端粒端粒酶及端锚聚合酶
文章编号：1009-5519(2008)09-1344-02 中图分类号：R362 文献标识码：A
端粒、端粒酶以及端锚聚合酶与人类“细胞老化”及“细胞永生化”有着极为重要而特殊的相关性， 这种相关性为老年病和肿瘤的研究带来了新的机遇。因此，近年来越来越受到人们的重视。现就三者的结构、功能及相关性综述如下。
1 端粒的结构与功能
端粒(telomere)又称端区，是真核细胞染色体末端一段特殊结构，由富含G的端粒DNA重复序列和端粒结合蛋白所构成。为一种特殊的核蛋白复合物。人类和其他哺乳动物的端粒DNA序列均由重复串联排列的5'-(-TTAGGG-)n-3'所组成，长度在5~15 kb范围，这个特殊序列在整个真核生物中都具有高度的保守性，且属非结构基因，不具编码蛋白质的功能。端粒DNA3'末端比5'末端长出约12~16 bp的G核苷酸，与端粒结合蛋白共同作用形成一个回转的t环(telomere loop)结构[1]端粒。
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端粒的功能主要有：(1)稳定和保护染色体末端。端粒和核膜蛋白的相互作用，像鞋带末端的“帽套”一样套在染色体的两个末端，以保护染色体基因组免受被化学修饰、降解或DNA损伤后断端染色体粘连而发生有害重组，以防止遗传信息的丢失。(2)解决真核线性DNA“末端复制问题”。随着细胞的不断分裂，染色体末端会发生进行性缩短。人体细胞每分裂一次，大约丢失50~200 bp长度的端粒DNA。端粒的这种重复序列以暂时缓冲或取消末端复制问题所带来的染色体DNA的进行性缩短。从而保护了其余基因序列免受损伤或丢失。(3)决定细胞增殖寿命——最大增值次数(Hayflick 极限)。端粒的长度对细胞的分裂次数具有决定性的作用。在DNA复制过程中，随后链是先以5'RNA为引物形成一些“岡崎片段”然后再经剪切、修饰、连接形成新的子代DNA分子。由于3'末端区域不能完全被复制，因而造成子代DNA的端粒区域在不断的细胞分裂过程中出现进行性缩短。当端粒的长度缩短到一定临界值时，染色体末端的稳定性就会遭到破坏而停止细胞分裂，最终导致细胞死亡。说明端粒的缩短与高等真核生物正常体细胞增殖受到世代次数的限制有关，在细胞衰老中扮演“分裂钟”或曰“生命时钟”的作用。
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2 端粒酶的结构和功能
与体细胞不同，生殖细胞要为将来产生新的有机体而保存基因组的全部信息。为此它们必须解决端粒缩短所引起的不良后果，方法是在染色体末端补充新的端粒重复序列。端粒酶(telo-
merase TLMA)就是行使这种功能的依赖于RNA模板的DNA聚合酶。它是一种特殊的逆转录酶，是由自带RNA模板和蛋白质组成的核糖核蛋白(RNP)复合物，其分子量为200~500 kda。最近研究证明，人类端粒酶包含3个主要成分：端粒酶RNA(hTR)模板，端粒酶相关蛋白(hTLP)和端粒酶催化亚单位(hTRT)。hTR是端粒酶进行延长的模板，约有450个碱基，其中包含5'-CUAACCCUAAC-3'的模板序列[2]；HTLP被认为是端粒酶的调节单位；而hTRT被认为是端粒酶不可缺少的催化亚单位，与端粒酶的活性密切相关。
端粒酶的功能主要是维持端粒的长度。它能利用端粒3'末端为引物，以自身RNA为模板合成端粒-TTAGGG-重复序列添加到染色体末端，从而维持端粒原有长度，使端粒的功能得以延续，细胞因逃逸渐进性衰老而达到“永生化”。研究表明，在一些永生化的组织细胞，如：生殖细胞、胚胎体细胞、造血干细胞、外周血淋巴细胞、毛发、皮肤、子宫内膜等分裂旺盛的组织细胞中均有低水平的活化端粒酶的表达。但体细胞中，由于端粒的缩短和端粒酶无活性，通常会逐渐衰老而死亡。仅有极少数体细胞偶然通过激活端粒酶而逃逸程序性老化，其生存延长可能给另外的基因损伤的积累提供机会，导致进行性肿瘤性发展。在大多数癌细胞系和肿瘤细胞中端粒酶均有高水平的表达。表明端粒酶的激活表达与细胞的无限增殖有密切的关系，通过解除细胞衰老过程中的增殖受限，端粒酶的重新激活可能是体细胞向肿瘤细胞转化的关键步骤。
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3 端粒结合蛋白(TRF)
人类构成端粒的结合蛋白目前研究发现有两种与端粒的延长和缩短有直接关系，这两种特殊的端粒结合蛋白是TRF1(telomeric repeat bindingfactor 1)和TRF2。TRF2与端粒DNA单链结合，在端粒末端形成“帽套”，起到保护和稳定染色体末端的作用。TRF1与端粒DNA双连结合，参与调节端粒的长度，是端粒延长的负调节因子。如：在端粒酶阳性的细胞中过表达TRF1导致端粒的缩短，而抑制TRF1的过表达可以增加端粒的长度。TRF1不能控制端粒酶的表达，但可抑制端粒酶在端粒末端的作用。由此提出了“端粒长度调节的蛋白计数模型”(protein counting mechanism for telomere length regulation)：端粒DNA结合TRF1达到一个临界数值时，便会产生抑制端粒酶复合物活性的信号，端粒延伸终止；若染色体不完全复制、核酸外切酶降解或发生重组，导致端粒长度缩短，端粒DNA结合的TRF1也相应减少，当TRF1减少到临界数值时，端粒复合物被重新激活，端粒长度再次延伸到特定长度。当端粒DNA结合的TRF1又重新达到临界数值时，再次抑制端粒酶复合物的活性，从而维持了永生性细胞端粒长度的稳定性。
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4 端锚聚合酶的结构及功能
端锚聚合酶是通过对TRF1的作用来控制端粒酶的活性的。它是端粒复合物中的重要组成成分，其基因定位于人的第八号染色体。由1327个氨基酸残基构成，它重要的功能结构域主要有：一是由24个锚蛋白重复构成的核心区域，另一个是在羧基端与聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶[poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase，PARP]同源的催化区域，因此同样具有PARP活性。虽然目前对端锚聚合酶功能的研究才刚刚起步，有关它的许多分子表达调控机理还不是太清楚，但根据现有的研究报道表明，端锚聚合酶的功能有：(1)通过对TRF1的糖基化修饰调节端粒的长度。现在我们知道，端粒具有稳定染色体完整性的功能。而端粒结合蛋白TRF1、TRF2等通过与端粒的结合以此来强化端粒结构的有序性，致使其处于“关闭”状态，从而导致端粒酶无法靠近端粒发挥作用。不过，同样是端粒结合蛋白的端锚聚合酶则可以调节细胞内TRF1在端粒的聚集，因为PARP活性作用的底物一个是TRF1，一个是端锚聚合酶自身。当端锚聚合酶与TRF1瞬时作用时，PARP可将腺苷二磷酸核糖的尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)切下并联至目标蛋白TRF1 上，使其TRF1核糖基化而丧失结合端粒DNA的能力，从而解除了TRF1对端粒结构的束缚作用，使端粒处于一种“开放”的结构状态，易于端粒酶和其他因子接近端粒末端，催化端粒的延长。这表明TRF1是“关闭”还是“开放”端粒受聚腺苷二磷酸和糖基化的调节，即受端锚聚合酶上的PARP调节。(2)参与对DNA损伤修复和细胞凋亡的调控[3]。PARP是存在于多数真核细胞中的一个多功能蛋白质翻译后修饰酶。它通过识别结构损伤的DNA片段而被激活，被认为是DNA损伤的感受器。它能对许多核蛋白进行聚腺苷二磷酸核糖基化。受它修饰的蛋白质有组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等，并通过组蛋白的ADP-核糖基化使组蛋白脱离下来，有助于修复蛋白的结合而进行DNA的损伤修复。同时，PARP又是细胞凋亡核心成员胱天蛋白酶(caspase)的切割底物。因此，它在DNA的损伤修复与细胞凋亡中发挥着重要作用。由此可以推断，同样具有PARP活性的端锚聚合酶也很可能参与了PARP活性的调节。这在癌细胞端粒结构的调控中起到十分重要的作用。至于其它一些功能，以及端锚聚合酶在细胞内的作用机制和表达调控机制还不十分清楚，有待于进一步的深入研究、发现和阐明。
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综上所述，端粒在真核细胞的增殖极限中起到关键性的作用，这对于细胞老化和癌细胞尤为重要，而端粒结构的稳定性则有赖于端粒酶和端锚聚合酶的调控，尤其是端锚聚合酶的调控。因此，端锚聚合酶已成为当今继端粒酶之后细胞老化和细胞癌变机制及癌症治疗靶标研究的新热点。一旦彻底弄清了它们之间相互作用机制以及准确的表达调控机制和功能，相信，对于大范围地治愈癌症和解决细胞老化问题也就为期不远了。
参考文献：
[1] 郑晓飞，吕 星. 端锚聚合酶(Tankyrase)和端粒[J]. 生命的化学，2000，20(6)：241.
[2] 张 骏，王新娟.端粒酶在肿瘤临床检验与治疗中的意义[J].中华医学检验杂志，1999，5(22)：3.
[3] 江 红，罗 瑛，郑晓飞，等.端锚聚合酶(Tankyrase)研究进展[J].生物化学与生物物理进展，2002，29：3.
收稿日期：2007-12-28, http://www.100md.com(游振伟)
端粒、端粒酶以及端锚聚合酶与人类“细胞老化”及“细胞永生化”有着极为重要而特殊的相关性， 这种相关性为老年病和肿瘤的研究带来了新的机遇。因此，近年来越来越受到人们的重视。现就三者的结构、功能及相关性综述如下。
1 端粒的结构与功能
端粒(telomere)又称端区，是真核细胞染色体末端一段特殊结构，由富含G的端粒DNA重复序列和端粒结合蛋白所构成。为一种特殊的核蛋白复合物。人类和其他哺乳动物的端粒DNA序列均由重复串联排列的5'-(-TTAGGG-)n-3'所组成，长度在5~15 kb范围，这个特殊序列在整个真核生物中都具有高度的保守性，且属非结构基因，不具编码蛋白质的功能。端粒DNA3'末端比5'末端长出约12~16 bp的G核苷酸，与端粒结合蛋白共同作用形成一个回转的t环(telomere loop)结构[1]端粒。
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端粒的功能主要有：(1)稳定和保护染色体末端。端粒和核膜蛋白的相互作用，像鞋带末端的“帽套”一样套在染色体的两个末端，以保护染色体基因组免受被化学修饰、降解或DNA损伤后断端染色体粘连而发生有害重组，以防止遗传信息的丢失。(2)解决真核线性DNA“末端复制问题”。随着细胞的不断分裂，染色体末端会发生进行性缩短。人体细胞每分裂一次，大约丢失50~200 bp长度的端粒DNA。端粒的这种重复序列以暂时缓冲或取消末端复制问题所带来的染色体DNA的进行性缩短。从而保护了其余基因序列免受损伤或丢失。(3)决定细胞增殖寿命——最大增值次数(Hayflick 极限)。端粒的长度对细胞的分裂次数具有决定性的作用。在DNA复制过程中，随后链是先以5'RNA为引物形成一些“岡崎片段”然后再经剪切、修饰、连接形成新的子代DNA分子。由于3'末端区域不能完全被复制，因而造成子代DNA的端粒区域在不断的细胞分裂过程中出现进行性缩短。当端粒的长度缩短到一定临界值时，染色体末端的稳定性就会遭到破坏而停止细胞分裂，最终导致细胞死亡。说明端粒的缩短与高等真核生物正常体细胞增殖受到世代次数的限制有关，在细胞衰老中扮演“分裂钟”或曰“生命时钟”的作用。
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2 端粒酶的结构和功能
与体细胞不同，生殖细胞要为将来产生新的有机体而保存基因组的全部信息。为此它们必须解决端粒缩短所引起的不良后果，方法是在染色体末端补充新的端粒重复序列。端粒酶(telo-
merase TLMA)就是行使这种功能的依赖于RNA模板的DNA聚合酶。它是一种特殊的逆转录酶，是由自带RNA模板和蛋白质组成的核糖核蛋白(RNP)复合物，其分子量为200~500 kda。最近研究证明，人类端粒酶包含3个主要成分：端粒酶RNA(hTR)模板，端粒酶相关蛋白(hTLP)和端粒酶催化亚单位(hTRT)。hTR是端粒酶进行延长的模板，约有450个碱基，其中包含5'-CUAACCCUAAC-3'的模板序列[2]；HTLP被认为是端粒酶的调节单位；而hTRT被认为是端粒酶不可缺少的催化亚单位，与端粒酶的活性密切相关。
端粒酶的功能主要是维持端粒的长度。它能利用端粒3'末端为引物，以自身RNA为模板合成端粒-TTAGGG-重复序列添加到染色体末端，从而维持端粒原有长度，使端粒的功能得以延续，细胞因逃逸渐进性衰老而达到“永生化”。研究表明，在一些永生化的组织细胞，如：生殖细胞、胚胎体细胞、造血干细胞、外周血淋巴细胞、毛发、皮肤、子宫内膜等分裂旺盛的组织细胞中均有低水平的活化端粒酶的表达。但体细胞中，由于端粒的缩短和端粒酶无活性，通常会逐渐衰老而死亡。仅有极少数体细胞偶然通过激活端粒酶而逃逸程序性老化，其生存延长可能给另外的基因损伤的积累提供机会，导致进行性肿瘤性发展。在大多数癌细胞系和肿瘤细胞中端粒酶均有高水平的表达。表明端粒酶的激活表达与细胞的无限增殖有密切的关系，通过解除细胞衰老过程中的增殖受限，端粒酶的重新激活可能是体细胞向肿瘤细胞转化的关键步骤。
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3 端粒结合蛋白(TRF)
人类构成端粒的结合蛋白目前研究发现有两种与端粒的延长和缩短有直接关系，这两种特殊的端粒结合蛋白是TRF1(telomeric repeat bindingfactor 1)和TRF2。TRF2与端粒DNA单链结合，在端粒末端形成“帽套”，起到保护和稳定染色体末端的作用。TRF1与端粒DNA双连结合，参与调节端粒的长度，是端粒延长的负调节因子。如：在端粒酶阳性的细胞中过表达TRF1导致端粒的缩短，而抑制TRF1的过表达可以增加端粒的长度。TRF1不能控制端粒酶的表达，但可抑制端粒酶在端粒末端的作用。由此提出了“端粒长度调节的蛋白计数模型”(protein counting mechanism for telomere length regulation)：端粒DNA结合TRF1达到一个临界数值时，便会产生抑制端粒酶复合物活性的信号，端粒延伸终止；若染色体不完全复制、核酸外切酶降解或发生重组，导致端粒长度缩短，端粒DNA结合的TRF1也相应减少，当TRF1减少到临界数值时，端粒复合物被重新激活，端粒长度再次延伸到特定长度。当端粒DNA结合的TRF1又重新达到临界数值时，再次抑制端粒酶复合物的活性，从而维持了永生性细胞端粒长度的稳定性。
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4 端锚聚合酶的结构及功能
端锚聚合酶是通过对TRF1的作用来控制端粒酶的活性的。它是端粒复合物中的重要组成成分，其基因定位于人的第八号染色体。由1327个氨基酸残基构成，它重要的功能结构域主要有：一是由24个锚蛋白重复构成的核心区域，另一个是在羧基端与聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶[poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase，PARP]同源的催化区域，因此同样具有PARP活性。虽然目前对端锚聚合酶功能的研究才刚刚起步，有关它的许多分子表达调控机理还不是太清楚，但根据现有的研究报道表明，端锚聚合酶的功能有：(1)通过对TRF1的糖基化修饰调节端粒的长度。现在我们知道，端粒具有稳定染色体完整性的功能。而端粒结合蛋白TRF1、TRF2等通过与端粒的结合以此来强化端粒结构的有序性，致使其处于“关闭”状态，从而导致端粒酶无法靠近端粒发挥作用。不过，同样是端粒结合蛋白的端锚聚合酶则可以调节细胞内TRF1在端粒的聚集，因为PARP活性作用的底物一个是TRF1，一个是端锚聚合酶自身。当端锚聚合酶与TRF1瞬时作用时，PARP可将腺苷二磷酸核糖的尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)切下并联至目标蛋白TRF1 上，使其TRF1核糖基化而丧失结合端粒DNA的能力，从而解除了TRF1对端粒结构的束缚作用，使端粒处于一种“开放”的结构状态，易于端粒酶和其他因子接近端粒末端，催化端粒的延长。这表明TRF1是“关闭”还是“开放”端粒受聚腺苷二磷酸和糖基化的调节，即受端锚聚合酶上的PARP调节。(2)参与对DNA损伤修复和细胞凋亡的调控[3]。PARP是存在于多数真核细胞中的一个多功能蛋白质翻译后修饰酶。它通过识别结构损伤的DNA片段而被激活，被认为是DNA损伤的感受器。它能对许多核蛋白进行聚腺苷二磷酸核糖基化。受它修饰的蛋白质有组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等，并通过组蛋白的ADP-核糖基化使组蛋白脱离下来，有助于修复蛋白的结合而进行DNA的损伤修复。同时，PARP又是细胞凋亡核心成员胱天蛋白酶(caspase)的切割底物。因此，它在DNA的损伤修复与细胞凋亡中发挥着重要作用。由此可以推断，同样具有PARP活性的端锚聚合酶也很可能参与了PARP活性的调节。这在癌细胞端粒结构的调控中起到十分重要的作用。至于其它一些功能，以及端锚聚合酶在细胞内的作用机制和表达调控机制还不十分清楚，有待于进一步的深入研究、发现和阐明。
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综上所述，端粒在真核细胞的增殖极限中起到关键性的作用，这对于细胞老化和癌细胞尤为重要，而端粒结构的稳定性则有赖于端粒酶和端锚聚合酶的调控，尤其是端锚聚合酶的调控。因此，端锚聚合酶已成为当今继端粒酶之后细胞老化和细胞癌变机制及癌症治疗靶标研究的新热点。一旦彻底弄清了它们之间相互作用机制以及准确的表达调控机制和功能，相信，对于大范围地治愈癌症和解决细胞老化问题也就为期不远了。
参考文献：
[1] 郑晓飞，吕 星. 端锚聚合酶(Tankyrase)和端粒[J]. 生命的化学，2000，20(6)：241.
[2] 张 骏，王新娟.端粒酶在肿瘤临床检验与治疗中的意义[J].中华医学检验杂志，1999，5(22)：3.
[3] 江 红，罗 瑛，郑晓飞，等.端锚聚合酶(Tankyrase)研究进展[J].生物化学与生物物理进展，2002，29：3.
收稿日期：2007-12-28, http://www.100md.com(游振伟)