端粒和端粒酶的研究及應(yīng)用及如何實(shí)現(xiàn)反老還童

生命科學(xué)焦點(diǎn) 如何實(shí)現(xiàn)反老還童

摘要：古往今來(lái),，“長(zhǎng)生不老”成為人們一直追求的夢(mèng)想，曾經(jīng)有多少人用各種方法來(lái)延緩衰老,，但終未取得顯著效果。近年來(lái)研究證實(shí),，端?？s短導(dǎo)致衰老。本文就端粒,、端粒酶與衰老的關(guān)系做一綜述,。

關(guān)鍵詞：端粒、端粒酶,、衰老

最早觀察染色體末端的科學(xué)家始于19世紀(jì)末期,，Rabl[1]在1885年注意到染色體上所有的末端都處于細(xì)胞核的一側(cè)。20世紀(jì)30年代,，兩個(gè)著名的遺傳學(xué)家McClintock B [2]和Muller HJ [3]發(fā)現(xiàn)了染色體的末端可維持染色體的穩(wěn)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(yǎng)的正常人成纖維細(xì)胞的“有限復(fù)制力”作為細(xì)胞衰老的表征,。在此過(guò)程中，細(xì)胞群中的大部分細(xì)胞經(jīng)歷了一定次數(shù)的分裂后便停止了,，但它們并沒(méi)有死亡,，仍保持著代謝活性，只是在基因表達(dá)方式上有一定的改變,。于是Hayflick猜測(cè)細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)限制細(xì)胞分裂次數(shù)的“鐘”,，后來(lái)通過(guò)細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種“鐘”在細(xì)胞核的染色體末端——端粒,。但端粒究竟是怎樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)呢,？Blackburn和Gall[5] 于1978年首次闡明了四膜蟲(chóng)rDNA分子的末端結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)這種rDNA每條鏈的末端均含有大量的重復(fù)片段,，并且這些大量重復(fù)的片段多是由富含G,、C的脫氧核苷酸形成的簡(jiǎn)單序列串聯(lián)而成。在1985年,，CW·Greider和EH·Blackburn發(fā)現(xiàn)將一段單鏈的末端寡聚核苷酸加至四膜蟲(chóng)的提取物中后,，端粒的長(zhǎng)度延長(zhǎng)了，這就說(shuō)明了確實(shí)有這樣的一種酶存在[6],，并將它命名為“端粒酶”（telomerase）,。之后，耶魯大學(xué)Morin于1989年在人宮頸癌細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了人端粒酶[7] ,。近年來(lái),，隨著人體端粒酶的發(fā)現(xiàn)和端粒學(xué)說(shuō)的提出，已經(jīng)知道決定細(xì)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(zhǎng)而縮短,。

一、衰老機(jī)理及假說(shuō)

許多人錯(cuò)誤的認(rèn)為,，退休是一個(gè)人進(jìn)入生理老年的開(kāi)端,。而老年則是衰老的標(biāo)志，其實(shí),，這是不科學(xué)的,。人體的所有器官和組織都由細(xì)胞組成，但組成器官和組織的細(xì)胞有兩大類(lèi),，即干細(xì)胞和非干細(xì)胞,。人體衰老正是由細(xì)胞特別是干細(xì)胞衰老引起的。醫(yī)學(xué)家認(rèn)為,，如果人類(lèi)若能避免一些疾患和意外事故,，人類(lèi)壽命的上限應(yīng)當(dāng)是130歲。在人類(lèi)基因組計(jì)劃之前和進(jìn)行之中，對(duì)長(zhǎng)壽的分子生物學(xué)研究就有了許多顯著的成果與發(fā)現(xiàn),?？偟臍w納起來(lái)便是：衰老是一種多基因的復(fù)合調(diào)控過(guò)程，表現(xiàn)為染色體端粒長(zhǎng)度的改變,、DNA損傷（包括單鏈和雙鏈的斷裂）,、DNA的甲基化和細(xì)胞的氧化損害等。這些因素的綜合作用,，才造成了壽命的長(zhǎng)短,。 

近幾十年來(lái)，隨著現(xiàn)代遺傳學(xué),、分子生物學(xué),、細(xì)胞生物學(xué)和分子免疫學(xué)等邊緣學(xué)科的飛速發(fā)展，人們對(duì)衰老的機(jī)理有了深層次的認(rèn)識(shí),，有許多學(xué)說(shuō)如遺傳程序?qū)W說(shuō),、DNA分子修復(fù)能力下降假說(shuō)、體細(xì)胞突變學(xué)說(shuō),、差錯(cuò)災(zāi)難學(xué)說(shuō)和交聯(lián)學(xué)說(shuō)等已經(jīng)被人們廣泛接受,，但端粒學(xué)說(shuō)剛進(jìn)入人們的研究范圍。端?？s短可引起衰老,，而維持端粒長(zhǎng)短的重要活性物質(zhì)便是端粒酶。生物學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)一件有趣的事實(shí)：就是每一種細(xì)胞的壽命都有一定限度,，在人工培養(yǎng)條件下,，接近這個(gè)限度時(shí)，哪怕用最好的培養(yǎng)方法都拯救不了既定的命運(yùn),。像人體的成纖維細(xì)胞,，據(jù)試驗(yàn)，最多只能繁殖50代,，到那時(shí)必然趨于死亡,。其他像老鼠的成纖維細(xì)胞只能分裂18代，龜?shù)某衫w維細(xì)胞分裂110代,，如此等等,。那么人為什么會(huì)衰老,，以至走向死亡呢,？有研究者對(duì)導(dǎo)致人體細(xì)胞衰老的原因提出了“程序假說(shuō)”和“錯(cuò)誤積累假說(shuō)”。

人類(lèi)的細(xì)胞并不能無(wú)限制地重復(fù)分裂,，在分裂50～60次后便會(huì)停止,。細(xì)胞不再繼續(xù)分裂的機(jī)體組織，便呈現(xiàn)出衰老和機(jī)能低下的狀態(tài)。隨著細(xì)胞重復(fù)分裂使端?？s短到一定的長(zhǎng)度,，從而使細(xì)胞停止了分裂。這就是“程序假說(shuō)”,。

細(xì)胞分裂的時(shí)候,，DNA被復(fù)制，但是由于X射線,、紫外線,、活性氧、有害物質(zhì)的損害,，DNA會(huì)發(fā)生異常變化,，于是DNA在復(fù)制過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。隨著錯(cuò)誤的積累,，生成了異常蛋白質(zhì),，細(xì)胞機(jī)能變得低下，于是細(xì)胞便不能繼續(xù)分裂,，呈現(xiàn)出了衰老跡象,。這就是所謂“錯(cuò)誤積累假說(shuō)”。

因此,，人不像機(jī)器那樣容易磨損和壞掉,，而是能自我成長(zhǎng)和修復(fù)，但這只能算是衰老的伴生現(xiàn)象,。對(duì)衰老機(jī)理的研究就是為了有效地指導(dǎo)抗衰老的研究和實(shí)踐工作,。但是，人類(lèi)衰老的原因是多方面的,，衰老的機(jī)理也是極為復(fù)雜的,。 

二、端粒和端粒酶 

端粒是真核細(xì)胞內(nèi)染色體末端的DNA重復(fù)片斷,，經(jīng)常被比做鞋帶兩端防止磨損的塑料套,，由富含G的核酸重復(fù)序列和許多蛋白質(zhì)組成，包括Ku70,、Ku80,、依賴DNA的蛋白激酶和端粒重復(fù)序列結(jié)合因子2（TRF2）等。不同個(gè)體的端粒初始長(zhǎng)度差異很大,，在人中大約為15 kb,，在大鼠中可長(zhǎng)達(dá)150 kb，在小鼠中一般在5～80 kb之間變化,，而在尖毛蟲(chóng)中卻只有20 bp,。在所有的有機(jī)體中,，端粒DNA的長(zhǎng)度總是隨著外界環(huán)境而波動(dòng)變化的。酵母的端粒DNA在200～400 bp間隨遺傳或營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的改變而改變,，四膜蟲(chóng)和錐蟲(chóng)等有機(jī)體的端粒長(zhǎng)度在對(duì)數(shù)期會(huì)持續(xù)增加,。相反，在人體中,，隨著細(xì)胞的持續(xù)分裂,，端粒會(huì)緩慢縮短。細(xì)胞培養(yǎng)研究表明,，當(dāng)端粒再也無(wú)法保護(hù)染色體免受傷害時(shí),，細(xì)胞就會(huì)停止分裂，或者變得不穩(wěn)定,。其功能是完成染色體末端的復(fù)制,，防止染色體免遭融合、重組和降解,。染色體復(fù)制的上述特點(diǎn)決定了細(xì)胞分裂的次數(shù)是有限的,，端粒的長(zhǎng)度決定了細(xì)胞的壽命，故而被稱為“生命的時(shí)鐘”,。 

端粒酶（或端粒體酶）是一種能延長(zhǎng)端粒末端的核糖蛋白酶,，主要成分是RNA和蛋白質(zhì)，其含有引物特異識(shí)別位點(diǎn),，能以自身RNA為模板,，合成端粒DNA并加到染色體末端，使端粒延長(zhǎng),，從而延長(zhǎng)細(xì)胞的壽命甚至使其永生化[8],。如果細(xì)胞被病毒感染，或者某些抑癌基因如p53,、pRB等突變,，細(xì)胞可越過(guò)M1期而繼續(xù)分裂,端粒繼續(xù)縮短，最終達(dá)到一個(gè)關(guān)鍵閾值,，細(xì)胞進(jìn)入第二致死期M2,，這時(shí)染色體可能出現(xiàn)形態(tài)異常，某些細(xì)胞由于端粒太短而失去功能,，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡,。但極少數(shù)細(xì)胞能在此階段進(jìn)一步激活端粒酶，使端粒功能得以恢復(fù),，并維持染色體的穩(wěn)定性,，從而避免死亡。最近Shay et al[9]在Science上發(fā)表了一幅有趣的模式圖,，簡(jiǎn)要介紹了端粒,、端粒酶介導(dǎo)細(xì)胞凋亡或永生化的過(guò)程。

大量的證據(jù)表明,，端粒酶的激活或抑制會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞永生化或進(jìn)入分裂終止期,。端粒酶在超過(guò)80%的永生細(xì)胞系及大多數(shù)腫瘤組織中呈激活狀態(tài)。端粒酶的抑制會(huì)使胚胎干細(xì)胞,、骨髓造血細(xì)胞的增生受到抑制,并使腫瘤細(xì)胞系增生減弱,，以致于凋亡增加。有必要指出的是：端粒酶對(duì)細(xì)胞增生,、衰老及凋亡的調(diào)節(jié)是通過(guò)不同的途徑進(jìn)行的,。其中端粒延長(zhǎng)依賴性機(jī)制作用緩慢，需要多代細(xì)胞端粒的進(jìn)行性縮短積累到一定程度,，才會(huì)誘發(fā)細(xì)胞靜止信號(hào)的激活,。最近有一種端粒延長(zhǎng)非依賴性機(jī)制，其作用較快,，可能涉及到端粒三級(jí)結(jié)構(gòu)的改變,，蛋白相互作用的改變,轉(zhuǎn)位的改變等[10]。

三,、端粒及端粒酶與衰老的關(guān)系

關(guān)于端粒丟失同衰老的關(guān)系理論是由Olovnikov博士于1973年首次提出的[11],。他認(rèn)為，端粒的丟失很可能是因?yàn)槟撤N與端粒相關(guān)的基因發(fā)生了致死性的缺失,。目前認(rèn)為,，人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)端粒酶活性的缺失將導(dǎo)致端粒縮短,，每次丟失50～200個(gè)堿基,，這種縮短使得端粒最終不能被細(xì)胞識(shí)別。端粒一旦短于“關(guān)鍵長(zhǎng)度”,，就很有可能導(dǎo)致染色體雙鏈的斷裂,，并激活細(xì)胞自身的檢驗(yàn)系統(tǒng)，從而使細(xì)胞進(jìn)入M1期死亡狀態(tài),。隨著端粒的進(jìn)一步丟失,，將會(huì)發(fā)生染色體重排和非整倍體染色體的形成等錯(cuò)誤，這將導(dǎo)致進(jìn)一步的危機(jī)產(chǎn)生,，即M2期死亡狀態(tài),。當(dāng)幾千個(gè)堿基的端粒DNA丟失后，細(xì)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(jù)是Bodnar[12]等證實(shí)的,。如果細(xì)胞試圖要維持其正常分裂，那么就必須阻止端粒的進(jìn)一步丟失,，并且激活端粒酶,。Cooke[13]等認(rèn)為,，由于人體細(xì)胞中的端粒酶未被活化，從而導(dǎo)致了端粒DNA縮短,。因此,，只有那些重新獲得端粒酶活性的細(xì)胞才能繼續(xù)生存下去，對(duì)于那些無(wú)法激活端粒酶的細(xì)胞將只能面臨趨向衰老的結(jié)果,。研究人員最近還發(fā)現(xiàn),，患有一種可加速衰老的遺傳病人具有異常短的端粒，這進(jìn)一步表明端粒在衰老過(guò)程中所起的重要作用,。在人類(lèi)細(xì)胞中,，研究者還發(fā)現(xiàn)，端?？s短的速率與細(xì)胞抗氧化損傷的能力相關(guān),。更容易遭受氧化損害的細(xì)胞，其端?？s短更快,，然而那些更能抵抗這種損傷的細(xì)胞，端?？s短得較慢,。如果能減免細(xì)胞損傷或激活端粒酶，即可控制人類(lèi)的衰老進(jìn)程,。

有人曾經(jīng)對(duì)人淋巴細(xì)胞的衰老性變化與其端粒長(zhǎng)度以及端粒酶活性的關(guān)系在各種體內(nèi)體外環(huán)境及處理因素下做了觀測(cè),，發(fā)現(xiàn)端粒酶活性和端粒長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)有可能是淋巴細(xì)胞增殖的控制因素，這已在人體淋巴細(xì)胞的發(fā)育,、分化,、激活和衰老過(guò)程中被驗(yàn)證。曾發(fā)現(xiàn)外周血CD+4T細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度在體內(nèi)隨著衰老以及從靜息細(xì)胞到記憶細(xì)胞的分化過(guò)程而縮短,，在體外則隨著細(xì)胞的分裂而縮短,，這些結(jié)果提示端粒長(zhǎng)度與淋巴細(xì)胞增殖過(guò)程以及記憶性增殖潛力相關(guān)。

端粒酶的表達(dá)已知能夠抑制衰老,，而Weinberg and colleagues[14]認(rèn)為端粒酶的作用主要在于延長(zhǎng)了端粒懸垂的長(zhǎng)度,。細(xì)胞的復(fù)制期限被認(rèn)為由最終導(dǎo)致衰老的兩個(gè)機(jī)制決定，一個(gè)是累積的DNA損傷,，另外一個(gè)是端粒的進(jìn)行性縮短,。Weinberg and colleagues研究了一個(gè)端粒的特殊懸垂結(jié)構(gòu)在衰老過(guò)程中的作用，懸垂結(jié)構(gòu)只在富含C的末端之外還有一個(gè)由幾百個(gè)核苷酸組成的富含G的結(jié)構(gòu),。據(jù)稱Shay實(shí)驗(yàn)小組[15]的研究策略是通過(guò)抑制端粒酶活性,，從而迫使永生化細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎＜?xì)胞，進(jìn)入正常的衰老和死亡模式,。

在衰老異常發(fā)展中有一種早衰人群,，即從20歲開(kāi)始皮膚和毛發(fā)等便迅速衰老,，其原因仍在于制造端粒酶的遺傳基因。細(xì)胞在分裂的時(shí)候,，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以其一根長(zhǎng)鏈為“模子”進(jìn)行DNA復(fù)制,。在DNA修復(fù)損傷的時(shí)候，“拆解”DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是必要的,，制造端粒酶的遺傳基因在解開(kāi)DNA螺旋結(jié)構(gòu)上起作用。像制造端粒酶并從事DNA復(fù)制和修改錯(cuò)誤的一類(lèi)遺傳基因,，若與延長(zhǎng)細(xì)胞壽命的端粒酶良好結(jié)合,，我們也許能期待向“長(zhǎng)生不老”的目標(biāo)進(jìn)一步接近。

四,、展望和未來(lái)

總之,，人類(lèi)體細(xì)胞在復(fù)制衰老過(guò)程中產(chǎn)生的端粒丟失現(xiàn)象已在體外得到了證實(shí)，而且體內(nèi)的端粒丟失可作為判斷供體年齡的依據(jù),。 我們只要設(shè)法使已衰老的人體內(nèi)各種干細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度恢復(fù)到年輕時(shí)的水平,，老人就會(huì)返老還童和長(zhǎng)生不老。但在人類(lèi)端粒及端粒酶的基礎(chǔ)研究中,，還存在著許多難點(diǎn),，如：人端粒末端的精細(xì)結(jié)構(gòu)，端粒的非端粒酶延伸機(jī)制,；人端粒酶的具體結(jié)構(gòu)及其基因所在的位置,；端粒酶的激活機(jī)制及其活性調(diào)節(jié)等，均有待于回答,。盡管如此,，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(guān)性的因素——端粒和端粒酶,。人們對(duì)于端粒抑制劑的研究已經(jīng)蓬勃的展開(kāi)了,。故進(jìn)一步研究端粒酶的活性調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型延緩衰老的端粒酶抑制劑無(wú)疑具有重要意義,。Colorado大學(xué)的兩位研究人員Thomas Cech 和Robert Weinbrg[16]博士已獨(dú)立地克隆出一種控制人類(lèi)細(xì)胞端粒酶活性的基因,。應(yīng)用這種基因，很有可能得到一種新的蛋白質(zhì)——端粒酶的控制劑,。

關(guān)于衰老機(jī)理和抗衰老的研究領(lǐng)域現(xiàn)在仍然是非?；钴S的，并將受到越來(lái)越足夠的重視,，因?yàn)樗鼘?duì)于延緩衰老,，實(shí)驗(yàn)老年醫(yī)學(xué)研究的目的即防止人類(lèi)早衰，保持人體健康長(zhǎng)壽是極為重要的,。但是,，就目前人類(lèi)在這方面的研究來(lái)看還很薄弱,。在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，有關(guān)衰老與抗衰老的研究重點(diǎn)還應(yīng)放在以最新生物學(xué)技術(shù)研究有關(guān)長(zhǎng)壽與衰老基因的克隆,、結(jié)構(gòu)分析以及對(duì)這些基因的調(diào)控機(jī)制,；機(jī)體衰老過(guò)程中自由基、突變以及其它有害刺激因素啟動(dòng)細(xì)胞衰老凋亡的分子機(jī)制和這些過(guò)程被調(diào)控的分子機(jī)理,；利用衰老基因與長(zhǎng)壽基因的研究成果進(jìn)行的基因治療方面研究等,。

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作者：蔡軍 黃雪梅（浙江省湖州師范學(xué)院生命學(xué)科學(xué)院 313000）

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