端粒酶系统在眼部疾病中的研究进展
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眼 科 新进展 20 07年 8月 第 27卷 第 8期 Rec Adv Ophthalm ol Vol. 27 N o . 8 A ugust 2007
& 621&
文献综述
端粒酶系统在眼部疾病中的研究进展
晏 颖 周和政 陈 晓
后, 导致细胞死亡。当时虽未提出端粒这个名词, 但 已经认识 到了其对 染色体的 保护作用。 B lack burn [ 3] 等 1989 年详细研究了线性染色体末端特殊染色质 的结构和功能 , 并提出了端粒的概念。端粒是位于染 色体的两端, 由串联排列的重复 DNA 序列和端粒结 合蛋白 ( te lom ere bindin g protein , TBP ) 共同构成。人 类端粒的 DNA 重复序列为 5# 端至 3# 端的 TTAGGG 结构, 大约 2~ 15 kbp , 是非结构基因 , 不具有编码蛋白 质的功能。但它是染色体末端的一种保护结构, 可抵 御核酸酶等外界因素的作用, 防止染色体端 端融合、 [4 , 5] [ 6] 重组, 维持染色体的稳定性 。 B ryan 等 发现老化 的纤维母细胞出现双着丝点染色体的频率大大增加, 原因即为老化细胞端粒的逐渐缩短至缺失 所造成。 至于端粒不断缩短的原因 , 则是由于在线性 DNA 分 子的半保留复制过程中, 由 5# 端 RNA 引物引导合成 的新链在引物降解后 5# 端的空白段因无上游 DNA 的 延伸合成而留下一段无法填补的空白, 使得滞后链随 [ 7] 着 DNA 的复制越来越短。 L evy 等 在体外实验中将 纤维母细胞分裂繁殖了 80 倍, 结果端粒的平均长度减 少了 4 000 bp 。因而发现纤维母细胞每分裂 1 次将减 少 50 bp 。通过对染色体末端限制性片断的分析发现 正常体细胞每年丢失 15~ 40 bp 的端粒序列。一般认 为, 体外培养的纤维母细胞、 T 细胞等端粒的缩短较 快, 大约每增加 1 倍就丢失 50~ 200 bp 的端粒序列。 当缩短到一定程度时, 一般为 1~ 4 kbp , 即可激活停 止细胞周期复制的 ∃ 激活点 %, 导致细胞停止分裂, 而 [ 8] 进入凋亡期 , 即细胞的正常老化过程。因此, H ar [ 9] ley 在 1991 年提出端粒可被称为细胞有丝分 裂的 ∃生命时钟 %或遗传的 ∃ 定时炸弹 %。如果有细胞能通 过各种途径来保护或重建端粒, 维持端粒的长度, 就 可使细胞寿命得到延长甚至获得永生, 如干细胞、 永 生型细胞及肿瘤细胞等。影响端粒长度的因素有很 多, 如端粒结合蛋白、 端粒帽蛋白、 DNA 聚合酶等, 但 最重要的影响因素是端粒酶。
眼 科 新进展 2 0 07年 8月 第 27卷 第 8期 R ec Adv Ophthalm ol Vol. 27 N o . 8 A ugust 2007
3 . 2 端粒酶与 RPE 细胞 M atsunaga 等 用 South erb lo t杂交法检测培养的 hRPE 细胞端粒的长度, 发现 当端粒平均长度减短到 5 kbp 左右时, RPE 细胞就会 [ 17 ] 退出细胞循环而进入程序性死亡。 Bondar 等 用编 码了 hTRT 亚基的质粒转染正常的 RPE 细胞 ( 已证明 无端粒酶活性 ) , 与端粒酶阴性克隆作对比, 结果发现 端粒酶表达克隆的端粒明显变长且分裂旺盛, 衰老标 记物 B 半乳糖苷酶的表达也减少, 正常表型寿命也延 长至少 20代; 相比之下, 端粒酶阴性克隆则表现为端 粒的缩短及细胞死亡 , 证明了端粒酶活性的表达能促 [ 18] 成 RPE 细胞永生化。 H onda 等 利用限制性片段长 度多态性分析及 S1 核酸酶检测和流式细胞仪 的方 法, 研究了体外培养的 RPE340 在氧化应激的状态下 受到的影响, 发现慢性的过氧环境下 DNA 单链受到 破坏, 从而导致端粒长度变短, 提出了慢性的氧化作 用可损伤 RPE 细胞的端粒结构, 加剧端粒的缩短进 程, 使 RPE 细胞变性、 衰老。越来越多的研究都证实, 端粒酶活性的降低及端粒长度的缩短将导致 RPE 细 胞的衰老、 死亡。因此, 通过抑制端粒酶活性、 缩短端 粒长度以促成 RPE 细胞凋亡, 就成为治疗 RPE 增生 性疾病的一个重要途径。
YAN Ying , ZHOU He Zheng, CHEN X iao
大量研究表明, 端粒酶的活性与眼部组织的增 [ 1] 生、 细胞的衰老及眼部肿 瘤的发生关系密 切 。在 此, 我们就端粒、 端粒酶研究现状及其与眼科疾病的 关系和应用进展作一综述。
1 端粒的基本结构及特点
早在 1973年, O lovn ikov 就提出 DNA 聚合酶不 能完全复制染色体末端, 而导致细胞的每次复制都会 有少量的 DNA 片断缺失。最终出现 ∃ 关键性 %缺失
[ 2]
2 端粒酶的结构和功能
端粒酶是一种特殊的逆转录酶, 是以端粒末端富 含鸟嘌呤单链为引物, 自身 RNA 为模板合成端粒的 [ 10] 一种核糖核蛋白复合物。 1989 年 M orin 首先在人 子宫颈癌传代细胞中发现了端粒酶的存在, 而此前一
& 622& 直认为端粒酶只存在于永生化的单细胞真核生物中。 它以自身的 RNA 为模板, 不断合成新的端粒 DNA 序 列, 向端粒末端添加 ( TTAGGG) n 序列, 弥补端粒的丢 失, 维持端粒的完整性, 使得细胞逃脱程序性死亡, 获 [ 11 ] 得无限增殖能力 , 成为永生化细胞 。随着对端粒酶 与衰老、 肿瘤等关系认识的深化, 其研究已逐渐成为 热点。目前的研究表明 , 端粒酶主要由 3 个亚单位构 成: 端粒酶 RNA 成分 ( hu m an telom erase RNA, hTR) 、 端粒酶蛋白 1( hu m an telom erase pro tein 1 , hTP1) 和端 粒酶逆转录酶 ( hum an telo m erase reverse transcrip tase , hTRT )。第 1 个亚单位提供模板 , 后两者主要是起活 [ 12] 性调节和催化作用 。其中 hTP1 主要起连接 hTR 和 hTRT 的作用, 又叫连结亚基 , hTRT 也叫催化亚基。 [ 13] 至于端粒酶对端粒的作用机制 , H ea ly 提出的端粒 端粒酶学说已被越来越多的研究结果所证实。他提 出真核细胞的端粒有较长的储备, 但在细胞的有丝分 裂过程中, 伴随着部分端粒序列的丢失, 端粒长度逐 渐缩短。当其短到一个关键的长度, 就会激活涉及到 p53及 RB 蛋白的 DNA 损伤途径, 进入 ∃ M 1老化期 %, 细胞不再分裂, 退出细胞周期而死亡。但在那些缺乏 p53及 RB 蛋白功能的肿瘤细胞, 细胞可越过 M 1 期而 继续分裂, 端粒继续缩短, 最终达到一个关键阈值, 而 进入 ∃ M 2 危象期 % , 某些细胞由于端粒太短而死亡。 但某些细胞则可在此期激活端粒酶, 使端粒长度得到 恢复 , 维持了染色体的稳定 , 从而避免死亡。这种细 胞即具有所谓的 ∃ 永生性 %, 有无限增殖能力。迄今为 止, 已经在多种肿瘤细胞、 永生型细胞及干细胞中检 测到端粒酶的活性。提示端粒酶与肿瘤及衰老关系 密切。
P ro g re s s in s tu d y o f te lem e ra s e s y s tem o f o c u la r d is e a s e
!K e y w o rd s ∀ telo m erase ; te lo m ere ; ocu lar d isease !A b s t ra c t ∀ T elo me rase syste m is th e genetic na me of telo m erase and telo m ere . Because it re lates inti m ate ly on th e ce lls# aging and pro liferation and the developing o f neoplasm, te lo m erase syste m h as beco me a hot point of treatment research . A lot of research has ind icated that te lo m erase syste m has i m portant effect upon eye i n cells# aging and proliferation. W e summ a r ize th e present research of telo m erase and te lo m ere and the ir applications on ocular d isease . [ Rec Adv Oph thal m o l 2007; 27( 8): 621 624] !中图分类号 ∀ R771. 3 !文献标识码 ∀ A !文章编号 ∀ 1003 5141( 2007) 08 0621 04 !关键词 ∀ 端粒 ; 端粒酶 ; 眼部疾病 !摘要 ∀ 端粒酶系统是端粒和端粒酶的总称 。 由于其 与细胞 衰老 、 增生乃至癌变的关系密切 , 端 粒酶系统现已成为 癌症及 其他增生性疾 病治疗 研究的热 点 。 大量研 究表明 , 端粒酶 的 活性与眼部组织 的增生 、 细 胞的衰 老及眼 部肿瘤的 发生关 系 密切 。 在此, 我们就端粒 、 端粒酶研 究现状及其与眼科 疾病的 关系和应用进展作一综述。 [ 眼科新进展 2007 ; 27 ( 8): 621 624 ]
[ 16]
4 端粒酶与年龄相关性白内障
年龄相关性白内障病因复杂, 迄今为止尚未完全 达到共识。近年来的研究多集中在氧化应激、 晶状体 蛋白的改变、 免疫反应及离子失衡等方面。晶状体上 皮细胞 ( lens ep ithe lium ce l, l LEC) 的凋亡是年龄相关 [ 19 ] 性白内障发生的细胞学基础 。 4 . 1 年龄相关性白内障与 LEC LEC 是晶状体内代 谢最活跃的部位, 能够进行 DNA、 RNA、 蛋白质和脂质 的生物合成, 并能产生足够的三磷酸腺苷满足晶状体 的能量需要 , 终身进行有丝分裂, 并移行至赤道部转 化成晶状体纤维形成晶状体皮质的层状结构, 其功能 状态对维持晶状体的透明性十分重要。 LEC 的凋亡 [ 19] 是年龄相关性白内障发生的细胞学基础 。年龄相 关性白内障晶状体上皮细胞中普遍存在凋亡细胞, 凋 [ 20] 亡与年龄相关性白内障的发生密切相关 ; 晶状体的 代谢紊乱、 渗透压变化、 氧化损伤等因素 , 均能 导致 LEC 发生异常凋亡和增殖。紫外线、 氧化因素可导致 LEC DNA 损伤。在研究中发 现年龄相 关性白内 障 LEC 内 DNA 存在明显的损伤。 4 . 2 端粒酶与 LEC 端粒酶在正常 LEC 中的表达保 证了 LEC 的无限分裂增殖能力 , 并能逃避死亡 ; 紫外 线、 氧化因素可导致 LEC DNA 损伤, 端粒酶的存在使 DNA 损伤得到更有效的修复, 正常 LEC 中端粒酶的 活性表达与 LEC 染色体的稳定有一定的关系。在年 龄相关性白内障发生的过程中 , 晶状体在各种损伤 因素及刺激因子的作用下使其 DNA 发生损伤 , 端粒 酶活性下降 , 使 LEC 不能保持正常的分裂增殖, 发 生凋亡。
& 621&
文献综述
端粒酶系统在眼部疾病中的研究进展
晏 颖 周和政 陈 晓
后, 导致细胞死亡。当时虽未提出端粒这个名词, 但 已经认识 到了其对 染色体的 保护作用。 B lack burn [ 3] 等 1989 年详细研究了线性染色体末端特殊染色质 的结构和功能 , 并提出了端粒的概念。端粒是位于染 色体的两端, 由串联排列的重复 DNA 序列和端粒结 合蛋白 ( te lom ere bindin g protein , TBP ) 共同构成。人 类端粒的 DNA 重复序列为 5# 端至 3# 端的 TTAGGG 结构, 大约 2~ 15 kbp , 是非结构基因 , 不具有编码蛋白 质的功能。但它是染色体末端的一种保护结构, 可抵 御核酸酶等外界因素的作用, 防止染色体端 端融合、 [4 , 5] [ 6] 重组, 维持染色体的稳定性 。 B ryan 等 发现老化 的纤维母细胞出现双着丝点染色体的频率大大增加, 原因即为老化细胞端粒的逐渐缩短至缺失 所造成。 至于端粒不断缩短的原因 , 则是由于在线性 DNA 分 子的半保留复制过程中, 由 5# 端 RNA 引物引导合成 的新链在引物降解后 5# 端的空白段因无上游 DNA 的 延伸合成而留下一段无法填补的空白, 使得滞后链随 [ 7] 着 DNA 的复制越来越短。 L evy 等 在体外实验中将 纤维母细胞分裂繁殖了 80 倍, 结果端粒的平均长度减 少了 4 000 bp 。因而发现纤维母细胞每分裂 1 次将减 少 50 bp 。通过对染色体末端限制性片断的分析发现 正常体细胞每年丢失 15~ 40 bp 的端粒序列。一般认 为, 体外培养的纤维母细胞、 T 细胞等端粒的缩短较 快, 大约每增加 1 倍就丢失 50~ 200 bp 的端粒序列。 当缩短到一定程度时, 一般为 1~ 4 kbp , 即可激活停 止细胞周期复制的 ∃ 激活点 %, 导致细胞停止分裂, 而 [ 8] 进入凋亡期 , 即细胞的正常老化过程。因此, H ar [ 9] ley 在 1991 年提出端粒可被称为细胞有丝分 裂的 ∃生命时钟 %或遗传的 ∃ 定时炸弹 %。如果有细胞能通 过各种途径来保护或重建端粒, 维持端粒的长度, 就 可使细胞寿命得到延长甚至获得永生, 如干细胞、 永 生型细胞及肿瘤细胞等。影响端粒长度的因素有很 多, 如端粒结合蛋白、 端粒帽蛋白、 DNA 聚合酶等, 但 最重要的影响因素是端粒酶。
眼 科 新进展 2 0 07年 8月 第 27卷 第 8期 R ec Adv Ophthalm ol Vol. 27 N o . 8 A ugust 2007
3 . 2 端粒酶与 RPE 细胞 M atsunaga 等 用 South erb lo t杂交法检测培养的 hRPE 细胞端粒的长度, 发现 当端粒平均长度减短到 5 kbp 左右时, RPE 细胞就会 [ 17 ] 退出细胞循环而进入程序性死亡。 Bondar 等 用编 码了 hTRT 亚基的质粒转染正常的 RPE 细胞 ( 已证明 无端粒酶活性 ) , 与端粒酶阴性克隆作对比, 结果发现 端粒酶表达克隆的端粒明显变长且分裂旺盛, 衰老标 记物 B 半乳糖苷酶的表达也减少, 正常表型寿命也延 长至少 20代; 相比之下, 端粒酶阴性克隆则表现为端 粒的缩短及细胞死亡 , 证明了端粒酶活性的表达能促 [ 18] 成 RPE 细胞永生化。 H onda 等 利用限制性片段长 度多态性分析及 S1 核酸酶检测和流式细胞仪 的方 法, 研究了体外培养的 RPE340 在氧化应激的状态下 受到的影响, 发现慢性的过氧环境下 DNA 单链受到 破坏, 从而导致端粒长度变短, 提出了慢性的氧化作 用可损伤 RPE 细胞的端粒结构, 加剧端粒的缩短进 程, 使 RPE 细胞变性、 衰老。越来越多的研究都证实, 端粒酶活性的降低及端粒长度的缩短将导致 RPE 细 胞的衰老、 死亡。因此, 通过抑制端粒酶活性、 缩短端 粒长度以促成 RPE 细胞凋亡, 就成为治疗 RPE 增生 性疾病的一个重要途径。
YAN Ying , ZHOU He Zheng, CHEN X iao
大量研究表明, 端粒酶的活性与眼部组织的增 [ 1] 生、 细胞的衰老及眼部肿 瘤的发生关系密 切 。在 此, 我们就端粒、 端粒酶研究现状及其与眼科疾病的 关系和应用进展作一综述。
1 端粒的基本结构及特点
早在 1973年, O lovn ikov 就提出 DNA 聚合酶不 能完全复制染色体末端, 而导致细胞的每次复制都会 有少量的 DNA 片断缺失。最终出现 ∃ 关键性 %缺失
[ 2]
2 端粒酶的结构和功能
端粒酶是一种特殊的逆转录酶, 是以端粒末端富 含鸟嘌呤单链为引物, 自身 RNA 为模板合成端粒的 [ 10] 一种核糖核蛋白复合物。 1989 年 M orin 首先在人 子宫颈癌传代细胞中发现了端粒酶的存在, 而此前一
& 622& 直认为端粒酶只存在于永生化的单细胞真核生物中。 它以自身的 RNA 为模板, 不断合成新的端粒 DNA 序 列, 向端粒末端添加 ( TTAGGG) n 序列, 弥补端粒的丢 失, 维持端粒的完整性, 使得细胞逃脱程序性死亡, 获 [ 11 ] 得无限增殖能力 , 成为永生化细胞 。随着对端粒酶 与衰老、 肿瘤等关系认识的深化, 其研究已逐渐成为 热点。目前的研究表明 , 端粒酶主要由 3 个亚单位构 成: 端粒酶 RNA 成分 ( hu m an telom erase RNA, hTR) 、 端粒酶蛋白 1( hu m an telom erase pro tein 1 , hTP1) 和端 粒酶逆转录酶 ( hum an telo m erase reverse transcrip tase , hTRT )。第 1 个亚单位提供模板 , 后两者主要是起活 [ 12] 性调节和催化作用 。其中 hTP1 主要起连接 hTR 和 hTRT 的作用, 又叫连结亚基 , hTRT 也叫催化亚基。 [ 13] 至于端粒酶对端粒的作用机制 , H ea ly 提出的端粒 端粒酶学说已被越来越多的研究结果所证实。他提 出真核细胞的端粒有较长的储备, 但在细胞的有丝分 裂过程中, 伴随着部分端粒序列的丢失, 端粒长度逐 渐缩短。当其短到一个关键的长度, 就会激活涉及到 p53及 RB 蛋白的 DNA 损伤途径, 进入 ∃ M 1老化期 %, 细胞不再分裂, 退出细胞周期而死亡。但在那些缺乏 p53及 RB 蛋白功能的肿瘤细胞, 细胞可越过 M 1 期而 继续分裂, 端粒继续缩短, 最终达到一个关键阈值, 而 进入 ∃ M 2 危象期 % , 某些细胞由于端粒太短而死亡。 但某些细胞则可在此期激活端粒酶, 使端粒长度得到 恢复 , 维持了染色体的稳定 , 从而避免死亡。这种细 胞即具有所谓的 ∃ 永生性 %, 有无限增殖能力。迄今为 止, 已经在多种肿瘤细胞、 永生型细胞及干细胞中检 测到端粒酶的活性。提示端粒酶与肿瘤及衰老关系 密切。
P ro g re s s in s tu d y o f te lem e ra s e s y s tem o f o c u la r d is e a s e
!K e y w o rd s ∀ telo m erase ; te lo m ere ; ocu lar d isease !A b s t ra c t ∀ T elo me rase syste m is th e genetic na me of telo m erase and telo m ere . Because it re lates inti m ate ly on th e ce lls# aging and pro liferation and the developing o f neoplasm, te lo m erase syste m h as beco me a hot point of treatment research . A lot of research has ind icated that te lo m erase syste m has i m portant effect upon eye i n cells# aging and proliferation. W e summ a r ize th e present research of telo m erase and te lo m ere and the ir applications on ocular d isease . [ Rec Adv Oph thal m o l 2007; 27( 8): 621 624] !中图分类号 ∀ R771. 3 !文献标识码 ∀ A !文章编号 ∀ 1003 5141( 2007) 08 0621 04 !关键词 ∀ 端粒 ; 端粒酶 ; 眼部疾病 !摘要 ∀ 端粒酶系统是端粒和端粒酶的总称 。 由于其 与细胞 衰老 、 增生乃至癌变的关系密切 , 端 粒酶系统现已成为 癌症及 其他增生性疾 病治疗 研究的热 点 。 大量研 究表明 , 端粒酶 的 活性与眼部组织 的增生 、 细 胞的衰 老及眼 部肿瘤的 发生关 系 密切 。 在此, 我们就端粒 、 端粒酶研 究现状及其与眼科 疾病的 关系和应用进展作一综述。 [ 眼科新进展 2007 ; 27 ( 8): 621 624 ]
[ 16]
4 端粒酶与年龄相关性白内障
年龄相关性白内障病因复杂, 迄今为止尚未完全 达到共识。近年来的研究多集中在氧化应激、 晶状体 蛋白的改变、 免疫反应及离子失衡等方面。晶状体上 皮细胞 ( lens ep ithe lium ce l, l LEC) 的凋亡是年龄相关 [ 19 ] 性白内障发生的细胞学基础 。 4 . 1 年龄相关性白内障与 LEC LEC 是晶状体内代 谢最活跃的部位, 能够进行 DNA、 RNA、 蛋白质和脂质 的生物合成, 并能产生足够的三磷酸腺苷满足晶状体 的能量需要 , 终身进行有丝分裂, 并移行至赤道部转 化成晶状体纤维形成晶状体皮质的层状结构, 其功能 状态对维持晶状体的透明性十分重要。 LEC 的凋亡 [ 19] 是年龄相关性白内障发生的细胞学基础 。年龄相 关性白内障晶状体上皮细胞中普遍存在凋亡细胞, 凋 [ 20] 亡与年龄相关性白内障的发生密切相关 ; 晶状体的 代谢紊乱、 渗透压变化、 氧化损伤等因素 , 均能 导致 LEC 发生异常凋亡和增殖。紫外线、 氧化因素可导致 LEC DNA 损伤。在研究中发 现年龄相 关性白内 障 LEC 内 DNA 存在明显的损伤。 4 . 2 端粒酶与 LEC 端粒酶在正常 LEC 中的表达保 证了 LEC 的无限分裂增殖能力 , 并能逃避死亡 ; 紫外 线、 氧化因素可导致 LEC DNA 损伤, 端粒酶的存在使 DNA 损伤得到更有效的修复, 正常 LEC 中端粒酶的 活性表达与 LEC 染色体的稳定有一定的关系。在年 龄相关性白内障发生的过程中 , 晶状体在各种损伤 因素及刺激因子的作用下使其 DNA 发生损伤 , 端粒 酶活性下降 , 使 LEC 不能保持正常的分裂增殖, 发 生凋亡。
