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编号:10259629
PET的临床应用进展
http://www.100md.com 《基础医学与临床》 1999年第5期
     作者:马步成

    单位:中日友好医院核医学科,北京100029

    关键词:

    基础医学与临床990504 Abstract Telomere is the end structure of chromosome and it will be shortened during replication. Telomerase is a reverse transcripatse consisting of both RNA and protein components and synthesizes telomeric DNA by copying the template sequence of its own RNA components to maintain telomere length for function.Telomerase activity in germline cells,immortal and neoplastic cells was detected,but not in mostly normal cells.The telomere-telomerase hypothesis was brung out to explain this phenomenon.According to this hypothesis,re-actived telomerase will maintain telomere's length for protecting chromosome to make the cell immortal.The aging procedure will be explained by this hypothesis too.This hypothesis provides a new concepts of cancer and cancer's treatment.
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    端粒、端粒酶与肿瘤之间的密切关系提示攻克肿瘤的可能性,因此越来越引起人们的重视。本文就端粒、端粒酶与肿瘤的关系研究进展予以阐述。

    1 端粒(Telomere)

    端粒是真核生物线形染色体3'末端一段重复DNA序列与结合蛋白的复合体[1]。在人类细胞中,这段重复DNA序列以(TTAGGG)n的形式存在,而在其他真核生物细胞,重复的端粒DNA单位的长度多为5到8个碱基对,亦富含鸟嘌呤(G)[1]。端粒结合蛋白是与端粒重复DNA序列结合的特异性蛋白。它能使端粒DNA避免被化学修饰和降解,还能参与端粒长度和端粒酶活性的调节[2]

    端粒结构的保守性说明端粒具有非常重要的作用[1,3]。端粒保护染色体末端不被修饰或降解,避免染色体融合和大量遗传信息的不稳定,避免细胞分裂停止及细胞衰老的发生。同时,端粒被视为调节细胞分裂次数的“钟”:出生时,人类细胞的端粒有大约15 000个碱基对,细胞每分裂一次,就有25到200个碱基对从端粒末端丢失(染色体复制的末端丢失问题[4]),经过大约100次细胞分裂后,端粒失去保护染色体末端的作用,于是,细胞停止分裂,进入衰老期[5]
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    2 端粒酶(Telomerase)

    端粒酶是一种核糖核蛋白酶,由RNA和蛋白两种成分构成[6]。端粒酶RNA的二级结构具有显著的保守性,其中有一段区域与端粒重复DNA序列互补,因而被视为合成端粒重复DNA序列的模板[7]。人类端粒酶RNA序列长度为445个碱基,其中的模板序列长度为9个核苷酸(5'-CUAACCCUA-3'),与人类端粒的DNA重复序列(TTAGGG)互补[8]

    端粒酶的主要作用是合成端粒中重复DNA序列而维持端粒的长度[3]。对人类来说,端粒酶出现在大多数的胚胎组织、正常成年男性生殖细胞、炎性细胞、更新组织的增生细胞(上皮的基底层细胞,肠隐窝等)、以及大多数的肿瘤细胞中[5,9]

    端粒酶活性的测定是进行端粒酶研究十分重要的实验方法。目前,多数实验室采用KIM等人建立的端粒重复扩增技术(Telomeric Repeat Amplification Protocol,TRAP)测定端粒酶的活性[9]。此方法把多聚酶链反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)引入活性分析,使检测的灵敏度较早先的方法提高了10 000倍,因而大大促进了端粒酶的研究。早期的TRAP方法使用放射性同位素检测PCR的产物,虽然比较灵敏,但放射性污染和较高的实验室要求使方法的推广受到一定的限制。因此,新的TRAP方法以银染替代放射性同位素来检测PCR产物,灵敏度虽然略有下降,但足已满足实验分析的需要,而且操作方便、省时、费用低廉、对实验室的要求不高,适于推广[10]。另外,以酶联免疫吸附分析(Enzyme-Linked Immunossrbent Assay,ELISA)检测PCR产物的新方法已经在实验室中开始应用[11]。ELISA方法的灵敏度与同位素检测的灵敏度相等,而且可以一次处理大量的样本,因此将是端粒酶活性测定应用于临床的首选方法。
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    3 端粒、端粒酶与肿瘤

    由于在大多数的人类肿瘤中检测到了端粒酶的活性,而正常的人类体细胞中检测不到端粒酶的活性(表1)[5],因此有人提出了有关细胞衰老和癌症的端粒-端粒酶假说[5,12]

    表1 人类肿瘤中端粒酶活性概况[5]

    Table1 A survey of telomerase activity in human cancer

    Pathology

    No. Positive/No. Tested

    Positive

    Normal*
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    1/196

    0.5

    Preinvasive

    123/410

    30

    Malignant

    1734/2031

    85

    Adjacent to malignant

    77/690

    11

    *Cells of renewal tissues(crypts of the intestine and basal layer of the epidermis),as well as in flammatory cells,have low but detectable telomerase activity.
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    假说认为培养的肿瘤细胞系,比如Hela细胞系,能永远的分裂下去(即“永生”),而正常的双倍染色体人类细胞则只拥有有限的增生能力(即“必死”)[9]。许多实验提示端粒的缩短和细胞增生衰竭之间存在着联系[13] :在体外培养中,胚胎的成纤维细胞比儿童的成纤维细胞、儿童的成纤维细胞比成人的成纤维细胞能分裂更多的次数。最近有实验证实了这一推断[14] :用一定的寡核苷酸(富含鸟嘌呤)处理永生细胞以延长其端粒,然后使其与正常细胞产生杂交细胞。此杂交细胞比未延长端粒的永生细胞与正常细胞产生的杂交细胞有更长的寿命。因此,端粒的长度与细胞分裂的次数有关。随着端粒长度的减少,细胞分裂的次数亦减少,当端粒的长度缩短到一定的程度,细胞就停止分裂,进入死亡一期(M1期,衰老期)。据检测,M1期出现时尚有长度为几千个碱基对的端粒DNA序列存在于染色体末端。M1期的产生机制可能是由位于染色体亚端粒区域的基因的激活或92个端粒中的一个或几个特别短的端粒产生的DNA危险信号所诱发的、经肿瘤抑制基因p53和pRB介导所引起的细胞生长的中止[15]。在这一时期不能测及端粒酶的活性。如果正常的细胞衰老机制被转变或克服,细胞就能继续分裂。比如:由于结合了从乳头瘤病毒高危株而来的E6蛋白等肿瘤蛋白而使p53和pRB的作用被阻碍,细胞就能继续分裂[16],而端粒的长度继续缩短直到死亡二期(M2期,危机期)被启动。M2期可能体现了达到临界长度的端粒不再能保护染色体末端时染色体末端被降解和融合所产生的生理结果:染色体基因组的不稳定和细胞的死亡。在M2期,只有很少的细胞能稳定端粒的长度因而有能力超越这第二个细胞增生阻滞点并获得永生的能力。在培养的细胞中,偶尔有永生细胞克隆的出现,在大多数这类细胞克隆中有能修复和维持端粒的端粒酶的再表达或活性的上调。
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    目前,有关细胞衰老、端粒缩短和端粒酶水平的关系还不能解释从干细胞起源的肿瘤发生的机制。这些肿瘤细胞有端粒酶的表达却仍是“必死”的,或许肿瘤经历了一定的改变而使端粒酶的水平提高到可以维持一个稳定的端粒长度而获得“永生”。从实际的角度来看,无论这些肿瘤与其它肿瘤是否有着相同或不同的机制来表达端粒酶,抑制端粒酶将再一次启动端粒的缩短而可能驱使细胞进入衰老期[5,12]

    由于能维持端粒稳定的端粒酶的存在,癌细胞中端粒的进行性缩短过程得以停止,癌细胞则可无度生长。因此,理论上可能推出一种新的治疗方法通过抑制端粒酶的活性达到阻碍肿瘤的生长的目的[5]。在肿瘤的综合治疗中,新的治疗方法(比如:抗端粒酶因子)将跟随传统的治疗方法(手术、化疗、放疗)之后使用,以限制少数幸存的肿瘤细胞的增生,阻止肿瘤的复发。新的治疗方法将高度选择作用于那些具有端粒酶活性的细胞。成神经细胞瘤的研究提示那些无端粒酶活性的肿瘤细胞将不再继续生长并最终死亡[17]。这些证据再次支持端粒酶是维持肿瘤细胞生长所需要的想法。另外,将特殊的正常人类染色体导入肿瘤细胞后观察到端粒酶活性的抑制以及细胞衰老的恢复[18]。因此,可能有一个基因或一系列基因在端粒酶活性的抑制途径中起作用。由于端粒酶在大多数进展性的癌症中有表达,所以使用小分子物质,如:经修饰的寡核苷酸和肽核酸(PNAs)直接作用于端粒酶RNA的模板区域来抑制端粒酶活性的方法可能是有效的治疗癌症的方法[19]。有实验显示识别端粒酶RNA组分的短的PNAs抑制了端粒酶的活性,其50%抑制浓度(IC50)在pmol到nmol范围之间。虽然未经修饰的PNAs不能穿透细胞,所以还不能成为有效的抗端粒酶的药物,但是,这一实验对发展有效的端粒酶活性抑制因子是有益的。此外,3'-叠氮胸甙(AZT)、3'-叠氮胸甙三磷酸盐(AZTTP)、锤头核糖酶(Hammer head ribozyme)等都可影响端粒酶的活性[20,21]。这一治疗方法的潜在的危险需要考虑,比如:对干细胞端粒酶表达的影响等。尽管如此,这一治疗方法的毒性可能比传统的化疗方法要低。
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    综上所述,关于细胞衰老和癌症的端粒-端粒酶假说总结为以下几点[9]

    1 细胞中端粒的进行性丢失是正常的并且可能是调节细胞衰老的“钟”或时间机制。

    2 当端粒缩短时细胞衰老会出现。但是,这一现象的机制的细节还没有被完全理解。

    3 端粒酶抑制过程的突变引起端粒酶的重新激活。

    4 端粒酶活性与端粒长度的稳定、细胞永生有关联。

    5 端粒酶活性对细胞继续增生是需要的并且在癌症的进展中是关键的、可能是限速的一步。

    此外,有些永生的人类细胞系采用非端粒酶依赖的途径来维持其端粒[22]。通过对酵母中相似的现象的分析,认为这一机制涉及端粒间的同源重组[23]。使用这一途径的细胞的端粒长度具有多样性,其中大部分比正常细胞甚至比生殖系细胞的端粒长许多。到目前为止,尚未发现使用这一途径而具有多样性和超常的长端粒的癌症。然而,如果使用抗端粒酶因子治疗,有些癌症将有可能通过激活这一途径来维持其端粒而对治疗产生抵抗。
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    端粒酶活性的测定对癌症的诊断和预后的判断是有帮助的[24]。但要成为临床实验诊断标准则尚需要符合Reid等提出的方法学标准[25]

    总之,有关细胞衰老和癌症的端粒-端粒酶假说的提出对人类攻克癌症有着重要的意义。虽然目前直接的证据只有一个,但是随着研究的深入,将会有越来越多的发现,人们将根据这些发现修正并最终证实这一假说。随之而来的新的诊疗方法将给众多患者带来生存的希望。

    参考文献

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    19 Norton JC,Piatyszek MA,Wright WE,et al.Nat Biotech,1996,14:615
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    20 Chen SF,Maine IP,Windle B,et al.Proc Amer Assoc Cancer Res,1995,36:554

    21 Kanazama Y,Ohkawa K,Ueda K,et al.Biochem Biophys Res Commun,1996,225:570

    22 Bryan TM,Englezou A,Gupta J,et al.EMBO J,1996,14:4240

    23 Zakian VA.Trends in Cell Biol,1996,6:29

    24 Shay JW,Gazdar AF.J Clin Pathol,1997,50:106

    25 Reid MC,Lachs MS,Feinstein AR.JAMA,1995,274:645, 百拇医药