|
@海參 復(fù)旦藥學(xué)院 抗衰老先鋒研究媛 夏眠動物 導(dǎo)語 2009年，因為“發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶是如何保護染色體的”這一研究成果，Elizabeth Blackburn、Carol Greider以及Jack Szostak獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，頒獎?wù)邔ζ?strong>“有望揭開衰老與癌癥的奧秘”的高評價也使端粒與端粒酶正式進入了大眾的視線。  如今十年過去，筆者在查閱資料前也充滿期待：十年??！不說成熟的抗衰老手段，苗頭總有一些了吧？ 于是……??  然后……??  再然后……??  什么？人類已經(jīng)攻克了端粒酶，大步邁向永生了？哦不好意思，文獻檢索的姿勢錯了。??關(guān)掉小紅書，打開Scifinder/Pubmed/GCBI……咱們來好好聊聊端粒酶與衰老這個嚴(yán)肅的話題。  細(xì)胞分裂的極限  很久以前，人們認(rèn)為細(xì)胞的分裂是沒有窮盡的。 1921年，生物學(xué)家Alexis Carrel通過給培養(yǎng)皿中的雞心臟細(xì)胞不斷添加肉汁培養(yǎng)液，發(fā)現(xiàn)其培養(yǎng)的雞心臟細(xì)胞可以無限增殖，且不會出現(xiàn)任何衰老的跡象。這項細(xì)胞培養(yǎng)工作一直進行到1946年Alexis Carrel去世。因此當(dāng)時的學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，細(xì)胞是永生的[1]。  直到幾十年以后，Leonard Hayflick和Paul Moorhead等人對此項研究結(jié)果提出了質(zhì)疑：Carrel在實驗過程中所提供的肉汁培養(yǎng)液中沒有完全去除血清中的活細(xì)胞。所謂能無限傳代的細(xì)胞不是來自雞心的細(xì)胞，而是每次添加的新細(xì)胞[2]。 他們在重復(fù)Carrel的實驗過程中嚴(yán)格避免帶入新的細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的分裂次數(shù)時有限的。在經(jīng)歷了有限次數(shù)（40-60次）的分裂以后，細(xì)胞會逐漸衰老而無法進一步分裂[3]。至此，Hayflick推翻了學(xué)術(shù)界關(guān)于細(xì)胞永生的理論，并且根據(jù)自己的研究結(jié)果提出了“海弗利克極限”的概念[3]。 為什么細(xì)胞的分裂會有極限呢？這可以從DNA的復(fù)制說起。 DNA的復(fù)制與端粒 DNA螺旋的末端也被稱為阿克琉斯的腳踝，細(xì)胞每分裂復(fù)制一次，末端就會丟失一小段序列。原來啊，DNA的復(fù)制特別講究，必須滿足兩個特殊的要求：①必須沿5’端至3’端進行；②必須有引物。  有些讀者對生物課本可能還有印象，即DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制，意思是兩條雙鏈分開后各作為模板，按照“堿基互補原則”一點點添上新鏈。  雙鏈結(jié)合時有方向，解開時自然也有方向：先導(dǎo)鏈?zhǔn)?’→5’，后隨鏈?zhǔn)?’→ 3’，這是科學(xué)家為了方便描述人為規(guī)定的?？傊?，“必須沿5’端至3’端復(fù)制”意味著先導(dǎo)鏈能夠連續(xù)復(fù)制，而后隨鏈的復(fù)制只能不連續(xù)進行，合成的小段DNA被稱為“岡崎片段”。  兩條DNA鏈有不同的復(fù)制方式 DNA在開始復(fù)制前還必須有“引物”。引物是一小段直鏈DNA或RNA，顧名思義，起引導(dǎo)、定位的作用。因此后隨鏈上新合成的序列其實是由“……引物-岡崎片段-引物-岡崎片段……”組成。  綠色：引物；紅色：岡崎片段 看上去至少是一條完整的鏈了，不過復(fù)制并沒有就此結(jié)束，還需要進一步加工：切除引物，填補空缺，用正確的DNA序列替換后隨鏈上的引物。 DNA的復(fù)制就是在這一步丟了一截：鏈中間的引物被切除，前方還有岡崎片段，沿著片段往后填補即可；可鏈最前端沒有可以定位的序列，因此引物被切除后無法填補空缺。 因此這種特殊的復(fù)制過程會導(dǎo)致DNA復(fù)制后的兩條鏈不一樣長，以后隨鏈為模板的DNA丟失一小段末端序列。如果繼續(xù)復(fù)制，就會導(dǎo)致末端不斷丟失： 如果沒有解決措施，最終一定會遺失重要基因。 而端粒其實就是位于染色體末端的“炮灰”。你可以把它想象成一條鞋帶兩端的塑料殼，承擔(dān)傷害以防止鞋帶本體散架。 左側(cè)：在沒有端粒酶的保護下，隨著細(xì)胞的分裂，端粒的丟失導(dǎo)致染色體損傷 右側(cè)：端粒酶保護端粒，使整個染色體在每一輪細(xì)胞分裂中都得到完整的復(fù)制 當(dāng)然更準(zhǔn)確的定義是：???? 端粒是由染色體末端非編碼DNA重復(fù)序列以及一系列相關(guān)蛋白組成的DNA-蛋白復(fù)合體。其特征是高度保守、重復(fù)且不攜帶遺傳信息。人端粒的DNA序列是5'-TTAGGG-3’重復(fù)序列，長約 15～20 kb[4]。 過去科學(xué)家們曾把處于染色體末端、不編碼任何蛋白質(zhì)的端粒稱為“垃圾DNA”，可正是所謂的垃圾DNA承載著保護遺傳信息的重任。除了擔(dān)任細(xì)胞的“分裂時鐘”，端粒還有其他重要作用，如防止染色體之間胡亂連接[5]、通過“端粒位置效應(yīng)”影響基因表達[6]，與阿爾茲海默癥、心血管疾病等均有關(guān)系，這里不詳述了。 隨著細(xì)胞的不斷分裂，端粒不斷磨損，使基因表達模式發(fā)生改變，從而導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)衰老——這就是海弗利克極限背后的生物學(xué)機制。 端粒的修復(fù) 當(dāng)端粒隨分裂而磨損到一定程度就需要端粒酶出馬了，科學(xué)研究證實：端粒酶能把磨損的端粒重新縫補好，從而延長細(xì)胞分裂的次數(shù)。 端粒酶是含有短RNA分子的蛋白質(zhì)復(fù)合物，具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性。說白了就是，這種酶能夠以端粒為引物，以自身為模板，回過頭來制造DNA。 在細(xì)胞周期的S期，端粒酶通過hTERT的TEN域與端粒蛋白復(fù)合體中的TPP1相互作用被募集到端粒中，從而維持端粒的長度[7]，簡單過程如下：???? 人類端粒酶的RNA成分已被成功克隆，它包括與端粒重復(fù)序列互補的11個核苷酸：5′-CUAACCCUAAC-3′。 雖然端粒酶延長端粒理論上可以無限期進行，但是連接在端粒雙鏈上的蛋白質(zhì)作為端粒酶活性的弱抑制劑，小心地調(diào)節(jié)著端粒的長度。當(dāng)端粒很短時，這些蛋白與端粒結(jié)合變少，端粒酶活性會被激活；當(dāng)端粒變長時，這些蛋白質(zhì)會積累并抑制端粒酶，使其不能無限延長端粒。 以上是對端粒與端粒酶的總體介紹，下一期我們將著重解決一個疑問：激活端粒酶究竟靠不靠譜？能不能讓人青春永駐？咱們下期見~???? 端粒的分子結(jié)構(gòu)｜選讀 端粒是由非編碼DNA重復(fù)序列與相關(guān)蛋白組成的DNA-蛋白復(fù)合體，可自行循環(huán)形成二級結(jié)構(gòu)，稱為t循環(huán)。t-循環(huán)包含6種主要蛋白: 端粒重復(fù)結(jié)合因子1（TRF1）、端粒重復(fù)結(jié)合因子2（TRF2）、TRF1-相互作用蛋白2 (TIN2)、抑制/激活蛋白1（RAP1）、端粒保護蛋白1 (POT1)和三肽氨基肽酶1（TPP1）[8]。它們的主要功能有： TRF1和TRF2：特異識別端粒重復(fù)序列，抑制損傷信號傳導(dǎo)[9]； TIN2：端粒雙鏈和單鏈結(jié)合復(fù)合物之間的連接樞紐； POT1：與端粒單鏈懸垂相連，阻止它被DNA損傷機制識別[10]； TPP1：促進POT1的結(jié)合，并介導(dǎo)端粒酶與端粒結(jié)合[11]。 正是在這六種蛋白質(zhì)的共同作用下，端粒的t-循環(huán)結(jié)構(gòu)才可以維持在穩(wěn)定狀態(tài)[12]。 當(dāng)端?？s短到臨界水平，其末端形成保護蛋白復(fù)合物的蛋白質(zhì)就不能與端粒序列結(jié)合，也就不能再發(fā)揮在染色體末端“封頂”的作用。此時，細(xì)胞會失去再分裂的能力，最終衰老死亡。 端粒酶的分子結(jié)構(gòu)｜選讀 端粒酶是真核細(xì)胞中一種具有逆轉(zhuǎn)錄活性的核糖核蛋白聚合酶，分子量約500-1500KDa，主要由端粒酶模板RNA（TERC) 、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT) 及端粒酶相關(guān)蛋白(TEP)三部分組成[13]。 TERT蛋白共包含四個功能域：端粒酶N端區(qū)域（TEN域）、TERC結(jié)合區(qū)域(TRBD)、逆轉(zhuǎn)錄酶區(qū)域（RT）和C端延伸區(qū)域(CTE)[14]，在增加定位功能、誘導(dǎo)端粒結(jié)合以及參與端粒重復(fù)合成的催化中起著關(guān)鍵作用[15]。 TERC也由四個功能區(qū)域組成：逆轉(zhuǎn)錄模板區(qū)域、偽結(jié)區(qū)域、莖環(huán)和a3區(qū)域。其中，逆轉(zhuǎn)錄模板區(qū)域主要是作為端粒DNA合成的模板；偽結(jié)區(qū)域和莖環(huán)主要負(fù)責(zé)與TERT連接；a3區(qū)域主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定細(xì)胞核中的RNA，促進端粒酶定位[16]。 人體內(nèi)幾乎所有的細(xì)胞中均普遍表達TERC，然而TERT卻僅在部分特殊細(xì)胞（生殖細(xì)胞、干細(xì)胞和大部分腫瘤細(xì)胞）中表達，說明TERT是端粒酶表達的關(guān)鍵成分[17]。 不論是TERC還是TERT缺乏，均會導(dǎo)致端粒縮短、基因組出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況。此外，端粒酶的功能障礙可能也會導(dǎo)致各種高增殖細(xì)胞或組織出現(xiàn)生理性缺陷，從而引起疾病[18]。 END 參考文獻 [1] Carrel, A. & Ebeling, A. H. Age and multiplication of fibroblasts. J. Exp. Med. 34, 599–606 (1921). [2] Hayflick, L. & Moorhead, P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 25, 585–621 (1961). [3] Hayflick, L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 37, 614–636 (1965). [4] Blackburn EH. 2005. Telomeres and telomerase: their mechanisms of action and the effects of altering their functions. FEBS Lett 579: 859–862. [5] J.W. Shay. Role of telomeres and telomerase in aging and cancer. Cancer Discov, 6 (2016), pp. 584-593. [6] J.A. Baur, Y. Zou, J.W. Shay, W.E. Wright. Telomere position effect in human cells. Science, 292 (2001), pp. 2075-2077 [7] Venteicher AS, Meng Z, Mason PJ, Veenstra TD, Artandi SE. 2008. Identification of ATPases pontin and reptin as telomerase components essential for holoenzyme assembly. Cell 132: 945–957. [8] Palm W, de Lange T. 2008. How shelterin protects mammalian telomeres. Annu Rev Genet 42: 301–334. [9] Ye JZ-S, Donigian JR,. 2004. TIN2 binds TRF1 and TRF2 simultaneously and stabilizes the TRF2 complex on telomeres. J Biol Chem 279: 47264–47271. [10] Baumann P, Cech TR. 2001. Pot1, the putative telomere endbinding protein in fission yeast and humans. Science 292: 1171–1175. [11] Denchi EL, de Lange T. 2007. Protection of telomeres through independent control of ATM and ATR by TRF2 and POT1. Nature 448: 1068–1071. [12] Liu D, Safari A, O’Connor MS, Chan DW, Laegeler A, Qin J, SongyangZ.2004. PTOP interacts with POT1 and regulates its localization to telomeres. Nat Cell Biol 6: 673–680. [13] Armanios M, Blackburn EH. 2012. The telomere syndromes. Nat Rev Genet 13: 693–704. [14] Gillis AJ, Schuller AP, Skordalakes E. 2008. Structure of the Tribolium castaneum telomerase catalytic subunit TERT. Nature 455: 633–637 [15] Jurczyluk J, Nouwens AS, Holien JK, Adams TE, Lovrecz GO, Parker MW, Cohen SB, Bryan TM. 2011. Direct involvement of the TEN domain at the active site of human telomerase. Nucleic Acids Res 39: 1774–1788. [16] Lai CK, Mitchell JR, Collins K.2001.RNA binding domain of telomerase reverse transcriptase. Mol Cell Biol 21: 990–1000. [17] W. Kim, A. Ludlow, J. Min, G. Stadler, J.D. Robin, N. Zhang, I. Mender, W.E. Wright, J.W. Shay Regulation of the human telomerase gene TERT by telomere position effect over long distance (TPE-OLD): implications for aging and cancer. PLoS Biol, 14 (2016) [18] J.D. Robin, F. Magdinier. Physiological and pathological aging affects chromatin dynamics, structure and function at the nuclear edge. Front Genet, 7 (2016). |
|
|
