端粒和端粒酶结构与作用的研究进展

张涵渝

（邹平县第一中学 山东 邹平 256200）

1 引言

端粒是真核细胞染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，能够保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期，而端粒酶是核蛋白逆转录酶，可以把端粒修复延长，从而增加细胞分裂次数。端粒和端粒酶与细胞的凋亡、永生以及癌症的发生发展密切相关，研究端粒与端粒酶的结构和功能对深入了解细胞衰老和凋亡及研究癌症有着重要意义。因此，本文就近年来国内外对端粒和端粒酶的研究展开文献综述。

2 端粒和端粒酶

2.1 端粒

端粒位于真核细胞染色体末端，是一段结构富含鸟嘌呤的DNA序列及与之结合的蛋白质的复合体，该复合体像是戴于染色体两端的帽子结构。端粒的DNA序列呈环状结构即D环¬-T环结构[1]。真核生物的端粒序列拷贝重复数目和长度因物种而异，人类端粒主要由5’-（TTAGGG）n-3’重复DNA序列构成。除少数细胞如生殖细胞、干细胞、癌细胞端粒长度保持不变外，绝大多数端粒的长度随分裂次数的增加而逐渐缩短，当到达临界长度时，细胞停止分裂并逐渐衰老或死亡，因此端粒可被当作是“生命的时钟”或“有丝分裂的计数器”[2]。

2.2 端粒酶

端粒酶是一种特异核酸蛋白质复合物逆转录酶，由互补于端粒DNA的RNA亚基和端粒酶催化亚基及端粒酶相关蛋白组成。在人类细胞中，人的端粒全酶由人端粒酶RNA（TR）和人端粒酶其他相关蛋白（hTEP1）与人端粒酶催化亚单位（hTERT）组成，分子量约为500～1500KDa，其中hTERT能够促进产生高活性端粒酶全酶，在端粒酶活性及端粒长度维持中起到决定性作用[3-4]。端粒酶能够以自身RNA为模版，逆转录合成相应的端粒DNA序列并连接到端粒上从而使端粒在细胞分裂中无消耗，进而影响细胞衰老与凋亡。

3 端粒和端粒酶的作用机制

端粒和端粒酶与细胞分裂、衰老、凋亡、永生等密切相关，影响细胞周期和细胞凋亡[5]。

3.1 端粒的作用机制

在DNA复制时，由于引物（带有3’-OH的RNA）的最初占位和最终切除会使DNA母链的一部分序列被遗漏，而端粒重复序列可以有效地对抗这种遗漏。一般DNA每复制一次，端粒就会减短20～50bp，当其短到一定长度后，染色体的继续复制便会导致DNA编码区不完整，染色体将会融合或被降解，细胞则会走向衰老、凋亡等[6]。有学者指出，细胞在每次分裂过程中都会由于DNA聚合酶功能障碍而不能完全复制它们的染色体，因此最后复制DNA序列可能会丢失，最终造成细胞衰老死亡[7]。因此，位于染色体末端的端粒能够代替有功能的染色体序列丢失，有效的避免编码区基因被破坏，保证基因的完整性。

3.2 端粒酶的作用

首先，端粒酶具有逆转录酶活性，能够以自身的RNA为模板，反向合成与端粒互补的DNA序列，加在其末端，防止染色体的末端融合成。此外，端粒酶能够维持端粒的复制，修复断裂的染色体末端，抵消因细胞分裂而导致的端粒的消耗，维护遗传稳定性[8-9]。端粒酶的活性在人胚胎发育过程中逐渐消失，在某些情况下一些细胞能够重新获得端粒酶活性，从而使端粒在染色体复制中不变短，导致细胞出现无限增殖，成为永生化或恶性转化细胞。

4 端粒和端粒酶的应用

4.1 端粒和端粒酶与细胞衰老

细胞的衰老与端粒及端粒酶密切相关，端粒缩短的关键原因是细胞内端粒酶活性的降低或缺失，缩短的端粒不能被细胞所识别，引发细胞衰老[10]。国外研究者发现，皮下注射过定时释放TERT的特殊药物的老鼠体内新长出许多细胞，这是由于该药物重启了老鼠体内休眠的端粒基因，影响端粒酶活性及端粒的长度[11]。此外，我国学者通过检测靶细胞的hTERT基因，发现转入hTERT能够增强哺乳动物的端粒酶活性，这就为延长哺乳动物的寿命提出了新的方案[12]。2015年斯坦福大学发表的一项研究报告给出了新的启示：可以借鉴端粒酶的有力功能，开发一种可控的功能类似端粒酶的“药物”，用于延长端粒，使细胞增寿而不会永生。在该启示下，研究人员目前已研制出了这类药物。

4.2 端粒和端粒酶与肿瘤

研究提示85%～90%的肿瘤细胞中都具有端粒酶活性[13]，这是正常的细胞没有的比例。有学者认为，由于端粒酶的缺失，端粒的长度随着细胞分裂次数的增加而不断缩短，削弱了端粒的保护作用，从而增加染色体的损伤风险，促使肿瘤早期发生。而后期，极少部分癌基因被激活，端粒酶激活，细胞无限增殖，肿瘤恶化[14]。端粒酶抑制剂已被较为广泛的认为是治疗恶性肿瘤的潜在有效疗法。研究显示，端粒酶的竞争性抑制剂伊美司他，能够键合和阻断端粒酶的活性位点使端粒的缩短，细胞周期阻滞和细胞凋亡，从而抑制多种不同的癌细胞，而非竞争性的端粒酶抑制剂BIBR1532能够诱导端粒侵蚀和生长抑制作用，从而发挥抗肿瘤作用[15-16]。

综上，端粒及端粒酶有着特殊的结构，在真核细胞的分裂、衰老及永生等方面发挥着重要调节作用。临床研究显示，端粒酶抑制剂能够高效有选择性地诱导肿瘤细胞的凋亡，虽目前在广泛地运用于抗肿瘤的临床治疗当中仍存在一些问题，但是具有很大的应用前景。因此，不断深入研究端粒和端粒酶的功能及作用机制，对寻求细胞衰老及肿瘤的平衡从而达到同时对抗衰老及肿瘤的作用显得至关重要。

[1]胡建，覃温新，万大方等.端粒及端粒酶研究的最新进展[J].生命科学，2001，13（3）：113-118.

[2]嵩王玉虎，端粒，端粒酶及其与肿瘤关系的研究进展[J].中国综合临床，2007 23（3）：285-286.

[3]王韫芳，王全立，李昕权.肿瘤细胞端粒、端粒酶调节机制研究进展与临床意义[J].国外医学临床生物化学与检验学分册，2002，23（2）：102-104.

[4]Stampfer M R,Yaswen P.Human epithelial cell immortalization as a step in carcinogenesis[J].Cancer letters，2003，194（2）：199-208.

[5]邵晋晨，吴继锋.端粒酶与细胞周期及细胞凋亡关系的研究进展[J].国外医学·生理、病理科学与临床分册，2002，22（1）：36-39.

[6]Mikhelson V M,Gamaley I A.Telomere shortening:The main mechanism of natural and radiation aging[J].Biophysics，2010，55(5)：848-853.

[7]Olovnikov A M.A theory of marginotomy:the incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon[J].Journal of Theoretical Biology，1973，41(1)：181-190.

[8]崔亚兰.端粒酶在临床中的研究进展[J].卫生职业教育，2004，22（24）：126-127.

[9]孙莹，邹亚学，郑梅竹等.端粒、端粒酶与细胞衰老及肿瘤的研究进展[J].河北科技示范学院学报，2007，21（2）：73-77.

[10]Gilley D,Herbert B S,Huda N,et al.Factors impacting human telomere homeostasis and age-related disease[J]. Mechanisms of ageing and development，2008，129（1）：27-34.

[11]Jaskelioff M,Muller F L,Paik J H,et al.Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice[J].Nature，2010，469(7328)：102-106.

[12]李楠，黄莉，何冰，等.实时PCR检测单细胞中人端粒酶hTERT基因mRNA的表达[J].中国生物化学与分子生物学报，2013，29（4）：383-388.

[13]解静蕾，侯卜，张超，等.端粒酶抑制剂研究进展[J].沈阳药科大学学报，2017，34（9）：817-824.

[14]Ding Z,Wu CJ,Jaskelioff M,et al.Telomerase reactivation following telomere dysfunction yields murine prostate tumors with bone metastases. Cell，2012，148（5）：896-907.

[15]Tefferi A，Lasho T L,Begna K H,et al.A pilot study of the telomerase inhibitor imetelstat for myelofibrosis[J].New England Journal of Medicine,2015,373（10）:908-919.

[16]BAE R LOCCHE R G M,OPPLIGE R LEIBUNDGUT E,et al.Telomerase inhibitor imetelstat in patients with essential thrombocythemia[J].New England Journal of Medicine,2015,373（10）:920-928.