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端粒、端粒酶与癌症

发布时间:2021-01-12 13:39:29 | 来源:【药物研发团队 2021-11-12】
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端粒是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体,它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构,作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。 端粒的长度反映细胞复制史及复制潜能,被称作细胞寿命的“ 有丝分裂钟”。

端粒酶是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,是在细胞中负责端粒的延长的一种酶,是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,可合成染色体末端的DNA,赋予细胞复制的永生性。

癌症、与衰老相关的疾病以及其他疾病都与端粒酶密切相关。来自加州大学洛杉矶分校的科学家们在Cell杂志发表了一项重要成果,提供了迄今为止对端粒酶最深入的科学理解。这一发现将直接影响靶向端粒酶的新药的开发,为抗癌、延缓衰老带来新的可能。

一、端粒

端粒是短的多重复的非转录序列(TTAGGG)及一些结合蛋白组成特殊结构,除了提供非转录DNA的缓冲物外,它还能保护染色体末端免于融合和退化,在染色体定位、复制、保护和控制细胞生长及寿命方面具有重要作用,并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。当细胞分裂一次,每条染色体的端粒就会逐次变短一些。

构成端粒的一部分基因约50~200个核苷酸,会因多次细胞分裂而不能达到完全复制(丢失),以至细胞终止其功能不再分裂。因此,严重缩短的端粒是细胞老化的信号。在某些需要无限复制循环的细胞中,端粒的长度在每次细胞分裂后,被能合成端粒的特殊性DNA聚合酶-端粒酶所保留。

端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成,端粒酶可用于给端粒DNA加尾,DNA分子每次分裂复制,端粒就缩短一点(如冈崎片段),一旦端粒消耗殆尽,细胞将会立即激活凋亡机制,即细胞走向凋亡。

端粒的功能

端粒的功能是稳定染色体末端结构,防止染色体间末端连接,并可补偿滞后链5'末端在消除RNA引物后造成的空缺。

组织培养的细胞证明,端粒在决定动植物细胞的寿命中起着重要作用,经过多代培养的老化细胞端粒变短,染色体也变得不稳定。

细胞分裂次数越多,其端粒磨损越多,细胞寿命越短。

端粒DNA主要具有以下功能:

1、保护染色体不被核酸酶降解;

2、防止染色体相互融合;

3、为端粒酶提供底物,解决DNA复制的末端隐缩,保证染色体的完全复制。

端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。同时,端粒又是基因调控的特殊位点,常可抑制位于端粒附近基因的转录活性(称为端粒的位置效应,TPE)。

端粒的组成

端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成的,染色体末端沿着5'到3'方向的链富含 GT。在酵母和人体中,端粒序列分别为C1-3A/TG1-3和TTAGGG/CCCTAA,并有许多蛋白与端粒DNA结合。

在人类的端粒里,端粒DNA的组成大概会有:

5'...TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG..3' 3'...AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC..5'

端粒的研究应用

端粒长度的维持是细胞持续分裂的前提条件。在旺盛分裂或需要保持分裂潜能的细胞,如生殖细胞,干细胞和大多数癌细胞(~85%)中,端粒酶被激活,它在端粒末端添加端粒序列,保证这些细胞中端粒长度的稳定,维持细胞的持续分裂能力。

细胞中有端粒酶的存在并不能保证端粒的延伸。因为端粒DNA的四个TTAGGG重复序列可以形成一种四链的G-四链体结构。该结构非常稳定,会阻止端粒DNA与端粒酶的相互作用。

中科院动物所谭铮领导的端粒与衰老研究组研究发现了一种hnRNP A2*蛋白,它可以与端粒DNA和端粒酶发生作用,主动打开端粒G-四链体结构,将端粒3’端的5个碱基暴露出来,促进它和端粒酶的RNA模板配对,从而增强端粒酶的催化活性和进行性。

在器官组织中,hnRNP A2*的表达水平与端粒酶活性呈正相关。在细胞内hnRNP A2*蛋白伴随着端粒酶共定位于卡哈尔体和端粒。在细胞中认为表达hnRNP A2*可以使端粒延长,降低表达则使端粒缩短。这些特征说明hnRNP A2*决定了端粒DNA是否可以得到延长,因此它在调控端粒长度平衡,维持细胞的分裂能力中起着重要作用。

二、端粒酶

端粒酶是在细胞中负责端粒的延长的一种酶,是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,可合成染色体末端的DNA,赋予细胞复制的永生性。端粒酶是基本的核蛋白逆转录酶,可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端,把DNA复制损失的端粒填补起来,使端粒修复延长,可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗,使得细胞分裂的次数增加。端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用,端粒酶能延长缩短端粒(缩短的端粒其细胞复制能力受限),从而增强体外细胞的增殖能力。端粒酶在正常人体组织中的活性被抑制,在肿瘤中被重新激活,从而可能参与恶性转化。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有重要作用。端粒酶的存在,就是把 DNA 复制的缺陷填补起来,使端粒修复延长,可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗,使得细胞分裂的次数增加。

但是,在正常人体细胞中,端粒酶的活性受到相当严密的调控,只有在造血细胞、干细胞和生殖细胞,这些必须不断分裂的细胞之中,才可以侦测到具有活性的端粒酶。当细胞分化成熟后,必须负责身体中各种不同组织的需求,各司其职,于是,端粒酶的活性就会渐渐的消失。对细胞来说,本身是否能持续分裂下去并不重要,而是分化成熟的细胞将背负更重大的使命,就是让组织器官运作,使生命延续。

端粒酶是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,可合成染色体末端的DNA,赋予细胞复制的永生性。

端粒酶的结构

端粒酶是一种核糖核酸蛋白复合体,是由RNA和蛋白质亚基组成的一种特殊的逆转录酶,目前已经得到的人端粒酶亚单位有三个:人端粒酶RNA (hTR)、人端粒相关蛋白(hTEP1或TP1)和人端粒酶蛋白催化亚基(hTERT或hTRT)。

hTR基因定位在3q23.3,约450 bp,端粒酶正是以自身的RNA为模板在线性染色体3'单链DNA末端添加新的端粒重复序列,从而维持端粒稳定,增加细胞可能的分裂次数。不同生物的这一模板均含有一个短的区域,其与短的端粒重复序列一致。

人体正常组织细胞中广泛表达hTR,但普遍无端粒酶活性,说明hTR的表达与端粒酶活性无相关性。hTEP1在四膜虫中的同源物为端粒连接蛋白亚基p80,其特异性与hTR相互作用。其氨基末可与p53的羧基末端区城结合,在端粒酶的活性调节中发挥重要作用,因此也被称为端粒酶的调节亚基。hTEP1也同hTR一样在人体正常组织细胞广泛表达,因此不能反映端粒酶的活性。hTERT具有反转录酶的主要特征,其基因定位于5p15.33,约37kb。hTERT的表达在出生后即被抑制,但是大多数端粒酶阳性肿瘤和永生化细胞系中hTERT的表达与端粒酶活性的表达水平一致,表明hTERT的表达与端粒酶的活化过程密切相关。因此TERT被普遍认为是端粒酶的催化亚基。

据英国《自然》杂志2018年4月25日发表的一篇论文,美国科学家团队使用冷冻电镜技术,以迄今最高的分辨率确定了端粒酶的结构。鉴于端粒酶与癌症和老化关系密切,该发现代表着人类向开发端粒酶相关疗法迈出了重要一步。

时至今日,科学家并不能完全肯定衰老和癌症的真正起因,而端粒功能的发现,被认为是开拓了一条抗衰老与癌症新疗法之路。端粒是染色体末端的“帽子”结构,类似于鞋带上的塑料尖头,起着保护作用,可以防止染色体“磨损”。每一次细胞分裂,端粒都会变短,直至细胞停止分裂并死亡。而端粒酶可以通过向染色体末端添加DNA而避免这一点。学界认为,如果能合理运用提取生物端粒酶技术,将揭开人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘。

以往电子显微镜的分辨能力可以展示微观世界的细节,但由于生物样品无法承受电子束的辐照损伤,一直很难获得关于生物样品的高分辨率信息。美国加州大学伯克利分校研究人员凯瑟林·科林斯及其同事决定利用更新的技术手段“揭秘”端粒酶。而冷冻电镜技术结合近几年的分辨率革命,被认为开启了解析生物分子结构的新纪元,这项技术的几位先驱也因此荣颁2017年诺贝尔化学奖。研究团队此次正是利用冷冻电镜技术,最终确定了人体端粒酶的结构,这也是迄今为止人类获得的分辨率最高的端粒酶图像。

在论文随附的新闻与观点文章中,美国加州大学圣克鲁兹分校科学家迈克尔·斯通表示,以往端粒酶结构数据的缺乏,妨碍了临床调控端粒酶的进展,但现在,研究人员终于在亚纳米尺度上得到了该分子与其底物相结合的图像。

端粒酶的功能特性

端粒酶是使端粒延伸的反转录DNA合成酶,是一种由RNA和蛋白质组成的核糖核酸-蛋白复合物。其RNA组分为模板,蛋白组分具有催化活性,以端粒5'末端为引物,合成端粒重复序列。

端粒酶的活性在真核细胞中可检测到,其功能是合成染色体末端的端粒,使因每次细胞分裂而逐渐缩短的端粒长度得以补偿,进而稳定端粒长度。

端粒酶功能的主要特征是用它自身携带的RNA作模板,以dNTP为原料,通过逆转录催化合成后延长链5‘端DNA片段或外加重复单位。端粒酶在细胞中的主要生物学功能是通过其逆转录酶活性复制和延长端粒DNA来稳定染色体端粒DNA的长度。

端粒酶的构成和生物学作用

端粒酶是一种负责端粒末端重复序列生成、避免端粒缩短的核糖核蛋白,由多组分组成,最关键两组分是作为催化亚基的端粒酶逆转录酶(TERT)和作为模板的端粒酶RNA,TERT在其他因子辅助下以RNA为模板利用逆转录方式合成DNA链来延长端粒,是决定端粒长度的关键因素。20世纪90年代,研究发现端粒酶活性与细胞寿命密切相关。随着细胞分裂次数的增加,端粒酶活性出现降低,从而导致端粒长度持续缩短,细胞开始衰老并最终死亡;而干细胞由于可保持相对稳定端粒酶活性,因此拥有较长寿命。此外还发现体细胞癌变过程中存在端粒酶重新激活,从而跨越细胞衰老障碍,最终细胞出现恶性增殖表型,但对这种机制一直缺乏详细理解。

端粒酶的激活途径

1、MYC途径

端粒酶活性无疑和细胞增殖有关,而细胞原癌基因c-myc的表达水平与细胞增殖密切相关,同时在许多恶性肿瘤中高活性的端粒酶都伴随着c-myc的上调表达。有研究报道在HL-60和另两种白血病细胞系中,对Myc蛋白的抗致敏抑制剂也可抑制端粒酶活性。这表明至少在这些细胞系中,myc基因的持续表达对于端粒酶的激活是必须的。来自转基因小鼠的证据也表明,Myc与端粒酶平行表达,即二者均在肿瘤发展早期低表达,而在后期高表达。更具说服力的证据是,在缺乏端粒酶活性的人上皮细胞中表达c-myc原癌基因导致端粒酶的活化。同时,大量文献报道不同肿瘤组织中的hTERT表达水平与Myc的表达水平十分相似。

由此可见,细胞原癌基因c-myc可激活端粒酶,同时这种对立酶的激活是通过上调mRNA编码的端粒酶催化亚基(TERT)的表达水平来实现的,目前已经证明在TERT基因启动子区有一个进化上保守的E框,它是Myc/Max的亲和靶点。

2、HPV E6途径

人乳头状瘤病毒(HPV)癌基因E6也可以上调端粒酶活性。E6通过直接降解肿瘤抑制基因蛋白p53使得人正常细胞趋于形成肿瘤细胞,但是E6对于端粒酶的激活并不依赖于p53途径。近年来的研究显示E6对端粒酶的激活至少部分是通过原癌基因myc途径,即E6的表达首先激活myc,随后通过激活hTERT基因的转录来增高端粒酶活性,激活机制涉及到一个至少295 bp的hTERT启动子片断,其核心序列是两个E框。在小鼠皮肤中表达HPV E6基因会导致myc和端粒酶的表达水平升高。Klingelhutz等证明在人上皮细胞中通过引人 HPV16型的E6癌基因也可激活端粒酶。值得注意的是,这条途径具有细胞类型特异性,因为在成纤维细胞中表达E6不会激活myc,从而也并未激活端粒酶。尽管E6和myc的关系还不尽清楚,但是在普通的未转化细胞中必定存在一条激活端粒酶的途径。

3、其他激活途径

端粒酶的其他途径还包括雌激素(ER)、蛋白激酶C(PKC)、肿瘤样结肠息肉癌蛋白(APC)途径等,其均是直接或间接通过myc途径激活TERT基因的表达来激活端粒酶的。另外在体外激活端粒酶也有报道,如通过促细胞分裂剂在T胸腺依赖性细胞中可诱导端粒酶活性。Taylor等报道在受紫外线损伤的、患牛皮癣和用毒常春藤处理过的皮肤中分别检测到低的端粒酶活性,表明在细胞损伤或随后的修复过程中,端粒酶会被激活。

端粒酶的激活是一个多因子参与调控的多水平、多途径调节过程,其它的可能激活途径和许多具体的机制还有待进一步深入研究。

三、端粒、端粒酶与癌症

近年来有关端粒酶与肿瘤关系的研究进展表明,在肿瘤细胞中端粒酶还参与了对肿瘤细胞的凋亡和基因组稳定的调控过程。与端粒酶的多重生物学活性相对应,肿瘤细胞中也存在复杂的端粒酶调控网络。通过蛋白质-蛋白质相互作用在翻译后水平对端粒酶活性及功能进行调控,则是目前研究端粒酶调控机制的热点之一。

端粒-端粒酶假说

恶性肿瘤细胞具有高活性的端粒酶(它能维持癌细胞端粒的长度,使其无限制扩增)。关于癌细胞如何获得永生,1991年Harley提出端粒-端粒酶假说,认为正常细胞衰亡要经过第一致死期M1期和第二期M2期两个阶段。即在细胞有丝分裂的过程中端粒DNA不断丢失而使端粒缩短,当端粒缩短到一定长度(2kb-4kb)时,染色体的稳定性遭到破坏,细胞出现衰老的表现,细胞进入第一致死期M1期。此时细胞不再分裂,而是退出细胞周期而老化并死亡。如果此时细胞已被病毒转染(SV40,HPV),癌基因激活或抑癌基因(p53,Rb)失活,细胞便可越过M1期,继续分裂20-30次,端粒继续短缩,最终进入第二致死期M2期。多数细胞由于端粒太短而失去功能并死亡,只有少数细胞的端粒酶被激活,修复和维持端粒的长度,使细胞逃避M2期,而获得永生。这也是当代科研领域的热门研究话题。

1995年Hiyama等人在对100例成纤维神经细胞瘤的研究中证实,有端粒酶活性表达的肿瘤组织占94%,端粒酶活性越高的组织越容易伴有其它遗传学变化,并且预后不良;而低端粒酶活性的肿瘤组织中未见有相应的变化且都预后良好,甚至有3例处于IVS阶段的无端粒酶活性的病例竟出现了肿瘤消退的现象。这似乎说明端粒酶同癌症之间存在着相关性,但是否因果关系,还很难定论。

揭示端粒酶关键区域

在一篇题为“Structure of Telomerase with Telomeric DNA”的论文中,化学及生物化学教授Juli Feigon带领的团队利用一种叫做“嗜热四膜虫”的单细胞微生物进行了调查。据悉,端粒酶和端粒首次被发现就是在嗜热四膜虫中。

端粒酶的催化核心由一种特殊的“逆转录酶”(RT,功能是参与“以RNA为模板合成DNA的过程”)和一个RNA组成,该核心在所有生物体(包括人类)中都是相似的。

先前的研究表明,端粒酶的RT具有4个主要区域以及多个次区域。在这项研究中,科学家们揭示了位于端粒酶RT中的一个大的、先前未被研究的次区域——TRAP,首次报道了TRAP的结构、形状、意义以及与其相互作用的区域。

与其他逆转录酶不同,端粒酶中的RT只能复制一种特殊的六核苷酸RNA,并经过多次复制产生一条长的DNA链。研究证实,TRAP在添加小片段DNA到染色体末端中(即延长端粒长度中)起到了至关重要的作用。

研究中,Feigon教授的团队还调查了TRAP与另一名为TEN的区域是如何相互作用的。2015年,Feigon教授等在一篇Science论文中报道了TEN的位置。而这项新发表在Cell的论文揭示了TEN和TRAP的结构,以及它们是如何与彼此及端粒酶RNA相互作用的。作者们发现,事实上,TEN区域的很多突变会扰乱TEN与TRAP的相互作用。

值得一提的是,新研究中,科学家们还首次在合成DNA的过程中观察到了端粒酶。具体来说,在端粒酶添加一个核苷酸到DNA上后,研究人员立即捕捉到了它。Feigon教授认为,她们能看到的不仅是“生命时钟”的表面,还可以看清其内部组件是如何相互作用使其发挥功能的。这带来的直接影响是,帮助开发靶向端粒酶特定部位的新药。

揭示端粒在癌症中的关键角色

当机体细胞分裂时,子代细胞通常会接收来自母体细胞基因组的相同拷贝,然而在细胞分裂过程中偶然性的错误往往会产生引发癌症的基因突变;为了避免有害基因对有机体的不利影响,产生偏离正常染色体数量的突变细胞就会被细胞的保护性机制所清除。来自德国弗里茨—李普曼研究所(Fritz Lipmann Institute,FLI)的研究人员通过研究揭示了端粒的关键角色,其可以“感知”携带错误染色体数量的细胞,相关研究刊登于国际杂志The EMBO Journal上。

端粒会通过产生压力信号来抑制非整倍体细胞的增值进而对非整倍性作出反应,然而合成端粒的端粒酶或许可以通过减缓端粒所诱导的压力信号来间接促进非整倍体细胞的存活,进而促进机体致癌作用的发生。

端粒是线性染色体的末端结构,其由重复性的DNA序列和特殊的端粒结合蛋白所组成,端粒可以在线性染色体末端形成一种保护性的“帽子”来抑制染色体不稳定;为了完成端粒DNA的复制及端粒功能的发挥,就需要一种特殊的端粒酶,过去20年的研究表明,端粒和端粒酶在抑制和促进肿瘤发生上扮演着双重的功能。

在成年人类机体中,端粒酶的活性大部分局限于干细胞中,在大部分的人类细胞中端粒酶活性是缺失的;当端粒酶缺失时,端粒就会缩短细胞的寿命抑制肿瘤的发生,然而染色体端粒越短的细胞越容易失去帽子结构,从而就会导致细胞发生灾难及遗传不稳定性的发生,从而引发许多类型的癌症。而端粒酶的活性则可以保护机体免于肿瘤的形成。

如今研究者非常好奇端粒和端粒酶在肿瘤形成过程中所扮演的角色,许多研究都表明较长的功能性端粒可以感知染色体的不稳定并且抑制非整倍体细胞的增殖和生长;而端粒酶的活性则具有恶化的效应,端粒酶可以促进非整倍体细胞绕过端粒的保护性机制,从而间接增强缺陷性细胞的生长,因此端粒酶可以促进癌症的发生。

研究者Karl-Lenhard Rudolph说道,我们的研究表明,端粒和端粒酶或许可以作为潜在的抗癌疗法的新型靶点;目前有研究推测通过抑制端粒酶的活性,肿瘤细胞或许就会引发端粒缩短而死亡,然而开发新型疗法需要漫长的时间,端粒随着细胞每次分裂会不断缩短,而本文研究表明,端粒酶活性的抑制或可立即阻断肿瘤细胞的生长。

端粒、端粒酶与癌症的相关研究

科学家们认为,端粒的缩短和很多疾病的发病直接相关。而且有许多研究表明,基因突变、肿瘤形成时,人体的端粒可表现出缺失、融合或序列缩短等现象;在一些癌细胞中,端粒酶的活性会增加,其与端粒之间有着某种联系,因此这些癌细胞可以分裂很多次。在某些特定的癌细胞中,如果阻断端粒酶的功能的话,端粒就会变短,癌细胞就会死亡,所以深入研究端粒和端粒酶的变化,是目前肿瘤研究的一个新领域。

1、端粒太长易患癌

据美国加州大学旧金山分校(UCSF)科学家领导的最新基因组研究揭示,两个普通的基因变异会使染色体端粒变得更长,但也会大大增加患神经胶质瘤脑癌的风险。此前许多科学家认为,端粒的功能只是防止细胞老化,保持细胞健康。相关论文在线发表于《自然—遗传学》网站上。

据物理学家组织网报道,这两个基因变异是TERT(端粒逆转录酶)和TERC(端粒酶),51%的人携带TERT变异,72%的人携带TERC变异。这两个基因都有调节端粒行为的功能,是维持端粒长度的酶,这种由大部分人所携带的风险基因变异还比较罕见。研究人员认为,这些变异基因携带者的染色体端粒更长,所以全体细胞更加强健,但也增加了患高等级神经胶质瘤的风险。

“真要发展成神经胶质瘤,还有很高‘门槛’,可能因为我们的大脑还有其他特殊保护机制。”论文高级作者、UCSF脑肿瘤研究所的玛格丽特·兰斯彻说,“由此而被诊出患神经胶质瘤的人很少见,起码我从未见过。”

2、新技术可准确检测端粒长度助力癌症和衰老研究

来自美国西南医学中心的细胞生物学家们最近找到一种确定端粒长度的新方法,该研究将对癌症进展和衰老研究产生影响。

宽泛地说,端粒能够帮助确定细胞是否进行了准确的复制。随着细胞分裂端粒会逐渐降解变短,引起细胞衰老,有研究认为端粒的降解可能会对人类衰老产生一些影响。西南医学中心的科学家们希望利用对端粒的了解延缓或者阻止细胞衰老,还有可能通过癌细胞端粒帮助控制癌细胞生长。

找到最好最灵敏的端粒测量方法是帮助科学家最终找到促进健康细胞生长,限制或阻止癌细胞生长方法的重要一步。

端粒位于染色体末端,随着细胞分裂过程,端粒能够帮助维持染色体携带的遗传信息的稳定,防止染色体融合。但是端粒会越变越短,最终触发DNA损伤与其他因素一起导致衰老进展,增加癌症发生风险。

3、阻断端粒酶能杀死癌细胞,却会产生耐药

刊登在Cell上的一篇研究报道中,科学家们发现,抑制通过延伸染色体两端的保护帽从破坏中抢救恶性细胞的端粒酶,杀死肿瘤细胞但也触发引起癌症存活和传播的耐药性通路。

端粒酶在许多晚期癌症中过度表达,但是评价它作为治疗靶标的潜力要求我们理解它做什么且它如何做。

研究人员利用小鼠的实验性优点来造模,并更精确地研究在癌症发育、进展和治疗中的端粒危机、端粒酶复活和端粒酶消除。这个精巧的模型揭示了两种机制,包括一种被癌细胞用于适应端粒酶丧失的意料之外的代谢通路。

这些发现让我们预期肿瘤细胞可能对端粒酶抑制怎样反应,突出开发靶向端粒酶和这些适应性耐药机制的药物联合的需要。

研究人员用实验对端粒酶作为治疗靶标进行了评估。在正常细胞中,端粒酶活性激活或缺失,正常细胞在染色体末端有细胞分裂期间保护DNA稳定性的称为调聚物的重复核苷酸片段。

4、端粒酶是癌症患者发生慢性炎症的一个主要促动因素

慢性炎症是目前公认的许多类型癌症、自身免疫性疾病、神经退行性疾病以及代谢性疾病如糖尿病的根本诱因。一项研究发现负责调控癌细胞无休止分裂的这种酶能快速启动和维持慢性炎症。

该研究小组发现端粒酶直接调节炎症分子,这些分子对于癌症相关的炎症反应发生发展至关重要。科学家们发现,通过抑制患者样本中获得的原代肿瘤细胞的端粒酶活性,在人类癌症中起关键驱动作用的炎症分子IL-6的表达水平减少。

5、端粒长度可作为前列腺癌预后指标

癌细胞的端粒会变短,但是端粒长度与癌症发展的关系却是未知的。约翰霍普金斯大学病理学教授Alan Meeker称,由于现在常用的预测前列腺病人阶段的格里森氏分级和PSA都不精确,所以医生一直在寻找能够更准确预测前列腺癌病人进程的方法。端粒缩短现象在癌症中很常见,但是每个病人每个癌细胞中的端粒缩短程度都不一样,这种端粒缩短多态性表明了前列腺癌细胞存在差异。

Meeker博士领导的科学家研究了596位前列腺癌患者手术切除的组织样本,并长期跟踪研究了病人的健康情况。科学家采用他们开发想新技术端粒特异荧光原位杂交技术(TELI-FISH)分析了癌细胞和癌细胞周围基质细胞的端粒长度。端粒特异的荧光探针结合到端粒区域,使得科学家能够识别端粒位置并通过测量荧光水平检测端粒长度。

6、端粒长度越短患胰腺癌风险越高

一项研究揭示了一种胰腺癌新的血液标记物,论文第一作者威斯康辛大学医学与公共卫生助理教授Halcyon Skinner博士说,这项研究第一次证实胰腺癌的发病率与血细胞中端粒的长度不同相关。Halcyon Skinner与梅奥诊所的同事检测了超过1500人的血液样本,其中499名被诊断为胰腺癌,963名正常健康人群作为对照。具体来说,科学家们发现端粒越短,一个人就越有可能患胰腺癌。

端粒能维持基因的稳定性,这是已知的,随着年龄的增长而缩短。相同实际年龄的人的端粒长度可以有很大的不同。换句话说,一些人的端粒长度可以比其他同年龄人的端粒更长。

Skinner解释说:我们知道,有许多经典的不健康因素包括生活压力、暴露于慢性炎症、血糖控制不良或抽烟往往会加快端粒缩短,并可以导致遗传性损伤。该研究中,血液中的端粒缩短与其他类型的癌症包括结肠癌等都有关。

7、科学家揭示改变染色体端粒长度影响细胞衰老的分子机制

来自海德堡大学的研究者通过研究发生在染色质末端的生物过程,他们解开了细胞衰老的重要分子机制,研究者将研究焦点集中在染色体末端的长度上,即一种称为端粒的结构上,该研究为开发和细胞衰老相关的器官衰竭和组织缺失技术提供了一定的思路,同时对开发癌症的疗法非常重要。

每一个细胞都包含有一系列染色体,染色体上就包含这编码很多遗传信息的DNA分子,这些遗传信息必须得到有效保护才能确保细胞的正常功能;为了保护染色体的正常功能,端粒就扮演了重要的角色,我们可以想象一下,端粒就好比是套在鞋带上的塑料帽,没有了塑料帽的保护作用,染色体就好像鞋带一样,功能就会发生紊乱。文章中,研究者揭示了端粒保护DNA的分子机制,众所周知当细胞分裂一次,染色体的端粒就会缩短,最终端粒会变得足够短而不能保护染色体,最终染色体末端就会发出信号阻断细胞继续分裂,此时细胞就进入衰老阶段;随着我们年龄增长,细胞衰老会频繁发生,最终就会引起组织缺失以及器官衰竭。

8、端粒酶的遗传脆弱性

耶鲁大学癌症中心研究人员发现表达端粒酶的癌症细胞新的遗传脆弱性(端粒酶是驱动癌细胞盲目增长的酶)。新的研究同时表明表达端粒酶的癌细胞的生存依赖于基因p21。

研究人员发现,同时抑制端粒酶和p21能抑制小鼠肿瘤生长。端粒酶在90%以上的人类癌症中都过度表达,但在正常细胞中不过表达。对于促发肿瘤生长,端粒酶的表达是必要的。

在这项研究中,耶鲁大学队Romi Gupta带领的研究小组揭示了一种新的药物组合同时抑制端粒酶和p21,诱导端粒酶表达的癌细胞死亡。

研究者表示,如果端粒酶和p21的抑制与恢复p53抑癌基因活性的药理方法结合,那么他们的方法也适用于p53基因突变的癌症。

9、Geron端粒酶抑制剂类抗癌新药临床II期现曙光

药物开发公司Geron公布其抗肿瘤新药imetelstat的临床II期研究的积极研究数据。而凭借此研究数据。

该公司此前进行了两项小型临床II期研究以评价imetelstat在骨髓纤维化(MF)和原发性血小板增多症疾病方面的疗效,结果令人振奋。

MF研究中,33名患者中有21%的患者病情出现完全或部分消退,而某些特定基因型突变的患者对这一药物的反应率更高;而ET研究结果则更令人吃惊,全部18名参与治疗的患者都对这一疗法响应,其中16名患者血细胞数恢复到了正常水平。

Imetelstat是一种端粒酶抑制剂类药物,这类药物的研发过程一直是命途多舛。此前由于安全性问题考虑,FDA一直对这一药物的临床研究顾虑重重,因此Geron公司被迫暂停了这一药物的临床研究。然而,事情峰回路转,FDA批准了Geron公司继续开发这一类药物,且制药巨头强生公司也以9亿3千5百万美元的价格加入到了这一药物研发过程中。

10、发现促进端粒长度关键酶

自从诺贝尔生理或医学奖颁给1984年科学家发现的端粒酶以来,鉴别可以延长或缩短染色体保护性末端的其它生物学分子的相关研究一直进展缓慢;一项刊登于国际杂志Cell Reports上的研究论文中,来自约翰霍普金斯大学的研究人员通过研究发现了一种对端粒长度非常关键的酶类,这种用于寻找关键酶类的新方法或可加速科学家们寻找确定端粒长度的蛋白及机制的道路。

研究者Carol Greider教授指出,长期以来我们都知道端粒酶并不能够帮助解释为何染色体的端粒具有一定的长度,但利用其它工具似乎也很难寻找负责端粒酶正常工作的蛋白质。确定如何延长端粒的长度或将给人类健康带来巨大的影响,研究者表示,由于端粒的缩短会引发机体老化及多种疾病,然而端粒过长往往也和癌症发生直接相关。

11、揭示抑癌基因抑制端粒酶表达的机制

在癌细胞中,p53失活和端粒酶的重新激活是两个最要的生物事件。研究发现,端粒酶催化亚基(TERT)的启动子受到严谨调控,并在体细胞中保持抑制状态,以确保生命体有限的寿命,并抑制肿瘤的发生。

美国堪萨斯大学医学中心的研究人员发现,hTERT启动子被p53、p63及p73强烈的抑制。他们发现,在人类及老鼠细胞中,p53介导的抑制作用是不同的,它们分别是通过p53介导的c-Myc的转录抑制或者是通过E-box/E2F通路。

实验发现,当p63TAα通过Sp1介导抑制时,p63TAy也通过E2F信号介导了抑制作用的发生。最后,p73α及p73β通过NF-YB2也介导了对基因抑制作用。

四、TERT基因启动子突变和癌症发生

基因突变被认为是造成癌症发生的根本原因。20世纪80年代以来,一系列癌基因被成功鉴定,而寻找特定基因突变亦称为癌症遗传学研究重点之一。早

期利用全基因组关联分析(GWAS)鉴定出一些突变位点(主要集中于异染色质区),后来借助全基因组测序技术在多个基因编码区发现碱基突变,著名的如

异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)等。2013年,借助GWAS和全基因组测序两种技术在人黑色素瘤患者癌症组织中发现TERT基因调节E区(非氨基酸编码)——启动子区(影响基因转录活性的功能元件)存在高达70%以上的碱基突变。这一发现拓展了对基因突变与癌症发生关联的理解和认识(传统研究主要集中于编码区碱基错义突变或无义突变造成的蛋白质结构变异)。更为重要的是这一突变模式随后在多种类型癌症包括神经胶质瘤、肝癌、膀胱癌、甲状腺癌、卵巢透明细胞癌和肾细胞癌等均得到证实,但在突变频率上存在较大差异,突变率较高的包括原发性胶质瘤(83%)、膀胱癌(66%)、肝细胞癌(44%)等,而突变率较低的则有髓母细胞瘤(20%)、乳头状甲状腺癌(17%)、透明肾胞癌(6.4%)等。研究还表明TERT基因启动子突变与患者临床症状密切相关,发生突变的膀胱癌或神经胶质瘤等患者往往表现出肿瘤易复发、易远端转移、放化疗后预后差等特征,并且多种肿瘤数据均显示TERT基因启动子突变是癌症发生、发展和转移等过程的普遍特征。特别需要指出的是,多种癌症TERT基因启动子突变并非随机发生,而是主要集中在两个位点,-124C和-146C(基因编码起始位点定义为+1),且它们均突变为T(-124C>T和-146C>T),但这种特征背后的机制尚不清晰。

23个膀胱癌细胞系检测发现除5个细胞系TERT基因启动子未发生保守性-124C和-146c位点突变外,其余18个细胞系均存在-124C或-146C突变(-124C突变更常见),发生突变的18个细胞系相对于5个未突变细胞系,TERT的mRNA含量平均增加18倍,蛋白含量和酶活性均增加2倍,最终使细胞系的端粒长度平均增加1.8倍,这意味着膀胱上皮细胞中TERT基因的启动子突变可有效增加TERT基因转录、蛋白表达和端粒酶催化活性,通过持续延长端粒长度而逃脱正常死亡命运,最终达到“永生化”而癌变。临床标本也进一步证明TERT基因启动子突变可上调基因表达和端粒酶活性。

为了寻找TERT基因启动子-124C或-146C突变增加基因转录能力的机制,研究人员检测了突变序列与转录因子家族ETS成员结合能力的差异,首先利用RNA干扰方法依次对13个ETS因子进行验证,从中鉴定出5个潜在成员,其中GA结合蛋白A(GABPA)效应最为明显。进一步免疫共沉淀和单分子蛋白结合实验显示GABPA与突变序列结合能力显著高于正常序列。

GABPA可与GABPB形成异源二聚休GABP,随后选择性与发生-124C或-146C突变的TERT基因启动子结合,这种结合有利于激活TERT基因表达,产生过多的端粒酶催化端粒延长而克服许多癌症的复制性衰老。

至此,对TERT基因启动子突变致癌机制有了一个初步的理解:正常情况下,细胞内只产生少量TERT的mRNA和蛋白,所催化的反应不足以抑制DNA复制造成的缩短效应,最终细胞衰老和死亡;启动子-124C或-146C突变为T后可显著增加转录因子GABP的结合和激活,从而增加mRNA和蛋白含量,增加的端粒酶活性可有效保证细胞分裂过程中端粒长度保持,实现“永生化”。

五、端粒酶活性与肿瘤诊断

1994年,kim等开始应用一种灵敏的基于PCR的TRAP法来检测人体组织中的端粒酶活性。研究发现,人体大多数正常细胞和组织中均无端粒酶活性,仅在生殖系细胞、造血细胞、淋巴细胞等具有增殖潜能的细胞及大多数人类恶性肿瘤细胞(90%)中存在端粒酶活性,这表明端粒酶的活化与癌症的发生发展密切相关,而且端粒酶对于维持肿瘤细胞的生存能力是必须的。端粒酶已开始作为恶性肿瘤的标记物之一应用于临床诊断。

同时,端粒酶阳性的肿瘤比阴性的肿瘤有更大的恶性倾向。

Chadeneau等认为在结肠直肠癌中可以检测到端粒酶活性,而在结肠腺瘤息肉中未检测到;在85 %的胃癌中可检测到端粒酶活性,10例(15 %)中未检出,其中8例是早期肿瘤;Hiyama认为在I期和II期乳房癌中的端粒酶活性的百分数较晚期低;在成神经细胞瘤中端粒酶活性也与不良预后有关。可见端粒酶阳生的肿瘤患者大部分属于进展期,病变范围大,预后明显不良;而端粒酶阴性的肿瘤患者大部分属早期,预后良好。因此,端粒酶活性也是判断肿瘤恶性级数和预后的良好指标,为良性肿瘤与恶性肿瘤的区分和诊断提供了新的依据。

六、端粒酶活性与细胞永生化

kiyono等研究表明,在人角质化细胞和乳腺上皮细胞中,催化亚基hTERT的表达可诱导端粒酶活性,但是无细胞永生化发生;而当其和HPV E7一起表达时,则有细胞系在细胞分裂的临界点之后被选择下来,表明在细胞永生化过程中hTERT与HPV E7协作的重要性。

组织和细胞的种类特异性对于细胞永生化也是一个重要因素。在BJ成纤维细胞和包皮成纤维细胞中,hTERT表达导致端粒胸激活、端粒伸长和细胞寿命延长;而在IMR90成纤维细胞中,E6或是hTERT的表达却没有导致端粒延长或细胞寿命延长。可见,端粒的长度并不总是和细胞中检测到的端粒酶活性有关,因此其对端粒酶活性来讲端粒长度并不是一个可靠的标志。这同时表明存在某种细胞类型特异性调节因子来调节由端粒酶到端粒的变化,这些因子可能包括端粒连接蛋白如TRFI和TRF2,或者一些类似于酵母EST1、EST3和CDC13(EST4)的因子,它们参与端粒的延长,但不直接参与端粒酶活化。

另外,一些含DNA肿瘤病毒的人成纤维细胞的转化细胞中发现存在很长的端粒,但却未检到端粒酶活性,说明在细胞永生化中也存在非端粒酶维持机制。

七、端粒酶活性与肿瘤发生

表达病毒癌基因的细胞经过临界期后,虽然大部分死亡,但有少数细胞会发生永生化并具有端粒酶活性,这些细胞比无端粒酶活性的细胞具有生长优势,这说明在体内活化的端粒酶有助于肿瘤的形成。

端粒酶可以延长细胞寿命,在细胞永生化中与E7协作,因此端粒酶的激活可能是肿瘤形成过程中的一步,最引人注目的证据来自转基因小鼠模型。表达mTERT的转基因小鼠的肿瘤形成率会增加,但端粒酶不能单独或直接导致肿瘤形成,这些形成肿瘤的小鼠可能伴随其他癌基因的表达,或者缺失某些抑癌基因,或者用化学致癌物处理过。

但是,不同的细胞类型对hTERT表达的反应不同,说明只在某些细胞类型中hTERT参与肿瘤的形成,可能这些细胞类型中存在一些必需的辅助因子。尽管这些细胞类型特异性不同,但hTERT在细胞永生化过程中具有与E7协作的能力,还是表明端粒酶具有协助癌基因的功能。同时,现在的研究已经清楚组织培养模型不能反映在体肿瘤中的端粒酶激活途径,因为肿瘤形成是一个多步骤的复杂过程,涉及细胞大量变化,而离体的细胞永生化只是模仿肿瘤形成途径中的其中一步。

尽管端粒酶激活后可以促进癌细胞生长和增殖的机制还不十分清楚,但至少人们认为端粒酶除维持端粒长度以外,很可能还具有其他作用。例如,端粒酶活性由于参与Akt、PI3K、c-Abl以及p53等DNA损伤信号,其可能在修复基因组DNA损伤中起作用,可促进肿瘤细胞存活和增殖。另一方面,缺乏端粒酶活性不利于肿瘤的存活。当端粒缩短到临界长度时,只有癌细胞激活端粒酶后才可以避免端粒的缩短,同时避免染色体融合及癌细胞死亡。

近年来的证据显示活化的端粒酶对人类肿瘤生长确实扮演着重要角色,端粒酶基因可能是一种癌基因。

八、端粒酶与癌症靶向治疗

端粒酶是所有癌症亚类细胞,包括癌干细胞、永生化所必需的成分,是癌组织中特异表达的关键酶,与肿瘤细胞无限增殖密切相关。端粒酶在癌细胞表面表达特异抗原,是癌细胞的标记之一,而且在正常和肿瘤组织之间,端粒酶表达、端粒长度和细胞动力学存在明显的差异,提示靶向端粒酶可能是一种安全有效癌症治疗方法,具有特异性强、副作用小等传统方法所不具有的优点。针对端粒酶这一特异靶点的靶向治疗,可以利用免疫学基本原理,研发端粒酶疫苗,通过抗原的特异性识别有效杀伤癌细胞。同时,也可以利用在正常和肿瘤组织中端粒酶表达的巨大差异,研发针对癌细胞端粒酶的抑制剂,用于癌症的治疗。

研究证实,端粒酶表达水平与恶性肿瘤之间存在强相关性,这使得端粒酶已经成为临床诊断中广谱的恶性肿瘤标记物。因此人们期望通过抑制端粒酶活性来抑制肿瘤细胞的生长和增殖,从而达到治疗癌症的目的。同时,端粒酶在恶性和正常组织中表达的巨大差异性,表明抗端粒酶治疗或端粒酶抑制剂若应用于临床,其可能会对于肿瘤细胞显示良好的选择性,而对正常组织具有较低毒性。这种在正常和肿瘤组织中的表达差异使得抗端粒酶治疗比那些经典的化学疗法更具吸引力。

现已发现特异性端粒酶RNA的反义核苷酸、反义多肽核酸及核酶,以及一些逆转录酶抑制剂,还有对端粒酶高度特异的混合药物等均可抑制端粒酶活性。尽管这些抑制剂的效果尚未在人类癌症的临床实验上得到证实,但是来自培养细胞模型和小鼠细胞的证据都显示,这些抑制剂对于抑制肿瘤生长是有效的。另外,这些抑制剂可以被联合使用以加强效果。研究表明,端粒酶抑制剂在抗端粒酶治疗中,肿瘤细胞还将持续生长并经历20-30次分裂,直到端粒到达临界长度才导致肿瘤细胞衰老。但也有证据显示在某种条件下,端粒酶抑制剂会直接导致细胞凋亡反应。

但是,靶向端粒酶要作为一种肿瘤治疗药物应用于临床,仍有很多问题有待解决。例如长时间的抑制对表达端粒酶的正常细胞,如生殖细胞、造血细胞等可能会造成一定影响,因此在端粒酶抑制剂被应用到癌症治疗之前,必须明确端粒酶活性在正常干细胞中的作用及机制。此外,显然还有少数永生化细胞和肿瘤细胞不表达端粒酶活性,其延长端粒和维持细胞增殖的机制是什么;端粒酶在肿瘤的恶性级数进程中何时被激活,端粒酶活性的变化过程是否涉及良性肿瘤向恶性肿瘤转化,又如何与预后相联系;端粒酶活性如何调节端粒长度和细胞寿命等。虽然端粒酶表达于多数肿瘤,但各种肿瘤的表达量有较大差异,有的由于表达过低而难以进行有效治疗。对端粒酶的免疫耐受也是难以解决的问题之一。因此,进一步更深入地研究端粒酶及其激活机制与调节途径,无疑将有助于阐明肿瘤发生、发展的机制,也为利用端粒酶进行肿瘤的临床早期诊断和生物学治疗提供更可靠的理论依据和更广阔的前景。


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