第31卷第1期湖南农业大学学报(自然科学版) V ol．31 No．1 2005年2月Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences) Feb．2005
文章编号：1007-1032(2005)01-0098-08
朱雅新1，2，麻 浩1＊
(1.南京农业大学大豆研究所，江苏南京 210095；2.新疆农业大学农学院，新疆乌鲁木齐 830052)
摘要：端粒是构成真核生物线状染体末端重要的DNA—蛋白质复合结构，DNA由简单的串联重复序列组成．它的合成由一个特殊的具有反转录活性的核糖核蛋白端粒酶完成．端粒对染体、整个生物基因组，甚至对细胞的稳定都具有重要意义．端粒酶是由RNA模板和蛋白亚基组成的核蛋白颗粒．它解决染体的末端问题，归属于逆转录酶家族又和逆转录酶有一定的差别．端粒酶的过度表达和细胞的永生化和癌变直接相关．端粒酶的结构和功能决定了它在肿瘤与癌症等方面具有广泛的应用前景． 关键词：端粒；端粒酶；结构与功能；细胞永生化；癌症
中图分类号：Q52 文献标识码：A
Structure，Function and Application of Telomere and Telomerase
ZHU Ya-xin1，2，MA Hao1*
(1.Soybean Research Institute，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Agricultural College，
Xinjiang Agricultural University，Wulumuqi，830052，China)
Abstract: Telomere is an important DNA-protein structure．It caps the ends of linear eukaryotic chromosomes．Telomeric DNA consists of tandemly repeated simple sequences．Telomere is synthesized with the action of telomerase，a ribonucleoprotein with reverse transcriptase activity．Telomere plays an important role in maintaining the stability of intact chromosome，genome and cell．Telomerase is a ribonucleoprotein responsible in most eukaryotes for replication of the end of chromosomes．Its RNA subunit acts as a template for the systhesis of telomeric DNA，while a protein component catalyzes this process to make up for convertional DNA polymerases’ inability to replicate completely the end linear DNA．It belongs to the reverase transcriptase family but differs from reverse transcriptase．The overexprossion of telomerase has close relationship with cell’s immortalization and tumorigenesis．The structure and function of telomerase suggest its extensive a
pplication in the near future．
Key words: telomere；telomerase；structure and function；cell immortalization；tumor treatment
20世纪30年代，遗传学家Mc Clintock和Muller分别在玉米和果蝇中发现损伤断裂后的染体末端之间极易发生连接，从而形成各种类型的染体畸变，如末端融合形成环状体或形成双着丝点染体．但染体的天然末端似乎从来不与染体断裂产生的那种末端连接，天然末端之间也不结合，就像有一顶“帽子”那样维持着染体末端的稳定．于是Muller提出位于染体两端的片段在细胞里具有重要的作用，并命名它为端粒(Telomere)[1]，这是由希腊语“末端”(Telos)及“部分”(Meros)组成的． 20世纪70年代，Blackburn利用四膜虫(Tetrah- ymena)进一步揭示了端粒的初步结构，发现它是由几个核苷酸(富含G)组成的DNA重复片断，重复的次数由几十到数千不等．1972年，Watson发现了这样一个问题，即DNA多聚酶是不能够复制线性染质的全部的，由于在末端缺少5′端的引物，DNA 多聚酶将不能完成最后的复制工作，而留下一个单链的间隙．如果这一间隙不能被填充的话，染体
收稿日期：2004-05-27
公安机关办理刑事案件程序规定2013基金项目：农业部“948”项目(2001-207)；江苏省“十五”攻关项目(Q200126)
作者简介：朱雅新(1968-)，女，汉族，山东潍坊人，硕士研究生．*通讯作者：E-mail：lq-ncsi@njau.
edu
第31卷第1期 朱雅新等 端粒和端粒酶的结构与功能及其应用99
DNA将失去这一DNA片断，这样的话，每经过一次复制、分裂，染体就将丢失一部分的端粒结构，直至影响到与端粒相邻的一些重要基因．因此科学家们考虑是否存在着一种不同于DNA多聚酶的酶来完成这一工作．
1984年，Greider和Blackburn发现将一段单链的末端寡聚核苷酸加至四膜虫的提取物中后，端粒的长度延长了，这说明确实有这样一种酶存在，将它命名为“端粒酶”(Telomerase)[2]．进一步的研究揭示了端粒与端粒酶在细胞的生长及肿瘤预防和防治中有非常重要的意义，现正成为一个热点研究领域．
1 端粒和端粒酶的结构
天宝系
1.1 端 粒
端粒是真核细胞染体末端的特殊结构，是由端粒DNA和与端粒DNA特异结合的端粒结合蛋白组成的核糖核酸的蛋白质复合物[3]，在真核生物包括原虫、真菌、纤毛虫、植物和哺乳动物中都存在．端粒DNA由非编码的重复序列组成，不同物种的DNA重复序列的重复数不同，如人与其他脊椎动物约为2 000个[4]，拟南芥是53个拷贝．不同的真核细胞端粒存在类似的DNA序列与结构，且高度保守[5]．其
共同的特征是富含G，而且富含G 的链(5′→3′)比富含C的链(3′→5′)突出12~16个核苷酸．
尽管端粒DNA是染体末端的一个结构，但在染体的中间也发现了同样的重复序列．与端粒DNA相邻的是一“端粒下区”(subtelomeric region)，它由一些退化的端粒DNA片断独特的重复片断组成．
端粒除简单的核苷酸重复外，还包含有特殊的非核小体蛋白端粒结合蛋白．端粒结合蛋白依据结合特性分为两大类[6]：(1) 双链TBPs (double-strand TBPs)．这是一类可特异地与双链端粒重复序列结合的蛋白质，它在端粒长度的维持中具有重要作用，而且对端粒具有保护和调节功能[7]，如人细胞的TRF1，TRF2，芽殖酵母(S. cerevisiae)的Rap1p，裂殖酵母(S. pmpbe)的Taz1p，这4种都在羧基末端含有一个与瘤蛋白的Myb高度同源的DNA结合区，能特异性结合端粒DNA双链．其中TRF1，TRF2已证实是负性的端粒长度的调节因子，它们的过度表达可以使端粒长度逐渐缩短[8]．植物中结合于端粒双链区的蛋白已从玉米和拟南芥中得到[9，10]，最近水稻编码双链结合蛋白RTBP1的基因已被克隆，此基因编码的蛋白质为70 kD，其C端含有一个与其他端粒结合蛋白如TRF1，TRF2，Taz1p非常相似的Myb样端粒DNA结合域[11]．虽然在植物中已识别了这些端粒结合蛋白，但对其功能的研究尚属空白[12]．(2) 单链TBPs(single-strand TBPs)．可结合于3′单链突出的末端，对于染体末端的“戴帽”，以及端粒酶活性的调节具重要作用[13]，如：芽殖酵母Est1p，Cdc13p可以为端粒酶结合端粒提供识别和结合位点，同时Cdc13p有助于把端粒酶招募到染体末端保护染体免遭降解[14]．这两种蛋白与端粒的片断结合后，形成称为“端粒体”(telosome)的结构，使之产生独特的物理结构，同时也行使端
粒的一些功能．
1.2 端粒酶
端粒酶是一种能将真核生物染体末端DNA 端粒DNA加以延伸的酶．它是一种核酸蛋白质复合物．目前认为端粒酶是由端粒酶RNA组分(telomerase RNA，TR)，端粒酶相关蛋白和端粒酶催化亚基(telomerase reverse transcriptase，TERT)三部分组成的蛋白质复合物[15，16]．
端粒酶结构中的核酸部分为RNA，又分为模板区与非模板区．模板区决定所合成端粒的特异性，非模板区具有酶与底物的结合位点．模板区的长度一般为端粒重复序列长度的1~1.5倍．不同物种端粒酶RNA部分的核苷酸组成存在差异．如最早研究的四膜虫端粒酶RNA为159 nt的小RNA，其中46，47和48位的核苷酸被修饰过，而这一位置有CAACCCCAA结构，可与四膜虫端粒的重复序列TTGGGG互补．又如Euplotes(游仆虫)端粒酶RNA 有191个核苷酸，模板区为5′CAAAACCCCAAA，小鼠端粒酶RNA有430个核苷酸，模板区为5′CCUAACCCUGAG，大鼠端粒酶RNA模板区为5′UCUAACCCUAUU，中国仓鼠端粒酶RNA模板区为5′UCUAACCCUGAA．
1995年，Feng等[17]克隆了人类端粒酶RNA基因(hTR基因，位于3p6.3)，在长约450个碱基的人
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端粒酶RNA序列中，有一段长11个核苷酸的区域(5′-CUAACCCUAAC-3′)与人端粒序列(TTAGG- G)n互补，发生在该模板区域的hTR突变将导致端粒酶功能的改变．
对已研究的不同物种的端粒酶进行比较发现，它们之间的RNA链同源性较低，将脊椎动物的TR 二级结构与四膜虫的比较发现，它们的二级结构非常相似，有4处发卡结构形成4个小的和一个大的环形单链区，端粒DNA的模板RNA即位于此区内．端粒的延长即通过该区与端粒DNA结合后进一步完成[15]．
1995年，Greider等在四膜虫中分离出两种端粒酶蛋白亚单位p80和p95，并且克隆出它们的基因．1997年在人、小鼠、大鼠中也克隆了四膜虫p80的同源物，在人与小鼠中称为TP1，在大鼠中称为TLP1．TP1和TLP1有一与p80同源的结构域，位于氨基末端，这正是与TR特异性结合的部位．对TP1和TLP1的mRNA的表达并不限于有端粒酶活性的组织和细胞系，各组织间的水平差异与端粒酶活性无关．因此，端粒酶活性的表达并不是由这一部分决定的[15]．
端粒酶的TERT组分最先在游仆虫中被鉴定出，随后在包括人、老鼠、裂殖酵母、芽殖酵母等有机体内都检测到了端粒酶催化亚基活性的存在并克隆出了它们的TERT基因．端粒酶的催化亚基从游仆虫到酵母到人结构都非常保守，它们都含有端粒酶特有基元T和7个保守的反转录酶基元．端粒酶催化亚基中氨基酸的保守性对端粒酶发挥其正常的功能起重要作用．
1999年研究清楚了人类hTERT(Human telom- erase reverse transcriptase)的基因结构[18]．它超过37 kD，并且由16个外显子组成，制造127 kD的hTERT 和一个新的断裂变异体．转录起始点在hTERT的cDNA首位核苷酸上游19 bp处．启动子区域不包含TATA和CAAT盒，结构是富含GC的CpG岛，并包括由ATG起始密码上游的1 100 bp，其核心启动子有181 bp，包括一个c-myc结合点，E-盒(CACGTG)和一个转录子Sp1．体外转化研究证实hTERT在转录水平调控是一个直接的途径．与P123(游仆虫)、Est2P(芽殖酵母)和Tri1P(裂殖酵母)端粒酶的催化亚基进行序列分析和比较，hTERT在保守区域和它们具有广泛的序列一致性(46%~49%)．所有这些端粒酶催化亚基都具有逆转录酶的共同结构即7个蛋白质域[19]以及端粒酶催化亚基独特的保守区域，称为T模体，位于多肽的中间和7个保守的逆转录模板(RT)的上游，去除T模体(560FFYVTE565)或单个氨基酸变异(如F561A)会显著降低端粒酶活性[8]以及与TR的结合能力[15]．另外，在延长的N末端区，还发现了另一个端粒酶特异性结构T2模体，对T2模体的单个氨基酸残基进行选择性变异，同样也会导致端粒酶活性丧失[20]．最近发现存在hTERT-mRNA的不同剪接体[21]．HTERTa剪接体在逆转录酶区域A内丢失12个氨基酸，hTERTdeta剪接体在逆转录酶区域B上游丢失182个碱基，造成下游的移码突变．另外一剪接体编码变异羧基．重组实验表明只有完整的hTERT转录产物才表达端粒酶活性．在人组织器官发育过程中，这些剪接体可能替代全长hTERT，改变端粒酶活性．不同的hTERT蛋白也有可能组成一系列端粒酶全酶，在细胞分化不同阶段发挥不同的生理功能．在大多数情况下，hTERT的表达是端粒酶活性表达的限速步骤．
2 端粒的合成
2.1 端粒酶与逆转录酶的异同点
端粒酶以RNA为模板催化合成DNA，其结构和催化合成端粒的机制都与逆转录酶相似，人们也因此把它归类于逆转录酶家族．虽然端粒酶的结构和功能都已表明它隶属于逆转录酶家族这一事实确凿无疑，然而进一步的蛋白质序列分析表明，端粒酶和反转录病毒及反转录转座子之间存在着明显的差别：如端粒酶中的T基元是在其他逆录酶中不存在的专属于端粒酶的特有基元，端粒酶中基元A 和基元B′之间的距离明显长于其他转录酶之间的距离[22]．
Ware等[23]总结了原生动物四膜虫端粒酶和反转录病毒的逆转录酶之间的几个较为明显的差别：
(1) 反转录病毒能以不同的RNA分子作为模板合成DNA，而端粒酶的模板则限定于它分子本身内部的RNA．(2) 反转录病毒能以一段很长的RNA
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序列作为它的模板，而端粒酶只局限于模板区的少数碱基，其模板的界限由RNA分子的二级结构和端粒酶分子本身含有的信息所界定．(3) 端粒酶能一次应用同一DNA引物和RNA模板进行多次端粒重复序列的合成，而逆转录酶病毒一次只合成一段DNA．
2.2 端粒的复制
网络对话>骑脖子
细胞有丝分裂需要染体的复制，按照经典的复制模式，染体DNA双链不能完全复制后续链上的最后几个核苷酸，造成子代细胞中DNA双链的其中一条链(5′端)缩短而另一条链(3′端)形成富G的突出链．所以每次细胞分裂就会造成端粒相应地缩短，这就是所谓的“末端复制问题”．真核生物依靠端粒酶解决染体的末端复制问题．端粒酶发挥作用时，它直接作用于端粒的领先链进行阵发式的延伸，而端粒的滞后链是由DNA聚合酶按照常规的方式合成的，且端粒领先链与滞后链的合成紧密相关．事实上，当滞后链的聚合酶出现某些缺陷时，端粒酶也不再介导领先链的合成．如果滞后链不伴随领先链的合成而延长的话，端粒酶将在染体的末端产生一段很长的单链片段，这种单链片段不仅容易引起染体的高度重组，而且极容易被视作DNA损伤的信号引起细胞周期检测点的抑制．因此，领先链和滞后链的相伴而行对提高基因组的稳定性具有极其重要的意义[22]．
端粒酶作用的端粒复制机理，在已发现的酶中是不到先例的，它的机制也不很清楚，但已提出了一些模型[5]．以四膜虫为例，酶的内部模板先是通过碱基配对与端粒的3′端的TG链结合，然后根据模板的序列延伸TG链．在合成一拷贝的重复序列后，端粒酶必须调整位置以便进一步延伸端粒．这是通过新合成的TG链回折并藉非标准碱基配对形成发夹结构实现的，这称做尺蠖模型．当TG 链进一步延伸至一定长度时，又回折形成发夹结构，从而使其末端成为合成互补CA链所需的引物[6]．
2.3 端粒长度的调节
虽然某些细胞中存在着端粒延长机制，但是它们的端粒并没有无限制地延长，而是保持在一定的范围内波动，说明细胞内存在调节端粒长度的自身平衡机制[24]．近年来在人和酵母的细胞中发现参与调控端粒长度的蛋白质，并且有人提出了“端粒长度的蛋白质计数机制”．
不锈钢锻件标准Smogorzewska等[24]提出了最新的端粒长度调节的蛋白质计数机制：TRF1和TRF2不仅能和双链DNA结合，而且结合后能使端粒变构弯曲，使单链3′突出链插入到其所在染体附近的双链中，形成环状弯曲(loop)，以至端粒酶失去作用部位，从而不能延长端粒．细胞中的端粒有两种状态：一种是“开”，这种状态环状弯曲是打开的，允许端粒酶作用；另一种是“关”，这种状态环状弯曲是关闭的，阻止端粒酶的作用．假设一开始端粒是打开的，那么在端粒酶的作用下端粒延长，随即结合到端粒上的端粒结合蛋白(TRF1和TRF2)的数量增加，当数量达到一定的临界值时，触发端粒的环状弯曲关闭，端粒酶失去作用部位，伴随细胞的有丝分裂端粒逐渐缩短；当端粒结合蛋白(TRF1和TRT2)数量下降到一定的临界值时，又触发端粒的环状弯曲打开．细胞内重复着上面的过程，端粒的长度就被控制在一定范围内波动．这就是“双链端粒重复片段的结合蛋白调节端粒长度的负反馈模型”．人们在酵母菌细胞内也发现类似的端粒调节机制．关于端粒结合蛋白的临界值是多少以及它是如何触发环状弯曲的打开与关闭的，目前还不清楚．
3 端粒与端粒酶的功能及与细胞的衰老、永
生、癌症的关系
3.1 端粒的功能
端粒高度的保守性表明端粒具有非常重要的作用．其主要功能包括：(1) 保护染体末端[25]．真核生物的端粒DNA如帽子一般保护染体末端免于被化学修饰或被核酶降解，同时可能还有防止端粒酶对端粒进行进一步延伸的作用．改变端粒酶的模板序列将导致端粒的改变，从而诱导细胞衰老和死亡．(2) 解决染体复制时末端丢失问题．细胞分裂、染体进行半保留复制时存在染体末端丢失的问题．随着细胞的不断分裂，DNA丢失过多，将导致染体断端彼此发生融合，形成双中心染体、环状染体或其他不稳定形式．端粒的存在可以起到缓冲保护的作用，从而防止染体在复制过程中发生丢失或形成不稳定结构[26，27]．(3) 细胞的
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“生命钟”．染体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的，端粒的长度决定了细胞的寿命，故而被称为“生命的时钟”[28]．(4) 固定作用．染体的末端位于细胞核边缘，人类端粒DNA和核基质中的蛋白相互作用，以TTAGGG结构附着于细胞核基质．
坠入魔法世界此外，还发现端粒存在位置效应(telomere position effect，TPE)．这是由于端粒序列改变了染体的结构，使得接近端粒处的染体区域形成异染质，而且这一区域位于核膜附近，离体条件下不易被DNaseⅠ接近，活体内不易受到DNA 修饰酶的作用．由于聚合酶和转录因子不容易接近，抑制了附近
基因的表达，这种现象称为端粒的位置效应[29]．
另外，有些研究还显示端粒与核运动有关，可能对同源染体的配对重组有重要意义．
3.2 端粒酶的功能
端粒酶的主要作用是维持端粒的长度．端粒酶不但可以维持已经存在的端粒DNA，同时端粒酶反转录酶能够识别断裂染体的末端，重新将端粒重复序列加到染体的断裂末端或非端粒DNA 上[30]．端粒酶能利用端粒3′端单链为引物，自身的RNA为模板合成端粒重复序列添加到染体末端，从而延长端粒的长度．人的生殖细胞、造血干细胞及T，B淋巴细胞中端粒酶有不同程度的表达，而在正常的体细胞中，端粒酶处于失活状态，因此体细胞随细胞分裂次数的增加端粒逐渐缩短．端粒的长度与有丝分裂次数相关，所以端粒又有细胞的“有丝分裂钟”之称[31]．
Fitzgerd[32]以几种开花植物为材料，研究了端粒酶体外合成端粒的方式，并根据端粒酶在合成端粒时对引物DNA的要求将端粒酶分为3类：第一类端粒酶要求RNA 模板与引物具严格的Watson- Crick碱基配对，如大豆和胡萝卜中的端粒酶．第二类端粒酶存在于拟南芥、玉米和花椰菜中．此类端粒酶通过将引物DNA的3′端定位于模板RNA的偏好位点来有效地延伸非端粒DNA 的末端．第三类如高粱的端粒酶，引物可以结合于模板RNA不相邻的位点上．3.3 端粒、端粒酶与细胞的衰老与永生
正常人体细胞在体外培养过程中表现有限增殖的特性．由于染体不完全复制，随着细胞分裂，染体末端序列不可避免地进行性缩短，直到某个临界点，端粒不能保护染体末端的重组和降解，细胞退出增殖周期以至衰老．Allsopp等[33]分析从胎儿到93岁不同年龄受试者纤维细胞的原代培养细胞，发现在培养过程中细胞所能分裂的次数与细胞供体的年龄无关，而与开始培养时细胞染体端粒的长短直接相关．这表明端粒的缩短与真核生物正常体细胞增生受到限制密切相关．越来越多的证据表明端粒长度控制着衰老进程，端粒的缩短是触发衰老的分子钟．在大多数正常的人体细胞中并不能检测到端粒酶的活性，端粒随细胞分裂每次丢失50~20个碱基．Cooke等认为，这是由于正常的人体细胞中端粒酶未被活化，导致了端粒DNA 缩短的缘故．保护性端粒酶的减少可能最终制约了细胞的增殖能力．当几千个碱基的端粒DNA 丢失后，细胞就停止分裂而衰老．端粒及端粒酶涉及衰老最有力的证据是Bodnar等的工作．Bodnar 等将人的端粒酶基因导入正常的细胞中，使得端粒酶异常表达．活化的端粒酶导致端粒序列异常延长，细胞旺盛增殖，细胞寿命大大延长[34]．这一结果首次为端粒钟学说提供了直接的证据．
细胞逃避衰老，获无限增殖能力需要端粒的稳定性，也就是需要端粒酶的活性来维持．Counter 用SV40或DNA腺病毒转化人原代细胞，发现细胞可逃逸M1静止期获得额外增殖能力，到达M2危机期，此时常伴有染体的异常和末端融合．而极短的端粒趋于稳定，细胞获永生化．进一步研究发现，永生化细胞的端粒稳定与端粒酶活性的启动有关．综合分析研究结果，Wright和Shay提出了细胞衰老和
永生化的“端粒−端粒酶假说”：正常胚系细胞有端粒酶活性，随着胚胎的发育成熟，体细胞端粒酶均被抑制，不显活性，端粒随细胞分裂逐渐短缩(每次丢失约50~200 bp)，直到细胞周期核查点(checkpoint)，细胞进入M1死亡期(mortality stage)，在p53或p53和RB样活性蛋白介导下退出细胞周期，细胞走向衰老和死亡．如果细胞被病毒癌基因(如SV40T抗原)转化或抑癌基因(P53，RB)突变，
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