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编号:10246107
抗端粒酶治疗肿瘤的研究进展
http://www.100md.com 《肿瘤》 1999年第2期
     作者:杨金亮 杨仕明 房殿春

    单位:第三军医大学附属西南医院消化内科(重庆 400038)

    关键词:

    肿瘤990221 近年来肿瘤的端粒-端粒酶假说已被越来越多的实验所证实。85%以上的恶性肿瘤有端粒酶表达,而正常组织(生殖细胞、造血细胞等胚胎性干细胞除外)则呈阴性。端粒酶是迄今发现的一个最为广泛的肿瘤标志,在细胞永生化和肿瘤发生发展过程中起重要作用。自从1995年Feng等研究发现反义人端粒酶基因能抑制HeLa细胞端粒酶活性并导致其死亡以来,针对端粒酶开发新的抗肿瘤药物已成为近年来的新热点。本文将重点综述端粒、端粒酶与肿瘤的关系及针对端粒酶的抗肿瘤治疗研究进展。

    一、端粒、端粒酶与肿瘤的关系

    1、端粒和端粒酶
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    早在本世纪三四十年代Müller和McClintock就认识到染色体末端存在一种维持染色体稳定和完整的特殊结构——端粒(telomere),它能防止染色体DNA降解、末端融合、缺失和非正常重组[1,2]。但直到20年前,人们才相继辨明了多种物种的端粒结构——由5~8 bp且富含G碱基核苷酸串联重复序列和端粒结构蛋白构成,人和其它脊椎动物的端粒DNA均为(TTAGGG)n[3]。端粒结构的阐明圆满解决了令人困惑的染色体末端复制难题[4]。DNA复制时DNA多聚酶必须以RNA为引物,从5’端向3’端方向复制,复制完成后RNA引物被降解,所留5’端空隙由端粒DNA来填补,防止染色体末端DNA在复制过程中的不断丢失,从而维持了染色体结构的完整性。

    1985年Blackburn研究小组首先在四膜虫中发现了催化合成端粒重复序列的端粒酶(Telomerase)[5]。之后耶鲁大学Morin(1989)在人宫颈癌细胞中也发现了人端粒酶[6]。端粒酶是一种核糖核蛋白,它由蛋白质和与端粒DNA互补的RNA所组成,它能以自身的RNA为模板合成端粒DNA,本质上属逆转录酶。目前,包括人的多种生物的端粒酶RNA组份及其基因已被克隆[7~9,21],而四膜虫、线虫、酵母、小鼠及人端粒酶的蛋白组份及其基因也已纯化和克隆成功[10~12]
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    2、肿瘤的“端粒-端粒酶”假说

    在对端粒和端粒酶深入研究的基础上,Harley(1991)提出了“端粒-端粒酶假说”[13]。他认为,端粒可能是细胞有丝分裂的计时钟(mitotic clock)。在细胞有丝分裂过程中,端粒DNA不断丢失而使端粒缩短,当端粒缩短到一定长度时,可能会触发某种信号,使细胞进入前临转点M1期,此时细胞不再分裂,而是退出细胞周期而老化。如果此时细胞被病毒转化、癌基因激活或抑癌基因失活,细胞便可越过M1期继续分裂,端粒继续缩短,最终进入后临转点M2期。多数细胞由于端粒太短而失去功能并死亡,但极少数细胞的端粒酶在此阶段被激活,从而恢复端粒的功能,使细胞逃避死亡而获得永生化。

    3、端粒酶与肿瘤的关系

    “端粒-端粒酶”假说认为端粒酶的再激活与细胞永生化和恶性肿瘤的发生发展有密切关系,大量研究已证实了此推断。Kim等[14]检测了100株人肿瘤细胞系的端粒酶活性,98%呈阳性,而22个正常细胞株端粒酶均为阴性。张桥等[15]总结了近年来人类肿瘤组织端粒酶活性的测定结果,表明人肿瘤端粒酶活性的阳性率高达84.3%(766/909),而相应的正常、瘤旁组织及良性肿瘤端粒酶阳性率仅为3.4%(12/352)。Counter等[16,17]检测了SV40、HPV或AD5转化前后的人胚肾细胞和人上皮 端粒长度和端粒酶活性,结果发现转化后的永生化细胞端粒长度趋于稳定并伴有端粒酶的激活。Bednarek等[18]进一步研究了化学诱导的鼠皮肤乳头状瘤发生发展过程中端粒酶活性变化,结果发现在10周内11例中只有1例显示高水平的端粒酶活性,而到30周时所有的标本均显示出了高水平的端粒酶活性,表明肿瘤的发生发展与端粒酶活化有密切关系。Hiyama等[19,20]对乳腺癌、胃癌病人的研究发现,端粒酶阳性者肿瘤体积较大、淋巴结转移率高、预后差。
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    二、针对端粒酶的抗肿瘤治疗

    由于端粒酶特异性地表达于绝大多数肿瘤细胞,又是肿瘤细胞无限增殖所必需,因此开发针对端粒酶的抗肿瘤药物成为近年来肿瘤治疗学研究的另一热点。正常人血干细胞、生殖细胞和一些淋巴细胞虽有端粒酶活性,但它们的端粒酶活性很低,且有足够长的端粒DNA储备,也就是说抗端粒酶治疗对这些细胞的影响较小,可见抗端粒酶药物具有广谱、高效、低毒的优点,具有很好的临床应用前景。美国的多家生物技术和药物公司已着手开发该类药物。

    1、反义基因 端粒酶RNA组份中含有与端粒DNA序列互补的模板序列,针对该模板序列设计的反义核苷酸可阻断其模板作用从而抑制端粒酶合成端粒序列。Feng等[21](1995)首先研究发现反义人端粒酶RNA可抑制肿瘤细胞的端粒酶活性并导致细胞死亡,用反义hTR转染人HeLa细胞,发现端粒DNA逐渐丢失,细胞经23~26个倍增周期后开始死亡。Norton等[22]设计了一组不同长度的与人端粒酶RNA模板区互补的肽核酸(Peptide nucleic acids, PNAs),研究发现该PNAs能显著抑制永生化的人乳腺上皮细胞系HME50-5的端粒酶活性,抑制作用较单纯的反义核酸强10~50倍(PNA5’-TAGGGTTAGACAA的IC50为0.9 nmol/L),而且有严格的序列特异性和剂量依赖关系,并随PNA长度增加而增强。由于PNAs具有高亲合性,高稳定性和选择性强的特点,并易于人工自动固相合成,因此是一种值得开发的抗肿瘤制剂。Mate等[23]报道与哺乳动物端粒重复序列相同的六聚硫代磷酸酯寡核苷酸(Hexameric phosphorothioate oligonucleotide, PS-ODN)可阻 断端粒酶RNA的模板作用或作为端粒酶的底物而竞争抑制端粒酶的活性,使Burkitt淋巴瘤细胞体外生长受抑并出现凋亡。在Burkitt淋巴瘤裸鼠皮下移植模型中,经渗透泵原位每天给予50 μg的PS-ODN具有明显的治疗作用。可见针对端粒酶RNA的反义基因能有效抑制其活性,目前人端粒酶蛋白的结构和功能已基本阐明,用反义基因抑制其功能能否阻断端粒酶的活性值得进一步尝试。
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    2、核酶 核酶(ribozyme, RZ)是一类具有酶活性的RNA分子,可特异性地与靶RNA结合并对其进行切割,使其失去生物学功能。Kanazawa等[24]设计了一种直接作用于端粒酶RNA组分的锤头状核酶(teloRZ),观察其对端粒酶活性的抑制作用,研究发现teloRZ对人工合成的端粒酶RNA组分有专一的切割活性,当把teloRZ加入人肝癌细胞系HepG2和Huh-7的端粒酶提取物中时,可有效抑制端粒酶的活性,表明RZ是一种很强的端粒酶抑制剂。

    3、逆转录酶抑制剂

    端粒酶是一种逆转录酶,因此逆转录酶抑制剂能抑制端粒酶活性,3’-叠氰胸甙(3’-azidothymidine, AZT)是一种用于艾滋病治疗的逆转录酶抑制剂,Yegorov等[25]研究发现它能抑制端粒酶的功能而诱导鼠成纤维细胞凋亡,但这种作用是可逆的。Comez等[26]的实验则进一步证实长期应用AZT治疗,可使HeLa细胞的端粒明显缩短,AZT的衍生物3’-叠氨胸甙三磷酸盐(3’-azidothymidine triphosphate, AZTTP)也被证明能抑制端粒酶的活性。逆转录酶抑制剂作用广泛,副作用大,不是理想的抗肿瘤药物,因此有必要针对端粒酶的特殊性,寻找作用强特异性高新型逆转录酶抑制剂。
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    4、核苷类似物

    Fletcher等[27]报道7-脱氮-2’-脱氧腺嘌呤核苷酸(7-deaza-dATP)和7-脱氮-2’-脱氧乌嘌呤核苷酸(7-deaza-dGTP)在端粒合成端粒重复序列时可掺入端粒DNA序列而导致端粒不稳定甚至缩短,这为设计的端粒抑制剂提供了思路。

    5、诱导分化药物

    正常人类干细胞分化为成熟体细胞后,端粒酶活性受到抑制,而当细胞癌变后端粒酶又重新被激活,此提示诱导分化可能会抑制端粒酶的活性。Xu等[28]研究发现用维甲酸(RA)和125-(OH)2维生素D3分别诱导人早幼粒白血病HL-60细胞分化为成熟的粒细胞和单核细胞时,端粒酶活性明显下降,细胞停滞于G1期,增殖速度减慢。而且丁酸钠诱导人白血病细胞K562分化,也得到了同样的结果,并发现端粒酶活性受抑程度与分化程度呈正相关。
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    6、端粒酶蛋白抗体

    1995年,四膜虫的端粒酶蛋白最先克隆成功,它包括二个亚单位P80和P95,P80能与端粒酶RNA特异性地结合,与端粒酶的活性密切相关,抗P80抗体能特异性地免疫沉淀端粒酶活性[10]。人端粒酶相关蛋白TP1与P80具有很高的同源性,抗P80抗体也能抑制人端粒酶活性[29]

    三、问题与展望

    端粒酶是当今最引人注目的抗肿瘤治疗新靶点之一,端粒酶抑制剂有可能成为一种广谱、高效、低毒副作用的抗肿瘤制剂,美国已将此列为肿瘤治疗的新目标,国内也开始了这方面的研究。但当前对端粒酶及其抑制剂的研究尚处在初级阶段,有许多问题有待阐明,而下一步研究的方向大致是:(1)阐明端粒酶结构和合成端粒酶的分子机制,从端粒酶白及其基因水平阻断端粒酶的活性;(2)阐明干细胞分化为成熟体细胞后端粒酶沉默及细胞癌变时端粒酶激活的调控机制,寻找新的端粒酶抑制剂。同时,还必须清醒地认识到端粒酶抑制剂作为抗肿瘤药物也存在一些缺点,如:(1)并非所有肿瘤细胞都存在端粒酶活性,人肿瘤细胞有时尚存在“挽救端粒”行为,即细胞通过其它途径(如重组)修复它们缩短的末端,如果这些情况频繁发生,针对端粒酶的治疗就会失败。(2)端粒酶抑制剂起效慢。虽然大部分肿瘤细胞的端粒较短(<4 kb),端粒合成和选择平衡一旦破坏,细胞很快趋向死亡,但也有一部分肿瘤细胞端粒较长(>4 kb),端粒的缩短就成了一个缓慢的过程。总之,端粒酶的发现及其与肿瘤关系的阐明可以说是肿瘤学研究的一大飞跃,为进一步研究肿瘤细胞增殖失控等恶性生物学行为发生机制奠定了基础,也为研究新一代的抗肿瘤制剂指明了方向。
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    参 考 文 献

    1 Müller HJ. The collecting net. Woods Hole, 1938, 13:181

    2 McClintock B. Mo Agric Exp Station Res Bull, 1938, 290:1

    3 Moyzis PK, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 1988, 85:6622

    4 Olovnikov AM. Dokl Akad Nauk SSSR, 1971, 201:1496

    5 Greider CW, et al. Cell, 1985, 43:405~413

    6 Morin GB, et al. Cell, 1989, 59:521~529
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    7 Greider CW, et al. Nature, 1989, 337:331

    8 Lentz DS, et al. Science, 1990, 247:546

    9 Blasco MA, et al. Science, 1995, 9:2214

    10 Colins K, et al. Cell, 1995, 81:667

    11 Harrington L, et al. Science, 1997, 275:973

    12 Meyerson M, et al. Cell. 1997, 90:785

    13 Harley CB, et al. Mutat Res, 1991, 256(3):271
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    14 Kim NW, et al. Science, 1994, 266:2011

    15 张桥,等. 癌症,1997;16(6):461

    16 Counter CM, et al. EMBOJ, 1992, 11:1921

    17 Counter CM, et al. J Virol, 1994, 68:3410

    18 Bednarek A, et al. Cancer Res, 1995, 55(20):4566

    19 Hiyama E, et al. Cancer Res, 1995, 55:3258

    20 Hiyama E, et al. J Natl Cancer Inst, 1996, 88:116
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    21 Feng J, et al. Science, 1995, 269(5228):1236

    22 Norton JC, et al. Nat Biotechnol, 1996, 14(5):615

    23 Mate JC, et al. Toxicol Appl pharmacol, 1997, 144(1):189

    24 Kanazawa, et al. Biochem biophs Res Commun, 1996, 225(2):570

    25 Yegorov YE, et al. FEBS Lett, 1996, 389(2):115

    26 Comez DE, et al. Am Assoc Cancer Res, 1996, 37:561

    27 Fletcher TM et al. Biochemistry, 1996, 35(49):15611

    28 Xu D, et al. Leukemia, 1996, 10(8):1354

    (收稿:1998-11-09), 百拇医药