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衰老与端粒——衰老研究最新进展浅介

杭州卢福细胞工程有限公司 美国威斯康辛大学博士后 卢伟成

大家都知道“衰老”.
那未端粒是什么呢?
端粒与衰老又有什么关系?
把话扯得远一点.人年岁大了,头发变白了,皮肤起皱了,腰杆弯曲了,到底是什么原因引起这致命的老化现象.
诗人李白对衰老颇有感触：“白发三千丈,缘愁似个长.不知明镜里,何处得秋霜”.一千多年过去了,多少的感叹,多少的无耐,人,总无法了解衰老的真谛!
九十年代,我在加拿大多伦多大学听了一堂普通的学术报告.一位附近大学来的教授叫Harley（哈利）,他的研究打开了一扇通向衰老神殿的窗子——衰老与细胞DNA的尾巴,端粒有密切的关系,顷刻,我为之一震.五千年中华文化,三百年西方文明有谁捕捉到“老化”之灵.难道这DNA尾巴真的与“老”有关.
“是的”在Harley实验室的中国留学生齐博士告诉我说：“端粒的DNA短了,细胞就老了,端粒长了,细胞就变得年轻,而端粒DNA的长短是一种叫端粒酶的蛋白质所左右.如果加入端粒酶能使端粒延长,寿命延长”.
端粒是什么?
端粒是染色体末端的一段DNA片段.
排在线上的DNA决定人体性状,它们决定人头发的直与曲,眼睛的蓝与黑,人的高与矮等等,甚至性格的暴躁和温和.
其实端粒也是DNA,只不过端粒是染色体头部和尾部重复的DNA.我把端粒当作一件绒线衫,袖口脱落的线段,绒线衫像是结构严密的DNA.细胞学家从来不对染色体棒尾巴拖出的DNA感兴趣.他们把注意力聚集在46条染色的基因图上面,而且把绘制的人类基因组草图的事大声喧哗.
1990年起Calvin Harley把端粒与人体衰老挂上了钩.他讲了三点,我将它记录如下: 第一、细胞愈老,其端粒长度愈短；细胞愈年轻,端粒愈长,端粒与细胞老化有关系.
衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列.当细胞端粒的功能受损时,出现衰老而当端粒缩短至关键长度后,衰老加速,临近死亡.
第二、正常细胞端粒较短.细胞分裂会使端粒变短,分裂一次,缩短一点,就像磨损铁杆一样,如果磨损得只剩下一个残根时,细胞就接近衰老.细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30-200bp（碱基对）,鼠和人的一些细胞一般有大约10000bp.
第三、研究发现,细胞中存在一种酶,它合成端粒.端粒的长短,是由酶决定的.细胞内酶多酶少可预测端粒的长短.正常人体细胞中检测不到端粒酶.一些良性病变细胞,体外培养的成纤维细胞中也测不到端粒酶活性.但在生殖细胞睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为阳性.令人注目的发现是,恶性肿瘤细胞具有高活性的端粒酶,端粒酶阳性的肿瘤有卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌等等.人类肿瘤中广泛地存在着较高的端粒酶活性.这样一来,我们又发现了一种肿瘤细胞的特异物质.
寻找衰老钟的故事
人体是由细胞组成的,人有衰老,细胞是否也有衰老呢?这就像一座大厦,它的寿命很大程度上与组成它的砖块有关.细胞是有寿命的,这是细胞学家海弗列克（Hayflick）在四十年前发现的,他培养人体的成纤维细胞,一代又一代.但是在营养充分供给的情况下,细胞分裂到50年代左右就停止活动了,真正地进入衰老期,这一发现似乎告诉人们在细胞内有一口衰老钟,这限定了细胞分裂的次数,也就限定了生物的寿命.因为高寿生物是由一个受精卵细胞分裂而形成的,它一分为二、二分为四、以此类推的增殖,组成胎儿,再分裂而成青年.如果细胞不能再分裂了,那么个体就出现衰老现象.
充满希望的抗老之路
直至今日,我还不敢讲,科学家已经找准了衰老的真正起因,然而端粒功能的发现的确是为我们开拓了一条新的抗衰之路.
端粒的缩短,引起衰老.如果端粒长度得不到维持,细胞停止分裂或者死亡.在某种情况下,频临衰亡的细胞愈变成永生细胞,即癌细胞.
端粒酶的发现使正常细胞,衰老和癌化这些苦恼千年的难题有了一个符合逻辑的解释.简单地说,把端粒酶注入衰老细胞中,延长端粒长度,使细胞年轻化,这是可能的,科学家们对此寄托了厚望.将来医生给老人注射类似端粒酶的制剂,延长老者的端粒长度,达到返老还童的目的.
有学者提出,端粒酶的抑制剂可作为治疗癌症的药物.因为只有在癌细胞中存在端粒酶,如果将该酶排光那么癌细胞似乎不会繁殖了.当然其中有不少需克服的困难.
读者要问,文章介绍了当今衰老研究的新进展——端粒,那么到底用什么方法能获得延缓衰老的效果?
我说,首先降低身体的新陈代谢速率,少吃少饮.如一盏油灯,火焰小,点得长,火焰大,点得短.这与Hayflick限度和端粒长度均有关联.代谢率高,细胞分裂次数增多,端粒缩短,寿命也短了.
其次,用药物刺激体内的干细胞（一种保持潜能的细胞）,弥补衰老损耗细胞.威斯康辛大学首创的生长激素注射法,对调动干细胞,延缓老化是有一定作用的.还未见到生长激素与端粒关系的研究报告,但生长激素的抗老效果是比较肯定的.端粒酶抗衰老,目前只具理论价值.连动物实验都很少,但是作为一种方向,也应该让大家尽早的了解.
http://www.hznet.com.cn/kjdt/hzkj/2002/hk2206t23.htm
早在三十年代,遗传学家Mullert发现染色体末端结构对保持染色体的稳定十分重要,并定名为（telonereTLM).1978年Blackburn和Gall首先在四膜虫中发现并证实了端粒结构.端粒是由端粒DNA和端粒蛋白质组成.他们发现这种rDNA每条链的末端均含有大量的重复片段.后来发现真核生物绝大多数DNA末端都是由特定的基本序列单元即端粒序列大量重复而构成的.对于一个给定的真核生物物种,它一定具有特征性的端粒DNA序列.
端粒是染色体末端的一种特殊结构,它是由许多简单短重复序列和端粒结合蛋白(telomere end -binding protein ,TEBP) 组成.在正常人体细胞中,可随着细胞分裂而逐渐缩短.端粒是细胞必需的遗传组分,因为它能够保护和补偿染色体末端遗传信息的丢失,保护它不会被核酸酶识别而免遭降解.但是在复制过程中,端粒也因为复制机制的缺欠或者其他原因会缓慢地丢失.在新细胞中,细胞每分裂一次,染色体顶端的端粒就缩短一次(细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30～200bp),当端粒不能再缩短时,细胞就无法继续分裂了.进一步的研究表明,衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列,1990年凯文．哈里(Calvin Harley)发现不同年龄的人的体细胞的寿命明显不同,其端粒的长度也不相同.是随着年龄的增长而缩短.细胞愈老,其端粒长度愈短；细胞愈年轻,端粒愈长,端粒与细胞老化有关系,因此原因用端粒阐述了新的人体衰老机制.另外,端粒的丢失还与很多病因有关.Maria Blasco and PieroAnversa的研究探讨了端粒在一些心血管病理状态中端粒功能失调的影响.Maria Blasco and Piero Anversa构建了在第二代G2和第5代G5端粒RNA缺失的转基因小鼠(Terc-/-).研究者对G5(Terc-/-)小鼠的心肌细胞进行原位定量荧光杂交分析,发现这些细胞具有比G2(Terc-/-)小鼠更短的端粒,G2(Terc-/-)小鼠心肌细胞的端粒也比野生型细胞的端粒要短.在1996年3月15日的《欧洲分子生物学组织杂志》上,达拉斯UT西南医学中心Shay博士和Wright博士[6]报道了通过控制端粒长度而改变人类细胞寿命的研究结果.他们发现通过增加端粒长度,能够延长细胞杂交系的寿命.
但是,要提的是,端粒的减少是否导致动脉粥样硬化这个问题也待进一步的研究.
研究发现,细胞中存在一种酶,它合成端粒.端粒的复制不能由经典的DNA聚合酶催化进行,而是由一种特殊的逆转录酶——端粒酶完成.端粒酶是以RNA 为模板合成DNA 的酶端粒酶是一种核糖核蛋白, 由RNA 和蛋白质构成.其RNA 组分是端粒序列合成的模板.不同生物的端粒酶, 其RNA 模板不同, 其合成的端粒序列也不同.对端粒酶的RNA 进行诱变; 可在体内合成出与突变RNA 序列相对应的新端粒序列, 证明了RNA 的模板功能.端粒酶合成端粒的DNA片段TTAGGG,其基因定位于人类染色体的3q .26.3上.正常人体细胞中检测不到端粒酶.一些良性病变细胞,体外培养的成纤维细胞中也测不到端粒酶活性.但在生殖细胞、睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为阳性,研究表明这也是科学家由此又开始研究精子和癌细胞内的染色体端粒是如何长时间不被缩短的原因.
值得注意的是,恶性肿瘤细胞具有高活性的端粒酶(它能维持癌细胞端粒的长度,使其无限制扩增.关于癌细胞如何获得永生,1991年Ha rley提出端粒-端粒酶假说.认为正常细胞衰亡要经过第一致死期M1期（MortalityStage1）和第二期M2期（MortalityStage2）两个阶段.即在细胞有丝分裂的过程中端粒DNA不断丢失而使端粒缩短,当端粒缩短到一定长度（2kb～4kb）时,染色体的稳定性遭到破坏,细胞出现衰老的表现,细胞进入第一致死期M1期.此时细胞不再分裂,而是退出细胞周期而老化并死亡.如果此时细胞已被病毒转染（SV40,HPV）,癌基因激活或抑癌基因（P53,Rb）失活,细胞便可越过M1期,继续分裂20-30次,端粒继续短缩,最终进入第二致死期M2期.多数细胞由于端粒太短而失去功能并死亡,只有少数细胞的端粒细胞的端粒酶被激活,修复和维持端粒的长度,使细胞逃避M2期,而获得永生.),这也是当代科研领域的热门研究话题.1995年Hiyama等人[8]在对100例成纤维神经细胞瘤的研究中证实,有端粒酶活性表达的肿瘤组织占94%,端粒酶活性越高的组织越容易伴有其它遗传学变化,并且预后不良；而低端粒酶活性的肿瘤组织中未见有相应的变化且都预后良好,甚至有3处于IVS阶段的无端粒酶活性的病例竟出现了肿瘤消退的现象.这似乎说明端粒酶同癌症之间存在着相关性,但是否因果关系,还很难定论.
端粒DNA包括非特异性DNA和由高度重复序列组成的特异DNA序列.通常是由富含鸟嘌呤核苷酸(G)的短的串联重复序列组成,伸展到染色体的3'端.人工合成四膜虫端粒的重复DNA片段(TTGGGG)4.人和小鼠的端粒DNA重序列为TTGGG.人类端粒的长度约为15Kb碱基.由于dsDNA存在末端复制问题,故 细胞 每分裂一次约丢失一个岗崎片断长度的DNA,即25～100对碱基.端粒酶将自身RNA模板合成的DNA重复序列加在后随链亲链的3’端,然后再以延长了的亲链为模板,由DNA聚合酶合成子链,但是由于复制机制的不完整性(或者这不完整性是进化保留的?由此机制来保证细胞的定期衰老和死亡?).端粒还是以一定的速度丢失.端粒酶是一种核蛋白（RNP）主要由RNA和蛋白质组成.端粒酶是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶.目前不少生物的端粒酶RNA已被克隆,但不同种属之间的核苷酸序列差别很大.四膜虫的端粒酶RNA模式板长160~200个核苷酸,编码1.5拷贝的端粒重复序列.其43~51位序列为CAACCCCAA刚好编码一个GGGGTT.鼠同人的端粒酶RNA基因有65%的相同,模板为 8-9个核苷酸序列,人的端粒酶RNA（hTR）由450个核苷酸组.模板区为CUAACCCUAAC（5’-3’向.Shippen-Lentz(1990年)克隆了游仆虫属的端粒酶RNA序列,其中包括5`-CAAAACCCCAAA-3`模板序列.该模板亦与基端粒重复序列（TTTTGGGG）n以碱基互补方式合成RNA序列.研究还认为,端粒酶RNA中的模板每次与1.5（TTTTGGGG）重复序列互补,然后通过模板的滑动,再进行下一次合成.
在端粒结合蛋白质方面,早在1986年Gottschling等即已鉴定了尖毛虫属（Oxytricha）的相对分子质量为55000和26000的端粒结事蛋白质,该蛋白质特异识识和结合尖毛虫属的大核白质PAP1（repressor activator protein1）是参与端粒长度调节的一个必须因子,一个RAP1分子平均与18个端粒DNA序列结全,负反馈调节端粒长度.在克隆鉴定了酵母等的端粒酶蛋白质部分的催化亚基的编码基因后,人端粒酶蛋白质部分的催化亚基编码基因也已经被克隆鉴定,命名为hTERT(human Telomerase Reverse Transcriptase)基因.该基因含有一个端粒酶特异基序（telomerase-specific motif）,翻译48个氨基酸的蛋白质序列.hTR和hTERT基因的对照表达研究显示,hTR基因可在增殖力强制胎儿细胞---非永生化的（mortal）细胞中表达,而hTERT基因仅在肿瘤细胞---永生化的（immortal）细胞中表达.因此,hTERT基因更显示出肿瘤特异的诊断和治疗潜在应用价值.
另外,人乳头状病毒( HPV) 能引发人的子宫颈癌.HPV 病毒基因组中的癌基因E6 , 在肿瘤发生中起要作用,它是第一个被发现可以激活端粒酶的癌基因.该基因的表达产物,能在转录后水平调节MYC 的表达,随后再由MYC 激活端粒酶.最近又发现人体内的雌激素(estrogen) ,能与TERT 基因启动子区-2677 位的一个不完全回文结构结合,直接调节TERT 基因活性.另外雌二醇也可通过激活myc 基因的表达,间接促进TERT 基因的表达,提高端粒酶的活性.
最近的比较研究发现很多端粒蛋白结构很相似,功能也很接近.总而言之,随着研究的不断深入,端粒结合蛋白结构与端粒序列结合的特性和功能将逐渐被发现阐明.
参考文献:
1 端粒（酶）同癌症与衰老关系的研究进展 作者:马鹤雯(女,1974年生,硕士,解放军军需大学生化教研室,吉林 长春 130062)--------------国外医学遗传学分册2000年第23卷第3期
2 端粒新进展 作者:伍东升(中国医学科学院北京协和医院消化内科 邮政编码 100730)-----北京医学 2000年3期
3 DNA 的端粒及其复制 作者:郭海学(扬州教育学院生化系,江苏扬州 225002) ----扬州教育学院学报2002 年9 月 第20 卷第3 期Journal of Yangzhou College of Education Vol. 20 , No. 3
4 端粒酶·端粒序列·端粒结合蛋白 作者:唐双焱,邹国林(武汉大学生命科学学院)----氨基酸和生物资源AminoAcids &BioticResources 1997,19 (1): 47～ 51