第32卷第5期 2006年9月 ‘ ‘ 中国牛业科学 ・ China Cattle Science Vo1.32 No.5 Sept.2006 综l,述' ^々△ 文章编号:1001—9111(2006)05—0043—05 端粒及其研究进展 常怀普 ,马志杰 ,钟金城 (1.西南民族大学生命科学与技术学院,四川成都610041;2.青海省畜牧兽医科学院畜牧研究所,青海西宁810016) 摘要:端粒是真核生物染色体末端的一种特殊结构,由端粒DNA和端粒相关蛋白组成,它能 维持染色体的结构稳定和功能,保护其免受核酸酶降解,防止其末端融合或重排等。端粒长度的 维持机制主要有ALT机制和TA机制。端粒长度的维持以及端粒酶的利用在衰老的控制中起 重要作用。本文在系统论述端粒的结构、端粒的维持机制以及端粒与衰老的关系等研究进展的 基础上,就当前该研究领域中存在的问题提出了个人的观点。 关键词:端粒;端粒酶;衰老 中图分类号:S8—1. 文献标识码:A 端粒作为真核生物染色体末端的特殊结构,是 染色体功能实现的三大要素(着丝粒、端粒、复制起 点)之一。早在19世纪后期,在染色体结构观察初 期,端粒就已被人们视为染色体的特殊结构。人们采 用染色体人工凝集技术、非同位素原位杂交技术以 及染色体C带技术等在光学及电子显微镜配合下, 研究提供基础。 l端粒的结构 1.1端粒DNA的结构 1978年,Blackburn和Gall[ ]首次阐明了低等 真核生物四膜虫Tetrahymena)rDNA分子的末端 结构,使端粒的研究进入了分子生物学阶段。他们通 过对此rDNA的提纯和序列分析,发现其每条链的 末端都是由2种脱氧核苷酸构成的简单序列重复, 即为 ,经20~70次重复所构成的序列。 揭示了端粒的细胞学特征。在此基础上,Muller于 1 938年对端粒进行了较为完整的阐述[1]。近年来研 究表明,端粒由端粒DNA(极端保守的碱基串联重 复序列)和端粒蛋白质组成,能维持染色体的结构稳 定和功能,保护它免受核酸酶降解,防止其末端融合 或重排[2_ ,也有报道称其与衰老有关[s.。端粒的复 制问题不能用经典的DNA复制方式来解释。染色 体DNA在半保留复制过程中,DNA沿5 一3 方向 进行,引物起始聚合反应,DNA聚合后,引物被切 此处,5 CCCCAA3 的5 一3 方向指向DNA分子中 心,5 1vr X 3 的5 一3 方向指向染色体的末端。 此后,通过对尖毛虫(Oxytricha)和游仆虫 (Euplotes)的TTTTGGC,G[ ,酿酒酵母(Saccha— 除,DNA聚合酶发挥聚合作用填补缺口。然而, DNA聚合酶不具备从头合成的能力和3’一5 方向 的合成能力,这样5 末端引物切除后的空隙没法填 补就导致了子代DNA的5 端逐渐缩短,直至缺失。 而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,对于这一问题的研究一直是生命 romyces cerevisiae)的T(G)2—3(TG)I一6[引,拟南芥属 (Arabidopsis)的1vrrAGGG ̄ ,以及人(Homo Sapiens)的TTAGGG[m]等多个物种端粒序列的结 构测定,均发现其端粒具有与四膜虫rDNA末端类 似的结构特性,即由简单序列的大量重复构成的结 构。为方便起见,将TT 重复序列构成的链 称为G链(G--strand)(互补链称为C链)。但在有 的物种中,端粒序列并不含有统计意义明显较多的 G或C残基[II]。后来研究证明[ ],端粒序列不是以 科学领域中的研究热点之一。本文在系统论述端粒 的结构、维持机制以及与衰老的关系等研究进展的 基础上,并提出了当前存在的问题,以便为今后相关 收稿日期:2006—04—11 作者简介:常怀普(1980一),男,山东省庆云县人,硕士,研究方向:动物分子遗传学。 *通讯作者:钟金城(1963一),男,博士,西南民族大学教授,研究方向为动物遗传学。 维普资讯 http://www.cqvip.com
44 中国牛业科学 . 第32卷 平头末端终止,G链由端粒双螺旋末端向外延伸形 成含两个重复单位的3 端悬突,此结构具有种系发 育的保守性[B],并有利于端粒酶的识别,其3 末端 插入双链形成T—loop。通过对G链和C链合成的 寡核苷酸的研究,发现C链[ 和G链[¨]能够依靠 自身配对,而不是依靠Watson--Crick互补碱基配 对方式,形成特殊的结构。研究表明,端粒的G链序 列,以及其他富含G的DNA和RNA序列,都可以 形成分子内和分子间的四链结构(four—stranded structure),这种结构包含一种被称为“G一四集体” (G—quafter)的基序[”]。含有G四集体的DNA常 被称为“G—DNA”,包括四联体、发卡二聚体和平行 四联体[¨]等多种形式,这与阳离子环境和DNA的 浓度,以及pH值和温度等有关。可以推测,在不同 的环境中,端粒的结构形式及稳定性应该是有区别 的。对于C链,人们已经知道在pH=4.5(单链核酸 酶S1消化的条件)时,胞嘧啶质子型化,并能参加 CC+碱基配对,并进一步形成“i一基序”,端粒的C 链寡聚核苷酸能够形成分子内和分子间的i一基序 结构[1引,但还没有人在体内找到这种结构。由此,可 以预}受4,对pH值的控制或许是端粒功能的一个有 效的调控手段。有某些情况下,种系差别较大的物种 间存在完全相同的端粒重复序列,而在有些情况下, 共有序列又具有很大的趋异性。白假丝酵母(Candi— da albicans)和一些相关物种中进行的重复序列鉴 定[8’ ,均表明物种间可能存在端粒进化的连续性。 而果蝇的端粒序列具有极大的变异性,而不只是一 种单一的形式[1 。这可能与果蝇的生活环境以及杂 交状况有一定关系,但仍需深入研究。可见,端粒的 研究不能局限于一个物种,更不能局限于某个个体, 应该总体把握。此外,在很多生物体内,端粒重复序 列附近的DNA序列都含有复杂的重复基序,叫做 亚端粒或端粒相关序列(telomere—associated se— quence,TAS)。亚端粒结构域是可变的,在一些生 物中,TAS具有高度的变异性,而在有些生物体内, TAS又受到严格的限制。一些不同类别的亚端粒序 列已经被测出[1],但该结构域的功能还有待于进一 步的研究。 1.2端粒蛋白质 单从端粒的DNA序列结构去理解其功能有点 片面,必需了解它的蛋白质组成。端粒蛋白质能与端 粒DNA上的特异序列相结合,它们可以为染色体 末端加帽,防止核酸降解及末端彼此间的结合,从而 保证染色体的稳定性。与此同时,它们还参与染色体 的定位、核的结构和对某些基因表达的抑制等活动。 还可能影响端粒DNA与端粒酶的接触。主要包括 能与端粒末端富含G的单链DNA发生特异结合的 蛋白质和能够与端粒DNA双链区进行特异性作用 的蛋白质两类 。目前研究表日月[ ],人的端粒结合 蛋白主要包括:TRF1、TRF2、Rapl、Rad、TIN2、 tankyrasel、2和POT等。其中TRF1、TRF2为最先 发现的端粒结合蛋白,主要通过C端的Myb样 DNA结合区与端粒双链DNA结合[1 。端粒的长度 与结构受到多种端粒结合蛋白的协同调节,其中, TRF1是端粒长度的负性调节剂,TRF1的表达会 导致端粒进行性缩短[2。。,TRF1、tankyr—asel、 TIN2和PINX形成复合物,与端粒单链结合蛋白 POT1结合而起作用L2 。 2端粒维持机制及端粒酶 2.1端粒维持机制 DNA的复制需要RNA引物,而引物随后被降 解,其结果使子代DNA的5 端逐步缩短。但实际 上,染色体是维持在一定的长度范围上的,这就是 DNA分子末端复制所出现的难题。长期以来,科学 家们试图从复制的角度进行研究,但均未果。随着研 究的不断深入,“端粒复制”模型逐渐演变成了“端粒 长度维持”模型,认为可以通过新序列的添加来解 决,其常见的模型主要有以下两种:一种认为I2 ] DNA重组可以允许新序列的合成,并且可能通过这 种重组机制来获得端粒,即端粒酶非依赖型的端粒 维持机制,常称为端粒延伸替代机制(alternative mechanism for lengthening of telomere,ALT)。端 粒末端与端粒结合蛋白在细胞内形成环套结构,而 不是单纯的线性结构。这种环状结构插入到临近的 端粒双链DNA序列的空间结构中,可增加端粒末 端重组机制进行复制的可能性。端粒末端发生重组 后,较短的末端以较长端粒为模板进行复制来延长, 从而维持端粒在一定长度。由于同源重组发生位点 的差异,导致许多端粒可能短于或等于正常端粒长 度,只有少数长于正常端粒,因而ALT细胞端粒长 度表现为极端异质性[ 引。另一种则[ 认为端粒序列 是由端粒酶添加上的,此酶可以在没有模板条件下 将序列添加到染色体末端,即端粒酶依赖型的端粒 维持机制,常称为端粒酶激活机制(mechanism for telomere maintenance by telomerase,TA)。1 985年 Greider等[25]首次发现端粒酶。此后的研究表明端 粒酶是一种核糖核蛋白复合物(RNP),能以自身携 带的RNA为模板,不断合成新的端粒DNA序列添 加到染色体末端,弥补端粒丢失阻止端粒缩短,并可 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 常怀普等:端粒及其研究进展 45 能使得细胞最终逃脱程序性死亡,获得无限增殖能 力,即永生化。当端粒长度足够长时,端粒酶活性对 细胞分裂不是必需的,但端粒的长度缩短到特定范 围时,端粒酶活性的有无显的至关重要。 通常,TA机制是最普遍的适用机制,而ALT 机制仅适用于少数的端粒酶呈阴性的细胞。事实上, TA机制和ALT机制是共同存在于细胞内协同发 生作用的。在端粒酶存在时,TA机制被启动;而当 端粒酶呈阴性时,ALT机制就发挥作用。然而,这两 种机制仍不能满足当前科学研究及医学临床的需 要。至于端粒的维持是否还有其它更合理的机制进 行解释,仍有必要开展更深入的研究。 2.2端粒酶 端粒酶由端粒酶RNA组分、端粒酶逆转录酶 及连结二者的端粒酶连结蛋白组成。端粒酶RNA (TR)为端粒酶的主体结构,含有编码端粒的模板 区、端粒酶蛋白结合区等部件。其中,四膜虫端粒酶 RNA最早被确认[2引,此后鞭毛虫、酵母、鼠及人类 等物种的端粒酶RNA组分相继也被克隆。四膜虫 端粒酶的结合蛋白也最先被研究确定,它由两个蛋 白组成,分别为PS0和P95,PS0蛋白结合在四膜虫 端粒酶RNA模板上,P95蛋白结合在RNA上,还 可与端粒DNA引物结合[2引。最近,在小鼠和人的端 粒酶中分离出与P80同源的蛋白,称为TP1 (telmerase—associated protein 1),并克隆了编码 TPI的基因。端粒酶逆转录亚单位已经在多个物种 得以克隆,如酵母、鞭毛虫、人端粒酶中分离到具有 催化活性的亚单位,分别称EST2、P123和hTERT (human telomerase reverse transcriprase),其相应 基因也已被克隆。 hTERT蛋白分子量约127 kDa,与EST2的全 长序列有广泛的类似性。同EST蛋白及P123蛋白 一样,hTERT为逆转录酶家族成员之一,有7个保 守序列结构为逆转录酶功能域,是一种特殊的逆转 录酶。 端粒酶合成端粒是各个亚单位相互协调的结 果。首先,端粒酶逆转录酶被激活,进而催化激活端 粒酶;而后,端粒酶通过结合蛋白与端粒结合,使端 粒引物末端刚好位于端粒酶RNA模板区的起始 端,然后开始合成端粒DNA,进行到模板区的末端 时,合成终止并脱落,但脱落的端粒仍然结合在端粒 酶结合蛋白上,其末端又结合在端粒酶RNA模板 区的起始位,如此反复合成端粒。尽管端粒酶像反转 录酶一样把RNA拷贝成DNA,但端粒酶的一些特 性更像RNA聚合酶。有人提出把序列添加到线形 染色体末端的机制是进化早期“RNA世界”的残留 现象,因此端粒酶可能是一种古老的聚合酶r28]。由 此笔者认为,端粒酶不应该是简单的反转录酶或聚 合酶,而应该是一种兼具反转录活性和聚合活性的 一种特殊酶类,且应属同一个家族。 3端粒与衰老问题 正常动物细胞在体外培养条件下,其生命的期 限是有限的。当细胞从动物体内取出后,在培养中的 大多数细胞仅在有限的时间内维持生长,然后自行 停止生长。即使提供其生长所需的所有营养物质,细 胞最终仍将死亡。这种培养过程中所呈现的细胞增 殖极限现象最初由HayflickC29]研究发现,因此称为 “Hayflick极限”。在1973年,人们发现在细胞衰老 的过程中,染色体末端复制过程中完整性的丧失和 细胞增殖潜能的逐渐丧失有着密切的关系。Harley 等E3oJ在研究成纤维细胞中发现随着细胞的分裂,端 粒会丢失50 ̄100 bp。端粒的长度和细胞的分裂次 数相关,所以,它是细胞分裂的“分裂钟”。当细胞分 裂达到一定次数,端粒的缩短达到某一极限,细胞就 进入衰老阶段。曾有研究者提出末端限制性片段 (TRF)长度与年龄的关系[3¨,即: Age-0.0095y+148.9±7.037 式中Y为TRF的平均长度(bp),7.037为标准 误差。尽管该公式给年龄的研究提供了极大的方便, 但由于受环境和遗传因素很大程度上的影响,所以 有些个体可能是个例外。此外,端粒酶的存在和激活 也可能使这个关系丧失其现实意义。 端粒酶可以由自身的RNA提供模板来维持端 粒结构,使细胞具有无限繁殖的能力。如果利用某种 途径,使端粒丢失的速度减慢,增强端粒酶活性,使 端粒合成的速度增强,从而维持端粒的长度,延缓细 胞的衰老,就可延长寿命。端粒一端粒酶假说认为, 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。可见,端粒长度的维持处在一种竞 争平衡之中。一方面端粒由于DNA末端复制、端粒 的加工和端粒的重组等原因而缩短;另一方面端粒 酶的催化作用、端粒的特异性扩增(ALT)等因素又 使其延长。正常的细胞中端粒酶是不具有活性的。端 粒酶的活性依靠多种因素来调节。C—myc蛋白、 维普资讯 http://www.cqvip.com
46 中国牛业科学 第32卷 SP1因子、MAD因子、苦参碱、RNAi等都对其活性 有明显的调节作用。在适当的条件下,这些因素协同 作用,控制端粒酶的激活和抑制。 端粒酶可有效地调控端粒的长度,而端粒的长 度直接对细胞的增殖或凋亡起作用,从而决定寿命 的长短[32]。但是,一旦激活端粒酶,这些细胞将有可 能成为永生性细胞,但又有演化成癌细胞的危险。然 而,后来的研究结果表明,导入端粒酶的细胞不会成 为癌细胞,这是由于细胞本身并未累积成为癌细胞 所需要的改变。但是,在研究端粒酶与衰老关系中还 是应该考虑到端粒酶的调控机制和细胞的繁殖能 力,避免细胞无限分裂增殖而引发癌、症[。。]的危险。 目前,端粒与衰老关系的研究还不够深入,仍需科学 家们开展进一步的探索和研究,但其与肿瘤诊断、肿 瘤治疗、器官移植和组织再生等多个领域的密切关 系,使其成为当前相关研究领域的热点之一。 录酶抑制剂、核苷类似物、蛋白激酶C抑制剂、细胞 分化诱导剂等几个方面来完成对端粒酶活性的调 节。除此之外,笔者认为,可以把研究的重心放到连 结端粒酶RNA和逆转录酶的端粒酶连结蛋白上。 从分子水平着手,应用基因工程手段改变其空间构 象或控制氨基酸合成来间接控制端粒酶的活性。第 二,打破旧观念、迎接新挑战的问题。端粒的缩短及 端粒酶的激活可以影响细胞的衰老并在肿瘤的发展 中起作用,这已被大家所接受;但近年来,该观点却 面临重大挑战,一些研究发现端粒的缩短同衰老及 肿瘤间似乎并没有必然的联系[34q引。或许不同类型 细胞的衰老机制也有差异,还需今后大量的科学研 究来证实。此外,根据真核生物线性染色体端粒缩短 的分子机制,原核生物的环状染色体可以越过端粒 缩短这一厄运,但是原核生物依然存在衰老这一现 象,这似乎对当前的科学研究又是一个新挑战。可 见,只是从端粒的结构和功能等角度研究衰老机制 是远远不够的。对于这一问题,还应从分子、细胞等 不同水平多层次多角度作更深入的研究。 尽管如此,随着生命科学的飞速发展以及实验 仪器设备的不断更新,我们相信,这些问题终会被解 4结语 端粒及端粒酶的系统研究已有几十年的历史, 其成果也较为显著,但仍存在诸多问题亟待解决:第 端粒酶的“驯服”问题。端粒酶在正常的细胞中很 难找到,但有时它有助于癌细胞的生长,对于机体极 为不利;另一方面它又可被用来维持端粒长度延缓 衰老。所以,有必要寻找恰当而高效的方法来调节端 粒酶的活性,使其成为被“驯服”的耕牛。当前,该领 域的研究热点主要集中在阻断端粒酶RNA的模板 作用来抑制端粒酶活性,如通过反义核酸技术或构 一,决。端粒与端粒酶的结构、功能及作用机制等研究已 被越来越多的科学家所感兴趣,并且已经与医学临 床紧密联系起来。相信在生命科学和医学携手共进 的大摇篮中,端粒和端粒酶将不断以新的面孔展现 在人们面前,并为人类实现延长寿命和摆脱病魔的 愿望提供很好的突破口。 建锤头状核酶破坏端粒酶RNA的模板功能、逆转 参考文献: [1]伊丽莎白.布莱克本,卡罗尔,等著.端粒[M].张玉静译北京:科学出版社,2002 [2]Blaseo M A,Lee H W,Hande M P,et a1.Telomere shortening and tumor--formation by mouse cells lacking telomerase RNA[J].Cel1. 1997,91(1):25--34. [3] Van Steensel B,Smogorzewska A,de Lange T.TRF2 protects humans from end—to—end fusions[J].Cell,1998,92(3):401--413. [4]Lee H W,Blaseo M A,Gottlieb G J,et a1.Essential role of mouse telomerase in highly proliferative organs[J].Nature.1 998.392 (6676):569—574. [53 Singer,MS,Gottsehling DE.TLC1:TemNate RNA component of Saeeharomyees cerevisiae telomerase[J].Science,1994,266:404 ——409. [6]Blackburn E H,Gall J G.A tandemly repeated sequence at the termini of the extra chromosomal ribosomal RNA genes in Tetrabymena [J].Mol Bid,1978,120:33—53. [7] Klobuteher L A,Swanton M T,Donnini P,et a1.All gene--sized DNA molecules in four secipes of hypotrichs have tt1e san1e termina1 sequence and an unusual 3 terminus[J3.Proc Natl Acad ciS,1981,78:3015--3019. [8]MeEaehern M J,Hicks J B.Unusually large telomerie repeats in the yeast Candida albieans[J].Mol elCl Biol,1993,13:551--560. [93 Riehards E E,Ausubel F M.Isolation of a higher eukaryotie telomere from Arabidopsis thaliana[J].Cell,1988,53:127--136. [1O3 Moyzis R K,Buekingham】M,Cram L S,et a1.A highly conserved repetitive DNA sequence,(TTAGGG)n,present at the telon1eres of human chromosomes[J].Proc Natl Acad Sci,1988,85:6622--6626. 1-11] MeEaehern M J,Blackburn E H.A conserved sequence motif within the exceptionally diverse teIomeric sequenced of building yeasts [J].Proe Natl Acad ciS,1994,91:3453--3457. [12]Price C M.Telomere structure in Euplotes crassus:Characterization of DNA--protein interactions and isoIation of a teIomer-bindin 维普资讯 http://www.cqvip.com
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