端粒与细胞衰老及肿瘤诊断、治疗的关系

田慧敏

（赤峰学院 医学院，内蒙古 赤峰 024000）

端粒与细胞衰老及肿瘤诊断、治疗的关系

田慧敏

（赤峰学院 医学院，内蒙古 赤峰 024000）

端粒是染色体两端的膨大结构，其与细胞的寿命、衰老、死亡密切相关.目前肿瘤细胞因端粒酶活性异常增强己被认为是肿瘤诊断、治疗靶位点之一.

端粒；衰老；肿瘤

2009年10月，美国3位科学家伊丽莎白·布莱克本，卡萝尔·格雷德，杰克·绍斯塔克因发现端粒、端粒的功能并阐明了在维持端粒的长度和结构稳定中端粒酶的作用，而获得了诺贝尔生理学或医学奖.

端粒是染色体末端像鞋带头一样的特殊DNA序列，具有保护染色体末端DNA不被核酸酶降解及避免染色体间相互融合的功能.而延长端粒DNA分子长度及稳定其结构的是一种特殊的聚合酶—端粒酶.研究发现，如果细胞中端粒酶的活性足以维系端粒的长度时，细胞将会延缓衰老，甚至达到永生，而端粒酶活性缺乏最终将会导致细胞的损伤，例如Werner综合症患者就存在端粒迅速缩短的现象.

1 端粒和端粒酶的发现

染色体在复制时，首先需要合成RNA引物，DNA聚合酶才会催化核酸片段的3'-OH末端与dNTP间聚合.随着复制的进行，RNA引物不断被降解，DNA聚合酶会以上游DNA片段的3'-OH末端为起点补足缺失片段.但对于链状的染色体DNA来说，其5'末端会因引物降解而造成遗传信息缺失吗？答案当然是染色体并没有随着复制后RNA引物的降解而缩短，也没有发生相互融合.为什么会这样呢？1978年，布莱克本发现四膜虫的染色体末端存在5'-CCCCAA-3'六碱基多重复序列[1]，绍斯塔克同时发现，将小染色体转入到酵母细胞后，很快就被降解了.而布莱克本和绍斯塔克将四膜虫染色体末端的CCCCAA重复序列连接到小染色体上，并转入酵母细胞中，小染色体序列未发生降解，这说明染色体末端这段高度重复序列保护了染色体不被降解[2]，人们给它起了名字—端粒.Lange等进一步研究发现，端粒存在一种t-loop结构[3]，可以与端粒保护蛋白结合[4]，从而避免染色体的降解及末端融合.

因为端粒DNA是由多重复序列构成，故生命科学家普遍认为同源重组是端粒延伸的机制，但在1984年布莱克本将带有四膜虫端粒DNA的人造染色体转入酵母细胞，复制时，该染色体未加载上四膜虫的端粒DNA序列而是酵母的[4].为什么会出现这种现象呢？布莱克本实验室用四膜虫的细胞核抽提液与端粒DNA进行体外温育，发现存在一种专门的“聚合酶”—端粒酶延伸端粒DNA，而非同源重组[5].

2 端粒DNA的复制

端粒DNA是以“爬行式”延长的，端粒酶通过引物特异性识别位点，以其携带的RNA为模板，在染色体末端由5'→3'方向延伸出单链端粒DNA，DNA聚合酶再以该单链DNA为模板合成出完整的双链端粒DNA.复制结束后，5'末端的RNA引物会被RNA酶降解，这也就是端粒DNA 3'末端为什么会有部分单链的“悬突”结构.

端粒酶为什么能够完成这种特殊的复制方式呢？这与其组成密切相关，端粒酶主要由端粒酶相关蛋白1、RNA成分和逆转录酶三部分构成[6].逆转录酶具有依赖RNA的DNA聚合酶活性，可识别富含G的单链引物，其可以端粒酶RNA成分为模板通过碱基互补配对合成DNA序列.

图端粒DNA复制

3 端粒与细胞衰老

研究发现，细胞的衰老与两方面的因素有关，一是DNA损伤，二是随染色体DNA复制次数的增加端粒长度缩短及端粒结构功能发生改变.人成纤维细胞在体外培养时，发现其端粒的长短与该细胞的衰老程度呈负相关，且年轻人的成纤维细胞端粒长度较老年人的长，因此端粒长度的缩短是诱导细胞衰老的生物标记，被认为是衰老的“生物钟”[7]. Takasaki等人研究发现，随着动物年龄的增长，因牙髓染色体端粒长度的缩短不能够得到及时的纠正，会加速机体的衰老[8].近几年的研究发现，衰老不仅仅与端粒的长度相关，也与端粒酶活性密切相关.研究发现，小鼠端粒酶的过表达或低表达，均会导致小鼠的早衰[9].Bodnar等将插入有人端粒酶逆转录酶基因的载体转染到端粒酶负表达的细胞中，使细胞的端粒酶表达恢复的同时，细胞寿命不仅得到了延长，机体衰老的标志物β－半乳糖的表达量也明显下降.端粒酶RNA成分在各种组织细胞中的表达量较恒定[10].因此，细胞衰老过程中，人端粒酶表达量主要由端粒酶逆转录酶基因的表达决定.

4 端粒与肿瘤

正常人体细胞中几乎检测不到端粒酶活性，因此细胞每分裂一次，端粒DNA序列会丢失50bp～200bp.随着细胞的连续分裂，端粒DNA逐渐缩短，细胞会衰老并丧失增殖能力而死亡.但在约85%的肿瘤细胞端粒酶的活性增强，导致其端粒长度异常增加，超长的端粒使得肿瘤细胞获得了无限增殖的能力[11]，端粒酶活性测定成为肿瘤诊断的有效标志物.如郑倩检索并分析了国内外各数据库近十年发表的有关外周血端粒酶活性与肝癌发生、发展相关性的文章，统计发现外周血端粒酶活性的检测是肝癌诊断的较为重要的参考指标之一[12]；刘阳等研究也发现，肝癌患者血清端粒酶逆转录酶基因表达水平明显高于肝炎、肝硬化患者及健康人的水平，检测患者血清端粒酶逆转录酶基因表达水平将有助于肝癌的诊断[13].

端粒酶活性的异常增加也成为肿瘤生物治疗的新靶点.张玲等对中药淫羊藿提取成分淫羊藿甙抑癌机制的研究中发现，淫羊藿甙能够显著性抑制人白血病细胞HL-60端粒酶活性[14]；体外实验发现，汉黄芩素可显著性抑制人卵巢癌细胞端粒酶活性[15]，黎丹戎等通过动物实验也再次验证，汉黄芩对人卵巢癌细胞株SKOV3裸鼠移植瘤及端粒酶活性均具有明显的抑制作用，且抑制强度与剂量成正比例关系[16].

凋亡是机体细胞在发育过程中或在某些因素作用下，通过细胞内基因及其产物的调控而发生的一种程序性细胞死亡.研究发现，肿瘤发生过程中会出现促凋亡基因表达下调，抑凋亡基因表达上调从而抑制肿瘤细胞发生凋亡的现象.近年研究发现，许多抗肿瘤的中草药在诱导细胞凋亡的同时，也会改变端粒酶活性.何松等对苦参碱研究中发现，其可诱导肝癌细胞HepG2凋亡，抑制端粒酶活性，且其引起端粒酶活性下调所需的时间与剂量均少于引起凋亡的，这可能是因为苦参碱对端粒酶的抑制作用发生在对凋亡的诱导作用之前[17].虫草素是中草药冬虫夏草的有效成分，丁向萍等对其抑癌机制的研究中发现，虫草素可能是通过抑制端粒酶的活性，下调NF-κB的表达而诱导肝癌细胞HepG-2的凋亡[18].而张俊峰等对冬凌草甲素诱导肝癌细胞BEL-7402凋亡的机制研究中发现，冬凌虫素可通过降低端粒酶逆转录酶基因的表达而降低该细胞端粒酶的活性，同时下调抗凋亡蛋白Bcl-2及上调促凋亡蛋白Bax的表达而促进肝癌细胞的凋亡[19].

5 展望

三位科学家对于端粒及端粒酶的发现，为细胞衰老机制，肿瘤的发生、发展机制的研究开辟了一个新的领域.大量研究还发，大多数肿瘤细胞存在端粒酶活性异常增加的现象，这也为肿瘤的诊断，治疗开发出了一个潜在的新方向.

〔1〕Blackburn E H,Gall J G.A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNAgenesinTetrahymena[J].JMolBiol, 1978,120(1):33～53.

〔2〕Szostak J W,Bla ckburn E H.Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors[J].Cell,1982,29(1):245～255.

〔3〕Xu Y,Sato H,Shinohara K,et al.T-loop formation byhumantelomericG-quadruplex[J].NucleicAcids Symp Ser(Oxf),2007,(51):243～244.

〔4〕de Lange T.Shelterin:the protein complex that shapes and safeguards human telomeres[J].Genes Dev,2005,19 (18):2100～2110.

〔5〕Greider C W,Blackburn E H.Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts[J].Cell,1985,43(2Pt1):405～413.

〔6〕Feng J,Funk W D,Wang S S,et al.The RNA component of human telomerase[J].Science,1995,269(5228): 1236～1241.

〔7〕Bekaert S，T.De Meyer，P.Van Oostveldt.Telomere attrition as ageing biomarker[J].Anticancer Res,2005,2 (4):2021～3011.

〔8〕Takasaki T,et al.Age estimation in dental pulp DNA based on human telomere shortening[J].Int J Legal Med,2003，117(4):232～234.

〔9〕Geserick C,M.A.Blasco.Novel roles for telomerase in aging[J].Mech Ageing Dev,2006,127(6):579～583.

〔10〕Gire V.Senescence:a telomeric limit to immortality or a cellular response to physiologic stresses?[J].Med Sci(Paris),2005,21(5):491～497.

〔11〕Rodriguez-BrenesIA,Peskin CS.Quantitative theory of telomere length regulation and cellular senescence[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2010,107(12):5387～5392.

〔12〕郑倩.外周血端粒酶检测对肝细胞癌诊断价值的Meta分析[D].重庆医科大学,2014.

〔13〕刘阳,胡梅,吴娅娜，等.肝癌患者血清端粒酶逆转录酶mRNA表达研究[J].武警后勤学院学报,2012,21(3):161～163.

〔14〕张玲,王芸,毛海婷，等.淫羊藿甙抑制肿瘤细胞端粒酶活性及其调节机制的研究[J].中国免疫学杂志,2002,18(3): 191～196.

〔15〕黎丹戎,侯华新,张玮，等.汉黄芩素诱导卵巢癌A2780细胞凋亡及对细胞端粒酶活性的影响[J].癌症,2003,22(8): 801～803.

〔16〕黎丹戎,张汉英,张玮，等.汉黄芩素对人卵巢癌细胞株SKOV3裸鼠移植瘤生长及端粒酶活性的抑制作用[J].中国药理学通报,2007,23(4):534～538.

〔17〕何松,左国庆,张燕，等.苦参碱对肝癌细胞HepG2端粒酶活性调控的体外研究[J].重庆医学，2008,37(3):291～295.

〔18〕丁向萍,马力,魏书堂，等.虫草素诱导人肝癌HepG-2细胞凋亡及对端粒酶活性影响的研究[J].中华肿瘤防治杂志，2008,15(2):109～113.

〔19〕张俊峰,陈规划,陆敏强，等.冬凌草甲素诱导肝癌细胞凋亡中Bcl-2及端粒酶变化的研究[J].中国中药杂志, 2006,31(21):1811～1814.

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