理論上說,，細胞的壽命決定于端粒的長度和端粒ＤＮＡ在體內(nèi)的消減速度,。
早在1938年，Muller便發(fā)現(xiàn)了端粒（Telomere）,，然而對端粒的深入研究卻開始于20世紀(jì)70年代后期,。端粒酶（Telomerase）是1985年由Blackbun實驗室在四膜蟲細胞核提取物中首先發(fā)現(xiàn)并純化，隨后在尖毛蟲（Oxytricha）,、游仆蟲（Euplotes）及人的Hela細胞等細胞中被證實,。有關(guān)研究表明，端粒,、端粒酶與細胞壽命直接相關(guān),，端粒酶的激活和表達程度與腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移也有十分密切的關(guān)系。
1 端粒
端粒是存在于真核生物線性染色體末端,，由串聯(lián)重復(fù)的短的ｄｓＤＮＡ序列及其相關(guān)的蛋白所組成的ＤＮＡ－蛋白復(fù)合體,。ｄｓＤＮＡ中的一條為富Ｇ鏈，以5′→3′指向染色體末端,，比另一條互補鏈長8個～12個堿基,，這是端粒ＤＮＡ分子的結(jié)構(gòu)特征,，是端粒酶識別工作的基礎(chǔ)。
端粒既有高度的保守性,，如原生動物,、真菌、植物,、動物序列都很相似,；又有種屬特異性，如四膜蟲重復(fù)序列為ＧＧＧＧＴＴ,，草履蟲為ＴＴＧＧＧＧ,，人和哺乳動物為ＴＴＡＧＧＧ，等等,。
端粒的功能除保證ＤＮＡ完整復(fù)制外,，還在維持染色體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（保護染色體不分解和染色體重排及末端不相互融合等），染色體在細胞中的定位（使之不隨機分布）和引起細胞衰老等方面起著重要作用,。眾所周知，真核ＤＮＡ是線性ＤＮＡ,，復(fù)制時由于模板ＤＮＡ起始端為RＮＡ引物先占據(jù),，新生鏈隨之延伸；引物ＲＮＡ脫落后,，其空缺處的模板ＤＮＡ無法再度復(fù)制成雙鏈,。因此，每復(fù)制一次,，末端ＤＮＡ就縮短若干個端粒重復(fù)序列,，即出現(xiàn)真核細胞分裂中的“末端復(fù)制問題”。當(dāng)端?？s短到一定程度時即引起細胞衰老,，故端粒又稱“細胞分裂計時器”。
2 端粒酶
端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶,，是一種由蛋白質(zhì)和ＲＮＡ構(gòu)成的核糖核蛋白體,。其ＲＮＡ成分中含有與端粒ＤＮＡ富G鏈互補的部分，起著合成模板的作用,。
端粒酶具有對端粒的延伸作用,，在沒有端粒酶的細胞中，端粒會逐漸縮短直至損害基因,；有端粒酶存在的細胞,，則該酶會不斷補充新的端粒，使之處于一種不斷伸縮的動態(tài)平衡中,。端粒酶的另一個功能是修復(fù)斷裂的染色體末端,。當(dāng)斷裂的染色體末端有富Ｇ,、ＴＤＮＡ存在時，即使沒有完整的端粒重復(fù)序列存在,，它也能被端粒酶作為引物ＤＮＡ并為之延伸端粒序列,。因修復(fù)斷端免遭外切酶對染色體ＤＮＡ的更多切割，端粒酶在某種意義上講也維護了基因組的穩(wěn)定性,。此外,，在端粒合成中端粒酶還具有去除錯配堿基的糾錯作用，不僅可以除去錯配堿基,，還可除去延伸超過模板范圍的堿基,。有實驗證實，在嗜熱四膜蟲的小核中,，端粒酶還有影響姊妹染色體分離的作用,。
不同物種中端粒酶使端粒延伸的反應(yīng)具有宿主特異性，即無論此酶來源于何種生物,，它催化重新合成的端粒都具有宿主生物的特異性,。
3 端粒、端粒酶與細胞壽命
細胞衰老是細胞生命活動的必然規(guī)律,，Hayflick等指出：細胞,，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的,，而是有一定的壽命的,；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的極限,。這就是著名的“Hayflick極限”,。Hayflick等還發(fā)現(xiàn)，細胞的增殖能力與供體的年齡有關(guān),。如從胎兒肺得到的成纖維細胞可在體外條件下傳代50次,，而從成人肺得到的成纖維細胞只能傳代20次，提示這可能與成人細胞的端粒長度小于胎兒細胞的端粒長度有關(guān),。
1990年,，Harley等人在研究體外培養(yǎng)的人成纖維細胞時，得到細胞衰老過程中端粒損失的直接證據(jù),。他們分別取新生兒,、24歲、71歲和91歲的供體的成纖維細胞進行體外培養(yǎng),，并使之衰老,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著成纖維細胞的不斷分裂,，染色體末端限制性片段（ＴＲＦ）的長度都逐漸減少,，而染色體內(nèi)部的重復(fù)序列并不減少,。進一步實驗證明，如果細胞不分裂,，則ＴＲＦ的長度不減少,。說明染色體末端重復(fù)序列ＴＴＡＧＧＧ（端粒）在細胞衰老過程中特異地依賴ＤＮＡ復(fù)制而丟失。相反,，精子中的端粒長度與受試者的年齡無關(guān),。這是因為精子中有端粒酶的表達，使端粒保持恒定長度的緣故,。所以,，端粒的長度被認為是人體細胞壽命的標(biāo)志。
正常體細胞中（生殖細跑,、干細胞及外周淋巴細胞等除外）,，一般很難測知端粒酶的活性。所以隨著細胞的不斷分裂,，染色體末端的端粒序列便會不斷縮短,，當(dāng)人的ＴＲＦ縮短到臨界長度（Checkpoint）5Kbp～7Kbp時，就有信號指令細胞退出細胞周期（Ｍ１）,，并啟動細胞衰老機制,，使細胞出現(xiàn)衰老。如果細胞此時被病毒感染,，或某些抑癌基因如Ｐ53、Ｒｂ等發(fā)生突變,，則細跑可以越過Ｍ１期而繼續(xù)分裂,。此時端粒酶仍然沒有活性，端粒長度繼續(xù)縮短,，最終當(dāng)端粒長度短到極限,，即ＴＲＦ為2Kbp～4Kbp時，細跑進入危機期（Ｍ２）,，這時,，由于染色體端粒對染色體的保護作用喪失，染色體不穩(wěn)定性增加,，染色體間出現(xiàn)端—端融合的現(xiàn)象,，細胞因而死亡。相反,，在有端粒酶活性的細胞中,，由于端粒不斷得到補充延伸，因而細胞會表現(xiàn)不死性,。
理論上說,，細胞的壽命決定于端粒的長度和端粒ＤＮＡ在體內(nèi)的消減速度,。但有資料表明，有一些動物有較長的端粒而壽命不長,，如老鼠的端粒長達50Kbp～150Kbp,，而人只有15Kbp，但人比老鼠壽命長得多,。在酵母細胞中也發(fā)現(xiàn),，酵母細胞分裂24代之后會死亡，但老年細胞沒有發(fā)現(xiàn)端粒的明顯縮短［3］,。所以端粒對細胞壽命的影響有多大尚難定論,。
4 細胞的不死性
研究表明：精子等胚性細胞內(nèi)可檢測出端粒酶活性，因而細胞中端粒的長度穩(wěn)定而且很長,，表現(xiàn)為永生細胞,；而在沒有端粒酶活性的細胞中，隨著細胞分裂的進行,，當(dāng)ＴＲＦ長度縮短為2Kbp～4Kbp時,，細胞進入危機期（Ｍ２），此時大多數(shù)細胞就會死亡,。但其中有極少數(shù)細胞其端粒酶活性因某些原因被激活,，從而使端粒不斷維持在一定的長度而不再縮短，因而穩(wěn)定了染色體,，細胞亦逃過死亡成為無限增殖的細胞——腫瘤細胞,。所以許多腫瘤組織和轉(zhuǎn)化細胞都在不斷細胞分裂中維持穩(wěn)定而短的ＴＲＦ。
據(jù)羅建新等報道［4］：對43例鼻咽癌患者活檢標(biāo)本進行檢測,，端粒酶活性呈陽性者39例,，陽性率達90．7％；動物實驗也證明,，端粒酶活性陽性率隨腫瘤的發(fā)展過程而增高,。此前，日本科學(xué)家曾測定了66個原發(fā)性胃癌樣品的端粒酶活性,，其中85%有酶活性,。因此他們認為端粒酶的激活可能是腫瘤形成過程中的一個關(guān)鍵步驟。此外,，其他的研究者們在乳腺癌,、卵巢癌、白血病,、結(jié)腸癌,、肝癌、腎癌中也都測到了端粒酶活性,。因此,，端粒酶被認為是腫瘤診斷和預(yù)防的重要指標(biāo),。
大多數(shù)事實證明，端粒,、端粒酶與細胞壽命直接相關(guān),，且端粒酶的激活和表達程度與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展也有十分密切的關(guān)系,。因此,，如何合理地控制端粒的長度，控制端粒酶的激活和抑制,，以達到延緩衰老和防癌,、治癌的目的，將會是一項意義深遠的,、富有挑戰(zhàn)性的工作,。
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由重復(fù)排列的端粒構(gòu)成的DNA四聯(lián)體結(jié)構(gòu)形態(tài)恰好類似弦圖結(jié)構(gòu)(目前對端粒的研究表明，端粒是真核生物染色體末端的特殊結(jié)構(gòu),，包含若干的DNA雙鏈重復(fù)序列,，其末端為含多個G的單鏈DNA.
不同物種端粒的重復(fù)序列和長度是不一樣的，但每種生物體有其特定的序列和平均長度——如人的端粒為(TTAGGG)n,，大約在15kb左右.
線狀染色體的末端有一段稱為端粒的特殊區(qū)域,，由于一般參與復(fù)制DNA的酵素?zé)o法作用于染色體的末端，因此這些端粒的主要功能,，是使細胞能利用一種稱為端粒酶的酵素來復(fù)制端粒,。如果端粒消失，那么復(fù)制過程將使染色體長度縮小,。因此這些特化的端帽能保護染色體結(jié)尾不被外切酶破壞,，并阻止細胞中的DNA修復(fù)系統(tǒng)將其視為需修正的損毀位置。在人類細胞中,，端粒是由重復(fù)出現(xiàn)數(shù)千次TTAGGG序列的單股DNA所組成。這些序列富含鳥嘌呤,，可形成一種由四個堿基重疊而成的特殊結(jié)構(gòu),，使染色體末端較為穩(wěn)定。四個鳥嘌呤可構(gòu)成一個平面,，并且重疊于其他平面之上,，產(chǎn)生穩(wěn)定的G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)。堿基與位在四個堿基中心的金屬離子螯合物之間,，是經(jīng)由氫鍵結(jié)合以穩(wěn)定結(jié)構(gòu),。左圖顯示由上方觀看人類端粒中的四聯(lián)體，圖中可見每四個堿基為一組,，共三層堿基重疊而成的單股DNA環(huán)狀物,。在堿基環(huán)繞的中心,，可見三個螯合在一起的鉀離子。也有其他類型的結(jié)構(gòu)存在,，例如中心的四個堿基,，除了可以是屬于單一的一股DNA之外，也可能是由多條平行的DNA各自貢獻一個堿基而形成,。端粒另外還可形成一種大型環(huán)狀結(jié)構(gòu),，稱為端粒環(huán)或T環(huán)（T-loop）。是由單股DNA經(jīng)過端粒結(jié)合蛋白的作用之后,，卷曲而成的一個大循環(huán),。在T環(huán)長鏈最前端的地方，單股的DNA會附著在雙股DNA之上,，破壞雙螺旋DNA與另一股的堿基配對,，形成一種稱為替代環(huán)或D環(huán)的三股結(jié)構(gòu)。其中,端粒是由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成的,，其中一條鏈富含G,，另一條富含C.
端粒合成時先由端粒酶將端粒重復(fù)序列加到富G鏈上去，再由DNA聚合酶合成富C鏈.
不同生物的端粒G鏈一般都采用緊實結(jié)構(gòu).
而在所有的結(jié)構(gòu)中,，G-四聯(lián)體是理論上最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),，它除了可在兩條DNA分子間形成外，還可以在含四段重復(fù)端粒序列單鏈DNA中形成.
Zahler et al考察了端粒DNA的不同折疊方式作為引物時對四膜蟲端粒酶的影響.
他們發(fā)現(xiàn)端粒G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)啟動端粒酶延伸端粒的效率最差,，不能作為端粒酶的引物,，另外，他們的進一步研究發(fā)現(xiàn),，端粒酶所需的引物可能不應(yīng)有任何折疊.
折疊的端粒DNA結(jié)構(gòu)由于無法作為引物與端粒酶RNA組分堿基配對,、結(jié)合，或者改變了端粒引物從端粒酶解離的速度而影響端粒的延伸.
目前,，所有已知生物的端粒都是在富G的那條鏈上由端粒酶進行端粒合成,，因此，能促使或穩(wěn)定端粒形成G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)或方法可能對癌癥有潛在治療意義.
G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)是端粒DNA末端單鏈懸掛在溶液中形成的特殊二級結(jié)構(gòu),，由于它在端粒酶催化延長端粒DNA過程中的重要作用,，已成為腫瘤治療和抗腫瘤藥物設(shè)計開發(fā)的重要靶點。如果藥物能穩(wěn)定G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)或促使其形成,，則可使端粒酶不能發(fā)揮其逆轉(zhuǎn)錄酶活性,，不僅抑制端粒酶活性而且使端粒不能延伸。而惡性腫瘤需要一定的端粒長度才能維持其生長及增殖,，所以通過促成G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)的藥物可以達到抑制惡性腫瘤生長的目的,。 )
注:通過穩(wěn)定G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)應(yīng)該能起到兩個作用,在有腫瘤時可以抑制腫瘤的生長,對于健康人則可以延緩端粒的縮短,有助于延長壽命.這是因為由重復(fù)排列的端粒構(gòu)成的DNA 四聯(lián)體結(jié)構(gòu)形態(tài)恰好類似弦圖結(jié)構(gòu)——實際上DNA結(jié)構(gòu)是在規(guī)范場作用下形成的，在能夠雙鏈纏繞的地方則呈雙螺旋，不能雙鏈纏繞則呈現(xiàn)弦圖穩(wěn)定結(jié)構(gòu),，包括DNA橫檔平均夾角為36度,，這都與規(guī)范場分布有關(guān)系，場越規(guī)范越接近穩(wěn)定的理想黃金分割結(jié)構(gòu),在不平衡時可以雙向調(diào)整,，趨于規(guī)范分布,。金字塔構(gòu)形的神奇效應(yīng)也與黃金分割數(shù)所約定的幾何結(jié)構(gòu)的特殊性密切相關(guān)。對于四聯(lián)體端粒,，在正常情況下應(yīng)該越穩(wěn)定越好,，這對于防治癌癥有幫助，因為癌癥細胞往往對應(yīng)非正常時機的染色體變異,，而在規(guī)范場作用情況下,，在需要時可打開四聯(lián)體結(jié)構(gòu)通過端粒酶實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄，不論在“過穩(wěn)定”問題,。G四聯(lián)體作為端粒,，有點類似十字封手。
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