[摘 要] 端粒是真核生物线性染色体末端的特殊结构。大量研究表明:端粒与端粒酶的异常与人体衰老、肿瘤 、心血管疾病的产生等有密切关系。本文旨在研究端粒在这些过程中的变化及其生物学功能,并揭示端粒异常与各类疾病间的关系。
[关键词] 端粒 端粒酶 衰老 肿瘤 心血管病
端粒是真核细胞染色体末端的特殊结构,由简单的串联重复DNA序列组成,正常情况下随细胞分裂而缩短,端粒长度是决定细胞增殖能力和寿命的分子标志,因此被称作细胞衰老的生物钟,另外端粒的损耗与心血管疾病的诱发有密切联系。端粒酶是一种核糖核蛋白酶,属于逆转录酶家族。端粒酶的异常激活往往导致肿瘤的产生。对端粒与端粒酶的研究对这些疾病的临床治疗具有重要的指导意义。
1.端粒与端粒酶
1.1端粒的结构
端粒是真核细胞线性染色体末端一段特殊的DNA蛋白质复合物,由富含鸟嘌呤的DNA串联重复序列和端粒结合蛋白组成,具有高度的保守性。端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成的,染色体末端沿着5"到3"方向的链富含GT。在人体中,端粒序列为TTAGGG/CCCTAA。
端粒在空间上形成T环和D环.并形成四链螺旋结构.称为G一四链螺旋(G一四链体)。一种模型认为,富含G的单链重复亚单位(TrAGGG)可自身折回,通过G—G碱基对,形成发夹型结构。两个来自不同染色体的发夹型结构相互结合形成G一四链体;这种特殊的空间结构赋予了端粒特殊的功能。
1.2端粒的功能
端粒在人体内扮演着极为重要的角色。首先,DNA复制过程中存在“末端复制问题”,染色体每经一次细胞分裂都会缩短。端粒的存在可以缓冲DNA在每一次分裂程中由于“末端复制问题”造成的染色体缩短,所以端粒维持定的长度在维持染色体的稳定性方面有重要作用。其次,端粒可以防止染色体相互融合,并为端粒酶提供底物,解决DNA复制的末端隐缩,保证染色体的完全复制。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。
1.3端粒酶及其功能
端粒酶是一种逆转录酶,由RNA模板和端粒酶逆转录酶两部分组成,可以以自身的RNA为模板合成端粒,在端粒酶活化的组织细胞中维持端粒的长度。人的大多数体细胞端粒酶无活性,随着端粒缩短而衰老死亡。端粒酶主要存在于生殖细胞、胚胎细胞,在造血干细胞、外周血淋巴细胞等分裂旺盛的细胞中有低表达。
端粒酶利用其自身hTR所携带的RNA为模板,在hTERT的逆转录催化下,将端粒重复序列合成到染色末端,延长或稳定了随着细胞分裂而进行性缩短的端粒,在细胞永生化及恶性肿瘤的发生和发展中起到了重要的作用。端粒酶的重新激活是癌变细胞一个带有普遍性意义的生物学标志,被认是细胞癌变的一个重要细胞生物学异常事件,是细胞永生化肿瘤发生的关键步骤。
2.端粒及端粒酶异常与各类疾病的关系
2.1 端粒与细胞衰老
端粒长度是不断变化的。由于“末端复制问题”的存在,端粒的DNA序列随着染色体的复制和细胞的分裂而不断缩短,当端粒的长度达到一个临界值时,将不能形成正常的三维结构,无法保护染色体。染色体失去稳定性,发生畸变、断裂或缺失,细胞分裂停止,细胞将进入衰老和死亡。另外,端粒长度受到氧化应激作用而加快磨损,造成染色体的损伤。
细胞老化在基因表达和细胞增殖能力方面的相关改变,很大程度上受端粒的控制。直接从活体组织获得的细胞,端粒长度与生理年龄呈现负相关,即来源于老年人的细胞其端粒长度短于年轻人。细胞培养证明,细胞每分裂1次,端粒大约缩短150个碱基。当端粒变得“相当短”时。细胞就进入增殖老化阶段,这样端粒似乎可以作为生物钟,来“通知”细胞是年轻还是年老。从更深层次上来说,端粒长度可能会影响其附近基因的表达。端粒长度在癌细胞中起重要的作用,而且端粒长度维持异常也与早老综合征相关:患有先天性角化不良病的患者.维持正常端粒功能所必需的蛋白质存在缺陷。且端粒长度明显比正常个体短。
从以上分析可知,端粒的长度是细胞衰老的重要指标。常见的端粒长度测定方法有DNA印迹、荧光原位杂交(FISH)、双链引物原位杂交(PRINS)等。
2.2端粒与心血管疾病
目前发现,原发性高血压、动脉粥样硬化、心力衰竭、心肌梗塞等心血管疾病和心血管病事件与端粒长度的变化相关。端粒长度的变化贯穿于心血管病的发生发展过程中,并对心血管病的预后产生影响。端粒缩短可引发心肌细胞凋亡。
端粒缩短伴随着心血管病的发生发展。0ba和0gami分别研究了人外周血单核细胞和冠状动脉上皮细胞,发现冠心病患者染色体端粒长度比正常对照要短。短端粒人群5年内发生冠心病的危险是端粒较长人群的两倍。Starr等对19例1921年出生的人群白细胞端粒长度进行检测,发现端粒长度与缺血性心电图改变相关,外周血白细胞端粒长度与缺血性心脏病的风险呈负相关。Mathews 检测了动脉粥样硬化血管和正常血管的血管平滑肌细胞端粒长度,发现端粒的长度与动脉粥样硬化严重程度呈负相关。端粒缩短与早发性心梗相关,短端粒人群比正常人群心梗的发生率高3倍左右。在73岁以下人群中,端粒长度每减少1kb发生心梗的危险性增加3.08倍,发生中风的危险性增加3.22倍。
将外源性TERT导入成年心肌细胞中重新激活端粒酶,是实现心肌细胞永生化和保护冠状动脉内皮细胞端粒不缩短的有效方法。这将会修复损伤的心肌,为心力衰竭患者提供心脏移植的自体供体以减少排斥反应,防止冠状动脉内皮细胞衰老以预防冠状动脉硬化,同时可通过测量端粒长度来判断冠状动脉硬化进展程度。Murasawa等在鼠后肢缺血的模型中移植转染了hTERT的内皮祖细胞,结果发现患肢毛细血管密度增加,挽救了缺血的后肢。McKee等在人主动脉平滑肌细胞上使hTERT的过度表达,增加了端粒长度,延长了细胞寿命。Oh等发现,在小鼠心肌中强制TERT表达足以援救端粒酶活性和端粒长度,用病毒导入TERT基因,无论在体外体内都可提供保护避免凋亡。边昶等构建含有hTERT和猿猴病毒40大TcDNA片段的逆转录病毒载体,转染人原代脐静脉内皮细胞,能使人脐静脉内皮细胞永生化,保持内皮细胞性状不改变。以上的这些研究成果表明:以端粒为切入点,心血管疾病的治愈率将会大大提高。
2.3端粒酶与肿瘤
端粒酶是一种核糖核蛋白酶,,由人端粒酶逆转录酶(hTERT)、人端粒酶RNA组分(hTR)以及人端粒酶相关蛋白(hTEP1等)组成。端粒酶利用其自hTR所携带的RNA为模板,在hTERT的逆转录催化下,将端粒重复序列合成到染色体末端,延长或稳定了随着细胞分裂而进行性缩短的端粒,在细胞永生化及恶性肿瘤的发生和发展中起到了重要的作用。
经过对人类正常组织器官和几乎所有的肿瘤组织内端粒酶活性状态的检测,结果显示端粒酶活性出现于绝大多数的恶性肿瘤组织中,而正常组织中除生殖细胞和部分造血干细胞外,均未见有明显的端粒酶活性。因此,端粒酶活性被视为相对特异性的恶性肿瘤的标记物,而成为肿瘤治疗学研究的新靶点。
抗肿瘤治疗的主要目标是使抗肿瘤药物特异性针对肿瘤胞从而减少对正常细胞的副作用。hTERT在多数肿瘤细胞中特异表达,成为区分肿瘤细胞和正常细胞的标志。由于hTERT在正常细胞中不表达或极少表达,那么基于hTERT构建的复制性腺病毒就能很方便聚集于肿瘤细胞而对正常细胞无影响,提高病毒对肿瘤杀伤的特异性。目前以端粒酶hTERT为靶点的肿瘤免疫治疗的主要策略是诱导hTERT特异性T淋巴细胞免疫反应尤其是CTL的反应,以期能特异地杀死hTERT阳性肿瘤细胞。在肝癌细胞中,8O～90%癌细胞表达端粒酶将源于端粒酶hTERT HLA—A2 4022限制性的抗原表位导人肝癌患者中,能诱导hTERT特异性CTI免疫反应,针对hTERT的特异性细胞毒T细胞能有效杀死肝癌细胞。端粒酶及其抑制剂的研究,对于肿瘤的早舰诊断和治疗有着及其重要的意义,针对端粒酶治疗肿瘤是较有发展前景的方法。相信随着人们对端粒酶与肿瘤关系的深入研究,不久的将来会产生一系列针对端粒酶治疗的药物,从而为肿瘤的治疗提供一种新的途径。
结语:端粒和端粒酶的研究是近年来生理学、临床医学、生命科学领域的焦点。2009年诺贝尔生理医学奖授予了发现了染色体端粒的Elizabeth Blackburn、Carol Greider和Jack Szostak也证实了这一点。随着研究的进一步深入,端粒的神秘面纱将会被一层层揭开,困扰人类的各类疑难杂症的解决也将不会变得遥不可及。
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