端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能

1、端粒和端粒酶研究及應(yīng)用黃品清10102106摘要：端粒是真核生物染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu) ，由端粒DN府口端 粒相關(guān)蛋白組成，它能維持染色體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能 ，保護其免受 核酸酶降解，防止其末端融合或重排等。當端粒長度因細胞復(fù)制而縮 短到極限時，細胞就會走向衰老甚至死亡，而端粒酶的存在能補充已 縮短的端粒從而延長細胞壽命甚至使其得到永生。端粒(telomere)是染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)，它的存在及其特殊構(gòu) 象的維持，是保護線性染色體末端、順利完成DN脈端復(fù)制所必需的。 端粒具有穩(wěn)定染色體末端、解決末端復(fù)制不完整等多重功能。端粒酶 (telomerase)是對抗正常復(fù)制過程中端粒的縮短、 維持真核

2、生物染色 體長度的關(guān)鍵酶，在腫瘤細胞中表達尤為強烈。自“端粒縮短是觸發(fā) 細胞衰老的分子鐘”的假說提出后，科學(xué)家們已通過實驗提供了大量 證據(jù)來證明該假說，隨著對端粒和端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能研究的深入， 它們成為國內(nèi)外研究的熱點之一。一、端粒的結(jié)構(gòu)和功能端粒(telomere)是保護真核細胞染色體末端并維持其完整的特 殊的DNA/蛋白質(zhì)復(fù)合物，它像“帽子” 一樣扣在染色體的兩端，從 而維護染色體的完整性和穩(wěn)定性，防止染色體被降解、融合和重組，便分裂后得到的子代細胞能準確的獲得完整的遺傳信息.1、端粒DNA勺結(jié)構(gòu)端粒DN油兩條長短不同的DN犍構(gòu)成，一條富含G,另一條富含Co 富含G勺那條鏈5'

3、3'指向染色體末端，此鏈比富含 CcW鏈在其3' 末端尾處可多出1216個核甘酸的長度，即3'懸掛鏈(3 overhangstrand), 一定條件下能形成一個大的具有規(guī)律性很高的鳥 喋吟四聯(lián)體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是通過單鏈之間或單鏈內(nèi)對應(yīng)的G殘基之間形成Hoogsteen堿基配對，從而使4段富含G勺鏈旋聚成一段的四鏈體 DNA也有人認為，端粒GJ序列可以形成穩(wěn)定的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，它和四聯(lián) 體結(jié)構(gòu)都被認為與端粒DNA勺保護功能有關(guān)。不同物種端粒的重復(fù)序 列和長度是不一樣的，人類的端粒 DN岫5' 一TTAGGG3'反復(fù)串 聯(lián)而成，不具有編碼任何蛋白質(zhì)功能，進化上高度保

4、守，總長度約5一 15kb,隨著每次細胞分裂的進行，染色體末端丟失 50200bp。 2、端粒結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)端粒結(jié)合蛋白包括端粒酶、保衛(wèi)蛋白復(fù)合體(sheherin)和非保衛(wèi) 蛋白。保衛(wèi)蛋白復(fù)合體由端粒重復(fù)序列結(jié)合因子l(TRFl),端粒重復(fù)序列結(jié)合因子(TRF2)。端粒保衛(wèi)蛋白1(P0rrl) , TRFl相互作用核蛋白 (TIN2) , TIN2相互作用蛋白l(TINTl)及阻抑和活化蛋白1趣印1)組成， 各分布在染色體端粒上，能保持端粒結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定。非保衛(wèi)蛋白有 DNAI復(fù)蛋白RADSONBSl月瓜E11, Ku8矯HDNAPKc,各分布不局限在 端粒上。這三類端粒結(jié)合蛋白協(xié)同參與端粒

5、動態(tài)平衡的維持和調(diào)節(jié)。 3、D-loop T-loop 結(jié)構(gòu)假說1999年Griffith 等提出端粒結(jié)構(gòu)的D-loopT 100p說。端粒 的3'突出部侵入到端粒重復(fù)序列后形成 Tloop,同時通過單鏈GH 的TTAGGG環(huán)的端口內(nèi)側(cè)與 CCCTAA基互補形成100200堿基對的 D-loop。T一 100P的形成為端粒的保護作用提供了一個結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并 很好地解析了端粒對染色體的保護作用，因為端粒縮短到極限長度時 已無法形成T-loop ,使端粒失去了保護功能。染色體不能完整地復(fù)制 導(dǎo)致細胞死亡。4、端粒與細脆衰老病關(guān)系的新假說2000年Blackbern提出了新的端粒與細胞衰老關(guān)系

6、假說：端粒在 正常的細胞分裂時能動態(tài)地從戴帽狀態(tài)向非戴帽狀態(tài)來回變換，處于前者時，細胞能繼續(xù)分裂，處于后者則會引發(fā)細胞周期阻滯。當一定 量的端粒因多次分裂而縮短到不能形成戴帽狀態(tài)時，細胞將走向衰老甚至死亡。而激活端粒酶后。端粒便能以同源重組的式使非戴帽狀態(tài) 返回到戴帽狀態(tài)，逃回過復(fù)制衰老而繼續(xù)分裂。這個假說與端粒的 D-loopT-100P帽子結(jié)構(gòu)可以說是相互呼應(yīng)，因為 T- 100P的形成需 要一定長度的端粒。從另一個角度說，端粒的進行性縮短使其難以恢 復(fù)戴帽狀態(tài)。由于3'懸掛末端的丟失會引起T-loop結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo) 致端粒末端的非戴帽狀態(tài)。因此，stemart等提出，3'

7、懸掛末端的丟 失才是觸發(fā)復(fù)制衰老的信號，揭示了與衰老相關(guān)的端粒結(jié)構(gòu)改變分子 學(xué)機制。5、端粒在生物體中的功能目前認為端粒的主要功能包括：(1)保護染色體末端防止被核酶降解或被化學(xué)修飾或融合以及非正 常重組，維持其完整性；(2)與其中蛋白質(zhì)共同參與染色體的定位和復(fù)制，使細胞得以正常 分化或繁殖；(3)反映細胞分裂的能力與壽命。事實證明，大多細胞的端粒長度 與細胞的分裂能力有關(guān)，越長分裂能力越高，反之亦然。我們也能通 過細胞的端粒長度和分裂一次端?？s短的長度來估計細胞的壽命去 挑選合適的細胞做相關(guān)的研究。二、端粒酶的結(jié)構(gòu)和功能端粒酶于1984#由shpay等發(fā)現(xiàn)，它是由端粒酶RNAJ和蛋白質(zhì)組 成

8、的核糖核蛋白酶，直接參與端粒的形成，是一種能將真核生物染色 體末端DNA以延長的核酸蛋白復(fù)合物。1、端粒酶的結(jié)構(gòu)成分端粒酶包括3個組分：端粒酶RNA(telomeraseRNA TR),端粒酶 相關(guān)蛋白質(zhì) 1(telomeraseassociated - proteinl , TPl),端粒酶催化 亞單位（TelomeraseReverseTranscriptase , TERT方2、各成分的特點hTR人類端粒酶RNA是人類端粒酶合成端粒DNA勺模板，它是 端粒酶發(fā)揮作用所必須的。由于正常體細胞中都會存在hTR卻幾乎沒有端粒酶的活性，而且在多種腫瘤細胞中測得的 hT商端粒酶活性 也不平行，因而

9、它不能反映端粒酶活性高低。TPl在端粒酶活性的調(diào)節(jié) 中有重要作用，但有證據(jù)表示它不是端粒酶發(fā)揮活性作用所必須的。 hTERT含有7個基元的轉(zhuǎn)錄酶，在端粒酶的激活中起關(guān)鍵作用，在無 細胞的情況下將hT濟DhTERTI合在一起即可表現(xiàn)端粒酶活性，是端粒 酶活性的限速亞單位。hTERTH Rk平與端粒酶的活性成正相關(guān)： 將載 有hTERTS因的質(zhì)鵝轉(zhuǎn)染端粒酶隱性的成纖維細胞，可重建端粒酶活 性：使hTERTS因突變，細胞則不表現(xiàn)端粒酶活性。同一組織的不同 部分，細胞分裂能力與端粒酶活性成正比， 如在毛發(fā)生長初期的毛囊 中，含有分裂活性細胞的部分表達端粒酶活性，而低度分裂活性細胞 部分則表達較低水平的

10、酶活性。3、端粒酶的主要功能目前認為端粒酶的主要功能是維持染色體末端的端粒序列，即延長端粒DN寤含G勺鏈，使其形成G-四聯(lián)體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。保護染色體。 端粒酶還能修復(fù)已斷裂的染色體末端，從而抵消因細胞分裂而導(dǎo)致的 端粒DN屈消耗，維護遺傳信息的完整性。此外，端粒酶能合成串聯(lián) 重復(fù)的TTAGGG列，這提供了 TRF2吉合位點，有助于防止染色體末端 的融合。三、端粒系統(tǒng)與癌癥端粒酶可能在癌細胞的生長過程中扮演重要角色。加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)黑素瘤的擴散能夠通過抑制端粒酶的活性來 阻止。這項研究首次將端粒酶與糖酵解聯(lián)系在一起。糖酵解是身體中消耗葡萄糖并產(chǎn)生乳酸的糖代謝途徑。端粒酶和糖酵解關(guān)系

11、的確立對了解端粒酶和糖酵解的功能產(chǎn)生很大的影響。這項新發(fā)現(xiàn)支持了通過抑制端粒酶來治療癌癥的基本原理。在這項研究中，研究人員通過對小鼠的基因表達進行分析，發(fā)現(xiàn)皮膚癌細胞中8個與葡萄糖代謝有關(guān)的基因在細胞中端粒酶被抑制 時，表達水平降低了。他們發(fā)現(xiàn)，當將一種端粒酶抑制劑引入到黑素瘤細胞中時， 黑素 瘤細胞開始發(fā)生變化，細胞恢復(fù)了以前的喪失的功能，如產(chǎn)生色素的 功能。由于乳酸的積累會使細胞變得很酸，控制色素生產(chǎn)的蛋白質(zhì)能夠 被關(guān)閉-這意味著葡萄糖代謝當與轉(zhuǎn)移性腫瘤的端粒酶聯(lián)合起來時起 到一個關(guān)鍵的作用。正常細胞中，端粒是每個染色體末端的單練 DNA, 并且會隨著細胞的分裂逐漸縮短。端粒酶在發(fā)生異常的

12、細胞如癌細胞 中被活化，它能恢復(fù)端粒長度并使它們分裂和生長。因此，端粒酶在 90%的人類癌癥中發(fā)生了過表達。美國德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Woodring Wright教授的研究組發(fā)現(xiàn)人類染色體末端的DNA即端粒結(jié)構(gòu)有助于治療癌癥。端粒與細 胞分裂有關(guān)，它會隨著細胞分裂逐次縮短，同時也意味著細胞的衰老。 但是，許多癌細胞都含有一種叫做端粒酶的特殊酶。 這種酶能夠延長 端粒的長度，從而破壞了端粒隨細胞分裂不斷縮短的自然規(guī)律，使細胞得到永生，即細胞無控制地進行擴增瘋長-癌細胞的特征。研究人員推測，能夠影響此機制的藥物將可能用于減緩正常細胞 的老化、抑制端粒酶活性來治療癌癥。而且對端粒長度的控制機制的

13、了解，可能促進癌癥的治療。Wright教授和Jerry Shay教授已經(jīng)研發(fā)出有助于延緩老鼠體內(nèi)肺癌 細胞擴散的抗端粒酶藥物，并且目前正進行人體試驗以確定其安全性。 研究人員還指出抗端粒酶藥物還需要與其它手段聯(lián)合使用才能有效 治療癌癥：這類藥物將可能作為手術(shù)或化療等傳統(tǒng)療法之間的連接， 從而防止未被殺死的癌細胞擴散身體的其他組織中去。四、端粒系統(tǒng)與其老衰老是生物在生命過程中整個機體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能逐漸衰退 的綜合現(xiàn)象。生物的機體由細胞構(gòu)成，生命存在于活細胞中，故生命 的衰老起始于細胞。單細胞真核生物中的端粒長度必須一直維持， 而 人類細胞在正常情況下是非永生的，具端粒在許多體細胞中較短。Gry

14、feR 等于1997年提出了關(guān)于細胞衰老和永生學(xué)說，認為人的 正常體細胞分裂次數(shù)達到界限時，染色體端粒長度縮短到一定程度， 有絲分裂便不可逆地被阻斷在細胞周期的 G1期和G2/M期之間的某個 時期，這時的細胞便進入了老化期，隨后死亡。如果細胞被病毒感染， 或p53、RB p16INK4 ATM APC?腫瘤抑制基因發(fā)生突變，或 Kras 等原癌基因被激活，或DNA1配修復(fù)基因（如hMSH騫）發(fā)生突變，或 某些基因DNAff列發(fā)生了高度甲基化，或僅發(fā)生了低度甲基化，從而 （在未發(fā)生核甘酸突變的情況下）改變了該基因的表達，此時細胞便能 越過阻斷點繼續(xù)進行有絲分裂。隨著有絲分裂進行，端粒長度不斷縮

15、短，縮短到一定程度時，染色體發(fā)生結(jié)構(gòu)畸變，大部分細胞便死亡, 少部分細胞激活了端粒酶活性，不斷合成端粒 DN儲卜充端粒的長度,端粒不再縮短，細胞便獲得無限分裂增生能力而成為永生化細胞。這說是端粒-端粒酶假說該假說已為越來越多的研究所證實。如Hastie發(fā)現(xiàn)人結(jié)腸端粒限 制性片段(TRF)隨著供體年齡增加而逐漸縮短，平均每年丟失33 bp的重復(fù)序列。Allospp等用人成纖維細胞研究端粒長度與年齡及有 絲分裂能力的關(guān)系時也發(fā)現(xiàn)，年齡越小，初始端粒長度越長，有絲分 裂能力亦越強；反之，在一些早老性疾病患者體細胞中，TRF長度明顯短于同齡正常人，體外培養(yǎng)這些細胞時，具有絲分裂能力較正常人 也明顯減弱

16、。楊仕明等人在分析正常人胃粘膜 TRF長度時，也得出相 似的結(jié)論，隨著年齡的增加，其TRF長度有遞減的趨勢，且供體年齡 與TRF長度呈明顯負相關(guān)(r=0.05 , P<0.01),端粒重復(fù)序列每年平均 丟失(41± 12) bp左右。研究證明，端粒與細胞壽命的控制密切相關(guān)。人類端粒長度大約 215 kb,由于存在末端復(fù)制問題，DNA每復(fù)制1次，端粒DNAM會 丟失50200bp,隨著細胞分裂次數(shù)的增加，端粒 DNA也在進行性地 縮短，當縮短到一定限度后，便不能維持染色體的穩(wěn)定，使細胞失去 了分裂增殖能力而衰老死亡，這種縮短就是衰老的標志。因此，端粒 也被稱為細胞的“生命鐘”。1

17、973年Olovfnikov博士首次提出了端粒丟失與衰老關(guān)系的理論。 他認為端粒的丟失可能是因為某種與端粒相關(guān)的基因發(fā)生了致死性 的缺失，以后許多人對該理論進行了進一步闡明。目前認為，細胞內(nèi)端粒酶活性的缺失將導(dǎo)致端粒縮短，這種縮短使得端粒最終成為不能 被細胞識別的末端。這并不是說端粒不存在了，而是說端粒短到了一 個臨界長度，端粒一旦短于此長度，就可能導(dǎo)致染色體雙鏈的斷裂， 并激活細胞自身的檢驗系統(tǒng)，從而使細胞進入 M1期死亡狀態(tài)。隨著 端粒的進一步丟失，將會發(fā)生染色體重排，雙著絲粒染色體和非整倍 體染色體的形成，這將進一步導(dǎo)致危機的產(chǎn)生，即M2期死亡狀態(tài)。如果細胞要維持其正常分裂，那么就必須阻

18、止端粒的進一步丟失， 并 激活端粒酶，細胞進行正常染色體復(fù)制。對于那些無法激活端粒酶的 細胞將只能面臨衰老的結(jié)果。端粒長度的縮短可以激發(fā)細胞老化，一種可能是染色體末端端粒 DNA序列的丟失釋放了端粒結(jié)合轉(zhuǎn)錄因 子，該因子或者激活了衰老誘導(dǎo)基因，或者滅活了細胞周期進行所必 需的某些基因。另一種可能是端粒長度縮短誘導(dǎo)了 DN硼傷反應(yīng)，導(dǎo) 致細胞周期受阻。沉默基因機制認為：染色體末端端粒長度縮短破壞 了端粒周圍染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致這一區(qū)域的基因表達而誘導(dǎo)細 胞衰老?？梢?，端粒結(jié)構(gòu)不僅僅是在于維持染色體長度所必需的，而 且端粒的變化可引起生命狀態(tài)的變化。端粒的長度是由端粒酶決定的。正常人的體細胞經(jīng)

19、多次分裂后， 端粒縮短，但如果在端粒縮短的同時,激活端粒酶，就能以自身的 模板合成端粒，以彌補端粒的缺損，維持染色體的穩(wěn)定性，使細胞 免于衰老死亡而獲得生存，發(fā)展成為“永生細胞”。美國巴爾的摩一位婦女亨利埃塔？拉克絲于1951年在她31歲時因患胃癌去世，從她體內(nèi)取出的癌細胞，至今仍在實驗室里不停地分裂增殖，檢測其中端粒酶的含量，具有高度活性，說明端粒酶在癌細 胞增殖活動中扮演重要角色。五、結(jié)語盡管端粒和細胞衰老及腫瘤之間有一定的聯(lián)系，但將端粒技術(shù)臨 床應(yīng)用還需要付出很大努力。同時，如何把握細胞永生化和癌化之間 的界限，這是最關(guān)鍵也是最困難的瓶頸。而端粒作為細胞分裂的計數(shù) 器，在生物界是否具有普

20、遍性，也需要進一步探討。端粒和端粒酶作 為一個整體，如何在細胞體內(nèi)發(fā)揮生物功能作用，如何協(xié)調(diào)部分細胞 衰老和存活，這也是今后研究的重點之一。參考文獻:1 . Gomez DE ,Tei era AMHve kroaever s i bl e t el ere shor teni 3®Zjyd(2-, 3-dideoxyt i di ne( AZT)t reat meBt JJiBi ophys Res ComM98 246( 1) 107-1102 . Gr if f i t h，上Daul,LRosenf i eld,e tMamma1i ant el 0°er es end i n a l argp di Cleex1l l。1999 97(4) 503-5043 . s t eWar t s Aen-Por at h,I Gar ey , et al ,Eros i on of t hetelere stat e , not telomerse10ssJ sci ence2 002 295(