体细胞，成年人细胞端粒比胚胎细胞端粒短， 都可以说明细胞老化和端粒酶活性下降有关。基因突变、肿瘤形成时，端粒可表现缺失、融合或序列缩短等现象， 临床中也发现某些肿瘤细胞的端粒比正常同类细胞显著缩短，虽然不绝对说明端粒酶决定端粒长度。但一定程度能说明端粒酶和癌变有关 系。3功能3.1端粒的功能稳定染色体末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5'末端在消除RNA引物后造成的空缺。组织培养的细胞证明，端粒在决定动植物细胞的寿命中起着重要 作用，经过多代培养的

5、老化细胞端粒变短，染色体也变得不稳定。细胞分裂次数越多，其端粒磨损越多，寿命越短。通常情况下,运动加速细胞的分裂，运动量越大，细胞分裂次数越多，因此寿命越 短。所以体育运动一定要适可而止。3. 1. 1端粒与衰老：端粒有长短，一般来说，端粒的长度是随年龄增加而越来越短的。 端粒消失，会使染色体发生畸变，从而使人类细胞丧失复制能力，最 终导致细胞衰老。端粒酶，则具有调控端粒长短的能力，其活性也随 年龄大小而不同，年轻时，活性大，较容易延长端粒，这是年轻人不 易显老的原因。此外，男性端粒长度缩短略快于女性，这也是男性平 均寿命低于女性的原因。研究认为，延缓衰老的方法主要是降低身体新陈代谢速率，如少

6、 吃少饮。新陈代谢率越高，细胞分裂次数就越多，端粒缩短越快，寿 命也就越短。另外用药物刺激体内的干细胞，弥补衰老损耗的细胞， 也能延长端粒长度，以至延缓老化，其中生长激素的抗衰老效果比较 肯定，如用生长激素注射法可以调动干细胞 f类似物来延长端粒。-TTTAGGG-3 /组成，长约5 15bp。端粒和结合蛋白组成核蛋 白复合物，进化上有高度的保守性【3】。端粒酶的核心成分是端粒酶RNA(TER)和端粒酶反转录酶 (TERT)，其中TER亚基是合成端粒DNA的模板，对于端粒酶的结 构和催化活性都十分重要，而 TERT仅在端粒酶阳性细胞中正常表 达，其它组织细胞不表达或活性较低。TERT基因由三个

7、结构域组成： N端、中心结构域和C端。N端与端粒酶活性、RNA结合、蛋白的 聚集和端粒延伸有关，中心结构域含有端粒酶特有的一些基序， 保守 性较高，相反C端保守性较低。3. 1.2端粒与肿瘤据实验研究证明，恶性肿瘤细胞中具有较高活性的端粒酶，它能 维持癌细胞端粒的长度，使其无限制扩增。在众多肿瘤疾病中，端粒 对妇科肿瘤的发生发展关系最为密切，其中包括宫颈癌、子宫内膜癌、 卵巢癌、妊娠滋养细胞肿瘤等。Sakamoto等用PCR及TRAP法检 测了妇科肿瘤组织中端粒酶的表达，发现肿瘤组织中端粒酶的表达显 著高于正常组织。现已知在 95%左右的妇科恶性肿瘤中，有 60%左 右的癌前病变或交界性肿瘤中

8、存在端粒酶活性，而仅3.75 %的良性病变表达出了端粒酶活性。这些结果说明，端粒酶的活化普遍存在于 妇科恶性肿瘤中，并且参与了肿瘤的早期发生，可以认为是肿瘤恶变 或恶性肿瘤发生的征兆。对于端粒酶活性引起的肿瘤发生，近年来也研究了一些抑制剂。 以反义核苷酸抑制剂为代表的端粒酶抑制剂， 能通过各自不同的作用 机制抑制端粒酶的活性，从而最终致使肿瘤细胞的凋亡，以达到肿瘤 治疗的作用。3. 1.3端粒与心血管疾病：目前有多项研究表明，端粒与一些年龄相关的疾病（如动脉粥样硬 化、冠心病）的形成有关。Huzen等的研究指出，在活体中，淋巴细 胞端粒长度在动脉粥样硬化患者较无动脉粥样硬化对照组短，动脉粥样硬

9、化斑块端粒的长度同斑块的特点及发展与心血管事件相关。Scott等的研究也提示，心血管疾病中的端粒缩短可能是冠心病的新 的、独立的危险因素。在近期的研究中也提出，发展成动脉粥样硬化 血管组织中的端粒长度，较没有发展成动脉粥样硬化的血管组织中的 端粒长度短。以上多项研究均表明，动脉粥样硬化的发生、发展与端 粒长度的变化有明显关系。目前国内尚无外周血白细胞端粒长度及酶 活性与老年痴呆或AD关系的报道，诸多与端粒和衰老有关的基础性 问题还有待探讨。3.2端粒酶的功能端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作 用，端粒酶能延长缩短的端粒（缩短的端粒其细胞复制能力受限）， 从而增强体外细胞

10、的增殖能力。端粒酶在正常人体组织中的活性被抑 制，在肿瘤中被重新激活，端粒酶可能参与恶性转化。端粒酶在保持 端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方 面有重要作用。细胞中有种酵素负责端粒的延长，其名为端粒酶。端 粒酶的存在，算是把DNA克隆机制的缺陷填补起来，藉由把端粒修 复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗， 使得细胞分裂克隆 的次数增加。但是，在正常人体细胞中，端粒酶的活性受到相当严密的调控，只 有在造血细胞、干细胞和生殖细胞，这些必须不断分裂克隆的细胞之 中，才可以侦测到具有活性的端粒酶。当细胞分化成熟后，必须负责 身体中各种不同组织的需求，各司其职，于是，端粒

11、酶的活性就会渐 渐的消失。对细胞来说，本身是否能持续分裂克隆下去并不重要，而 是分化成熟的细胞将背负更重大的使命，就是让组织器官运作，使生 命延续，但不是永续，这种世代交替的轮回即是造物者对于生命设计 的巧思。端粒酶调控端粒酶的调控是精细而复杂的，1995年Bednarek首先报道了人类正 常细胞端粒酶活性的调节2。他采用体外致有丝分裂原刺激正常人 T,B细胞,发现端粒酶活性明显上升，第1次用实验证明端粒酶是一种 可以调节的酶。随后,人们采用CD3单抗诱导，使淋巴细胞端粒酶活性 增高。说明端粒酶活性可出现于正常细胞中，也提示抗原抗体介导的 端粒酶活性在人类T细胞增殖中发挥重要作用。3端粒酶与肿

12、瘤3. 2.1端粒酶与肿瘤发生学的关系目前肿瘤发生的详细过程尚未完全了解，但已明确肿瘤发生需要基因 改变的积累，新近提出了肿瘤形成的新理论，即端粒-端粒酶假说3,将 端粒与端粒酶与细胞衰老及肿瘤的发生紧密联系起来。该假说实际上是端粒缺失和端粒酶激活假说。端粒酶的激活使端粒的长度得以稳定 细胞获得无限增殖能力，成为永生细胞(Immortalcell),而获得永生是细 胞癌变的关键步骤。当抑癌基因P53和Rb发生突变或癌基因Ha-ras 激活等因素影响细胞后，细胞越过第1致死期(M1)进入第2致死期 (M2),最终越过第2致死期，获得永生性，但对于细胞如何越过M2知之 甚少。从此假说可以发现端粒酶

13、可以作为一种新型肿瘤标志物，还可 通过抑制端粒酶的活性来杀死肿瘤细胞。 该假说的提出主要基于以下 发现#正常体细胞随年龄的增加端粒逐渐缩短；?胚系细胞及胚胎组 织端粒酶活性阳性，同时具有较长的端粒；大部分肿瘤细胞端粒较短 而端粒酶活性升高；&老年人易患肿瘤。3.2.2端粒酶在肿瘤中的表达端粒酶的激活和端粒的延长与肿瘤细胞的永生性有密切的联系。通过近几年的研究发现端粒酶和肿瘤细胞之间存在相互激发的关系。端粒酶通过合成端粒DNA而稳定端粒长度,正常细胞中端粒长度是一定的 每一次细胞分裂都会引起端粒长度的缩短，当端粒完全耗尽时细胞发 生死亡;而由于肿瘤细胞有端粒酶的存在，因此,当每一次细胞分

14、裂引 起端粒的缩短后端粒酶可以延长端粒的长度使肿瘤细胞的端粒保持 在一定长度，肿瘤细胞因此而获得永生。端粒酶在肿瘤组织中表达阳 性率很高,在大多数人类原发性肿瘤衍生细胞系中均可测得端粒酶活 性。Kim等在400多例来源与10种不同组织的原发肿瘤中发现端粒 酶的阳性率达84.4%,而肿瘤周围正常组织或良性病变阳性率仅为 4.2%,其端粒活性存在显著差异，从而显示了其在肿瘤诊断上的高度 敏感性。端粒酶活性在妇科癌症中可作为一个有利于诊断和预后的工具，在其肿瘤组织中端粒酶有较高的阳性率，如在卵巢癌、宫颈癌和子宫内膜 癌中其阳性率分别为86%,83%和92%4。另有研究表明，端粒酶检 出率在食管癌和癌

15、旁组织间具有显著差异。这可能与癌旁组织与肿瘤 的距离有关。<5cm的范围内阳性率为66.7%;>5cm的范围内阳性率 为13.2%,提示癌旁组织中可能有残存微小癌灶或不典型增生病变，这可作为确诊和判断预后的标志。3.2.3端粒酶抑制剂及反义寡核苷酸治疗肿瘤的研究目前，主要研究方向是利用端粒酶抑制剂来治疗肿瘤，以及研究端粒酶 在肿瘤组织中的表达与耐药、凋亡的相关基因的联系。根据端粒酶与 肿瘤的关系提出的治疗肿瘤的方法有 2种，一种是由Greider提出的 反义寡核苷酸结合RNA模板区域阻断端粒酶活性的方法，用携带突变 RNA的病毒重组体媒介转染体内肿瘤细胞，当突变的RNA大量表达 后

16、，可与野生型RNA竞争端粒酶蛋白，形成含突变RNA的复合物。 Feng等对人端粒酶RNA模板序列TRC3进行点突变及翻译调控，发 现人Hale细胞不仅平均长度缩短、端粒酶活性下降或消失，而且肿瘤 细胞的生长受到明显抑制。另一种是促进细胞产生端粒酶抑制剂。最 近的研究发现诱导肿瘤向终末期分化能导致端粒酶活性下降，也可成 为端粒酶抑制疗法之一，这可能与肿瘤细胞向终末分化时分泌了一种 端粒酶抑制物质有关。但上述新疗法也存在一定的缺点，因为骨髓造 血干细胞和精原细胞也有端粒酶的活性，端粒酶抑制疗法可能影响这 些细胞的正常功能，但在一般情况下干细胞处于静息状态，而且其端粒 酶片段比肿瘤细胞的长，如果适当

17、控制端粒酶抑制疗法的疗程，可以避 免出现严重副作用。此外端粒酶被抑制后不是立即停止生长，最好是 与化疗和放疗并用。4发展史4.1发现史20世纪70年代初，对DNA聚合酶生化机制的深入了解引申出了一 个“复制问题”：由于DNA聚合酶需要RNA引物来起始DNA复制， 线性染色体DNA每复制一轮，都将缩短一个 RNA引物的长度（1）。这意味着细胞需要引入特殊的机制来解决这个“末 端复制问题”。而早在1939年，McCIintock报道，在减数分裂后期 产生的染色体断裂很容易重新融合起来，而在紧接着的有丝分裂中，这种染色体“断裂融合桥断裂”的循环将不断继续（2）。人们从而推测，染色体的自然末端应该不同

18、于一般的DNA断裂末端，它有一个特殊的结构来避免染色体间的相互融合。在逐渐明晰了染色体末端特殊结构，即端粒的概念后，Blackburn实验室于1978年第一次报道，四膜虫（Tetrahymena thermophila的染 色体外线性rDNA的端粒是由重复的5 'CCCCAA-3 '序列组成的（3）。 1984年，Blackburn实验室通过将酵母端粒克隆到线性 人工染色体的 方法，发现酵母（Saccharomyces cerevisia®的端粒序列是由不太规 则 的 TG1-3/C1-3A 组成的（4,5）。在同一篇文章中，Blackburn实验室发现了一个有趣的现

19、象：带着四 膜虫端粒的人工线性染色体导入到酵母后，被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒（5）。当时人们普遍 倾向于认为同源重组是端粒延 伸的机制，但是同源重组无法回答以上的现象。一个更为合理的解释是：端粒的复制是由专门的酶来承担的。在四膜虫接合细胞的的大核发育过程中，大核的染色体断裂成几百个 小染色体，每一个 小染色体都被从头加上了端粒。可以很容易推测， 如果假说成立，此时细胞内的“酶”活性应该是非常高的。结果Blackburn实验室的Greider果真从大核的裂解液中，发现了 能延伸 体外合成的四膜虫端粒DNA的酶活性。这种酶活性不依赖于模板， 因而命名为端粒末端转移酶活性（6）。但很快他们

20、发现这种酶活性是依赖于 RNA的：当样品用RNase处理 后，酶活性消失了（7）。1989年，他们从四膜虫的近亲Euplotes中克 隆了端粒酶的RNA亚基，它的一段RNA序列正好和四膜虫的端粒序 列互补（5,8）。1994年，Gottschling实验室克隆了酵母端粒酶的 RNA 亚基（9）。1995年，Blackburn实验室报道了酵母端粒酶的活性（10）。几年后,在1997年，Lingn er等用生化的手段纯化了四膜虫Euplotes aediculatus端粒酶 复合体，其中的p123蛋白后来被证明是 端粒酶的催化亚基（11）。同一时期，Lundblad实验室用遗传学的方法 筛选到了几

21、个与酵母端粒复制密切相关的基因，其中的 EST2后来 被 证明编码酵母端粒酶的催化亚基（12,13）。随着对这个领域了解的不断深入，现在我们可以用如下概括的语言描 述端粒和端粒酶：端粒是在真核细胞染色体末端的核酸和蛋白组成 的特殊结构，用于保护染色体，防止其降解和末端之间的融合，并且保证染色体的完全复制；典型的端粒DNA由简单的重复序 列构成；在多数的真核细胞中，端粒是由一种核蛋白酶，即端粒酶，利用 自身的RNA亚基作为模板来复制的。4.2诺贝尔奖“端粒和端粒酶是如何保护染色体的”2009 年，美国的三位科学家 Elizabeth H Blackburn、Carol W -Greider和Ja

22、ck W - Szostak发表了题为“端粒和端粒酶是如何保护染色体的” 而共同获得诺贝尔生理学或医学奖。也是从这一重大研究成果开始， 端粒和端粒酶的研究为人类衰老和肿瘤带来了福音。端粒是真核细胞染色体末端的帽子样的结构，它具有稳定染色体末端 结构，防止染色体DNA降解和末端融合，保护染色体结构基因，调 节正常细胞生长等作用。同种生物不同组织的细胞，甚至相同组织的 不同细胞由于处于不同的生命时相，端粒的长度也不一样。由此可发现端粒的长度跟细胞的寿命、衰老与死亡有密切关系，所以端粒的长 度被称为“生命时钟”。端粒酶(telomerase是种以自身RNA为模板，将端粒 DNA合成至 染色体的核糖核蛋白复合物(ribonucleoprotein, RNP)。端粒长度的维 持需要端粒酶的激活。所以端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细 胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。端粒酶的活 性存在于人的生殖细胞、肿瘤细胞、永生化细胞系和再生性组织中， 一般情况下酶的活性处于抑制状态，只有当端粒体受到损伤的时候， 端粒酶才被激活。由于端粒和端粒酶对肿瘤和癌症的发生有很大关系，所以近年来，端 粒和端粒酶的研究也比较多，且主要是在妇产