端粒酶的功能、结构与调控的研究进展

端粒酶的功能、结构与调控的研究进展
摘要：端粒酶是真核生物细胞内的一种核蛋白酶，用它自身携带的RNA作模板进行反转录，不断合成新的DNA序列添加到染色体末端，从而弥补细胞分裂时丢失的端粒。

近年来研究表明，端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面具有重要作用。

如果能明确端粒酶功能、结构及调控方式，将会进一步推动抗衰老及肿瘤的研究。

关键词：端粒酶；基因表达；活性调控
细胞衰老是细胞生命活动的必然规律，是生物体内细胞增殖能力和生理功能逐渐下降的变化过程。

另外，体外培养的正常细胞最多只能传40～50代，传至50代以后就会产生突变。

目前，学者们认为端粒的长度、结构与细胞衰老密切相关。

另外，也有研究表明，衰老可能和端粒的功能失调有关。

端粒长度、结构及功能依赖端粒酶活性的调节。

研究端粒酶的功能、组合成分、活性调控以及相关基因的表达等对于揭示细胞衰老的机制具有重要价值。

1端粒酶的主要功能
端粒酶是1985年Blackburn和Greider[1]在四膜虫细胞核提取物中首先发现并纯化的，随后被证实也存在于尖毛虫、游仆虫和人宫颈癌细胞株Hela等细胞中。

端粒酶是一种核蛋白逆转录酶，其主要功能是以自身的RNA为模板，以端粒酶逆转录酶为催化亚基，以端粒酶相关蛋白为调节亚基，以端粒3′末端为引物，合成端粒重复序列，补充在细胞分裂增殖时丢失的端粒。

生殖细胞、干细胞等胚性细胞和肿瘤细胞内可检测出端粒酶活性，表现为永生细胞；而在没有端粒酶活性的细胞中，随着细胞分裂的进行，细胞进入危机期，此时大多数细胞就会死亡。

但其中有极少数细胞其端粒酶活性会因某些原因被激活，从而使端粒不断维持在一定的长度而不再缩短，因而稳定了染色体，细胞便逃过死亡成为无限增殖的细胞。

相反，原核生物的环状染色体不存在真核细胞的端粒缩短机制，但是也会衰老，可能是不同细胞类型差异造成的。

尽管如此，大多数事实证明，端粒酶与细胞寿命直接相关，且端粒酶的激活和表达程度与肿瘤的发生、发展也有十分密切的关系。

端粒酶的另一功能是能修复断裂的染色体末端。

当断裂的染色体末端有富含G、T的DNA存在时，即使没有完整的端粒重复序列存在，它也能被端粒酶作为引物DNA并为之延伸端粒序列，从而避免外切酶对染色体DNA更多的切割，维护基因组遗传的稳定性。

端粒延长的旁路途的发现提示了端粒酶可能与减数分裂的同源重组和DNA修复之间存在某种关系。

此外，端粒酶还具有在端粒合成中去除错配碱基的纠错作用，它不仅可以除去错配碱基，还可除去延伸超过模板范围的碱基。

随着研究的深入，还发现端粒酶在促进细胞存活、染色体分离及提高细胞对毒性因子耐受性等方面具有重要作用。

2端粒酶的核心成分
端粒酶是一种特殊的DNA聚合酶，一般认为，它的核心成分是端粒酶RNA(TER)和端粒酶反转录酶(TERT)，即端粒酶有活性的最小组成单位。

2.1端粒酶RNA目前，国外已经克隆了许多生物的端粒酶RNA(TR)基因，包括四膜虫、纤毛虫、鼠、啤酒酵母和人等。

其中，人类端粒酶RNA模板序列为CUAACCCUAAC，由450个核苷酸组成[2]。

端粒酶RNA亚基是合成端粒DNA的模板,对于端粒酶的结构和催化活性都十分重要。

端粒酶RNA基因缺失的小鼠，自身细胞丧失端粒酶活性，而在快速增殖的器官中，细胞也会快速凋亡[3]。

另外，端粒酶RNA还可作为肿瘤的特异治疗靶点。

目前，用能抑制基因表达的反义核苷酸anti-hTR转染癌细胞，可抑制端粒酶的活性，促进细胞凋亡。

端粒酶RNA存在于各种细胞中且含量基本恒定，在多种肿瘤细胞中，测得的端粒酶hTR与端粒酶活性无平行关系。

然而，端粒酶hTR基因表达的检测也可能有一定价值。

脊椎动物的端粒酶RNA模板二级结构3′末端包含一个小核仁核蛋白区域，它是端粒酶相关蛋白结合域。

人类的端粒酶3′端具有box H/AAC snoRNA所特有的“发夹-铰链-发夹-尾”的二级结构，并结合了4个snoRNP
复合体核心蛋白。

端粒酶的box H/ACA结构域可能指导端粒酶RNA前体的3′端加工，保证成熟RNA的稳定性，而且能与端粒酶逆转录酶结合从而行使端粒酶的功能。

2.2端粒酶反转录酶端粒酶反转录酶
仅在端粒酶阳性细胞中正常表达，其它组织细胞不表达或活性较低。

迄今，鼠、酵母、游仆虫、纤毛虫、鞭毛虫及人等上百种生物的TERT基因已经被克隆出来。

TERT基因由三个结构域组成：N端、中心结构域和C端。

N端与端粒酶活性、RNA结合以及蛋白的聚集和端粒延伸有关。

中心结构域含有端粒酶特有的一些基序，保守性较高，相反，C端保守性较低。

TERT基因的表达与端粒酶活性存在平行关系。

HTERT基因转入人成纤维细胞和视网膜
色素细胞，得永生化的细胞[8]。

将外源基因转入真核细胞的方法有多种，逆转录病毒载体是目前最有效的方法。

但是，当端粒酶延长端粒以后，切除hTERT基因，细胞的寿命反而会更长[10]。

虽然如此，TERT基因的表达仍然被广泛认为是激活端粒酶活性的限速步骤。

3端粒酶活性的调控
端粒酶活性的调控机制是非常复杂和相当严密的，端粒酶活性受到端粒结合蛋白、基因表达和细胞周期等多方面的调控。

3.1端粒结合蛋白的调控端粒重复结合因子
1(TRF1)与相关因子TN2发挥协同作用，与端粒酶催化亚基直接结合并导致其失活[11]，是端粒酶活性的负向调控因子。

端粒相关蛋白tankyrase以同源二聚体的形式与TRF1结合，共同发挥抑制TRF1的作用，是端粒酶活性的正向调控因子[12]。

3.2基因表达的调控众多癌基因和抑癌基因、
凋亡相关基因均参与了端粒酶活性的调控过程。

Bc l-2能够正向调控端粒酶活性，用Bcl-2转染Hela细胞后，端粒酶活性增强5～10倍[14]。

P53为一种抑癌基因，能控制细胞从GO 与G1期进入S期，抑制hTERT转录，降低端粒酶活性，从而抑制细胞增殖，间接诱导肿瘤细胞凋亡。

HPV病毒基因组中的癌基因E6，该基因的表达产物，在转录后水平调节MYC 的表达，间接促进TERT基因的表达,提高端粒酶的活性。

这些发现，较以前单独针对端粒酶TR与TERT基因进行抗衰老及治疗肿瘤的研究取得了更好的预期效果。

3.3细胞周期的调控研究表明，细胞进入G0期，停止分裂，端粒酶活性下降。

当受到其它因素刺激时，细胞再次进入细胞周期，端粒酶被激活。

细胞进入G1/S期后端粒酶活性逐渐增高，于S期达到最高，进入G2/M期后细胞几乎丧失端粒酶活性[15]。

人雌激素可以使细胞周期发生改变，使更多的细胞进入S期，提高端粒酶活性。

4问题与展望
端粒酶的研究是一项重要的生物学课题，它可能使延缓衰老、肿瘤的诊断治疗等未来研究出现新的突破。

另外，端粒酶的激活可以促进肿瘤的形成，针对端粒酶进行抗衰老必须防止肿瘤的形成。

然而，端粒酶的研究只是刚刚开始，还有许多问题亟待解决。

整体来说，老化和癌症的发生机制是机体各器官、组织及外部环境相互作用的结果，端粒酶的研究作为其中一环并不能解决全部问题。

因此，未来还需要对端粒酶的结构、功能及调控进行更深入的研究。

参考文献：
[1]Greider C W,Blackburn E H.Identification of a specifictelomere terminal transferase acitvity in Tetrahy-mena extracts[J].Cell,1985(2):405-413.
[2]Feng J,Funk W D,Wang S S,et al.The RNA compontenttelomerase[J].Science,1995,269:1236-1241.
[3]马永红,张玉静,叶志远,等.人端粒酶RNA基因的克隆与鉴定[J].生物技术,2000,10(6):5-7.
[4]郑梅竹,时东方,潘风光,等.鸡端粒酶RNA基因的克隆[J].基因组学与应用生物学,2009,28(5):865-868.
[5]Blasco M A,Greide.Telomere shortening and tlullorformation by mouse cells lacking
telomerase RNA[J].Cell,1997,(5):25-34.
[6]苑昕,张波,应建明,等.端粒酶基因在人肿瘤组织中的表达[J].病理学杂志,2000,29(1):16.
[7]李贵新,张永庆,王会东,等.端粒酶基因hTR在大肠癌中的表达及其临床意义[J].潍坊医学院学报,2002,24(1):20-22.
[8]Bodnar A G,Ouellette M,Frolkis M,et al.Extension oflifespan by introduction of telomerase into normalhuman cells[J].Science,1998(279):349-352.
[9]杨玉琮,李旭,陈葳.转移人端粒酶逆转录酶基因的实验研究[J].西安交通大学学报,2003,24(6):549-551.。