端粒酶及其与疾病的关系概述

梁丽琴 任盼盼

(山西师范大学生命科学学院 临汾 041000)

早在20世纪30年代科学家就发现DNA末端存在一段高度重复的非编码序列，并将其命名为端粒。端粒结构使DNA末端免于被核酶水解。然而，DNA聚合酶无法将DNA完全复制，每复制一次DNA末端会丢失大约一个冈崎片段所含的碱基对数，这一机制使细胞不可能无限制地复制，因此端粒长短决定着细胞和个体的寿命。保持端粒长度需要另一种酶——端粒酶，这种酶在1989年首次被发现。在端粒酶的催化下，通过逆转录途径合成端粒DNA，从而延长端粒，允许细胞进行更多次复制。

1 端粒的结构与功能

端粒是DNA末端一段多鸟嘌呤的重复序列，其长度和序列构成具有种属特异性。例如，人类初始端粒长度约15 kb，重复序列为5′-TTAGGG-3′。端粒末端形成T-环结构、D-环结构或者G四联体高级结构，并与端粒结合蛋白复合体Shelterin结合使其更加稳定。端粒具有保护染色体的作用，可以防止DNA末尾相融合，防止DNA双链断裂，保持基因组的完整性[1]。

由于DNA复制的特殊机制，端粒随细胞分裂损耗，一旦其缩短到特定长度，细胞便无法启动复制，走向衰老和凋亡，即Hayflick极限。所以端粒长度决定个体寿命，并与细胞复制型衰老相关，被称为“生命时钟”。此外，端粒与人体健康密切相关，端粒缩短会增加心血管疾病、肝硬化、高血压、动脉粥样硬化、骨髓衰竭、糖尿病和癌症等的发生风险[2]。

许多因素诸如环境、饮食、生活方式以及遗传等均会影响端粒长度。空气污染、吸烟、压力、炎症、氧化应激、紫外线及毒性重金属等都会损伤端粒DNA[3]，导致端粒丢失或不稳定；而富含类胡萝卜素、辅酶Q10、硒及维生素D等抗氧化剂的食物则可以起到保护端粒的作用；母亲所经历的压力可以通过胎盘对胎儿产生跨代影响，使其端粒缩短。

2 端粒酶的结构与功能

端粒酶是一种核糖核酸-蛋白复合物(RNP)，包括端粒酶RNA(TR)、端粒酶逆转录酶(TERT)和相关蛋白。端粒酶活性由TERT实现。TERT包含四个保守结构域： 端粒酶必需N-末端结构域(TEN)、端粒酶RNA结合结构域(TRBD)、逆转录结构域(RT)和C-末端结合结构域(CTE)[4]。TERT又可分为几个子区域，如： 末端RNA(TER)、TER模板边界元素(TBE)、模板和模板识别元素(TRE)、RNA结合域(RBD)、手指域(IFD)和最新发现的伴随TEN的RT-IFD连接区域(TRAP)等。许多端粒酶突变可归因于TEN和TRAP的相互作用[5]。

在复制周期结束后，端粒酶以TR为互补模板、以dNTP为原料合成DNA末端重复序列，使端粒延长或复原。作用周期包括两个阶段： 第一阶段是核苷酸的添加，即在3′末端依次逐个添加核苷酸，作用与聚合酶类似；第二个阶段是模板再生，即在添加6个核苷酸之后，RNA模板从复合物上解离下来等待新一轮合成[6]。

3 端粒酶与疾病的关系

3.1 与癌症的关系 人类的大多数体细胞不显示端粒酶活性，少数分裂旺盛的细胞，如干细胞、生殖细胞、肿瘤细胞等呈人端粒逆转录酶(hTERT)阳性。

端粒酶在80%～90%的癌症中均有表达，如乳腺癌、肺癌、结肠癌、卵巢癌、前列腺癌、胃癌和皮肤癌。高活性端粒酶伴随的细胞无控制生长，是癌症的一个显著标志。

除维持端粒长度使细胞永生外，hTERT在肿瘤发展过程中还具有诱导癌细胞的转移、增加侵染性、抗凋亡和抗分化的作用[7]。TERT通过增加细胞内还原型谷胱甘肽/氧化葡萄糖胺比例减少由ROS诱导的细胞死亡，还可以激活核因子kB(NF-kB)通路抵抗细胞凋亡[8]。值得注意的是，癌细胞增殖能力与端粒酶活性直接相关，而与端粒长度无关。端粒酶过表达上调了整合素β的表达，而β1整合素(ITGB1)在肿瘤转移中起重要作用。TERT过表达促进上皮-间充质转变，使癌细胞易于转移[9]。

没有任何证据证明端粒酶的激活足以直接诱导人类体细胞向癌细胞转变，这可能表明端粒酶对于癌细胞产生并不是必需的，但癌症发展的许多特性需要活性端粒酶，或通过端粒酶活化来获得或维持。

3.2 与心血管疾病的关系 最近的数据表明，保留端粒酶活性是维持心血管平衡和预防心血管疾病的关键。老化的内皮细胞(EC)和血管平滑肌细胞(VSMC)使血管内侧增厚，弹性丧失，并最终演化为动脉粥样硬化。而临床研究表明端粒酶的差异调节可以促进VSMC增殖，维持EC稳态，TERT在线粒体表达可以消除血管内活性氧(ROS)，起到延缓甚至逆转衰老并恢复其生理功能的作用[10]。

3.3 与遗传性骨髓衰竭综合征的关系 遗传性骨髓衰竭综合征涉及多种疾病，包括范科尼贫血(FA)、先天性角化不良(DC)、Shwachman-Diamond综合征(SDS)、先天性巨核细胞发育不良血小板减少症(CAMT)和其他遗传性疾病。FA和DC是最常见的再生障碍性贫血，统计学结果显示，患者体内DNA非编码区突变，造血干细胞端粒酶功能不全，酶活性随着年龄增加下降明显，与病程持续时间无关。某些家族性肝病如肝纤维化、隐源性肝硬化、非酒精性脂肪肝，与人端粒逆转录酶(hTERT)和人端粒酶RNA(hTR)的显性突变有关，这些突变使端粒酶活性丧失[11]。

3.4 与慢性肾脏疾病的关系 通过对慢性肾脏疾病(CDK)患者的血液透析发现，患者的外周单核血细胞(PBMC)中端粒长度更短，端粒酶活性更低。且端粒酶活性受患者肥胖、炎症等因素影响，与年龄性别无关[12]。

4 端粒酶介导的癌症的诊断与治疗

由于端粒酶在癌细胞永生中的中心作用，可以通过检测端粒酶活性来定位癌细胞。如传统的端粒重复扩增方案、近年来研发的与信号放大策略相结合的荧光方法、基于金纳米颗粒的比色法、基于鲁米诺的化学发光法、电化学端粒酶检测(ECTA)，光稳定成像法和化学发光法等[13]。通常，恶性肿瘤的端粒酶活性较高，故这些方法也可用于区分良性肿瘤与恶性肿瘤。

理想的癌症治疗希望在杀死癌细胞的基础上对正常细胞的副作用最小。例如，通过特异性的针对端粒酶的治疗来抵御肿瘤侵袭。现有的方法包括： 小分子抑制剂、基因治疗和免疫治疗等。

化学抑制剂包括齐多夫定、雷帕霉素、阿司匹林、三氧化二砷及核素剂。植物来源的端粒酶抑制剂包括小檗碱、白藜芦醇、紫檀芪、藤黄酸、飞蓟素等。微生物源抑制剂包括从放线菌中分离出来的红霉素、从链霉菌中分离的色拉霉素、从真菌中分离出来的二氮萘酸和CRM646-A(一种苯酚葡糖苷酸)等。化学药剂通过对端粒酶活性的抑制，有选择地增加放射敏感性，从而杀死肿瘤细胞。

基因治疗是利用反义寡核苷酸(单链DNA或RNA序列与端粒酶RNA互补)、小干扰RNA(双链RNA分子降解mRNA或阻止翻译)和核酶(裂解特定的基因)抑制端粒酶基因的表达[14]，如： 一种脂质修饰的13-mer寡核苷酸(GRN163L)与端粒酶RNA基因(TERC)的模板互补可以阻止其表达，目前正在临床医学实验阶段。

抗端粒酶免疫治疗是利用刺激自身免疫系统生成CD4+和CD8+两种针对hTERT的T淋巴细胞，实现消灭肿瘤的目的。可用疫苗主要有： GV1001、 GX301、 Vx-001-神经肽疫苗及DNA疫苗。其中，GV1001疫苗是一种与hTERT有相同序列的短肽[15]，可用于治疗晚期胰腺癌、非小叶细胞肺癌、黑色素瘤和其他癌症，如与HR2822、 GM-CSF、 P540肽及莫替错胺等疫苗联合接种效果更佳；GX301疫苗是一种含有四种端粒酶肽的疫苗，对治疗前列腺癌和肾癌有明显疗效[16]；Vx-001-神经肽疫苗是一种低亲和力的隐蔽性TERT肽，已完成了黑色素瘤、乳腺癌及胆管癌等的临床试验；DNA疫苗(如INACV-1)是一种编码失活hTERT的质粒DNA，可以有效触发自身免疫，与肽疫苗相比更具成本效益。

5 总结和展望

端粒的发现及端粒酶工作机制的研究，将细胞衰老机制、某些疾病起源、肿瘤的发生和发展机制的研究引入了一个新的方向。

端粒酶可以修复DNA复制造成的端粒损耗，通过在控制范围内激活端粒酶而使细胞保持分裂，理论上也是实现长寿的途径之一。端粒酶在一些慢性病中的特征也表明端粒酶参与了这些疾病的形成，提供了早期诊断的新思路，有助于尽早确诊。

大多数肿瘤细胞存在端粒酶活性异常增加的现象，是癌细胞的显著特征之一。目前针对端粒酶的抗癌策略已被提出，但尚未进入大规模临床应用。药物抑制端粒酶活性是可行之路，但用作抑制剂的小分子物质一般对人体也有毒害作用，用量不适会对患者造成不可逆伤害；端粒酶基因沉默是DNA治疗的主要手段，此方法依赖于高度发达的基因工程技术，目前为止尚不能通过此方法有效抑制所有癌细胞；针对端粒酶的自身免疫疫苗均为对人体无害的肽段或DNA片段，可以在抗癌同时真正做到对体细胞零伤害，此方法临床效果也最佳，有待大规模推广。深入研究端粒酶与癌细胞演化的关系，提出新的无害抗癌策略，研制新型特异性疫苗，有助于攻克千百年来的疑难杂症，为患者带来希望。