蜜蜂端粒酶活性与端粒长度研究进展

吴文立 牛庆生 王志 王进州 刘玉玲 李志勇

（吉林省养蜂科学研究所，吉林 132021）

Muller 在20 世纪30年代首次发现在真核细胞染色体中存在一种特殊的结构，并将之命名为端粒（telomere）[1]。端粒在染色体中与端粒结合蛋白一起构成了一种特殊的“帽状”结构，如图1。这种结构的实质就是一小段DNA—蛋白质复合体，其功能是保护染色体末端的单链DNA 不被机体识别成破损的双链DNA，避免错误修补[2]，维持染色体的完整和细胞的活性。由于细胞有丝分裂中DNA 复制是不完整的复制，每一轮复制，在染色体末端会缩短30～200bp，如果不及时修复，染色体的缺失就会逐渐变大，进而导致细胞功能衰退，引起机体的衰老，如图2，所以端粒被称为“有丝分裂时钟”和“生命时钟”[3]。端粒的修复是通过端粒酶的催化和介导来完成的，端粒酶是一种特别的逆转录酶，在保持端粒稳定、基因组完整、细胞活性和潜在的增殖能力等方面发挥重要作用，端粒长度和端粒酶活性已成为医学界和动物学界研究的热点领域之一。2009年，3 位美国科学家Elizabeth H Blackburn、Jack W Szostak 和Carol W Greider 通过发现端粒和端粒酶的结构以及其保护染色体的功能而获得诺贝尔生理学或医学奖[4]。

图1

图2

1 端粒和端粒酶

1.1 端粒的结构和功能

端粒是真核细胞线状染色体末端的一种基本结构。在脊椎动物中，端粒的绝大部分由一连串重复序列——(TTAGGG)n 构成，昆虫中的这种重复序列为(TTAGG)n，植物中的这种重复序列为(TTTAGGG)n[5,6]。每个重复序列长度为5～7bp[7]，在人体中，这种重复序列的总长度从36bp到几十kb不等[8]，并且围成T环，形成“帽子”结构，防止染色体末端互相重组、融合和染色体退化[9]。

端粒的主要功能有3 个：第一，在DNA 复制过程中，以RNA 为起始引物，当DNA 聚合酶沿着5′到3′复制完成时，RNA 被剪切，造成5′末端空缺，从而使5′末端序列缩短，而端粒结合蛋白与端粒酶通过复杂的相互作用来调节端粒酶的活性，并且保持端粒拥有足够的长度；第二，由于端粒存在于染色体末端并且是闭合环状结构，所以能防止单链DNA 不被机体识别成破损的双链DNA，避免了错误修补和粘连；第三，一些端粒结合蛋白可以调节其在细胞核中的位置来实现一些功能，其中最突出的就是在减数分裂Ⅰ期之中，端粒结合蛋白移动到核膜上与中心粒相对，以此促进同源染色体的联会[10]。

1.2 端粒酶的组成和功能

端粒酶是一种核糖体蛋白，含有2 个重要的组成部分——逆转录酶和RNA。逆转录酶可以催化端粒DNA 的合成，而RNA 则是端粒DNA 合成的模板。在机体正常的细胞增殖和器官发育过程中，端粒酶的活性受到严格控制[11,12]。在脊椎动物中，胚胎期的端粒酶具有很高的活性，而后期发育时端粒酶的活性逐渐降低[13]；在增殖不活跃的体细胞中，端粒酶的活性处于低水平状态[14,15]。

2 端粒长度的变化机制及影响因素

2.1 端粒长度的变化机制

端粒酶不能无限增加端粒自身的长度，当自身达到稳态时，其活性就会在此值上下浮动。目前科学家提出端粒长度的变化机制：一类是依赖端粒酶活性，如生殖细胞、成体干细胞、胚胎干细胞[16]；另一类是端粒重组，如淋巴细胞和胃黏膜细胞中有少量甚至没有端粒，却具有很长的寿命[17]。如今，已有科学家通过实验验证，雄性动物中的端粒长度普遍比同种雌性动物的短[18]，这可以从分子水平上解释，在身体健康状态相似、同等饥饿的条件下，女性存活时间大于男性，亦解释女性寿命普遍长于男性；还可以解释蜂王大量产卵，工蜂日夜劳作，但是其寿命依然普遍长于从未交尾且养尊处优的雄蜂。

2.2 端粒长度的影响因素

影响端粒长度的因素主要有环境因素和遗传因素。在环境因素上，已有研究得出结论，孕妇在孕期奶制品的摄入较多，孕妇的端粒长度较短；孕妇饮用咖啡者，其脐血端粒长度短；孕期经常保持体育锻炼的孕妇，其端粒长度较长。在遗传因素上，遗传变异可能不影响新生儿的端粒长度，但影响成长过程中不同个体对环境暴露导致端粒缩短的易感程度[19]。烟草暴露、生物化学暴露、酗酒、营养不良、肥胖、慢性炎症以及心理压力等因素也被证明与较短的端粒长度相关[20-30]。

3 关于蜜蜂和其他昆虫端粒和端粒酶的研究

美洲大蠊，作为一个非完全变态昆虫的代表，会从一个未成熟的形态逐渐长成成虫，在这期间，除生殖器官外，其端粒酶活性会随着机体的发育而逐渐降低，也就是说半变态昆虫端粒酶活性的大小与细胞循环和机体衰老相关[31]。但是许多研究显示，在以蜜蜂为代表的完全变态昆虫中，并未发现机体发育各阶段端粒酶变化的规律[31-33]。在工蜂发育过程中，端粒酶的活性呈现下降趋势[34]；而年轻蜂王与老年蜂王相比，端粒酶的活性没有区别[35]。Radmila 发现，蜜蜂中蜂王的寿命远远大于工蜂是因为端粒在其中发挥了作用[34]，而蜜蜂生存的环境因素也会影响端粒酶的活性和端粒长度[36]。

4 研究前景与展望

蜜蜂是世界上一种重要的授粉动物，爱因斯坦也曾说过：“如果蜜蜂忽然消失于地球，人类的生存时间不会超过4年”，但是蜜蜂的寿命问题却很少得到重视。工蜂的寿命短则30 天，多则200 余天，差距如此之大，究竟原因何在，无从知晓。而如今，医学界和动物学界都已发现，端粒是影响真核动物寿命的一个重要因素。尤其在医学界，对端粒的研究已经到一个成熟阶段，经研究得知，端粒缩短会造成人类DNA 损伤、炎症和氧化应激等反应，无论是引起心血管疾病的危险因素或是常见的心血管疾病，如动脉粥样硬化、心脏衰竭、高血压，都呈现白细胞端粒缩短[37]。但是对蜜蜂端粒的研究才刚刚开始，还处在摸索阶段，不过前景广阔。

蜜蜂端粒的研究应该从人类端粒的研究中得到启迪。人类端粒可以通过影响人类疾病的发生来间接影响寿命，也可以通过直接变短、损伤DNA 或使自身结构异常来使细胞衰老，直接影响人类寿命。而蜜蜂的疾病很少，端粒可能直接影响蜜蜂的寿命。现在已经通过端粒的研究知道蜜蜂的滋养细胞和脂肪细胞与蜜蜂的寿命存在一定的联系[38]，而这种联系可以为以后更深入的探究蜜蜂寿命奠定基础。