端粒酶和端粒的研究进展及应用,端粒与端粒酶的研究进展综述

('生命科学前沿教育生命学院生物技术074班姓名：刘姣学号：12107121端粒酶和端粒的研究进展及应用刘姣生物技术07级4班学号：12107121摘要：三位美国科学家(ElizabethH．Blackbum，CarolW．Greider和JackW．Szostak)发现“端粒和端粒酶是如何保护染色体的”获得了2009年的诺贝尔生理学或医学奖。端粒是染色体末端的特殊结构，它由简单重复的DNA序列和与其结合的蛋白质构成，保护染色体末端不被降解或融合，使染色体能够完全复制。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，同时端粒酶活性的异常表达又会引起细胞永生化或转化成癌细胞。目前，对端粒及端粒酶研究的进展可概括为：端粒及端粒酶的结构与功能；端粒酶的活性研究；应用价值三个方面。本文对其进行了详细阐述。关键词：端粒；端粒酶；诺贝尔奖；细胞衰老；癌化AdvancestudiesandApplicationofTelomeraseandTelomereAbstract:ThreeU.S.scientists(ElizabethH.Blackbum,CarolW.GreiderandJackW.Szostak)foundthat“howdotelomeresandtelomeraseprotectchromosomes”wonthepromiseof2009NobelPrizeforPhysiologyorMedicine.Telomeresarethespecialstructureofchromosomeends,itisbyasimplerepeatoftheDNAsequencesandthebindingoftheproteincomposition,protectingtheendofchromosomenottodegradationormergeandmakefullcopyofchromosomeNenggou.TelomeraseistheRNAandproteinsubunits,canextendthetelomeresofaspecialreversetranscriptase,andtheabnormalexpressionoftelomeraseactivitywillcausecellimmortalizedortransformedintocancercells.Atpresent,theprogressofthestudyoftelomerasecanbesummarizedas:thestructureandfunctionoftelomerase;telomeraseactivity;telomerasevalueofthree.Keywords:telomere;telomerase;NobelPrize;cellsenescence;carcinogenesis端粒和端粒酶的研究进程中贯穿着“发现现象/问题”-“提出概念/模型”-“实验验证”的思路，整个过程如连锁反应一般相互联系并步步推进。端粒由DNA蛋白质复合物组成,其作用主要体现在以下4个方面：(1)端粒结合蛋白结合端粒末端DNA，可以使细胞的DNA损伤修复机制正确区分正常的染色体末端和DNA双链损伤后形成的末端；(2)保证了染色体的完整性；(3)在基因组的功能方面起调控作用；(4)参与染色体在细胞核内的定位与组织。染色体末端(端粒)的缺失会使细胞逐渐失去增殖能力，导致细胞的衰老和死亡。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。1.端粒的结构1.1端粒DNA人的端粒DNA由5`-TTAGGG-3`的重复序列构成,长度为4~15kb不等，这是由细胞分裂次数的不同造成的。最末端由50到数百重复的TTAGGG单链组成，称为3`悬突（3`-overhang）。而线虫的端粒具有5`-TTAGGC-3`的特征，四膜虫重复序列为GGGGTT，草履虫为TTGGGG，除了拟南芥和玉米，小麦、大麦、水稻以及番茄的端粒序列也是5`-TTAGGG-3`或其突变体构成的简单重复。由此可知不同机体之间端粒重复亚单位数目各不相同，同时同一机体的不同细胞及同一细胞在不同时期的重复数也应该是不相同的。据研究知端粒始终处于一种动态的平衡当中，当端粒缩短时端粒末端蛋白发生解聚，暴露出3`端，让端粒酶结合使端粒延长。最近发现，端粒DNA末端与端粒结合蛋白形成的是环套结构而不是单纯的线性结构(Griffith等，1999)。1.2端粒相关蛋白目前已发现的有TRF1,TRF2,POT1及PINX1等，Raplp蛋白和Ku蛋白是2类具有重要意义的酵母端粒结合蛋白，而发现的已经克隆的人类端粒相关蛋白主要有TRF1,TRF2,tankyrase和UP1等。TRF1是一个60ku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。另一个是TRF2，它与TRF1很相似，但不同的是其N端碱性很强。TRF1通过抑制端粒酶活性来调节端粒的长度，TRF2维持染色体的稳定。植物中结合于端粒双链区的蛋白已从玉米和拟南芥中得到，最近水稻编码双链结合蛋白RTBP1的基因已被克隆，此基因编码的蛋白质为70kDa，其C端含有一个与其他端粒结合蛋白如TRF1,TRF2,Tazlp非常相似的Myb样端粒DNA结合域。2．端粒的功能端粒的功能主要在于维持染色体的稳定，抑制染色体之间的融合或染色体的降解，并参与核中的一系列与细胞增殖有关的活动。此外，端粒在维持细胞核的三维结构及染色体配对中起一定作用。同时还可以与细胞膜结合，使端粒用来锚定染色体，从而降低了染色体配对的复杂性。3．端粒酶的结构和功能3.1端粒酶的结构一般认为端粒酶由端粒酶RNA(TA)端粒酶相关蛋白和端粒酶催化亚基(TERT)3部分组成，许多物种的TR已经被成功克隆，如纤毛虫，酵母，人和鼠等。人的端粒酶由端粒酶催化亚基hTERT和端粒酶RNA模板hTR(人端粒酶RNA)组成。不同物种的hTR的序列组成是不同的，即RNA重要序列缺乏保守性，但是它们在二级结构上却是高度保守的，突变非模板区的端粒酶RNA降低端粒酶活性，表明非模板区端粒酶RNA的序列在发挥端粒酶的活性中也起着作用。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`。目前端粒酶的蛋白质成分研究不如RNA亚基那样清楚。在过去几年里，端粒酶的催化亚基已经在酵母、原生动物和人中分离出来。该蛋白质亚基的功能区与已知的反转录酶(reversetranscriptase,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(telomerasereversetranscriptase,TRT)。在四膜虫中，发现两个端粒酶相关的蛋白质p80和p95。p80的作用是专一性地和端粒酶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。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，它们似乎与P80和P95没有相关性。最近的研究又发现了端粒酶与糖酵解的联系，具有很重要的意义，为通过端粒酶治疗肿瘤的理论提供了事实依据。研究发现，当抑制小鼠皮肤癌细胞中端粒酶的活性时，与糖酵解有关的8个基因的表达水平也相应降低了。3.2端粒酶的功能及活性端粒酶以RNA为模板在TERT的作用下催化合成端粒DNA。其结构和催化机制都与逆转录酶相似，故而人们也把它归属于逆转录酶家族。在单细胞生物有机体中，由于细胞长期分裂的需要，端粒酶被激活在一些高级的生物体包括人类中，端粒酶在正常的细胞中是不表达的；而在大多数的肿瘤细胞中则有端粒酶活性，因此研究者认为端粒酶与肿瘤的发生密切相关。端粒酶可以合成重复的TTAGGG序列，抵消因细胞分裂而致的端粒DNA的消耗，为端粒重复序列结合因子2提供结合位点，阻止染色体的末端融合，维持端粒的长度。在胚胎细胞及一些特殊组织细胞如生殖细胞和肝脏细胞中，端粒酶具有较高的活性，作用是保证这些细胞具有较强的增殖能力。而在一般组织细胞中并不存在端粒酶，所以随着分裂次数的增加，染色体的端粒逐渐缩短，经过一定次数的有丝分裂后，端粒缩短到一定程度，细胞也将会衰老死亡，这就是细胞分裂的Haynick界限(Hayflicklimit)。前面提及端粒酶的活性存在于人的生殖细胞、肿瘤细胞、永生化细胞系和再生性组织中(例如：血液、皮肤和小肠上皮)。如果缺乏端粒酶活性，线形DNA末端端粒将会造成细胞增殖速度的减慢，乃至衰老。端粒酶活性主要与端粒及端粒酶自身结构对端粒酶活性的调节、细胞分裂速度、细胞周期因素、细胞分化程度有关。体外检测端粒酶的活性比较敏感的方法是端粒重复序列扩增程序（TRAP），这一方法最初由Kim设计用来检测人类端粒酶活性。4．应用价值----4.1端粒、端粒酶与细胞衰老和癌症的关系如果端粒缩短了，细胞就会老化。相反，如果端粒酶的活动显著，端粒的长度也就能得以保持，并且细胞衰老也将延后。癌细胞就是一个再好不过的例子，癌细胞被认为是具有永久生命力的。反之，某些特定的遗传疾病，会出现一些有缺陷的端粒酶，从而导致损害细胞。由此可见端粒、端粒酶与细胞衰老和癌症有着密切的关系，正是因为机体细胞中端粒的发现，从而引发了一系列的研究连锁反应。Harley等(1991)提出了较为完备的端粒-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而退出细胞周期导致老化。同时在2000年提出的假说认为：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。如果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，不过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。根据研究表明细胞衰老与端粒的长度有关。已成纤维细胞为例，年轻人该细胞中端粒长度为18~25kb，老年人的为8~10kb；女性的端粒长度一般比男性的长，这也就导致了男性先于女性衰老，并且男性的端粒越短，脉压越高。但细胞衰老与端粒长度并不具有必然关系。端粒结合蛋白对端粒有一定的保护作用，从而稳定了端粒的结构，故对细胞衰老也有一定延缓作用。例如，TRF2在端粒显著缩短的情况下可以通过抑制端粒和染色体的融合，以达到延迟细胞衰老的作用。此外，当端粒缩短到某一临界点时TRF2便在端粒上消失。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。其作用机制可能是由于hTERT能够抑制DNA的损伤和抑制由受损DNA触发的凋亡信号。研究表明，端粒酶与癌变关系密切，其机制涉及衰老和细胞永生化。端粒酶活性在多数人肿瘤细胞中是呈阳性的，在大多数正常体细胞中成阴代，肿瘤细胞由于端粒酶激活维持了端粒长度而获得永生，从而使细胞获得无限增殖分裂的能力，所以端粒酶活性被认为是肿瘤细胞的特异性标志物。与正常细胞相比，肿瘤细胞生长增殖更快，故其端粒缩短也越快，从而有病机体中会激活端粒酶来阻止。根据多种肿瘤疾病的研究，如白血病，其细胞中端粒的长度明显短于正常细胞，但也有例外，不过大多数肿瘤中端粒酶活性较高且实验证明抑制端粒酶活性的确可使端粒缩短，因此端粒酶已成为肿瘤生物学的一个重要研究领域，也成为肿瘤治疗的一个重要靶点。4.2端粒酶与肿瘤诊断端粒酶的活性已成为临床诊断中最为广谱的恶性肿瘤的标记，尤其是在良性肿瘤转化为恶性肿瘤的判断上，但是人体的许多正常组织，特别是种系细胞、再生细胞也有一定的端粒酶表达，所以利用端粒酶作为肿瘤的诊断乃至治疗手段还有待商榷。hTR和hTERT是端粒酶中被用于肿瘤治疗的主要靶分子。端粒酶与肿瘤放疗关系的研究中发现，放射线诱导端粒酶活性增高的机制可能是：酶活性上调因子的转录。也有实验报道表明：放射线抑制细胞端粒酶活性，并认为是放射线诱导细胞凋亡的原因之一。另外一种治疗的原理是利用端粒酶抑制剂来抑制其活性，在辅助于传统细胞毒疗法从而缓减患者病情。研究表明，一些遗传性疾病与端粒或端粒酶功能异常有关，，如先天性角化不良、获得性再生障碍性贫血和家族性特发性肺纤维化等。这些疾病主要由一些基因的突变引起的，而突变的基因有的是端粒酶的重要组成部分，有的编码了与端粒酶相关的特殊蛋白质。所以由此我们可以从端粒酶或端粒入手对这些疾病进行深入研究。6．展望端粒酶及端粒是目前生命科学研究的热点之一，虽然在阐明端粒酶的作用机理方面取得了不少进展，但在分子水平上对端粒酶的具体调控机制仍然不甚明了。但是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,通过利用其特殊的生理机能，改善机体在这一方面的现状使得人类目前所遇到的难题有所缓减，并期望能凭借端粒酶及端粒在染色体中特殊的部位与功能，研发出更加有效地医药治疗手段，不过如何将之有效地应用到临床实践中，尚有许多问题有待探索、完善和解决，例如，如何在癌症或肿瘤发病早期通过端粒酶及端粒药物的使用对其进行预防？如何通过端粒酶活性检测其它疾病？参考文献：［1］ElizabethH.BlackburnTelomeresandtelomerase:theirmechanismsofactionandtheeffectsofalteringtheirfunctionsFEBSLetters579(2005)859–862［2］廖新化端粒和端粒酶的发现历程《生命的化学》2009年29卷6期［3］朱武洋，贾青端粒和端粒酶的研究进展《中国畜牧兽医》2004年第31卷第4期［4］杨平勋，黄君健端粒及端粒酶的研究进展《生物技术通讯》2007年第18卷第4期［5］任建国周军端粒及端粒酶的研究进展《生物化学与生物物理进展》1999年第26卷第5期［6］于海涛，张春端粒酶的应用研究《医学信息》2005年9月第18卷第9期［7］攸璞朱海英端粒酶和端粒生物学在医学领域中的应用《生命的化学》2002年22卷5期［8］宋伟，宋德懋端粒和端粒酶是如何保护染色体的《生理科学进展》2010年第41卷第1期［9］王渭霞，刘小川高等植物端粒和端粒酶的研究进展《遗传》2003年25(1):113~118［10］殷中琼，贾仁勇端粒、端粒酶与肿瘤的关系及其应用《动物医学进展》2002年第23卷第6期(总第122期)［11］孔令平①汪华侨②端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在关系《自然杂志》31卷6期［12］吴来香，张洹人类造血细胞的端粒—端粒酶的研究进展《生命科学》2001年6月第13卷第3期[13]ZhenyuJu,KarlLenhardRudolphTelomeresandtelomeraseincancerstemcellsEUROPEANJOURNALOFCANCER42(2006)1197-1203',)