端粒和端粒酶与抗衰老技术的发展 裘佳妮 16300120175 1.端粒和端粒酶 围A图 11端粒 Fig. 2 The eroslon and maintenance of telomere nw 图2端粒的丢失与保护 左侧:在没有端粒的保护下,隨者细胞的分裂,端粒的丢失 导致染色体损伤; 细胞 右侧:端粒赢保护端粒,使整个染色体在每一轮细胞分裂中都 得到完鳖的复制 端粒酶至少由3个亚单位组成,即RNA亚 染色体 单位HTR( Human telomerase rna)、端粒酶催 化亚单位TERT( Telomerase reverse transcriptase) 和端粒酶蛋白亚单位TEP( Telomerase associated protein1。TERT以端粒酶RNA组分 端粒 为模板合成端粒重复序列,解决“末端复制问 题。TERT是端粒酶最重要的催化亚单位。端 Fig. 1 The telomeres forms caps at the ends 粒酶活性主要由TERT决定,人类TERT( Human 图1端粒在染色体末端形成帽子结构N TERT, hTERT)为127kDa的蛋白。 hTERT的 端粒是真核生物线性染色体末端重要的表达调控主要发生在转录水平 DNA-蛋白质复合结构,在植物、微生物、动物 的染色体中广泛存在,其端粒DNA很相似,由 简单的富含G的串联重复序列组成。不同物种 的染色体端粒长度不同。人类端粒全长约 5~10Kb。端粒的重复序列具有极性,一条链富 含G,称G链,互补链富含C,称C链,G链 Fig 4 The structure of TERT in Tribolium castaneum 图4赤拟谷盗端粒酶僵化亚单位TERT的结构示意图围 3ˆ末端为单链悬突,单链端粒高度保守,末端 紫色:RNA结合区( TRBDH黄色和揭色:逆转录区:红色:羧基末端延伸区(CTE) 形成特殊的环状结构(D-loo、 T-loop)以稳定 总之,端粒酶是一种特殊的反转录酶,是 端粒。端粒部分的DNA受到蛋白质因子的保护。一种能延长端粒末端并保持端粒长度的核糖蛋 端粒区DNA并不与组蛋白结合形成核小体,有白酶,由RNA和蛋白质亚单位组成,每个RNA 特殊的蛋白分子与之形成DNA蛋白质复合体,均含有一段短的与端粒互补的序列,能以自身 免受核酸酶消化与剪切。虽然端粒DNA自身能 RNA模板合成端粒DNA添加到染色体末端, 形成巧妙的保护结构,但这种结构必须靠端粒避免染色体复制丢失端粒DNA以使端粒延长 DNA与端粒结合蛋白结合成特殊的复合结构, 从而延长细胞寿命。端粒酶在正常情况下只存 才能保证染色体稳定性 在于永久性的再生组织(如人的造血组织和表 12端粒酶 皮组织,植物的分生组织、生殖细胞)中和早
端粒和端粒酶与抗衰老技术的发展 裘佳妮 16300120175 1. 端粒和端粒酶 1.1 端粒 端粒是真核生物线性染色体末端重要的 DNA-蛋白质复合结构，在植物、微生物、动物 的染色体中广泛存在，其端粒 DNA 很相似，由 简单的富含 G 的串联重复序列组成。不同物种 的染色体端粒长度不同。人类端粒全长约 5~10Kb。端粒的重复序列具有极性，一条链富 含 G，称 G 链，互补链富含 C，称 C 链，G 链 3’末端为单链悬突，单链端粒高度保守，末端 形成特殊的环状结构（D-loop、T-loop）以稳定 端粒。端粒部分的 DNA 受到蛋白质因子的保护。 端粒区 DNA 并不与组蛋白结合形成核小体，有 特殊的蛋白分子与之形成 DNA-蛋白质复合体， 免受核酸酶消化与剪切。虽然端粒 DNA 自身能 形成巧妙的保护结构，但这种结构必须靠端粒 DNA 与端粒结合蛋白结合成特殊的复合结构， 才能保证染色体稳定性。 1.2 端粒酶 左侧：在没有端粒酶的保护下，随着细胞的分裂，端粒的丢失 导致染色体损伤； 右侧：端粒酶保护端粒，使整个染色体在每一轮细胞分裂中都 得到完整的复制 端粒酶至少由 3 个亚单位组成,即 RNA 亚 单位 HTR（Human telomerase RNA）、端粒酶催 化亚单位 TERT（Telomerase reverse transcriptase） 和 端 粒 酶 蛋 白 亚 单 位 TEP1 （ Telomerase associated protein 1）。TERT 以端粒酶 RNA 组分 为模板合成端粒重复序列，解决“末端复制问 题”。TERT 是端粒酶最重要的催化亚单位。端 粒酶活性主要由TERT决定，人类TERT（Human TERT，hTERT）为 127kDa 的蛋白。hTERT 的 表达调控主要发生在转录水平。 总之，端粒酶是一种特殊的反转录酶，是 一种能延长端粒末端并保持端粒长度的核糖蛋 白酶，由 RNA 和蛋白质亚单位组成，每个 RNA 均含有一段短的与端粒互补的序列，能以自身 RNA 模板合成端粒 DNA 添加到染色体末端， 避免染色体复制丢失端粒 DNA 以使端粒延长 从而延长细胞寿命。端粒酶在正常情况下只存 在于永久性的再生组织（如人的造血组织和表 皮组织，植物的分生组织、生殖细胞）中和早
期胚胎形成时期有活性。在其他组织的体细胞度的变化导致了衰老这种状态。端粒与衰老研 中,端粒酶是无活性的。端粒酶的表达与细胞究的不断深入,为进一步了解衰老的分子机制, 增殖能力密切相关。 提供了重要的线索。 3.端粒酶与衰老 衰老的调节有赖于端粒酶对端粒的调控, 以及端粒和端粒酶的联合作用。端粒酶能够以 自身的RNA提供模板,维持端粒的结构和长 度。如果在正常体细胞中重建端粒酶活性,就 可维持细胞的端粒长度,延缓细胞的衰老。大 Fig 3 Telomerase aperates at the end of the chromosome 围3瑞粒酶合成端粒示意图wm 量实验说明,端粒、端粒酶活性与细胞衰老及 抛粒酶在端粒的特异位点,以其自身RNA为模板合成端粒DNA 永生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞中 端粒酶使端粒的长度和结构得以稳定,从 端粒缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维 而保护染色体。细胞随着端粒的变短而衰老 细胞的观察,通过对不同年龄供体成纤维细胞 而当端粒酶的活性足以维护端粒的长度时,细 端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系观察到, 胞将会延迟衰老。在癌细胞得到永生性这一过 随着增龄,端粒的长度逐渐变短,有丝分裂的 程中,端粒酶的激活起了非常重要的作用。相 能力明显渐渐变弱 反,一些遗传病正是由于端粒酶的活性缺陷最 检测表明,男性的生殖细胞—精子可以 终导致细胞的损伤 分裂上千次,而不受50次分裂的限制。癌细 因而,端粒和端粒酶不仅与染色体的特质 胞也没有寿限,它会不停地分裂下去,原因已 和稳定性密切相关,而且还涉及细胞的寿命衰 被研究证实是由于它的端粒不会因为增生而缩 老和死亡,干细胞的自我复制潜能,以及肿瘤 短。由此,我们可以设想,如果让人的普通细 的发病与治疗等方面。 胞也具有这种端粒酶以抑制端粒的缩短,那么 2.端粒与细胞衰老 细胞的寿命就会延长,衰老也就被延缓了 细胞的复制期限被认为是由导致衰老的两 另一项重要发现是美国伯利克国家实验室 个机制决定,一个是累积的DNA损伤,另一个的研究人员找到了与端粒有联系的基因,这个 是端粒的进行性缩短。1973年, Olovnikoy首基因在第4号染色体上,被称为致死因子4。在 先提出关于端粒丢失同衰老的关系理论,认为实验中,当把该因子注入到癌细胞中时,大多 由于末端复制而造成的端粒丢失很可能调节了数癌细胞停止分裂和生长,这说明该细胞确实 细胞的寿命。 Bodnar等通过激活端粒酶的活性,有使细胞衰老死亡的功能。 使端粒得以延长,从而延长了人类正常细胞的4.端粒、端粒酶在抗衰老中的应用 生命周期,有力证实了端粒与衰老的关系。在 41在动物实验中的应用 Werner综合症(一种罕见的人类早衰疾病)的研 美国哈佛大学医学院开发的实验性治疗方 究中,已有多个证据表明了端粒异常与其紧密 案成功地让年迈实验鼠已经老化的器官恢复活 相关。 Crabbe等认为,端粒异常是wRN细胞 力,朝着逆转机体衰老进程的目标又进了一步, 基因组不稳定的原因之一。 Stewart的研究结果 研究小组将目标锁定在端粒缩短这一与老化相 表明,是端粒单链悬垂的侵蚀而非整个端粒长 关的过程上。由于体内缺乏可阻止端粒变短的
期胚胎形成时期有活性。在其他组织的体细胞 中，端粒酶是无活性的。端粒酶的表达与细胞 增殖能力密切相关。 端粒酶使端粒的长度和结构得以稳定，从 而保护染色体。细胞随着端粒的变短而衰老， 而当端粒酶的活性足以维护端粒的长度时，细 胞将会延迟衰老。在癌细胞得到永生性这一过 程中，端粒酶的激活起了非常重要的作用。相 反，一些遗传病正是由于端粒酶的活性缺陷最 终导致细胞的损伤。 因而，端粒和端粒酶不仅与染色体的特质 和稳定性密切相关，而且还涉及细胞的寿命衰 老和死亡，干细胞的自我复制潜能，以及肿瘤 的发病与治疗等方面。 2. 端粒与细胞衰老 细胞的复制期限被认为是由导致衰老的两 个机制决定，一个是累积的 DNA损伤，另一个 是端粒的进行性缩短。1973 年，Olovnikov 首 先提出关 于端粒丢失同衰老的关系理论，认为 由于末端复制而造成的端粒丢失很可能调节了 细胞的寿命。Bodnar 等通过激活端粒酶的活性， 使端粒得以延长，从而延长了人类正常细胞的 生命周期，有力证实了端粒与衰老的关系。在 Werner 综合症(一种罕见的人类早衰疾病)的研 究中，已有多个证据表明了端粒异常与其紧密 相关。Crabbe 等认为，端粒异常是 WRN 细胞 基因组不稳定的原因之一。Stewart 的研究结果 表明，是端粒单链悬垂的侵蚀而非整个端粒长 度的变化,导致了衰老这种状态。端粒与衰老研 究的不断深入，为进一步了解衰老的分子机制, 提供了重要的线索。 3. 端粒酶与衰老 衰老的调节有赖于端粒酶对端粒的调控， 以及端粒和端粒酶的联合作用。端粒酶能够以 自身的 RNA 提供模板，维持端粒的结构和长 度。如果在正常体细胞中重建端粒酶活性，就 可维持细胞的端粒长度，延缓细胞的衰老。大 量实验说明，端粒、端粒酶活性与细胞衰老及 永生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞 中 端粒缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维 细胞的观察，通过对不同年龄供体成纤维细胞 端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系观察到， 随着增龄，端粒的长度逐渐变短，有丝分裂的 能力明显渐渐变弱。 检测表明，男性的生殖细胞——精子可以 分裂上千次，而不受 50 次分裂的限制。癌细 胞也没有寿限，它会不停地分裂下去，原因已 被研究证实是由于它的端粒不会因为增生而缩 短。由此，我们可以设想，如果让人的普通细 胞也具有这种端粒酶以抑制端粒的缩短，那么， 细胞的寿命就会延长，衰老也就被延缓了。 另一项重要发现是美国伯利克国家实验室 的研究人员找到了与端粒有联系的基因，这个 基因在第4号染色体上，被称为致死因子4。在 实验中，当把该因子注入到癌细胞中时，大多 数癌细胞停止分裂和生长，这说明该细胞确实 有使细胞衰老死亡的功能。 4. 端粒、端粒酶在抗衰老中的应用 4.1 在动物实验中的应用 美国哈佛大学医学院开发的实验性治疗方 案成功地让年迈实验鼠已经老化的器官恢复活 力，朝着逆转机体衰老进程的目标又进了一步。 研究小组将目标锁定在端粒缩短这一与老化相 关的过程上。由于体内缺乏可阻止端粒变短的
端粒酶,用于实验的转基因小鼠过早衰老,并 结语 且各种疾病缠身,如嗅觉迟钝、脑容量变小、 不孕及肠道和脾脏受损等。但当小鼠经过注射 端粒和端粒酶的发现使我们了解到端粒不 治疗重新激活端粒酶之后,其受损的组织不仅仅与染色体的个性特质和稳定性密切相关,而 得以修复,同时老化迹象也出现了逆转 且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡等。生命衰 42在医药产业中的应用 老是一个非常复杂的进程,它有许多不同的影 首个以端粒为靶标的片剂已经在美国上响因素,端粒和端粒酶的作用仅仅是其中之一。 市,不过目前是作为营养补充剂在出售。药物端粒和端粒酶的发现对有关人类衰老癌症和 制造商TA科学公司表示,他们很快就会将相干细胞等的研究进入一个崭新时代,也使我们 关研究论文提交给同行,以对这种营养补充剂对细胞的理解增加了新的难度,清楚地显示了 的实际功效进行严格审查。 疾病的机理,并将促使我们开发出潜在的新疗 生物学家一直试图通过阻断端粒变短的机法。 制来控制人体衰老进程。端粒的长度靠端粒酶 有关端粒与端粒酶的研究成果已越来越多, 的活性来维持,但端粒酶只存在于人体干细胞、但这一领域仍然存在着很多需要解决的难题。 生殖细胞、免疫细胞和恶性癌细胞内,其他成相信随着研究的不断深入,端粒与端粒酶研究 人细胞中的端粒酶通常处于“关闭”状态。2001 的成果将对衰老、癌症、遗传病等的治疗开辟 年,生物科技巨头美国杰龙生物医药公司从中全新的领域。 草药黄芪中分离出一种名为TA65的分子,并引用: 声称其能够增强端粒酶的活性,但这一作用机端粒和端粒酶与衰老,中国热带医学2010年第 理并未在经同行评审的研究中进行过评估。从10卷第6期,陈立刚,吴丽婷,彭剑雄 2007年开始,首个以端粒为靶标的TA65营端粒和端粒酶在抗衰老研究中的现状,武警医 养补充片剂就能够从医生那里买到。TA科学学院学报2011年6月第20卷第6期,付学锋, 公司表示,TA65片剂能够提高人体的骨密度许昌泰 和免疫能力,对于与衰老相关的生物标记物也端粒、端粒酶与抗衰老的研究进展,医学信息 有一定的作用,服用了这种片剂的人报告说 2011年5月第24卷第5期,吕欣桐 他们的运动、视觉和认知能力都有所增强 端粒与端粒酶的硏究——解读2009年诺贝尔 端粒和端粒酶与细胞衰老关系还存在不少生理学或医学奖,200年诺贝尔奖介绍2009 争议,但不少研究表明,端粒的不断缩短是衰年10期,钟天映,陈媛媛,毕利军 老发生机制中相当重要的1个环节。通过端粒端粒和端粒酶与衰老研究,生命科学研究2006 酶来维持端粒的长度,可使细胞的老化延缓。年12月,郭曼,欧阳芳茜,王玉刚 目前研究还有下列问题需要解决:(1)端粒结合 蛋白的调控机制及其与端粒酶协同作用机制的 过程。(2)端粒酶激活表达的调控机制。(3)某些 端粒酶活性是阴性的肿瘤细胞的端粒是如何维 持的。(4)氧化应激状态下端粒酶的线粒体定位 的机制和功能等
端粒酶，用于实验的转基因小鼠过早衰老，并 且各种疾病缠身，如嗅觉迟钝、脑容量变小、 不孕及肠道和脾脏受损等。但当小鼠经过注射 治疗重新激活端粒酶之后，其受损的组织不仅 得以修复，同时老化迹象也出现了逆转。 4.2 在医药产业中的应用 首个以端粒为靶标的片剂已经在美国上 市，不过目前是作为营养补充剂在出售。药物 制造商 T.A.科学公司表示，他们很快就会将相 关研究论文提交给同行，以对这种营养补充剂 的实际功效进行严格审查。 生物学家一直试图通过阻断端粒变短的机 制来控制人体衰老进程。端粒的长度靠端粒酶 的活性来维持，但端粒酶只存在于人体干细胞、 生殖细胞、免疫细胞和恶性癌细胞内，其他成 人细胞中的端粒酶通常处于“关闭”状态。2001 年，生物科技巨头美国杰龙生物医药公司从中 草药黄芪中分离出一种名为 TA-65 的分子，并 声称其能够增强端粒酶的活性，但这一作用机 理并未在经同行评审的研究中进行过评估。从 2007 年开始，首个以端粒为靶标的 TA-65 营 养补充片剂就能够从医生那里买到。T.A.科学 公司表示，TA-65 片剂能够提高人体的骨密度 和免疫能力，对于与衰老相关的生物标记物也 有一定的作用，服用了这种片剂的人报告说， 他们的运动、视觉和认知能力都有所增强。 端粒和端粒酶与细胞衰老关系还存在不少 争议，但不少研究表明，端粒的不断缩短是衰 老发生机制中相当重要的 1 个环节。通过端粒 酶来维持端粒的长度，可使细胞的老化延缓。 目前研究还有下列问题需要解决：(1)端粒结合 蛋白的调控机制及其与端粒酶协同作用机制的 过程。(2)端粒酶激活表达的调控机制。(3)某些 端粒酶活性是阴性的肿瘤细胞的端粒是如何维 持的。(4)氧化应激状态下端粒酶的线粒体定位 的机制和功能等。 5. 结语 端粒和端粒酶的发现使我们了解到端粒不 仅与染色体的个性特质和稳定性密切相关，而 且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡等。生命衰 老是一个非常复杂的进程，它有许多不同的影 响因素，端粒和端粒酶的作用仅仅是其中之一。 端粒和端粒酶的发现对有关人类衰老、癌症和 干细胞等的研究进入一个崭新时代，也使我们 对细胞的理解增加了新的难度，清楚地显示了 疾病的机理，并将促使我们开发出潜在的新疗 法。 有关端粒与端粒酶的研究成果已越来越多， 但这一领域仍然存在着很多需要解决的难题。 相信随着研究的不断深入，端粒与端粒酶研究 的成果将对衰老、癌症、遗传病等的治疗开辟 全新的领域。 引用： 端粒和端粒酶与衰老，中国热带医学 2010 年第 10 卷第 6 期，陈立刚，吴丽婷，彭剑雄 端粒和端粒酶在抗衰老研究中的现状，武警医 学院学报 2011 年 6 月第 20 卷第 6 期，付学锋， 许昌泰 端粒、端粒酶与抗衰老的研究进展，医学信息 2011 年 5 月第 24 卷第 5 期，吕欣桐 端粒与端粒酶的研究——解读 2009 年诺贝尔 生理学或医学奖，2009 年诺贝尔奖介绍 2009 年 10 期，钟天映，陈媛媛，毕利军 端粒和端粒酶与衰老研究，生命科学研究 2006 年 12 月，郭 曼，欧阳芳茜，王玉刚