端粒功能对肝细胞增殖分化的影响及机制

汪艳

端粒是线型染色体末端的特殊DNA，由简单的非编码重复序列组成，保护染色体免受损伤。细胞每次发生分裂后，端粒会缩短。最终端粒不能再缩短之时，细胞不再分裂。对于端粒的实验观察始于Hayflick和Moorhead培养人成纤维细胞时发现。他们发现这些体外培养的细胞不会无限增殖，在大约60～80次分裂后增殖停止。这种细胞进入衰老前的分裂次数被称为Hayflick极限[1]。 DNA进行复制时，DNA聚合酶不会复制整条滞后链，据此染色体DNA会随着每次细胞分裂逐渐变短。如果这样的话，经过每次DNA复制，遗传信息丢失的危险就会增加。端粒是细胞对此问题的解决办法。端粒通常有500～3 000个5′-TTAGGG-3′重复片段，可以保持线型染色体游离末端完整性。端粒的功能作用包括：防止遗传信息丢失、防止染色体异常融合，以及活化由染色体出现游离末端而引发的共济失调性毛细血管扩张症变异(ATM)和共济失调性毛细血管扩张症和Rad3相关(ATR)DNA损伤反应通路。

出生时的端粒DNA长度为8～12 kb，随着组织更新细胞不断分裂，端粒DNA长度会逐渐缩短。一旦端粒缩短到一定限度，类似于DNA双链断裂引起的细胞反应，细胞会激活DNA损伤通路，活化p53、p21等，进入衰老或凋亡。在端粒失功细胞转入衰老或凋亡状态从而抑制肿瘤发生的过程中，p53起关键推动作用[2]。p21则是在p53活化的条件下调控DNA修复和压力阻抗反应[3]。大多数细胞中端粒的长度都会随着年龄增长而缩短，如在健康人肝组织中肝细胞端粒的长度会从20岁时9.7 kb减少到60岁时的8.1 kb。但某些类型的细胞，如胚胎组织、肝脏组织、骨髓组织和恶性肿瘤组织的细胞需要持续增殖，它们往往通过表达端粒酶，在经过许多次细胞分裂后仍然能维持端粒的功能长度。端粒酶是一种通过模板方式扩增端粒的核糖核蛋白复合物，它的组成包括端粒酶逆转录酶(TERT)，端粒酶RNA成分(TERC)作为RNA模板，以及用来稳固端粒酶复合物的dyskerin蛋白分子。TERT是端粒酶的主要功能部分，在大多数细胞如成人的分化成熟肝细胞中处于抑制状态。

先天性角化不全症(DC)是一种以端粒功能缺陷为致病机制特征的遗传性疾病。患者通常在40～50岁时表现出骨髓衰竭和肝/肺纤维化病变。DC的发生率估计为百万分之一，但是由于该疾病是不完全外显性，其准确的发生率还不清楚。至少10种端粒相关基因缺陷会导致早熟干细胞形成和组织衰竭。DC患者还易于发生肿瘤，约有5%会发生肝细胞癌。一般人群中肝细胞癌通常在肝硬化肝细胞端粒缩短的情形下发生，并且超过90%的肝细胞癌会出现肝细胞端粒酶活化[4]。Dyskerin错义突变是DC的最常见变异。变异的dyskerin造成端粒酶复合体结构不稳定，不能维持端粒而造成端粒随着时间不断缩短。A353V突变是其中常见的一种[5]。近期Munroe等[6]将人源胚胎干细胞(hESC)作为体外模型，观察端粒缩短对DC可能产生的影响。他们使用CRISPR/Cas9技术造成了hESC中dyskerin发生A353V突变，这些hESC在多次分裂后端粒缩短，p53维持稳定水平。然而，p53的稳定性并未使细胞进入衰老或凋亡，相反hESC细胞不再进行肝样细胞分化，而是继续发生增殖。这一表现与已知的p53对于DNA损伤引起的抑癌作用似乎相左。进一步观察发现，分化受阻最早出现于肝内胚层期，端粒缩短的hESC细胞未能表达肝细胞核因子4α(HNF4α)。如果过表达TERC对抗A353V突变的影响、敲除p53，或者条件性表达HNF4α，则可以不同程度地挽救细胞分化。该研究中关于HNF4α表达与端粒缩短之间存在机制关联的发现是首次报道。

通常患肝较健康肝脏的细胞端粒长度更短。慢性肝损伤引起细胞死亡，其他肝细胞则反应性地进行分裂增殖，修复组织损伤。在持续损伤的情况下，肝细胞端粒则会不断缩短。有研究显示，肝细胞端粒缩短率与纤维化进展率有关；在肝硬化期，它还与肝细胞癌发生危险性有关[7]。 在Munroe等[6]研究中，端粒缩短引起p53稳定又使得HNF4α表达抑制，肝细胞不再进一步分化而是持续增殖，这也许是肝细胞癌在肝硬化和DC发生的可能原因。已有数据发现肝细胞癌可能与p53活化、HNF4α表达抑制，以及细胞持续增殖有关。但目前p53活化与HNF4α表达抑制之间的分子作用机制还尚不清楚。这些进展提示，未来可以关注端粒功能在肝病发生、发展过程的作用机制，这也许可以为治疗研究提供有意义的线索。