端粒及端粒酶在细胞衰老和癌症中的作用.docx

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端粒及端粒酶在细胞衰老和癌症中的作用

关键词：

端粒，端粒酶，细胞衰老，癌症。

摘要：

衰老是指生物体在结构和功能上表现出来种种退化。

当端粒长度因细胞复制而缩短到极限时，细胞就会走向衰老甚至死亡而端粒酶的存在能补充巳缩短的端粒从而延长细胞寿命甚至使其得到永生端粒-端粒酶系统与人类的衰老和肿瘤的形成与发展无疑有着某些密切的联系透彻分析其关系对抗衰老以及肿瘤的诊断和治疗有着极其重要的意义。

本文将就端粒和端粒酶的发现、结构和功能及其与人类衰老、癌症的潜在关系等方面做一简要介绍.人的生老病死，这或许是生命最为简洁的概括，但其中却蕴藏了无穷无尽的奥秘.染色体是生物细胞核中的一种易被碱性染料染色的线状物质.大家都知道，正常人的体细胞有23对染色体，这对人类生命具有重要意义,其中的x和Y染色体是决定男女性别的性染色体.在染色体的末端，有一个像帽子一样的特殊结构，这就是端粒.作为染色体末端的”保护帽”，端粒具有维持染色体的相对稳固、防止DNA互相融合及重组的功能,犹如卫兵那样守护染色体不受损害.而端粒酶的作用则是帮助合成端粒，使得端粒的长度等结构得以稳定.”染色体携有遗传信息.端粒是细胞内染色体末端的'保护帽'，它能够保护染色体，而端粒酶在端粒受损时能够恢复其长度.”获奖者之一的伊丽莎白?

布莱克本介绍说:

”伴随着人的成长，端粒逐渐受到磨损，.于是我们会问，这是否很重要?

而我们逐渐发现，这对人类而言确实很重要借助他们的开创性工作.如今人们知道,端粒不仅与染色体的个性特质和稳定性密切相关，而且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡.简单讲，端粒变短.细胞就老化.相反，如果端粒酶活性很高,端粒长度就能得到保持，细胞老化就被延缓.1端粒的发现、结构与功能20世纪30年代，两位著名的遗传学家McClintock和Miffler等人发现,染色体的末端存在一种能稳定染色体结构和功能的特殊成分.如果缺少了此成分，染色体易降解，相互之间易发生粘连,出现结构的异常.影响染色体的正确复制,甚至引起细胞的死亡.于是Mifller从希腊文的味端“（telos）和”部分”（meros）二词为此特殊成分创造了一个全新的术语”端粒H（telomere）.

端粒的精确组成直到1978年才由美国科学家Blackbum和Gall首次提出，他们发现单细胞生物四膜虫（tetrahy.mena）的端粒是由一^串简单重复序列TTGGGG形成的[1].之后包括动物、植物和微生物在内的多种生物的端粒序列被测定出,发现它们与四膜虫的端粒序列极其相似，均由富含G和T的简单重复序列不断重复而成.正是这些连接在染色体末端的DNA重复序列及结合在其上的相关蛋白质共同构成了真核生物染色体的”末端保护帽”一端粒.人类细胞端粒的重复序列为TTAGGG,长度为5〜15kb.不同组织细胞其端粒的长度不同，精子和早期胚胎细胞端粒长度较长.可达1A20kb.端粒的结合或相关蛋白最重要的是人端粒重复序列结合因子（telomericrepeatfactoi）TRFI和TRF2,此外还包括POTLKu70,Ku80,TankyrascLPINXLTIN2和hRapl等.TRF1和TRF2均专一性地与端粒DNA重复序列结合.TRF1对端粒的长度起负调控作用，可以在一定程度上抑制端粒酶在端粒末端的行为;TRF2?

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万方数据BriefIntroductionofNobelPrizeChineseJournalofNatureV01.31No.6则可以防止染色体末端相互融合,对维持端粒的正常结构必不可少.其他相关蛋白则可与它们形成复合体,共同行使调控端粒的长度和（或）保护端粒末端结构等功能作用.随着端粒分子组成结构的阐明，发现端粒对维护染色体的功能稳定起到不可替代的作用.它就像一个忠诚的”生命卫士”，不但保护染色体DNA免受外界不良因素的侵蚀，而且它把基因组序列包裹在内部，在复制过程中以牺牲自身而避免染色体结构基因被破坏，从而防止了遗传信息的丢失,维护了染色体结构和功能的完整.

此外，端粒还参与染色体在细胞核中的定位，并对有丝分裂后期染色体的分离，减数分裂时染色体的重组和DNA双链损伤后的修复都有重要作用.体5p上.hTERT是端粒酶起作用的关键结构和主要调控亚单位，它可以通过逆转录hTR模板序列，合成端粒DNA重复序列并添加到染色体末端，从而延长端粒长度.人体细胞中端粒酶合成和延长端粒的作用是在胚胎发育过程中完成的，当胚胎发育完成后，端粒酶活性在大多数组织中消失,除生殖细胞、造血干细胞及外周淋巴细胞等少数几类细胞外，绝大多数正常体细胞检测不到端粒酶活性.由此可以认为在胚胎发育时期获得的端粒，应已足够维系人体的整个生命过程中因细胞分裂所致的端粒缩短.

对端粒酶活性的表达,hTR和hTERT两种组分缺一不可，但它们的表达调控应该是分离的.hTR在人的组织细胞中广泛表达，是一个普遍现象，而hTERT只在有端粒酶活性的细胞中（如生殖细胞、各种具有分裂增殖能力的细胞和绝大多数肿瘤细胞）表达.hTR与端粒酶活2端粒酶的发现、结构与功能真核生物DNA的复制只能沿着5,一3方向进行，并需要有互补单链作模板,还要求有一定长度的RNA作为引物.随着引物的切除,随从链5,末端总有一段相当于RNA引物长度的DNA不能完整复制下来,这必然导致染色体DNA随着每一次的细胞分裂其端区不断缩短,这就是Warson于1972年提出的”末端复制问S（endreplicationproblem）,I-3j.但Larson和Spangler性没有平行关系，而hTERT的mRNA水平和蛋白表达水平则总是与端粒酶活性呈正相关.端粒酶活性阳性细胞中的hTERT基因突变或沉默,则细胞端粒酶活性失;在端粒酶阴性的细胞中导入编码hTERT的基因，则可重建细胞的端粒酶活性,结果细胞的端粒增长，寿命延长,老化过程延缓甚至出现永生化现象［5|.等在对对数生长期的四膜虫的研究中却发现其端区不见缩短，甚至还有所延长.针对这一矛M,Blackbum和Greider等［4］认为四膜虫端区的延长不可能是DNA聚合酶作用的结果,而是另有原因.后来他们在四膜虫的细胞提取液中发现了一种酶活性成分，能往端区添加重复序列TTGGGG当时称之为末端转移酶，这就是现在所称的端粒B（telomerase）.

现在已知，端粒酶是一种特殊的核糖核蛋白酶复合体，具有逆转录酶活性.能够以自身的RNA为模板合成端粒DNA人端粒酶结构主要包括3部分端粒酶RNA（humantelomeraseRNA,hTR）;端粒酶催化亚单位（h—mantelomerasecatalyticsubunit,hTERT）和端粒相关蛋白3端粒、端粒酶与细胞衰老嘲早在1965年,Hayflick经过大量反复实验首先证实了正常人成纤维细胞的分裂次数是有限的，随后发现许多其他的体细胞如表皮基底细胞、内皮细胞、淋巴细胞等都有所谓的”分裂钟”来限制它们的分裂次数.此即为Hayflick极限（Hayflicklimit）［7］,但其本质是什么一直未得到明确解释.直到20世纪70年代.Olovnikov等将细胞分裂终止与”末端复制问题”联系列一起，认为随着细胞分裂，端粒逐渐缩短，当缩短到失去它的缓冲作用时，细胞就发生衰老,从而将端粒与生命衰老联系起来.

1991年HarleyE8］提出了较完善的细胞衰老的端粒假说:

人正常体细胞经过多次有丝分裂达到Hayflick极限时，端粒缩短到不能继续维持细胞分裂时.便会启动终止细胞分裂的信号,细胞周期检验点基因如p53或（和）RB表达,细胞周期阻滞，细胞进入GI期和GII/M期之间的MI死亡期，被称为复制性衰老（replicativesenescence）.当p53或（和）RB失活时，细胞可逃脱复制性衰老而继续分裂增殖,端粒变得更短，最终端粒末端功能丧失，染色体失稳，表现出染色体断裂、重组等引起大规模的细胞死亡现象,只有极少数细胞因为激活了端粒酶活性而发生逃逸，成为永生化细胞.Black-质1（telomeraseassociated.protein1,TP1/TLP^.另夕卜，还有hSP90（heatshockprotein90）,p23和dyskerin等.其中hTERT和hTR是端粒酶最关键的结构.人端粒酶RNA有455个核昔酸，模板区为5己CUAACCCUAAC-3；指导端粒重复序列（TFAGGG）的合成hTR的结构改变或成分的丢失均会影响端粒酶的活性.hTERT为端粒酶的催化亚基，是一个包含1132个氨基酸残基的多态链.具有逆转录酶的共同结构——7个蛋

白质域以及端粒酶催化亚基独特的T框架保守区域.其编码基因位于染色？

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万方数据自然杂志31卷6期诺贝尔奖简介预测预后的重要标志之一，并且成为恶性肿瘤化疗和基因治疗的重要靶点.通过抑制端粒酶活性，肿瘤细胞因不能有效合成端粒序列而发生复制性衰老并逐渐老化死亡，则可达到治疗肿瘤的目的，这为肿瘤的基因治疗开辟了新的途径.

近年来，针对端粒酶为作用靶点的抗肿瘤研究非常活跃，其研究目标就是寻找各种有效的途径来抑制肿瘤细胞的端粒酶活性，目前主要的途径有以下几种:

①阻断端粒酶RNA的模板作用，包括:

反义hTR、反义寡核昔酸、锤头状核酶和肽昔酸等;②针对端粒酶催化亚基的抑制剂:

hTERT抑制剂、端粒酶蛋白抗体、PKC调节剂等;③其他抑制剂.burnL9］于2000年提出了端粒与细胞衰老关系的新假说:

认为端粒是一个动态的由端粒DNA和端粒结合蛋白构成的核蛋白结构,存在戴帽和非戴帽两种状态.戴帽状态是端粒的功能状态，细胞可以继续分裂,非戴帽状态端粒则会引发细胞周期阻滞.

在正常的细胞分裂时，端粒可以在戴帽和非戴帽两种状态间变换.随着细胞分裂的继续，越来越多的细胞端粒处于非戴帽状态，继而出现衰老、死亡.端粒若进行性缩短或细胞缺乏端粒酶活性，则难以恢复戴帽状态,但非戴帽状态的端粒可以通过激活端粒酶活性或以同源重组的途径返回到戴帽状态，继续进行细胞分裂.这一假说与Griffith等［10］提出的端粒D环一T环帽状结构相互呼应，并且与经典的端粒长度与衰老关系理论并不相悖.因为端粒缩短到一定长度后不能形成T环结构.正常体细胞端粒的长度是有限度的，随着年龄的增长和细胞分裂次数的增多，端粒会逐渐缩短，一般丢失速度为50^200bp/次［11］.由此可见端粒长度决定了细胞的分裂次数，它作为有丝分裂”分裂钟”的物质基础，调控着细胞的复制寿命，超过分裂极限后细胞自然衰老死亡，现在这一观点已被大多数的研究者接受.而端粒酶有维持端粒长度的作用，绝大多的永生化细胞系中可检测到高水平的端粒酶活性.这里需要指出的是：

端粒酶不是癌基因,其活性的激活本身不会直接导致细胞癌变的发生.许多研究表明通过转基因技术重建正常体细胞的端粒酶活性可使细胞的分裂次数大大提高，甚至永生化，但其核型和表型均保持正常，没有恶性转变的迹象发生.这让人很容易联想到端粒酶在衰老的防治中具有广阔的应用前景，如可通过转基因技术将hTERT基因导入端粒酶阴性的细胞，重建其端粒酶活性,维持端粒长度，增加细胞的寿命，甚至使细胞永生化，从而达到防治衰老的目的，这为干细胞的治疗应用提供了广阔的前景.

近来，许多的研究表明端粒酶除具有合成端粒重复序列防止细胞复制性衰老的作用以外，还具有独立于端粒外的抗凋亡作用和调节细胞生存的作用D63.FU等通过反义核昔酸技术抑制PCI2细胞hTERT的表达以及采用端粒酶活性抑制剂显著增强了STS,Fe2+和Ap诱导的线粒体功能障碍和凋亡.他们还发现已分化的PCI2细胞比未分化的PCI2更容易遭受STS及Ap诱导的细