端粒酶的作用

端粒酶保护端粒的机制

高露

摘要端粒和端粒酶是近年来生命科学研究的热点问题之一。端粒是染色体末端

高度保守的重复核苷酸序列,对染色体具有保护作用,随着细胞分裂的不断进

行,端粒逐渐缩短,减少到一定程度,细胞就趋向衰亡,被认为是细胞有丝分

裂的“生物钟”。端粒酶则是由RNA和蛋白质亚基组成的核糖核蛋白复合物,它

是影响端粒长度的主要因素,以其RNA为模板,向端粒末端添加(TTAGGG)n

序列,使端粒延长,从而延长细胞的寿命甚至使其永生。端粒酶的活化可延长染

色体末端DNA,维持基因组的稳定，并且其活性的异常表达又会引起细胞永生化

或转化成癌细胞。因此端粒和端粒酶的结构和功能的研究对于治疗肿瘤和控制细

胞寿命有着极其重要的意义。近来,越来越多的研究结果表明:在多数肿瘤、细胞

癌变和衰老过程中都可检测到很高的端粒酶活性和端粒长度缩短。但同时也有许

多不依赖端粒酶的端粒维持和细胞永生。

关键词端粒；端粒酶；活性；衰老

前言端粒和端粒酶是现代生物学研究的热点,端粒封闭了染色体的末端并维

持了染色体的稳定性,端粒的缺失会引起染色体融合并导致细胞的衰老及死亡。

端粒酶的活化可延长染色体末端DNA,维持基因组的稳定。端粒酶的功能区主要

在hTR的442203核苷酸区,3p和10p上存在着编码调整端粒酶的基因,Estl

可能是端粒末端结合蛋白,是端粒酶的识别位点。正常情况下,此酶活性较低或

无活性,但在干细胞、永生型细胞或肿瘤细胞此酶活性较强。端粒酶的活性主要

与细胞分裂速度、细胞周期因素及细胞分化程度有关,细胞分化程度低、细胞增

生活跃及肿瘤细胞在S期时活性较高。在恶性肿瘤中端粒酶活性较高,但在良性

肿瘤和非肿瘤中活性较低,因而可利用TRAP技术对端粒酶活性进行检测来进

行肿瘤诊断及良恶性鉴别。同时可利用端粒酶抑制剂能抑制端粒酶的活性,缩短

端粒,使恶化细胞良转,达到治疗肿瘤的作用,而且还可利用检测端粒酶作为

治疗效果好坏的指标。正常体细胞每分裂一代，端粒就会缩短一段，而端粒酶的

作用就是将一段端粒序列加到端粒末端，从而维持端粒长度。本文将围绕端粒和

端粒酶的结构、功能简要论述端粒酶对端粒的保护机制。

一、端粒的结构与功能

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的复

制,防止染色体免遭融合、重组和降解。从单细胞的有机体到高等动植物,端粒

的结构和功能都很保守。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、原生物锥虫及几种粘菌和真菌都有相同的端粒序列T2AG3,其它情况下,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。在人体中大约15kb,在大鼠中可长达150kb,在小鼠中一般在

5kb~80kb之间变化,而尖毛虫中却只有20bp。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200bp到400bp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。人和其它哺乳动物的端粒

DNA序列由5′→3′方向的(TTAGGG)n反复串联组成,在人类大约有2～15kb,

是非结构基因,不具有编码蛋白质的功能。端粒DNA的3′末端较5′末端伸出

12～16bp的一段,而且弯回呈帽状保护着染色体,防止其断裂、重组或降解,并

促进核膜粘着以及减数分裂时生殖细胞的配对。单一端粒的缺失能导致染色体的

不稳定性和姐妹染色体或ö和别的染色体形成末端-末端融合,在减数分裂的后

期形成双着丝粒或环状着丝粒的染色体以及其它类型畸变。

端粒被认为是细胞有丝分裂的“生物种”,随着细胞分裂的不断进行,端粒

不断缩短,正常皮肤生发层细胞和血细胞每年丢失15～40bp的端粒序列,而体

外培养的成纤维细胞、T细胞、胚肾细胞等每增加一倍就丢失50～200bp的端粒

序列,当其长度减小到一定临界值时,细胞即趋向衰老、死亡。端粒DNA逐渐变

短的主要原因:①分裂过程中线形染色体的末端端粒DNA不能完全被DNA指导

的DNA多聚酶所复制。②末端的特异性和非特异性降解。③细胞异源端粒之间的

不均重组。因而细胞的寿命没有固定的时间,而是主要取决于细胞分裂的次数及

每次分裂的时间。影响端粒长度的因素有许多,其中主要有端粒结合蛋白、端粒

帽蛋白、端粒酶及DNA复制酶等。其中端粒酶是最主要的影响因素,其它一些因

素对端粒的调节作用也与端粒酶有关,如酵母细胞中的端粒结合蛋白cdc13p就

是通过调整端粒酶结合染色体末端的途径来实现对端粒的保护及延长作用的。

Muller等(1938)首先发现位于染色体末端的端粒是维持染色体完整所必

需的。但是由于“末端复制问题”的存在,端粒DNA势必逐渐缩短以至于使细胞

失去增殖能力而老化。Harley等(1991)提出了较为完备的端粒2端粒酶假说,

认为正常细胞的端粒缩短到一定程度时会启动终止细胞分裂的信号,使细胞进

入第一死亡期M1并退出细胞周期而老化。如果细胞被病毒转染或某些抑癌基因

发生突变,细胞可越过M1期而继续分裂并进入第二死亡期M2。这时大部分细

胞由于端粒太短而失去功能以至死亡。而极少数的细胞在此时激活了端粒酶,从

而使端粒不再缩短,获得无限增殖能力而成为永生化细胞。

二、端粒酶的结构与功能

端粒酶是一种依赖于RNA的DNA聚合酶。目前认为它主要由三部分组成:端

粒酶RNA组分(telomeraRNAcomponent,TR)、端粒酶相关蛋白、端粒酶催

化亚基。在人类胚胎早期发育阶段,很多组织都可以检测到端粒酶活性,但随着

组织和细胞的分化,端粒酶活性迅速降低,端粒酶的失活进程具有明显的组织

特异性,与细胞分化有关。

编码TR的基因已经在很多物种中被发现。人类的TR基因(hTR)位于3q26.

3,产物RNA总长450个碱基,其中有11个碱基的模板区(52CUAACCCUAAC23′)

与端粒重复序列互补。端粒酶是以TR为模板利用逆转录酶活性来延长端粒的。

在核酸的一级结构上,TR具有一定的种属差异。哺乳类动物包括人的端粒酶RNA

比纤毛虫的长2～3倍,原因是RNA3′出现了一个特殊的小核RNA样HöACA结构

域,该结构对于体内hTR的积聚,3′延伸和端粒酶的活性是必需的,提示hTR的

生物起源和功能与人端粒酶核酸蛋白复合物有关。

端粒酶是一种能延长端粒末端的核酸蛋白酶,由蛋白质和RNA组成,可以

其RNA为模板,发挥RNA指导的DNA合成作用,向端粒末端添加(TTAGGG)n序

列,使端粒延长,延长细胞的寿命甚至使其永生。利用基于PCR的TRAP技术对正

常动物细胞及植物细胞进行检测,发现除个别增生活跃的组织有微弱的端粒酶

活性外,其它组织都没有端粒酶活性。但在肿瘤细胞、永生型细胞及干细胞(如

造血干细胞)中端粒酶可被激活,活性增强。

不同物种之间端粒酶RNA的一级结构相差很大,但就其高度保守的类似功

能来看,其二级结构可能相似。近一、二十年来,人们对四膜虫的端粒酶研究较

深。80年代,Greider和Blackburn发现四膜虫细胞提取液有端粒酶活性,但用

RNaA处理后,活性消失,近而证明是一种逆转录酶,由RNA和蛋白质组成。

然后他们又从四膜虫细胞中分离出159个核苷酸mRNA序列,确认43到51位点

的CAACCC2CAA序列为合成端粒重复序列的模板区。对于人类端粒酶的深入研究

只是近几年的事。Steenbergen等将HPV216和HPV218转染人包皮角质细胞,使

细胞成为永生型,则端粒酶活性由弱或无变强,进一步研究发现其永生性与染

色体3p+11qö18qö10p的等位基因的丢失有关,这表明3p和10p上可能存在着

编码调整端粒酶的基因。Autexier等通过核酸酶的消化作用去掉人类端粒酶RNA

(hTR)中主要的445个核苷酸,然后通过体外转录hTR的添加来重建端粒酶活性。

利用这种分析方法来判定hTR的功能区,结果证明这个功能区位于1～203碱基

对位置,而1～44碱基对对端粒酶的活性作用不大,因而主要功能区可能在

44～203区。全长hTR在170～179、180～189、190～199的突变几乎使端粒

酶丧失活性,提示这30个核苷酸区的序列结构是活性所必须,其机制可能是通

过结合端粒蛋白质成分对活性产生影响。

三、端粒与端粒酶之间

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的端粒酶

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。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。

（图片出自百度）

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