生物科学与医学结合

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1端粒缩短与衰老

端粒是真核生物染色体末端的重复DNA序列，由端粒DNA(TTAGGG)n和端粒蛋白质（如TRF1和TRF2等）组成，端粒的功能除保证DNA完整复制外，还在维持染色体结构稳定（保护染色体不分解和染色体重排及末端不相互融合等），染色体在细胞中的定位（使之不随机分布）和引起细胞衰老等方面起着重要作用。人类的端粒DNA重复序列长约2－15kb。众所周知，真核DNA是线性DNA，复制时由于模板DNA起始端为RNA引物先占据，新生链随之延伸；引物RNA脱落后，其空缺处的模板DNA无法再度复制成双链。因此，DNA每复制一次端粒即丢失50~200bp[1]，即出现真核细胞分裂中的“末端复制问题”。当末端缩短到达5~7kb时不能维持染色体的稳定，染色体发生融合或丢失，与端粒DNA相邻的基因丢失，最后导致细胞衰老而死亡，故端粒又称“细胞分裂计时器”。即人正常体细胞在经过有限次的有丝分裂，分裂次数达到“Hayflick极限”，染色体端粒长度缩短到一定程度后，细胞进行的有丝分裂便不可逆地被阻断在细胞周期G1期和G2/M期之间的某个时期，这时细胞进入了老化期并随后死亡[3]。大多数正常体细胞在增殖60~70代会出现细胞衰老和死亡[4]。故有人称端粒缩短是触发细胞衰老的分子钟[5]。端粒随年龄的增长而逐渐缩短，老年人要比青年人的端粒明显缩短，可见端粒的长度与细胞的寿命密切相关[6]。

2端粒假说

1973年Olovfnikov博士首次提出了端粒去失与衰老关系的理论[7]。后人对此进行不断完善，1990年Harley指出在端粒酶处十抑制状态的细胞分裂时，DNA不完全复制会引起端粒DNA的少量丢失。端粒随细胞分裂次数增加而不断缩短，当端粒缩短到一定程度，细胞就会停止复制而衰老死亡，这就是端粒假说。此外，他们还发现端粒酶可催化端粒复制，从而延长细胞生命，所以胚胎细胞、永生化细胞和其它一些表达端粒酶活性的干细胞寿命均比无端粒酶活性的细胞长。有研究表明，正常人类组织的实体细胞中的端粒酶序一般不具有活性，而在胚胎组织、生殖细胞和少数造血干细胞及癌细胞等永生化细胞中端粒酶则具有稳定的活性。Kim等[8]用TRAP法对18种人体组织培养细胞做端粒酶测试，发现100个永生化细胞株中有98个有端粒酶活性，22个非永生化细胞则无一例表达。而进过诱导，可使已发生老化的人正常双倍体成纤维细胞呈现出端粒酶活性，端粒酶活性在这些细胞中的重建导致了端粒长度增加，细胞寿命延长[9，10]。Harley等人在研究体外培养的人成纤维细胞时，得到细胞衰老过程中端粒损失的直接证据。他们分别取新生儿、24岁、71岁和91岁的供体的成纤维细胞进行体外培养，并使之衰老。结果发现，随着成纤维细胞的不断分裂，染色体末端限制性片段（TRF）的长度都逐渐减少，而染色体内部的重复序列并不减少。进一步实验证明，如果细胞不分裂，则TRF的长度不减少。说明染色体末端重复序列TITFAGGG（端粒）在细胞衰老过程中特异地依赖DNA复制而丢失。相反，精子中的端粒长度与受试者的年龄无关。这是因为精子中有端粒酶的表达，使端粒保持恒定长度的缘故。所以，端粒的长度被认为是人体细胞寿命的标志[11]。

3端粒酶与衰老

端粒的长度主要由端粒酶决定，端粒酶的活性高，端粒DN段就长。端粒酶自身携带有RNA组份作为复制时的模板，这是端粒酶区别于一般DNA聚合酶的主要特征。

端粒酶（telomerase）主要由三个亚单位构成：（1）端粒酶RNA（humantelomeraseRNA,hTR）;（2）端粒酶相关蛋白质(humantelomeraseassociatedprotein,hTP)；（3）人端粒酶逆转录酶[(humantelomerasereversetranscriptase,hTERT)。端粒由端粒酶合成。端粒酶是一种逆转录酶，它直接参与端粒区的形成，hTR以此为模板(5’-CUAACCCUAAC-3’)以端粒的3’-overhang为引物，在端粒末端加上新的重复序列，维持端粒长度，使细胞寿命延长，并具有无限分裂的能力[12]。

hTERT在端粒酶的激活中起关键作用，hTERT可以通过保护或稳定作用延长端粒酶RNA的半衰期，从而增加端粒酶活性。hTERT是维持端粒稳定性所必需的。它以端粒酶RNA组份（hTR）为模板催化端区DNA的合成。人正常组织广泛表达hTR和端粒相关蛋白（hTP），而hTERT在出生后即被抑制，hTERT是人类端粒酶活性的主要调控亚单位，hTERT一旦表达就和其他亚单位一起组装具有高活性的端粒酶[13]。

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4端粒保护有关的因子

端粒的保护有端粒酶阳性途径和端粒酶阴性途径，阳性途径是指通过对端粒酶活性的影响，实现对端粒功能和结构的调整，如Bcl-2,p53,PKC,PP2A等等。端粒酶阳性途径研究报道很多，主要是对肿瘤等永生化细胞的研究越来越深入，因为85%以上的癌细胞具有很高的端粒酶活性。但端粒酶基因不是致癌基因，端粒酶的激活不是癌变的前提和必要条件[14]。

端粒酶虽然具有延长端粒的功能，但是单纯提高端粒酶活性，并不能阻止端粒缩短。例如在端粒酶阳性的细胞中过表达TRF1可导致端粒长度缩短，而抑制TRF1的表达可以增加端粒的长度。TRF1不能控制端粒酶的表达，但可抑制端粒酶在端粒末端的作用。端粒DNA结合TRF1达到一个临界数目时，便产生抑制端粒酶复合物活性的信号，端粒延伸终止，端锚聚合酶可使TRF1核糖基化而丧失结合端粒DNA的能力，允许端粒酶结合端粒DNA，使端粒得以延伸[15]。

总之，对端粒的保护是多种因素共同作用的结果，而且随着对端粒与衰老关系研究的深入，越来越多的学者发现，端粒结构和功能的改变在衰老中起着主要作用，而不是端粒酶[16][17]。况且对端粒缩短进程的调节，还存在着不依赖改变端粒酶活性的机制，即端粒酶阴性途径。这方面的研究很少，值得进一步的挖掘。

5参考文献

1BELLER.BiologicalEffectsofLowlevelExposure[J].NewsLetter,2000,23(3):100-104

2林乔，吴斌，李炜弘，等.远古至唐中国人长寿者的遗传分析(之二).现代中西医结合杂志，2005；14（5）：561.

3PedroDeMagalhaesJ.Fromcellstoageingareviewofmodelsandmechanismsofcellularsenescenceandtheirimpactonhumanageing[J].ExpCellRes,2004,300(1):1-10.

4张开红，李洪亮，满孝勇.端粒与端粒酶[J]1医学综述2000，6(5):196－199.

5GomezDE，TeieraAM，OliveroOA.Irreversibletelomereshorteningby3’-azido-2’，3’-dideoxythymdine(AZT)treatment[J].BiochemBiophysResCommun.1998,246(1):107~110.

6马宏，张宗玉，衰老的生物学标志，生理科学进展，2002；33（1）：65－67.

7OlovnikowAM.Thelossoftelomereandaging.JtherBoil.1973;41:181.

8KimNW,PiatyszekMA,ProwseKR,etal.Specificassociationofhumantelomeraseactivitywithimmortalcellsandcancer.Science,1994;266(5193):2011.

9YudohK,MatsunoH,NakazawaF,etal.Reconstitutingtelomeraseactivityusingthetelomerasecatalyticsubunitpreventsthetelomereshortingandreplicativesenescenceinhumanosteoblasts.BoneMinerRes.2001,16(8):1453-1464.

10汪铮，易静，李慧，等，重建端粒酶活性延长人成纤维细胞寿命的研究，实验生物学报，2003；.33（2）：129-140.

11楚玉荣，宫凌涛，楚智慧，端粒、端粒酶与细胞衰老及肿瘤的关系，医学综述，2004；10（5）：269-271.

12陈雷，李德新，王彩霞，等.从中医角度研究端粒、端粒酶与衰老关系浅识.中医药学刊，2004；24（2）：217.

13MavrommatisJ,MylonaE,GakiopoulouH,StravodimosC,ZervasA,GiannopoulosA,NakopoulouL.NuclearhTERTimmunohistochemicalexpressionisassociatedwithsurvivalofpatientswithurothelialbladdercancer.AnticancerRes2005;25:3109-3116.

14廖亚平，张洁，周俊宜,人端粒酶催化亚单位hTERT基因重组腺病毒载体的构建与鉴定,神经解剖学杂志,2002;22(6):609-613

15江红，罗瑛，郑晓飞，端锚聚合酶(tankyrase)研究进展，生物化学与生物物理进展，2002，29（3）；355-358.

16RubioMA,KimSH,,CampsiJ,Reversiblemanipulationoftelomeraseexpressionandtelomerelength.Implicationfortheionizingradiationresponseandreplicativesenescenceofhumancells.JBiolChem,2002,277:28609-28617.

17刘汴生,衰老与抗衰老研究的新趋向,实用老年医学2002；16（2）：69－60.