端粒和端粒酶的研究及應用及如何實現反老還童

端粒和端粒酶的研究及應用及如何實現反老還童

生命科學焦點如何實現反老還童

摘要：古往今來，「長生不老」成為人們一直追求的夢想，曾經有多少人用各種方法來延緩衰老，但終未取得顯著效果。近年來研究證實，端粒縮短導致衰老。本文就端粒、端粒酶與衰老的關係做一綜述。

關鍵詞：端粒、端粒酶、衰老

最早觀察染色體末端的科學家始於19世紀末期，Rabl[1]在1885年注意到染色體上所有的末端都處於細胞核的一側。20世紀30年代，兩個著名的遺傳學家McClintockB[2]和MullerHJ[3]發現了染色體的末端可維持染色體的穩定性和完整性。Muller將它定義為「telomere」，這是由希臘詞根「末端」（telos）及「部分」（meros）組成的。30多年前，Hayflick[4]首次提出將體外培養的正常人成纖維細胞的「有限複製力」作為細胞衰老的表徵。在此過程中，細胞群中的大部分細胞經歷了一定次數的分裂後便停止了，但它們並沒有死亡，仍保持著代謝活性，只是在基因表達方式上有一定的改變。於是Hayflick猜測細胞內有一個限制細胞分裂次數的「鍾」，後來通過細胞核移植實驗發現，這種「鍾」在細胞核的染色體末端——端粒。但端粒究竟是怎樣的複雜結構呢？Blackburn和Gall[5]於1978年首次闡明了四膜蟲rDNA分子的末端結構，他們發現這種rDNA每條鏈的末端均含有大量的重複片段，並且這些大量重複的片段多是由富含G、C的脫氧核苷酸形成的簡單序列串聯而成。在1985年，CW·Greider和EH·Blackburn發現將一段單鏈的末端寡聚核苷酸加至四膜蟲的提取物中後，端粒的長度延長了，這就說明了確實有這樣的一種酶存在[6]，並將它命名為「端粒酶」（telomerase）。之後，耶魯大學Morin於1989年在人宮頸癌細胞中也發現了人端粒酶[7]。近年來，隨著人體端粒酶的發現和端粒學說的提出，已經知道決定細胞衰老的「生物鐘」就是染色體末端的端粒DNA，它可隨著年齡的增長而縮短。

一、衰老機理及假說

許多人錯誤的認為，退休是一個人進入生理老年的開端。而老年則是衰老的標誌，其實，這是不科學的。人體的所有器官和組織都由細胞組成，但組成器官和組織的細胞有兩大類，即幹細胞和非幹細胞。人體衰老正是由細胞特別是幹細胞衰老引起的。醫學家認為，如果人類若能避免一些疾患和意外事故，人類壽命的上限應當是130歲。在人類基因組計劃之前和進行之中，對長壽的分子生物學研究就有了許多顯著的成果與發現。總的歸納起來便是：衰老是一種多基因的複合調控過程，表現為染色體端粒長度的改變、DNA損傷（包括單鏈和雙鏈的斷裂）、DNA的甲基化和細胞的氧化損害等。這些因素的綜合作用，才造成了壽命的長短。

近幾十年來，隨著現代遺傳學、分子生物學、細胞生物學和分子免疫學等邊緣學科的飛速發展，人們對衰老的機理有了深層次的認識，有許多學說如遺傳程序學說、DNA分子修復能力下降假說、體細胞突變學說、差錯災難學說和交聯學說等已經被人們廣泛接受，但端粒學說剛進入人們的研究範圍。端粒縮短可引起衰老，而維持端粒長短的重要活性物質便是端粒酶。生物學家早就發現一件有趣的事實：就是每一種細胞的壽命都有一定限度，在人工培養條件下，接近這個限度時，哪怕用最好的培養方法都拯救不了既定的命運。像人體的成纖維細胞，據試驗，最多只能繁殖50代，到那時必然趨於死亡。其他像老鼠的成纖維細胞只能分裂18代，龜的成纖維細胞分裂110代，如此等等。那麼人為什麼會衰老，以至走向死亡呢？有研究者對導致人體細胞衰老的原因提出了「程序假說」和「錯誤積累假說」。

人類的細胞並不能無限制地重複分裂，在分裂50～60次後便會停止。細胞不再繼續分裂的機體組織，便呈現出衰老和機能低下的狀態。隨著細胞重複分裂使端粒縮短到一定的長度，從而使細胞停止了分裂。這就是「程序假說」。

細胞分裂的時候，DNA被複制，但是由於X射線、紫外線、活性氧、有害物質的損害，DNA會發生異常變化，於是DNA在複製過程中就會產生錯誤。隨著錯誤的積累，生成了異常蛋白質，細胞機能變得低下，於是細胞便不能繼續分裂，呈現出了衰老跡象。這就是所謂「錯誤積累假說」。

因此，人不像機器那樣容易磨損和壞掉，而是能自我成長和修復，但這隻能算是衰老的伴生現象。對衰老機理的研究就是為了有效地指導抗衰老的研究和實踐工作。但是，人類衰老的原因是多方面的，衰老的機理也是極為複雜的。

二、端粒和端粒酶

端粒是真核細胞內染色體末端的DNA重複片斷，經常被比做鞋帶兩端防止磨損的塑料套，由富含G的核酸重複序列和許多蛋白質組成，包括Ku70、Ku80、依賴DNA的蛋白激酶和端粒重複序列結合因子2（TRF2）等。不同個體的端粒初始長度差異很大，在人中大約為15kb，在大鼠中可長達150kb，在小鼠中一般在5～80kb之間變化，而在尖毛蟲中卻只有20bp。在所有的有機體中，端粒DNA的長度總是隨著外界環境而波動變化的。酵母的端粒DNA在200～400bp間隨遺傳或營養狀態的改變而改變，四膜蟲和錐蟲等有機體的端粒長度在對數期會持續增加。相反，在人體中，隨著細胞的持續分裂，端粒會緩慢縮短。細胞培養研究表明，當端粒再也無法保護染色體免受傷害時，細胞就會停止分裂，或者變得不穩定。其功能是完成染色體末端的複製，防止染色體免遭融合、重組和降解。染色體複製的上述特點決定了細胞分裂的次數是有限的，端粒的長度決定了細胞的壽命，故而被稱為「生命的時鐘」。

端粒酶（或端粒體酶）是一種能延長端粒末端的核糖蛋白酶，主要成分是RNA和蛋白質，其含有引物特異識別位點，能以自身RNA為模板，合成端粒DNA並加到染色體末端，使端粒延長，從而延長細胞的壽命甚至使其永生化[8]。如果細胞被病毒感染，或者某些抑癌基因如p53、pRB等突變，細胞可越過M1期而繼續分裂,端粒繼續縮短，最終達到一個關鍵閾值，細胞進入第二致死期M2，這時染色體可能出現形態異常，某些細胞由於端粒太短而失去功能，從而導致細胞死亡。但極少數細胞能在此階段進一步激活端粒酶，使端粒功能得以恢復，並維持染色體的穩定性，從而避免死亡。最近Shayetal[9]在Science上發表了一幅有趣的模式圖，簡要介紹了端粒、端粒酶介導細胞凋亡或永生化的過程。

大量的證據表明，端粒酶的激活或抑制會導致細胞永生化或進入分裂終止期。端粒酶在超過80%的永生細胞系及大多數腫瘤組織中呈激活狀態。端粒酶的抑制會使胚胎幹細胞、骨髓造血細胞的增生受到抑制,並使腫瘤細胞系增生減弱，以致於凋亡增加。有必要指出的是：端粒酶對細胞增生、衰老及凋亡的調節是通過不同的途徑進行的。其中端粒延長依賴性機製作用緩慢，需要多代細胞端粒的進行性縮短積累到一定程度，才會誘發細胞靜止信號的激活。最近有一種端粒延長非依賴性機制，其作用較快，可能涉及到端粒三級結構的改變，蛋白相互作用的改變,轉位的改變等[10]。

三、端粒及端粒酶與衰老的關係

關於端粒丟失同衰老的關係理論是由Olovnikov博士於1973年首次提出的[11]。他認為，端粒的丟失很可能是因為某種與端粒相關的基因發生了致死性的缺失。目前認為，人類細胞內端粒酶活性的缺失將導致端粒縮短，每次丟失50～200個鹼基，這種縮短使得端粒最終不能被細胞識別。端粒一旦短於「關鍵長度」，就很有可能導致染色體雙鏈的斷裂，並激活細胞自身的檢驗系統，從而使細胞進入M1期死亡狀態。隨著端粒的進一步丟失，將會發生染色體重排和非整倍體染色體的形成等錯誤，這將導致進一步的危機產生，即M2期死亡狀態。當幾千個鹼基的端粒DNA丟失後，細胞就停止分裂而引起衰老。端粒及端粒酶涉及衰老最有力的證據是Bodnar[12]等證實的。如果細胞試圖要維持其正常分裂，那麼就必須阻止端粒的進一步丟失，並且激活端粒酶。Cooke[13]等認為，由於人體細胞中的端粒酶未被活化，從而導致了端粒DNA縮短。因此，只有那些重新獲得端粒酶活性的細胞才能繼續生存下去，對於那些無法激活端粒酶的細胞將只能面臨趨向衰老的結果。研究人員最近還發現，患有一種可加速衰老的遺傳病人具有異常短的端粒，這進一步表明端粒在衰老過程中所起的重要作用。在人類細胞中，研究者還發現，端粒縮短的速率與細胞抗氧化損傷的能力相關。更容易遭受氧化損害的細胞，其端粒縮短更快，然而那些更能抵抗這種損傷的細胞，端粒縮短得較慢。如果能減免細胞損傷或激活端粒酶，即可控制人類的衰老進程。

有人曾經對人淋巴細胞的衰老性變化與其端粒長度以及端粒酶活性的關係在各種體內體外環境及處理因素下做了觀測，發現端粒酶活性和端粒長度的調節有可能是淋巴細胞增殖的控制因素，這已在人體淋巴細胞的發育、分化、激活和衰老過程中被驗證。曾發現外周血CD+4T細胞的端粒長度在體內隨著衰老以及從靜息細胞到記憶細胞的分化過程而縮短，在體外則隨著細胞的分裂而縮短，這些結果提示端粒長度與淋巴細胞增殖過程以及記憶性增殖潛力相關。

端粒酶的表達已知能夠抑制衰老，而Weinbergandcolleagues[14]認為端粒酶的作用主要在於延長了端粒懸垂的長度。細胞的複製期限被認為由最終導致衰老的兩個機制決定，一個是累積的DNA損傷，另外一個是端粒的進行性縮短。Weinbergandcolleagues研究了一個端粒的特殊懸垂結構在衰老過程中的作用，懸垂結構只在富含C的末端之外還有一個由幾百個核苷酸組成的富含G的結構。據稱Shay實驗小組[15]的研究策略是通過抑制端粒酶活性，從而迫使永生化細胞轉變為正常細胞，進入正常的衰老和死亡模式。

在衰老異常發展中有一種早衰人群，即從20歲開始皮膚和毛髮等便迅速衰老，其原因仍在於製造端粒酶的遺傳基因。細胞在分裂的時候，DNA雙螺旋結構以其一根長鏈為「模子」進行DNA複製。在DNA修復損傷的時候，「拆解」DNA的雙螺旋結構是必要的，製造端粒酶的遺傳基因在解開DNA螺旋結構上起作用。像製造端粒酶並從事DNA複製和修改錯誤的一類遺傳基因，若與延長細胞壽命的端粒酶良好結合，我們也許能期待向「長生不老」的目標進一步接近。

四、展望和未來

總之，人類體細胞在複製衰老過程中產生的端粒丟失現象已在體外得到了證實，而且體內的端粒丟失可作為判斷供體年齡的依據。我們只要設法使已衰老的人體內各種幹細胞的端粒長度恢復到年輕時的水平，老人就會返老還童和長生不老。但在人類端粒及端粒酶的基礎研究中，還存在著許多難點，如：人端粒末端的精細結構，端粒的非端粒酶延伸機制；人端粒酶的具體結構及其基因所在的位置；端粒酶的激活機制及其活性調節等，均有待於回答。儘管如此，我們似乎仍看到了前景的美好。畢竟人們已找到了同衰老有著緊密相關性的因素——端粒和端粒酶。人們對於端粒抑製劑的研究已經蓬勃的展開了。故進一步研究端粒酶的活性調節機制，對於開發新型延緩衰老的端粒酶抑製劑無疑具有重要意義。Colorado大學的兩位研究人員ThomasCech和RobertWeinbrg[16]博士已獨立地克隆出一種控制人類細胞端粒酶活性的基因。應用這種基因，很有可能得到一種新的蛋白質——端粒酶的控制劑。

關於衰老機理和抗衰老的研究領域現在仍然是非常活躍的，並將受到越來越足夠的重視，因為它對於延緩衰老，實驗老年醫學研究的目的即防止人類早衰，保持人體健康長壽是極為重要的。但是，就目前人類在這方面的研究來看還很薄弱。在今後一個時期內，有關衰老與抗衰老的研究重點還應放在以最新生物學技術研究有關長壽與衰老基因的克隆、結構分析以及對這些基因的調控機制；機體衰老過程中自由基、突變以及其它有害刺激因素啟動細胞衰老凋亡的分子機制和這些過程被調控的分子機理；利用衰老基因與長壽基因的研究成果進行的基因治療方面研究等。

參考文獻

1.Rabl.CUberZelltheilungMorphologischesJahrbuch1885;10;214-330.

2.McClintockB.ThestabilityofbrokenendofchromosomeinZeamays.Genetics1941;41:234-282.

3.MullerHJ.TheRemakingofchromosomes.Thecollectingnet.WoodsHole1938;13:181-198.

4.Hayflick,L.Thelimitedinvitrolifetimeofhumandiploidcellstrains.Exp.CellRes1965;37:614-636.

5.BlackburnEHetal.JMolBio.1978；120:33-53.

6.GriederC,BlackburnE.IdentificationofaspecifictelomereterminaltransferaseactivityinTetrahymenaextracts.Cell，1985;43:405-13.

7.MorinGB,etal.Cell,1989；59：521-529.

8.HammondPW,CechTR,HammondPW,CechTR.Euplotestelomerase:evidenceforlimitedbase-pairingduringprimerelongationanddGTPasaneffectoroftranslocation.Biochemistry1998;37:5162-517.

9.ShayJW,WrightWE.Whendotelomeresmatter.Sience2001;291:839-840.

10.LiuJP.Telomerase:NotJustBlackandWhite,butShadesofGray.MolCellBiolResCommun2000;3:129-135.

11.OlovfnikowAM.JTherBiol,1973；41:181-190.

12.BodnarAG,OuelletteM,FrolkisM,etal.Extensionoflife-spanbyintroductionoftelomeraseintonormalhumancells.Science,1998；279(5349):349-352.

13.Cook,H.J.andB.A.Smith.VariabilityatthetelomeresofthehumanX/Ypseudoautosomalregion.ColdSpringHaborSymp.Quant.Biol.1986；51:213-219.

14.Stewart,S.A.etal.Erosionofthetelomericsingle-strandoverhangatreplicativesenescence.NatureGenet.2003;10:1038-1127.

15.ShayJW.JClinpathol,1997;50:106-109.

16.NashJM."TheImmortalityEnzyme"TimeMagazine,Vol1997;150.

作者：蔡軍黃雪梅（浙江省湖州師範學院生命學科學院313000）

原作者：本站

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