端粒酶的起源_调控及与肿瘤关系的研究进展

端粒酶的起源、调控及与肿瘤关系的研究进展潘海乐综述　段德生审校(白求恩医科大学第三临床医学院,吉林长春130021) 【摘要】端粒酶的激活与恶性肿瘤发生发展之间存在着密切的关系。

有效地抑制端粒酶活性有可能导致肿瘤治疗方面的重大突破。

有关端粒酶自身起源及结构的深入研究有助于这一问题的解决。

本文对端粒酶的起源、组分、功能调控研究方面的最新进展进行了综述,并将端粒酶与肿瘤的关系予以总结和展望。

【关键词】　端粒;　端粒酶;　肿瘤中图分类号　R7301231 文献标识码:A 文章编号:100723639(2000)022*******Origin and regulation of telomerase and its correlation with carcinom a P AN Hai 2le ,DUAN De 2sheng.(The third clinical hospital o f Norman Berthune Univer sity o f Medical Science ,Jilin Changchun 130012,China )【Abstract 】:T elomerase ,a ribonucleoprotein enzyme ,is a key com ponent in maintaining the development of malignant tu 2m or andeffective deregulation of the telomerase activity in tom or cells may lead to the final overcoming of malignant tum ors.The latest research results on origin ,structure and regulation to telomerase were introduced in the article and the possible correlation of these discoverys with tum or menioned at the same time.【K ey w ords 】　telomere ;　telomerase ;　tum or第一作者简介:潘海乐(1970年出生),男,主治医师,博士。

端粒酶(telomere T LM )、端粒(telomerase T LMA )与肿瘤的关系是近年来受到国际医学界高度重视的研究热点。

肿瘤细胞、尤其是恶性肿瘤细胞常常获得永性性(Imm ortality )而具有了无限增殖的能力,而肿瘤细胞无限增殖能力的维持则依赖于端粒酶的激活。

大量的研究表明,在各种类型的恶性肿瘤中几乎都发现有端粒酶的异常高表达,本文拟介绍一些端粒酶起源及功能调控领域的最新研究进展,并将端粒酶与肿瘤的关系作一概述。

一　端粒端粒实质上即真核生物染色体末端的特殊结构,由一段串联重复的富G (鸟嘌呤碱基)DNA 序列(TT AGGG )及相关蛋白组成。

自70年代末Black 2burn [1]在四膜虫(T etrahymena )中发现了端粒具有重复序列以来,不同物种的端粒相继测定。

端粒的重复长度在各物种并不相同。

如人类为5—20kb ,大鼠为20—100kb ,小鼠为100—150kb [2]。

端粒一方面具有稳定染色体末端、防止染色体的异常重组、端2端融合及染色体丢失等作用,另一方面端粒长度维持在一定范围之内又是细胞有丝分裂正常进行的保证[3]。

染色体DNA 在沿着5′—3′,方向复制过程中,由于DNA 聚合酶不能进行全长复制,导致端粒长度随着细胞有丝分裂的不断进行而逐渐缩短。

利用染色体末端限制片段分析法(TRFs ),显示正常体细胞每年约丢失15—40bp 的端粒。

同时,大多数正常体细胞随着其染色体端粒的不断丢失,也逐渐丧失了分裂的能力,细胞即呈现出衰老(senescence )的表现,当端粒缩短超过某一临界范围时,将最终导致细胞死亡[4]。

由此可见,端粒的长短和稳定与细胞的生命活动密切相关,是细胞寿命的“记时器”。

二　端粒酶端粒长度的维持是由端粒酶来完成的,端粒酶几乎于所有真核生物的细胞中存在。

端粒酶补充缺失端粒的方式是以自身的RNA 亚单位作为模板,以蛋白质亚单位进行催化,通过逆转录方式完成,但在大多数正常体细胞中并不能检测到端粒酶的活性,正因为如此,才能保证细胞有丝分裂的正常进行。

而在发生于不同组织部位的恶性肿瘤标本中,几乎都可以检测到端粒酶的活性。

Minghong 等的实验证781《中国癌症杂志》2000年第10卷第2期CHI NA ONC O LOGY 2000　V ol.10　N o.2实,在20例卵巢恶性肿瘤和17例潜恶性肿瘤(LMP)中,都含有端粒酶的活性,而在24例卵巢囊腺瘤中,仅有5例有端粒酶活性。

这种端粒酶与恶性肿瘤的显著相关性表明,在肿瘤细胞中,端粒酶由于某种原因重新被激活,维持了染色体末端端粒的长度,使部分肿瘤细胞逃脱衰老死亡,成为永生细胞,获得了无限增殖的能力。

端凿酶在(恶性)肿瘤形成和发展过程中所发挥的关键作用,也为肿瘤的治疗提供了新的思路和努力方向。

三　端粒酶组分1987年G reider和Blackburn在四膜虫细胞核提取物中发现、命名了端粒酶,并证实它是一种核糖核蛋白复合体(ribonucleoprotein)[5]。

端粒酶由RNA和蛋白质两部分亚单位构成,其中RNA亚单位作为自身模板,逆转录补充、合成随着细胞分裂而丢失的染色体端粒。

蛋白质亚单位则对这一过程起到催化作用,从而弥补了普通DNA聚合酶不能完整复制染色体的矛盾,解决了染色体的“末端复制”问题。

由于蛋白质亚单位催化活性区域在序列和功能上都与一般逆转录酶(Reverse T ranscriptases RTs)有着明显的相似,所以也被称做端粒酶逆转录酶(T elomerase Re2 verse T ranscriptases TERTs)。

近几年,不同生物端粒酶RNA亚单位的组分相继得以鉴定,如:四膜虫RNA亚单位有159个核苷酸,模板区为5′2C AACCC2 C AA23′[6,7],鼠端粒酶RNA有430个核苷酸,小鼠模板区为5′2CC UAACCC UG AU23′,大鼠模板区为5′2U2 C UAACCC UAUU23′,中国仓鼠模板区序列为5′2U2 C UAACCC UG AA23′[8],人类端粒酶RNA有445个核苷酸,模板区为5′2C UAACCC UAAC23′[9]。

相比较之下,具有RTs功能的端粒酶蛋白质催化亚单位的组分鉴定则要困难的多,这主要是因为在大多数真核细胞中,端粒酶的含量太少造成的。

目前具有较强说服力的两种催化亚单位(Est2、p123)分别是由Lundblad[10]和Lingner[11]在酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)和纤毛原虫(Euplotes aediculatus)中发现的。

通过将Est2和p123的特征结构单元(M otifs)与逆转录酶(reverse transcriptases RTs)的比较后发现,它们之间存在着许多共同的区域[12]。

而且目前已经确定的七个RTs M otifs都可以在TERTs中找到,并发现其中的某些RT M otis fs在端粒酶功能活动中起着重要的作用[13]。

这说明端粒酶不仅在功能上、而且从蛋白质亚单位的结构这一角度分析,也可以发现它与RTs有着密切的联系。

Est2和p123与其他RTs不同之处在于具有一个T M otifs,这在一般RTs中并不存在[14]。

另外,Est2和p123M otifs A与B′之间的间隔距离也较其它RTs的长。

Linger等的体外实验证实p123和Est2能够重新延长已经短缩的端粒DNA,选择性地对Est2进行位点突变会导致酵母细胞中的端粒短缩,这和Est2基因全部丢失时发现的现象一致[15]。

端粒酶催化亚单位的发现和最终确定具有重要的现实意义,它可以使人类对细胞的衰老和死亡有着更本质的了解,一旦内源或外源性的催化单位抑制被发现或合成,将会把肿瘤的治疗推向一个新的高度。

四　端粒酶起源端粒酶的起源尚无定论,目前的研究证实,以端粒酶来维持端粒长度这一模式几乎在所有的真核生物中存在,这一事实说明端粒酶的起源是非常久远的,很可能与第一个真核细胞的出现同步或较之更早[16]。

由于端粒酶RNA亚单位大小的多变性及其序列的同源性太低,故而给端粒酶的种系起源分析带来一定的困难。

但端粒酶的蛋白质催化亚单位m otifs与逆转录酶(reverse transcriptases RTs)m otifs之间所存在的明显相似性,为查找端粒酶的起源提供了一个重要的突破口。

由于目前对于逆转录因子(retroelements)的种系起源有两种较有影响的假说,因而端粒酶的起源也就随之有了两种可能(见图1)。

1A是把RNA指导的RNA聚合酶(RNA2depen2 dent RNA polymerases RRPs)作为根(root),这是因为有的学者认为RTs是由RRPs进化而来,而RTs在由以RNA和蛋白质为基础的物种世界向以DNA、RNA 及蛋白质为基础的物种世界进化过程中发挥重要作用[17]。

1B则是以原核生物和细胞器逆转录因子作为根。

在以RRPs为根的种系树图中,端粒酶与非长末端重复(non2long terminal repeat non2LTR)逆转座子同在一枝,但较non2LTR逆转座子出现的更早。

将端粒酶与non2LTR逆转座子放在一枝是因为TERTs与non2LTR逆转座子不但具有相似的m otifs 结构,而且二者在维持端粒长度稳定时,都以3′2OH 作为逆转录起始引物。

在1B中,情况则恰恰相反,支持这种学说的人认为,在真核生物的RTs中,由non2LTR转座子编码的RTs最为古老,端粒酶与长末端重复(long termial repeat LTR)逆转座子都由这一谱系分枝。

以上两种假说都认为TERTs基因在古真核生物中即已存在,但它们之的差异也是很大的。

目前两种假说虽然各有一些证据,但各自需要解决的问题也依然不少[18]。

实际上,对端粒酶起源的认识过程,也是对端粒酶的内部结构不断明确的881潘海乐,等.端粒酶的起源、调控及与肿瘤关系的研究进展过程,一旦这一问题得以解决,那么在此基础上研制出高效、特异的端粒酶抑制剂则成为可能,从而极大地提高肿瘤、尤其是恶性肿瘤的治疗效果,甚至使恶性肿瘤的治愈成为可能。

图1　 五　端粒酶的调控虽然端粒酶的主要功能是维持染色体末端端粒的稳定,但在大多数正常人体细胞中并不能检测到端粒酶的活性,而在绝大部分恶性肿瘤细胞中则存在端粒酶的异常高表达,同时伴随着端粒长度的稳定。