端粒酶的研究进展
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端粒与端粒酶的研究解读诺贝尔生理学或医学奖一、本文概述自人类踏入科学研究的领域以来,生命的奥秘一直是科学家们孜孜不倦探索的主题。
作为生命科学的两大支柱之一,医学领域的研究进展对人类生活的影响深远而持久。
每年的诺贝尔生理学或医学奖揭晓,都会引发全球范围内的广泛关注,因为它不仅代表了该领域最前沿的科学成果,更预示了未来医学可能的突破方向。
本文将以诺贝尔生理学或医学奖为背景,深入探讨端粒与端粒酶的研究,解读这一重大科学奖项背后的科学意义和影响。
端粒和端粒酶是生物学中的两个重要概念,它们在细胞生物学、分子生物学和遗传学等领域有着广泛的应用。
端粒是真核生物染色体末端的特殊结构,具有保护染色体末端、防止染色体融合和降解的重要作用。
而端粒酶则是一种特殊的逆转录酶,能够合成端粒DNA,从而维持端粒的长度和稳定性。
近年来,随着对端粒和端粒酶研究的深入,科学家们发现它们在细胞衰老、癌症发生和发展等方面扮演着重要的角色,因此,对端粒与端粒酶的研究不仅具有重要的理论价值,也具有广阔的应用前景。
本文将从端粒与端粒酶的基本概念入手,详细介绍它们在生物学中的重要作用,回顾相关的科学发展历程,并重点解读近年来诺贝尔生理学或医学奖中涉及端粒与端粒酶的重要研究成果。
通过对这些成果的深入分析和解读,我们希望能够更好地理解端粒与端粒酶在生命科学中的地位和价值,同时也为未来的医学研究提供新的思路和方法。
二、端粒与端粒酶的基本概念端粒,也被称为端区或端粒DNA,是真核细胞线性染色体末端的特殊结构。
它们像一顶帽子,保护着染色体的末端,防止其受到损伤或与其他染色体发生融合。
端粒的存在对于维持染色体的完整性和稳定性至关重要。
端粒主要由重复的非编码DNA序列组成,这些序列在染色体末端形成特定的结构,从而起到保护作用。
端粒酶则是一种特殊的逆转录酶,能够合成端粒DNA。
其主要功能是在端粒DNA受到损伤或缩短时,通过添加重复的DNA序列来修复端粒,从而保持染色体的稳定性和长度。
植物端粒酶的结构与机制研究端粒是染色体末端的DNA序列,它在维持染色体稳定性和功能上起着重要的作用。
然而,由于DNA复制时的内在限制,染色体末端的DNA序列会不断缩短,这个过程也称之为端粒缩短。
缩短到一定程度时会导致染色体的损坏和细胞衰老,因此在增殖过程中必须维持端粒长度,这个过程便是由端粒酶完成的。
本文旨在介绍植物端粒酶的结构与机制研究。
1. 端粒酶的基本功能和结构端粒酶是一种由蛋白质和RNA复合物组成的酶,可以在DNA末端添加重复的端粒序列。
端粒酶的核心是一种称为逆转录酶的酶,在左右两端分别有RNA和多肽组分。
其中,RNA组分叫做端粒RNA,它是由DNA模板序列合成的一个长链RNA,长度在100-150nt左右,前面有一个反向补体序列,可以与DNA末端形成互补配对。
逆转录酶的核心结构在多种生物中都很相似,包括植物。
人们最初对于植物端粒酶的研究是来自拟南芥和拟麻黄两种模式植物。
这些研究表明,两种模式植物的端粒酶在结构上与酵母和人类的端粒酶存在一些相似性。
2. 植物端粒酶的研究进展虽然植物端粒酶的基本结构和功能与其它生物相似,但由于其一些特殊性质,植物端粒酶的结构与机制研究仍然是一个热门的研究领域。
下面将介绍几个热门的研究方向:2.1 端粒酶RNA的作用机制端粒酶RNA在植物中的重要性不言自明。
它起着保护染色体末端,防止末端因“端粒缩短”而受损的核心作用。
研究发现,植物端粒RNA的结构很复杂,包含了多个域和结构单元。
在序列上,植物和其他生物的端粒RNA序列有显著的不同,也就是说,植物的端粒RNA千差万别,但它们都在谷腺苷(G)末端处具有相同的反向互补序列。
2.2 端粒酶在营养过程中的作用在植物细胞中,端粒酶不仅仅是维持染色体稳定的酶,在营养过程中,它还有诸如抗逆境、质量控制、免疫系统反应等许多重要作用。
一些研究表明,植物端粒酶可以通过一些方式,如DNA重组、RNA-zym蛋白相互作用等来实现其多重功能。
端粒端粒酶研究进展端粒是染色体末端的一段DNA序列,它起到保护染色体稳定性和完整性的作用。
然而,由于染色体在每次细胞分裂时会缩短一段,当端粒长度过短时,染色体会发生异常,并最终导致细胞老化和死亡。
端粒酶则是一种重要的酶,它能够补充并保持端粒的长度稳定。
近年来,对于端粒和端粒酶的研究取得了许多重要的进展。
首先,科学家们对于端粒和端粒酶的结构和功能进行了深入的研究。
端粒由重复的TTAGGG序列组成,这些序列会通过端粒酶的作用被补充。
端粒酶主要由两个亚基组成:一个叫做端粒酶反转录酶TERT,另外一个则是端粒酶RNA(TERC)。
TERT具有酶的活性,而TERC则是TERT的模板,用于合成新的端粒DNA。
端粒酶通过不断循环地合成新的端粒DNA来补充端粒的长度,从而延长染色体的寿命。
其次,研究表明端粒和端粒酶在癌症中具有重要的作用。
在正常细胞中,端粒的长度会随着细胞的分裂而缩短,从而限制了细胞的生命周期。
然而,在肿瘤细胞中,端粒酶的活性会显著增加,导致细胞端粒的长度不断维持,并且细胞可以无限制地分裂。
这种增强的端粒酶活性对于肿瘤细胞的免疫逃逸、增殖和转移等方面起着重要的作用。
因此,端粒酶已成为癌症治疗的一个重要靶点,研究人员已经开始开发端粒酶抑制剂,以抑制肿瘤的生长和扩散。
此外,最近的研究发现,端粒和端粒酶在衰老过程中也发挥了重要的作用。
随着年龄的增长,端粒长度会逐渐缩短,从而引发细胞衰老和组织功能下降。
研究人员尝试通过增强端粒酶的活性来抑制细胞衰老,以延长寿命和改善老年病的发生率。
实验证据显示,通过增加端粒酶的表达或给予端粒酶活性的药物可以有效地抑制细胞衰老。
这些发现为老年病的治疗和延长寿命提供了新的研究方向。
总之,端粒和端粒酶在细胞衰老、癌症等疾病方面的研究进展迅速。
研究人员们对于端粒和端粒酶的结构和功能有了更深入的了解,并且逐渐揭示了它们在疾病中的重要作用。
未来的研究将继续深入探究端粒和端粒酶的调控机制,并开发出更具针对性的治疗手段,为人类健康的维护做出更大的贡献。
生物化学与生物物理进展PROGRESS IN BIOCHEMISTRY ANDBIOPHYSICS1999年 第26卷 第5期 Vol.26 No.5 1999端粒及端粒酶的研究进展任建国 周军 戴尧仁摘要 端粒是染色体末端独特的蛋白质-DNA结构,在保护染色体的完整性和维持细胞的复制能力方面起着重要的作用.端粒酶则是由RNA和蛋白质亚基组成的、能够延长端粒的一种特殊反转录酶.端粒长度和端粒酶活性的变化与细胞衰老和癌变密切相关.端粒结合蛋白可能通过调节端粒酶的活性来调节端粒长度,进而控制细胞的衰老、永生化和癌变.研制端粒酶的专一性抑制剂在肿瘤治疗方面有着广阔的前景.关键词 端粒,端粒酶,衰老,永生化,癌变学科分类号 Q50Progress in the Studies of Telomere and Telomerase.REN Jian-Guo, ZHOU Jun, DAI Yao-Ren(Department of Biological Science and Biotechnology, Tsinghua University, Beijing 100084,China).Abstract Telomeres are unique DNA-protein complexes at the terminals of chromosomes that play a critical role in protecting chromosomal integrity and in maintaining cellular replicative potential. Telomerase is a specialized reverse transcriptase, composed of both RNA and protein subunits, that elongates telomeric repeats. The changes in telomere length and telomerase activity are closely linked to cell aging and carcinogenesis. Telomere binding-protein may regulate telomere length by regulating telomerase activity, and then control cell aging, immortalization and carcinogenesis.The development of specific telomerase inhibitors will have broad prospect in the aspect of tumor therapy.Key words telomere, telomerase, aging, immortalization,carcinogenesis 近年来,有关端粒及端粒酶的研究异常活跃,许多新的结构和功能的发现使之成为生物学和医学关注的热点.本文拟对端粒及端粒酶的最新进展予以阐述.1 端粒(telomere) 端粒是真核细胞内染色体末端的蛋白质-DNA结构,其功能是完成染色体末端的复制,防止染色体免遭融合、重组和降解[1~3].从单细胞的有机体到高等的动植物,端粒的结构和功能都很保守.1.1 端粒DNA 大多数有机体的端粒DNA由非常短而且数目精确的串联重复DNA排列而成,富含鸟嘌呤.个别种类的端粒DNA重复单元很长.此外,果蝇的端粒结构非常新颖,重复序列是一个可互换的因子.端粒的DNA序列多种多样,其功能不需要独特的序列来维持.尽管在许多物种中端粒DNA有相当大的变化,但仍可在进化关系非常远的生物中发现相同的端粒序列,如所有的脊椎动物、原生动物锥虫及几种粘菌和真菌都有相同的端粒序列T2AG3.其他情况下,尽管不同的有机体有不同的端粒序列,但彼此总有明显的相关性. 端粒DNA的平均长度因物种而异.在人中大约15 kb,在大鼠中可长达150 kb,在小鼠中一般在5~80 kb之间变化,而在尖毛虫中却只有20 bp.在所有的有机体中,端粒DNA的长度总是波动变化的.酵母的端粒DNA在200到400 bp间随遗传或营养状态的改变而改变.四膜虫和锥虫等有机体的端粒长度在对数期会持续增加.相反,在人体中,随着细胞的持续分裂,端粒会缓慢缩短.1.2 端粒结合蛋白 目前对端粒结合蛋白还了解甚少.在酵母中,端粒的主要结合蛋白是Rap1p,在体外以很高的亲和性与端粒上的许多识别位点相结合.研究表明,Rap1p与端粒长度的调节有关,Marcand等[4]认为Rap1p能够阻止端粒酶接近端粒从而负调节端粒的长度.相反,Ray等[5]的研究结果表明Rap1p可以在端粒周围通过聚集端粒酶或提高端粒酶活性而延长端粒.编码尖毛虫端粒小体蛋白的基因和RAP1的基因没有相似的序列. 该蛋白的结合需要单链的T4G4T4G4尾.同Rap1p不同的是,此蛋白仅限于同染色体的末端相结合,故称之为末端专一性DNA结合蛋白.此外,在爪蟾提取物中也检测到末端专一性结合活性.因此末端限制性结合蛋白可能是端粒染色质的一个普通特性. 在人中已经鉴定出两个端粒重复序列结合蛋白(telomeric repeat-binding factor,TRF).TRF1是一个60 ku的同源二聚体双链TTAGGG重复序列结合蛋白,包含一个Myb型的C端螺旋-转折-螺旋区和一个DNA结合折叠的同源区,N端是酸性疏水区[6].另一个端粒结合蛋白是TRF2,它与TRF1很相似,所不同的是其N端碱性很强[7].两种蛋白在体外都专一性地与双链TTAGGG重复序列结合,在体内则位于端粒.人的hTRF与Rap1p 没有同源性.长期过表达TRF1将导致端粒逐渐地和过程性地变短.该过程可能通过抑制端粒酶活性而实现.TRF2则可以防止染色体末端相互融合[2].最近,Kim等[8]在水稻中也鉴定出三个TTAGGG专一性结合蛋白复合物.这些复合物对双链DNA及富含胞嘧啶的单链序列无亲和性.其功能目前仍不清楚.2 端粒酶(telomerase) 端粒酶是一种自身携带模板的反转录酶,催化端粒DNA的合成,能够在缺少DNA模板的情况下延伸端粒寡核苷酸片段.其活性取决于它的RNA和蛋白质亚基[9].Prescott等发现酵母的端粒酶至少包含两个功能性相互作用的RNA分子,两者都可充当DNA聚合作用的模板,端粒酶至少包含两个活性位点.端粒酶除了具有反转录活性外,还具有核酸内切酶的活性[10].小腔游仆虫中有活性的端粒酶复合物的分子质量大约是230 ku,含有一个约66 ku的RNA亚基及两个123 ku和43 ku的蛋白质亚基,大亚基专一性地和端粒DNA底物结合.端粒酶的主要功能是维持染色体末端的端粒序列,从而抵消因细胞分裂而导致的端粒DNA的消耗.最近发现,端粒酶另外一个重要的功能就是合成串联重复的TTAGGG序列,为TRF2提供结合位点,防止染色体的末端融合[2]. 端粒酶的RNA亚基是合成端粒DNA的模板,对于端粒酶的结构和催化活性都十分重要.四膜虫端粒酶RNA有159个核苷酸,模板区为5′-CAACCCCAA-3′.人端粒酶RNA有455个核苷酸,模板区为5′-CUAACCCUAAC-3′.不同种类的纤毛虫,其端粒酶RNA长度在148~209之间变化,其中9~15个核苷酸具有种的专一性,与特定种类的端粒DNA序列互补.端粒酶RNA重要序列缺乏保守性,但都有保守的二级结构.这对于保持端粒酶的活性极为重要.端粒酶RNA的基因已经在纤毛虫、酵母、小鼠、人等生物中得到了克隆.将突变的RNA基因导入细胞后发现这些改变的序列在端粒DNA中出现,表明端粒酶的RNA决定了端粒DNA的序列.在酵母或乳酸菌中,缺失单拷贝的端粒酶RNA 基因会导致端粒缩短和细胞死亡.这些证据表明模板RNA对端粒酶的活性至关重要. Romero等和McCormick-Graham等推导出一个端粒酶RNA的二级结构模型:从5′到3′方向包含四个保守的双螺旋,双螺旋Ⅰ是最保守的区域,双螺旋Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ是茎环结构,这些保守的茎环通常是蛋白质结合区域.在双螺旋Ⅱ与Ⅲ之间存在模板序列,其上游的保守序列5′-(CU)GUCA-3′限制了模板区的5′边界.在双螺旋Ⅳ中有一个结构上保守的GA结,有助于蛋白质的识别与结合.最近研究表明,模板区的位置因物种而异.Autexier等[11]为了阐明端粒酶中RNA亚基的功能,将一系列缺失或替换一定数量碱基的RNA与野生型端粒酶蛋白质亚基进行酶的重构,研究了RNA特殊二级结构区域对端粒酶活性的影响. 当5′端和茎环Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ中的残基缺失或替换时,端粒酶的活性降至野生型的15%~35%.表明这些结构对端粒酶的活性很重要.缺失5′端大于11以上的残基时酶活性完全丧失.说明一些重要的序列或结构上的相互作用都发生在这一区域.有趣的是,影响端粒酶RNA潜在假结的突变、缺失整个茎环Ⅲ和替换茎环Ⅳ中的GA 结,并不明显影响酶的活性. 端粒酶的蛋白质成分不如RNA亚基研究得那样清楚.在过去几年里,端粒酶的催化亚基已经在酵母[12,13]、原生动物[12]和人[14]中分离出来.该蛋白质亚基的功能区与已知的反转录酶(reverse transcriptase, RT)在序列和功能上有明显的相似性,故称为端粒酶反转录酶(telomerase reverse transcriptase, TRT).酵母的Est1p是一个77 ku的多肽,专一性地与RNA亚基结合.缺失该基因,细胞会产生如同缺失端粒酶RNA亚基一样的表型. Weinrich等发现在端粒酶特殊的保守区和RT组分中,单个氨基酸的改变会降低或消除端粒酶的活性,直接证明hTRT是端粒酶的催化蛋白组分.在四膜虫中,发现两个端粒酶相关的蛋白质p80和p95.p80专一性地和端粒酶RNA结合,而p95则可和G链引物交联.在人和啮齿类动物中,已发现p80的同源物[15].从小腔游仆虫中纯化的端粒酶中发现另外两个蛋白质p123和p43,这两个蛋白质似乎与p80和p95没有相关性[12].p123包含有RT组分,是酵母Est2p的同源物[12].Est2p的RT组分对于体内、体外端粒DNA的合成是必需的.Est2p/p123在真核生物中很保守,在反转录酶的进化树上代表一个很早的分支[13].目前,仍然不清楚的是生物界里是否存在两类端粒酶,一类依赖于p80和p95;另一类依赖于p123/Est2p. 端粒酶的特殊性使端粒酶活性的测定在研究中显得尤为重要.早期的测定方法是通过测定细胞提取物将端粒重复片段加到一个合成的寡聚脱氧核苷酸引物3′端的能力进行的.但由于哺乳动物细胞端粒酶含量低,又有干扰现象,故难度较大.Kim等[16]建立了灵敏、快速、高效的端粒重复序列扩增法(TRAP),以后又在引物方面作了改进.此后人们又相继建立了荧光法、原位端粒重复片段扩增法及TRAP与闪烁技术联用的SPA法等敏感的检测手段,在医疗检测中得到了迅速的应用.3 端粒及端粒酶与衰老和癌变的关系3.1 端粒及端粒酶与衰老的关系 越来越多的证据表明端粒长度控制着衰老进程,端粒缩短是触发衰老的分子钟. 在大多数正常的人体细胞中并不能检测到端粒酶的活性,端粒随细胞分裂每次丢失50~200个碱基.Cooke等认为,这是由于正常的人体细胞中端粒酶未被活化,导致了端粒DNA缩短的缘故.保护性端粒酶的减少可能最终制约了细胞的增殖能力.当几千个碱基的端粒DNA丢失后,细胞就停止分裂而衰老.端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar等的工作.Bodnar等[17]将人的端粒酶基因导入正常的细胞中,使得端粒酶异常表达.活化的端粒酶导致端粒序列异常延长,细胞旺盛增殖,细胞寿命大大延长.这一结果首次为端粒钟学说提供了直接的证据.3.2 端粒酶活化与肿瘤 在正常的人体细胞中,端粒程序性地缩短限制了转化细胞的生长能力,这很可能是肿瘤形成的一个抑制机制.端粒酶的重新表达在细胞永生化及癌变过程中起着重要的作用.有人甚至认为表达端粒酶的正常细胞更易癌变.人们在代表不同肿瘤类型的大约1 000多个活检样品中发现大约85%的样品呈端粒酶阳性反应.相反,90%以上的邻近正常组织却是端粒酶阴性.从而将这个酶与永生化和肿瘤的形成密切联系在一起!端粒酶活性与肿瘤的这种特殊关系使之在诊断与治疗方面具有重要的应用价值[18,19].对端粒酶活性的抑制可能对某些类型的肿瘤来说是一个很有意义的治疗方法[20].3.3 衰老和肿瘤发生的分子机制 细胞衰老和癌变与端粒及端粒酶的关系可以表述如下:端粒的数量控制着细胞的增殖能力,是细胞内的分裂钟.端粒酶在生殖细胞系中维持端粒的长度,随着细胞的发育端粒酶活性受到抑制,端粒持续变短.当正常人体细胞的端粒缩短至一定程度时,启动阻止细胞分裂的信号,细胞开始衰老死亡,此即所谓的Hayflick界限(M1期).另外一些细胞由于癌基因、抑癌基因等的突变逃逸M1期,获得一定的额外增殖能力,进入第二死亡期(M2).此时端粒酶仍为阴性,端粒进一步缩短.大部分细胞达到极限而死亡,生存下来的细胞具有无限增殖的能力,端粒酶重新活化,成为永生细胞.在肿瘤形成过程中,端粒的延长是一个重要的甚至是一个必要的步骤! 既然端粒异常缩短后会触发细胞衰老和癌变,那么细胞一定有某种方式监测端粒的长度变化并用这些信息来调节端粒酶的活性,从而将这些重复序列加到染色体的末端.研究酿酒酵母时,发现端粒重复序列结合蛋白Rap1p负调节端粒的延长.最近van Steensel等[21]与Cooper等[22]分别在酵母和人中发现一个新的端粒重复序列结合蛋白,同样阻止端粒的延长.Cooper等[22]在粟酒裂殖酵母中克隆了Taz1p的基因,此蛋白质与端粒DNA的双链结合.值得注意的是,尽管粟酒裂殖酵母,酿酒酵母和人的端粒重复序列不同,Taz1p、Rap1p和TRF1这三个端粒序列结合蛋白却有相似的DNA结合区(类Myb型).在这个结合区以外,Taz1p与TRF1几乎没有同源性,与Rap1p就根本没有同源性.然而,taz1+基因的突变与Rap1p碳末端平头突变却有相似的表型,即端粒片段大大延长.这些新的工作表明端粒长度的调节机制是高度保守的. 细胞究竟是怎样调节端粒的长度的呢?van Steensel等[21]首次报道了人端粒结合蛋白(TRF1)的功能性研究,并提出端粒长度的调节机制.在端粒酶阳性的肿瘤细胞系HI1080中,长期过表达TRF1导致端粒逐渐的和持续性的缩短.相反,当TRF1负显性突变后,失去与端粒DNA结合的功能,最终诱导了端粒的延长.证明TRF1是端粒延长的一个抑制因子,负反馈调节端粒的长度.由于在可检测的水平上并不影响端粒酶的表达,因此,van Steensel等认为TRF1与端粒DNA结合后,顺式抑制端粒酶的活性,从而控制端粒的长度.根据这些结果,他们提出一个简单的端粒长度调节模型:与端粒重复片段结合的TRF1的数量可以调节端粒酶.野生型蛋白的加入,增加了端粒上TRF1的数量,从而为端粒酶提供了一个负信号.然而,通过负显性突变使TRF1功能缺失,却导致端粒酶的活化和端粒的延长.总之,这些研究表明,端粒重复序列的双链结合蛋白负调节端粒的延长.Shore[23]指出:细胞内可能存在一个感受染色体末端重复序列结合蛋白数量的机制,当这个数量超过一定的界限后,就产生一个信号阻止由端粒酶引起的端粒延长,或者,此信号可以活化缩短端粒重复片段的核苷降解或重组的过程.去除重复片段结合位点的不完全复制或降解事件,将消除对端粒酶的抑制.目前,人们还不清楚上述信号是如何产生与传导的.Ku等发现一些细胞周期抑制剂、DNA损伤因子、TopⅡ抑制剂均不能抑制端粒酶的活性,相反,一些蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)的抑制剂却能大大地降低端粒酶的活性.究其原因一方面可能因为PKC的失活使得活化端粒酶表达的效应分子不能活化,另一方面PKC可能在体内直接调节端粒酶的活性.c-myc是细胞增殖与凋亡的一个中心调节子,c-myc的表达严格依赖于分裂信号,被生长抑制信号或分化信号所抑制.Fujimoto等发现抑制c-myc的表达能够抑制端粒酶的活性,表明原癌基因c-myc对于端粒酶的调节是必需的.Mandal等发现在HeLa细胞中过表达Bcl-2导致端粒酶的活性增加5~10倍.Maxwell等的结果却表明端粒酶的活性不受P53的过量表达及凋亡的影响.这些证据表明端粒酶活性的调节是一个复杂的过程,它与细胞内一系列信号识别与传导有关系,其详细的调节机制还有待进一步的研究.3.4 端粒假说遇到的挑战 最近的研究表明,端粒酶的活化并非肿瘤细胞中的独特现象,许多正常增殖的细胞中也观察到了端粒酶的活化.Starling等、Kipling等及Broccoli等在小鼠中的研究结果表明,端粒缩短同衰老和肿瘤间并没有密切的联系.在正常人的口腔角化细胞的衰老过程中,也未观察到端粒的缩短.Blasco等[1]通过基因敲除使小鼠中的端粒酶RNA基因缺失,导致端粒酶的活性丧失.发现在快速增殖的器官中,细胞由于缺乏端粒酶而凋亡[3].但丧失端粒酶活性的细胞在培养中能够永生化、被病毒癌基因转化及在裸鼠中形成肿瘤.在某些肿瘤去分化的过程中端粒酶活性也未受到抑制.研究小鼠皮肤乳头状瘤的结果表明,端粒酶的活性与增殖率没有密切联系.总之,澄清这些例外的事实需要更加深入细致的研究,以期找到一个合理的解释. 总之,端粒和端粒酶在衰老和癌变中的作用使得人们对研究前景充满信心.对端粒和端粒酶深入细致的研究将有助于清楚地阐明衰老和肿瘤的机理,为在实践中抗衰老和治疗肿瘤提供新的理论基础.目前关于端粒及端粒酶的研究主要集中在以下几个方面:a.端粒酶的结构和功能.b.端粒酶的纯化和激活机制.c.寻找端粒酶的专一性抑制剂及其在抗癌中的应用.d.端粒的高级结构及结合蛋白的作用机理.这几个方面仍需进一步的探索.衰老和癌变无疑都是多因素作用的结果,但端粒和端粒酶很可能在其中扮演重要的角色.作者单位:清华大学生物科学与技术系,北京 100084参考文献1 Blasco M A, Lee H W, Hande M P, et al. 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端粒酶的研究进展【摘要】20世纪30年代Muller发现了保持染色体稳定的端粒结构,1985年Greider和Blackburn在四膜虫细胞提取物中发现了端粒酶,并证实端粒酶具有维持端粒长度的功能。
1989年Morin等人在宫颈癌Hela细胞发现活化的人端粒酶,从此对端粒酶的研究便不断深入,本文对端粒酶的研究进展综述如下。
【关键词】端粒酶结构活性调节肿瘤问题与展望1 端粒酶的结构1985年Shampay等[1]将四膜虫端粒DNA转入酵母细胞,发现酵母端粒序列与之相连并延长,因此他们假设生物体内存在一种物质,能将特异末端序列转移至外源DNA上。
后来Greider、Blackburn等人在四膜虫细胞核提取物中首先发现并纯化了这种物质,证实该物质就是端粒酶[2],它具有端粒特异性末端转移酶的活性,它的活性不依赖于α-DNA聚合酶和DNA模板而使端粒序列自我复制[3]。
体内实验表明,端粒酶合成端粒DNA包括四个步骤:1)富含G 的3'-overhang作为引物与端粒酶RNA中的端粒互补序列相互识别、碱基互补配对;2)端粒酶RNA 作为模板,在底物dNTP 参与下,按5'→3'方向合成一个新的端粒重复序列,使染色体3'末端得以延长;3)端粒酶的转位。
端粒酶RNA模板与染色体末端配对解开,重新定位于新合成的端粒重复序列的3'末端,并重复步骤2)的聚合反应;4)互补链的合成。
目前一般认为是以新合成的端粒重复序列为模板,在DNA聚合酶作用下完成。
上述几个步骤循环重复,则可合成很多个端粒重复序列,使端粒得以延长。
对许多生物的端粒酶RNA组分研究发现:1)端粒酶RNA的一级结构不太相同;2)在纤毛虫中端粒酶RNAs有一个保守的二级结构。
最近人们在纤毛虫的端粒酶RNA中发现一种“假结”的保守结构,而且该结构在体内是和TERT装配在一起的,这样就形成了端粒酶RNA的主要结构元件,而且具有明显的定位功能。
在哺乳动物和酵母中端粒酶的RNAs都明显较长,分别为450和1300个核苷酸,酵母中的多数多余的序列是功能所不必需的。
在四膜虫中端粒酶RNA仅159nt即足以维持酶的活性,哺乳动物需要更长RNA的原因仍不太清楚。
检测酵母及哺乳动物中较长的RNA 是否与纤毛虫的二级结构中的组份相同还需要在表现型上进行分析比较,所以,在酵母和哺乳动物中是否存在普遍保守的结构元件,现在还不清楚[4]。
研究表明,在所有的端粒酶RNA中都发现在模板5'端上游2nt位点上有保守序列。
与模板5'端相关的保守位点使人们想到这个区域决定了模板的边界。
当这个区域的序列和位置都发生改变并在体外重构时,酶模板的边界也发生改变。
这些实验提示保守序列代表蛋白结合位点或阻断RNA模板活性位点延伸的功能性RNA素。
纤毛虫RNAs模板上游的该保守序列在哺乳动物和酵母端粒酶RNAs中并不保守,提示这些酶可能利用不同的序列或机制来定义模板边界[4-5]。
Shay和Harrinton报道了体外有关hTR分子功能性的试验,他们发现在网状细胞转录/翻译系统中hTERT被表达而且端粒酶活性通过hTR被重构。
后来的研究发现hTR模板的上游区通常不是用来重构端粒酶活性所必需的,但是,hTR模板的下游区对于重构端粒酶活性/装配是至关重要的。
Shay也报道指出,hTR模板区的两个片段本身对重构端粒酶活性不起作用,但是当与反转录酶结合时才起作用[6]。
最近研究发现,在人端粒酶RNA 3'末端存在一段典型的H/ACA 基序。
该元件是在小核仁RNAs 中发现的,能装配成用于引导rRNA前体假尿嘧啶核苷酸的小核糖核蛋白粒子。
但是人类端粒酶RNA中H/ACA 基序这种特征元件的功能现在还不清楚[7]。
2端粒酶活性的调节由于端粒酶能够调节端粒长度以及抗细胞调亡、DNA 修复等的特殊功能,因此基于端粒酶活性调节的研究成为焦点,分为诱导端粒酶活性与抑制端粒酶活性两个方向。
2.1诱导端粒酶活性组织细胞工程学中,定向诱导干细胞分化为各种组织细胞以及体外支架诱导细胞塑造人工器官研究越来越深入。
因此增加端粒酶的活性,维持细胞分化和增殖能力,延长细胞的寿命抑制细胞衰老具有重要意义。
目前的研究方法是将携带hTERT基因的载体转染干细胞,激活端粒酶,使被转染的干细胞端粒酶活性升高。
Sarin等[8]研究发现,在小鼠上皮组织表达TERT时,可以使毛发终止期的毛囊干细胞转化为活跃期,小鼠长出了新长的毛发。
Simonsen等[9]将外源性端粒酶反转录酶转染人间充质干细胞,诱导向成骨细胞分化,转染后骨髓间充质干细胞端粒酶活性增高,260个群体倍增水平后细胞还能继续分裂,核型正常不致瘤,表达成骨细胞标志,使细胞活力大大增强。
Bodna rAG等[10]将编码了人类端粒酶催化亚基的载体转染到视网膜色素上皮细胞和包皮成纤维细胞中,这两种细胞在正常人细胞中端粒酶表达呈阴性,结果发现端粒酶表达呈阴性的细胞的端粒缩短、细胞衰老,而端粒酶表达呈阳性的细胞的端粒伸长,细胞分裂旺盛。
这些端粒酶阳性细胞的寿命超出正常细胞的寿命40倍,核形正常。
2.2抑制端粒酶活性研究发现80%以上的肿瘤组织端粒酶活化,虽然不是肿瘤发生的早期因素,但肿瘤中端粒酶的活化是肿瘤发生的一个重要步骤,而且与肿瘤的增殖、分化、凋亡、转移和周期等相关。
而正常组织中(包括正常干细胞)端粒酶的表达水平较低或只是暂时性表达,且与肿瘤细胞相比端粒较长,因此基于抑制端粒酶活性的癌症治疗药物成为可能。
目前的研究方向主要集中在酶直接抑制剂、端粒酶主动免疫治疗,以及干扰端粒酶反转录过程等几个方面。
3端粒酶与肿瘤端粒酶是一种由蛋白质和RNA 构成的核糖核蛋白体( RNP)。
在绝大多数真核生物的细胞中,端粒的长度都是通过端粒酶维持的。
正常体细胞中,除生殖细胞、骨髓造血干细胞及外周淋巴细胞外,端粒酶的活性一般难以检测到,随着细胞的不断分裂,染色体末端的端粒序列便会不断缩短。
由于肿瘤细胞是无限增殖的细胞,不会衰老,而90%的肿瘤细胞都具有端粒酶的表达,因此,端粒酶的活性与表达程度和肿瘤的发生、发展及转归间的关系便成为近年来生物学和基础医学共同关注的热点[11]。
端粒酶究竟同癌细胞的无限增殖有何关系,Harley提出了“端粒-端粒酶”假说[12]。
这一假说已被越来越多的事实所证实:Harley 等发现人的成纤维细胞的端粒长度随着年龄的增长而不断地缩短[13]。
deLange 等证明在转化细胞中端粒的长度则不变[14]。
精子中的端粒长度不因年龄而变化似可用精细胞中存在有端粒酶活性来解释[15]。
iraga 等发现只有具有端粒酶活性的神经上皮瘤者可以建成细胞株,而没有端粒酶活性的神经上皮瘤则不能建成细胞株[17]。
这说明端粒酶激活对于神经上皮细胞的“永生化”是必须的。
Cheng等发现早期鼻咽癌细胞的端粒酶便已激活,提示端粒酶的激活可能是肿瘤发生的早期事件。
端粒酶是肿瘤诊断的重要指标。
运用TRAP法,端粒酶活性已经在血、胸腔穿刺液、甲状腺、肝脏、子宫颈分泌物、肺脏和唾液、胸膜渗出液、粪便和尿液的标本中被检测出部分肿瘤的端粒酶活性与肿瘤的转移相关。
Hoos等发现出现转移的乳腺癌其原发灶的端粒酶活性要比未发生转移的乳腺癌高,指出乳腺癌的形成与端粒酶有关。
端粒酶还可判断肿瘤的预后,并且活性水平与肿瘤的大小、规模、转移相关。
有证据表明,高端粒酶活性与白血病、脑膜瘤和乳腺癌的不良预后有关。
另外,Nakarani等发现端粒酶活性阳性的胶质母细胞瘤患者其平均生存期为8个月,而端粒酶活性阴性的患者则为13.8个月。
4问题与展望综上所述,目前对端粒酶的了解尚不充分,现有研究在阐明端粒酶的作用机理方面虽然取得了不少进展,但在分子水平上对端粒酶的具体调控机制仍不明了,有效和特异的小分子抑制剂至今尚未能找到。
端粒酶作为癌症靶标仍然处于临床早期阶段。
人们还未能完全了解端粒酶的作用和其在正常生物学和癌症病理生理学中的端粒动力学,近期研究人员在部分肿瘤细胞中发现了端粒延长的旁路途径,使面临的问题更加复杂化,目前临床试验中的药物可能并不能通过最终验证,无疑面临着诸多挑战与机遇。
因此研究仍处在起步阶段,对端粒酶活性的调节还无法做到时间和活性的精确控制。
但随着研究的深入,端粒酶的秘密将逐渐被揭开。
将对人类延缓衰老,治疗疾病开辟出新的途径。
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