齐齐哈尔医学院学报２０１０年第３１卷第３期 ・４２９ ・ 开启对抗衰老、治疗癌症的新纪元 杨元美 【摘要】２００９年的诺贝尔生理学或医学奖获得者在揭示端粒及端粒酶的结构与功能方面做出巨 大贡献，即揭示出端粒具有维持染色体结构的完整性、防止染色体末端降解等功能。端粒的长度与细胞 衰老有关：端粒变短，细胞就老化。端粒长度的维持主要依靠端粒酶的活性。如果端粒酶活性很高，端 粒的长度就能得到保持，细胞的老化就被延缓。端粒、端粒酶与细胞衰老、恶性肿瘤的发生有密切关系。 【关键词】端粒 端粒酶 细胞衰老 癌症 ２００９的诺贝尔生理学或医学奖被授予美国科学家伊丽 物质，称为“染色体”。染色体是遗传信息的主要携带者，是遗 莎白・布莱克本（Ｅｌｉｚａｂｅｔｈ Ｈ．Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ）、卡罗尔・格雷德 传基因的载体，对人类生命具有重要意义。细胞分裂过程中 （Ｃａｒｏｌ Ｗ．Ｇｒｅｉｄｅｒ）和杰克・绍斯塔克（Ｊａｃｋ Ｗ．Ｓｚｏｓｔａｋ），以 最重要的过程就是染色体上的遗传物质的完整复制。２ｏ世 表彰他们在研究“端粒如何保护染色体的末端以及端粒酶如 纪五六十年代，当科学家们尝试解析真核生物如何实现染色 何合成端粒”方面的贡献。他们的研究成果揭示出端粒和端 体ＤＮＡ的精确复制时，遇到一个问题：真核细胞线性ＤＮＡ 粒酶在染色体的个性特质和稳定性、细胞老化和癌症中扮演 分子的复制过程中，滞后链的复制是在５’端的ＲＮＡ引物引 的重要角色，这些研究对癌症的治疗及衰老研究方面具有重 导下，以岗崎片断的形式合成的。当复制到ＤＮＡ分子的最 要的意义。 末端，ＲＮＡ引物被水解后，势必会在５’端留下一段与引物长 １端粒的发现历史 度相当的缺口。由于ＤＮＡ聚合酶不能在没有引物的情况下 ２Ｏ世纪３０年代，遗传学家赫尔曼・穆勒（Ｈｅｒｍａｎｎ 从头合成ＤＮＡ，缺口无从填补，就会形成３’悬挂而５’隐缩的 Ｍｕｌｌｅｒ，１９４６年诺贝尔生理学或医学奖获得者）以及巴巴拉・ 不稳定粘末端。这样的粘末端带来了三个问题：一是随着细 麦克林托克（Ｂａｒｂａｒａ ＭｃＣｌｉｎｔｏｃｋ，ｌ９８３年诺贝尔生理学或医 胞的不断分裂，原先的已变短的子链成为模板链，ＤＮＡ分子 学奖获得者）在研究中发现，染色体在末端损伤断裂后极不稳 就会不断缩短下去，作为基因的载体的染色体，会在细胞分裂 定，容易丢失，末端之间极易发生连接，从而形成各种类型的 过程中逐渐缩短；二是这样的末端可能在通过细胞周期的检 染色体畸变，但染色体的天然末端似乎从来不与染色体断裂 验点时被当作是损伤的ＤＮＡ而无法进入下一阶段；三是粘 产生的那种末端连接，天然末端之间也不结合，就像有一顶 末端容易使ＤＮＡ分子的双链之间或两个ＤＮＡ分子之间发 “帽子”那样维持着染色体末端的稳定。他们认为染色体末端 生粘连，阻碍染色体的正常复制和分离，造成染色体的畸变、 可能具有维持染色体完整性的作用。Ｍｕｌｌｅｒ于１ ９３８年提出 断裂甚至丢失＿２］ 这就是所谓的“末端复制问题”，由Ｊａｍｅｓ 位于染色体两端的片段在细胞里具有重要的作用，并命名它 Ｗａｔｓｏｎ于１９７２年提出，他同时推测，真核生物需要一种特殊 为端粒ｌ】ｊ（Ｔｅｌｏｍｅｒｅ，这是由希腊语“末端”（Ｔｅｌｏｓ）及“片断” 机制来确保线性染色体末端的完整复制。布莱克本和绍斯塔 （Ｍｅｒｏｓ）组成的），然而在当时，人们还不知道端粒是如何起 克对这一机制的解读做出巨大贡献。 作用的。 ３布莱克本和绍斯塔克发现端粒对染色体的保护功能 ２染色体的“末端复制问题” 布莱克本１９４８年１１月２６日生于澳大利亚的霍巴特，父 在真核生物的细胞核中有一种易被碱性染料着色的线状 母都是内科医生，受父母影响，她从小就对医学和生物学产生 了浓厚兴趣。布莱克本分别于１９７０、１９７１年在墨尔本大学获 作者单位：临沧师范高等专科学校（云南） 得学士和硕士学位。１９７２年前往英国剑桥大学深造，１９７５年 邮 编６７７０００ 收稿日期２００９～１２—０８ 肾炎的肾纤维化进展中起作用。ＬＰＡ具有体外诱导肾小球 ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｆ ｒｏｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｖｅ ｄｉｓｅａｓｅｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｉｎｖｅｓｔ．１１１ ７ 系膜细胞的重要生物活性。因此，在此模型中阻断ＬＰＡ的效 （２００７）：５２４—５２９ 应或许可以改变肾小球和肾小管的疾病进展。 ［２］ Ｆ．Ｓｔｒｕｔｚ，Ｐｏｔｅｎｔｉａｉ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔＯ ｐｒｅｖｅｎｔ ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｆｉｂｒｏｓｉｓ ｉｎ ｒｅ～ ３小结 ｎａｌ ｄｉｓｅａｓｅ，Ｅｘｐｅｒｔ Ｏｐｉｎ ＥＪ］．Ｉｎｖｅｓｔｉｇ．Ｄｒｕｇｓ １０（２００１）ｊ 应用基因工程学和药理学等手段及实验，显示ＬＰＡ及其 １ ９８９—２ ００ｌ ＬＰＡ１受体在纤维化的发展中起重要作用。ＬＰＡ及其ＬＰＡ１ ［３３ Ｔ．Ｓａｓａｇａｗａ，Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｔ．Ｓｈｉｏｔａ，Ｔ．Ｋｏｎｄｏ，Ｍ．Ｏｋｉｔａ，Ｔｈｅ ｓｉｇ～ 受体在不同组织中促纤维化的作用机制包括刺激成纤维细胞 ｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｌｙｓｏｐｈ０ｓｐｈｏｌｉｐｉｄｓ ｉｎｐａｔｉｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｒｅｎａｌ ｆａｉｌ～ 迁移、增加血管通透性和细胞分泌ＣＴＧＦ。这些结果显示 ａｒｅ Ｏｎ ｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｎｕｔｒ．Ｓｃｉ．Ｖｉｔａｍｉｎｏ１．（Ｔｏｋｙｏ）．４４ （１９９８）：８０９—８１８ ＬＰＡ１受体或许可能成为治疗纤维化的新的治疗靶点。在肾 ［４３ Ｋ．Ｎａｇａｔｏｙａ，Ｔ．Ｍｏｒｉｙａｍａ，Ｎ．Ｋａｗａｄａ，Ｍ．Ｔａｋｅｊｉ，Ｓ．Ｏｓｅｔｏ，Ｔ． 脏中，ＴＧＦｔ３是其中一个与肾纤维化有关的促纤维化因子，但 Ｍｕｒｏｚｏｎｏ，Ａ．Ａｎｄｏ，Ｅ．Ｉｍａｉ，Ｍ．Ｈｏｒｉ，Ｙ一２７６３２ ｐｒｅｖｅｎｔｓ ｔｕｂｕ— 由于ＴＧ即还有许多其他的生物活性，通过阻断他来缓解肾 ｌｏｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｆｉｂｒｏｓｉｓ ｉｎ ｍｏｕｓｅ ｋｉｄｎｅｙｓ ｗｉｔｈ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ ｕｒｅｔｅｒａｌ 纤维化似乎不大现实。最近提出或许阻断ＣＴＧＦ可以用于 ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ３．Ｋｉｄｎｅｙ Ｉｎｔ．６１（２００２）：１ ６８４一ｌ ６９５ 抗纤维化治疗。因此，通过ＬＰＡ１受体阻断药物减少ＣＴＧＦ ［５］Ｍ．Ｚｅｉｓｂｅｒｇ，Ｊ．Ｈａｎａｉ，Ｈ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍａｍｍｏｔｏ，Ｄ．Ｃｈａｒｙｔａｎ， 生成或许可用于肾纤维化的治疗。 Ｆ．Ｓｔｒｕｔｚ，Ｒ．Ｋａｌｌｕｒｉ，ＢＭＰ一７ ｃｏｕｎｔｅｒａｃｔｓ ＴＧＦ—ｂｅｔａｌ—ｉｎ． 参 考 文 献 ｄｕｅｅｄ ｅｐｉｔｈｅｌｉａｌ—ｔＯ～ｍｅｓｅｎｃｈｙｍａｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅｓ ［１］ Ｔ．Ａ．Ｗｙｎｎ，Ｃｏｍｍｏｎ ａｎｄ ｕｎｉｑｕｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｒｅｇｕｌａｔｅ ｆｉｂｒｏｓｉｓ ｃｈｒｏｎｉｃ ｒｅｎａｌ ｉｎｊｕｒｙ［Ｊ３．Ｎａｔ．Ｍｅｄ．９（２００３）：９６４—９６８ ・４３０・ 获得剑桥大学分子生物学博士学位。在剑桥学习期间，布莱 克本充分掌握了ＤＮＡ测序方面的技能。１９７５～１９７７年在美 国耶鲁大学进行博士后研究员，从事分子和细胞生物学研究。 １ ９７８年，任教于美国加利福尼亚大学伯克利分校。自１９９０ 年开始社｝任美国加利福尼亚大学旧金山分校生物学和生理学 教授。在伯克利分校工作期问，布莱克本所在实验室的主管 高尔教授（Ｊｏｅ Ｇａｌ１）发现一种适于作为用来分析真核生物基 因功能的模式生物一单细胞生物四膜虫（Ｔｅｔｒａｈｙｍｅｎａ），其生 长快速、易于大量培养、含有大量染色体。受高尔教授的启 发， 莱克本也使用四膜虫进行染色体末端的测序工作，结果 发现：染色体的末端有一个重复的ＤＮＡ序列一ＴＴＧＧＧＧ／ ＣＣＣｃＡＡ。重复的次数由几十到数千不等口］。 在布莱克本刚开始她的研究工作时，杰克・绍斯塔克也 在从事染色体的研究，他发现线形染色体在进到酵母细胞时， 就会遭到降解而解体。布莱克本的发现吸引了绍斯塔克的兴 趣。他们决定合作进行实验：布莱克伯恩从四膜虫细胞里把 她发现的神秘的重复ＤＮＡ序列提取出来，交给了绍斯塔克。 绍斯塔克把这个ＤＮＡ序列粘在线形染色体的末端，再把它 放进酵母细胞里去。实验的结果让他们大吃一惊，四膜虫染 色体末端的重复ＤＮＡ序列竟然能够在另一种生物一酵母的 细胞里起到保护染色体的作用 布莱克本和绍斯塔克于 １９８２年发表论文，阐述了在端粒中有一个特定的ＤＮＡ序列 保护染色体不被降解，具有功能的端粒能防止染色体的损伤 并延缓细胞衰老。现在人们认识到，端粒中的ＤＮＡ序列能 够吸引蛋白质在ＤＮＡ末端聚集形成一个“帽子”结构，保护 脆弱的ＤＮＡ链［ 。 ４格雷德和布莱克本鉴定出了端粒酶 格雷特１９６１年４月１５日出生于美国加利福尼亚，父亲 是一位物理学家，对她从事科学事业影响很大。高中毕业后 格雷特考入加州大学圣巴巴拉分校，１９８３年以优异成绩毕 业，获得生物学学士学位。１９８４年４月，格雷特来到加州大 学开始自己的博士生涯，其导师正是布莱克本。当时布莱克 本已和绍斯塔克一起证明了ＤＮＡ末端重复序列具有保护染 色体的功能，但对于生物体是如何添加这些重复序歹 不清楚 布莱克本认为是由尚未可知的酶负责，问题是能否将这种酶 鉴定出来。布莱克本把这一重任交给了格雷特。 格雷特勇敢地接受了这一挑战，在随后的时间里，她每天 工作１２个小时，实验过程中出现过多次失败，也出现过设计 失误造成假阳性结果，在努力优化试验条件同时选择不同的 实验后，终于于１９８４年圣诞节的时候。在凝胶上发现了典型 的四膜虫６碱基端粒重复序列的梯度带，这清晰地表明四膜 虫存在催化端粒末端序列添加的酶。随后，师生二人又通过 一系列实验进一步证实了这个结果的真实可靠性，于１９８５年 两人发表论文，把这种酶命名为“四膜虫端粒末端转移酶”，后 简称端粒酶（ｔｅｌｏｍｅｒａｓｅ） ］。这是一种由含有ＣＣＣＣＡＡ序列 的ＲＮＡ和蛋白质构成的具有逆转录酶活性的核糖核酸酶， 它的作用是在细胞分裂时以它自身的ＲＮＡ为模板，通过逆 转录，重新合成端粒重复序列，加至新合成的ＤＮＡ链末端补 偿丢失的端粒部分，以维持染色体端粒长度的稳定性，确保端 粒不会越来越短。现在不但在多种单细胞生物中找到了端粒 酶，而且还发现人类大多数的恶性肿瘤细胞和所有增殖活动 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｑｉｈａｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，２０１０，Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．３ 的细胞，如生殖细胞、骨髓造血干细胞、皮肤基底层细胞、免疫 细胞等，都有端粒酶的活性 ５对研究衰老和癌症治疗方面的贡献 衰老足生物生命过程中整个机体形态、结构和功能逐渐 衰退的总现象。生物的机体由细胞构成，所以机体的衰老始 于细胞衰老。当细胞分裂达到特定的代数（大多数正常体细 胞在增殖至６０～７Ｏ代）时即失去分裂能力而衰老直至死 亡 。细胞衰老是端粒复制问题得不到补偿的结果，端粒逐 渐缩短到一定长度（到达５～７ｋｂ）时，就不再保护染色体免受 重组或降解．与端粒ＤＮＡ相邻的基因丢失．细胞停止分裂进 入老化过程，最后导致细胞衰老而死亡。对胎儿、新生儿、青 年人及老年人的细胞株的端粒长度进行了比较，发现端粒长 度不断下降，这种随着年龄增加端粒ＤＮＡ不断缩短就限制 着生命的存在时间，决定着物种的生物年龄，所以端粒长度被 认为是人体细胞寿命的“生物钟”口 。 但如果缩短了的端粒以某种方式激活了端粒酶，使其能 够以自身为模板合成端粒ＤＮＡ重复序列．并加到染色体末 端弥补端粒的损耗，维持染色体的稳定，将使细胞获得生存， 发展成永生性细胞 在多数恶性肿瘤细胞中，端粒酶有着极 高的活性，随着肿瘤恶性程度的增加，端粒酶活性亦增强。利 用端粒酶“在肿瘤细胞中多，在正常细胞中少”的这一特殊性， 可以把端粒酶活化可以作为检验恶性肿瘤的标志物，作为区 分良性肿瘤与恶性肿瘤的依据。由于在高活性的端粒酶作用 下，癌细胞的端粒随着细胞分裂不出现缩短现象而不能进入 常规的老化衰亡过程，反而继续增殖，不受控制地“疯长”，最 终形成恶性肿瘤，因而寻找端粒酶的抑制物导入癌细胞中就 能够阻止癌细胞的恶性增殖。在临床医学上，开发只针对端 粒酶起作用的治疗药物和方式，将为肿瘤的治疗提供一个新 的途径 ］。 总之，２００９年的诺贝尔生理学或医学奖向我们揭示出端 粒、端粒酶在细胞衰老和肿瘤的发生中具有重要的作用。认 识端粒和端粒酶的意义，将帮助我们解开人类衰老、癌症的部 分秘密。在这些领域的研究成果将会被运用到抗衰老及肿瘤 的诊断及治疗中去，从而开启人类对抗衰老、治疗癌症的新纪 元。 参考 文 献 ［】］马永红，乔军．端粒生物学与细咆衰老ＥＪ］．生物技术通报，２０００， １６（４）：５４—５６ Ｅ２］梁铮铮，胡剑．端粒（酶）的结构功能及其与衰老和癌症的关系 口］．细胞生物学杂志，２００３，２５（１）：８—１３ ［３］郭晓强，米裕．端粒女王一布莱克伯恩教授ＥＪ］．生物学通报， ２００７，４２（６）：６０—６１ ４］曹瑞珍．薛艳．张丽伟．端粒、端粒酶和肿瘤、细胞衰老［Ｊ］．内蒙 古民族大学学报（自然科学版），２００６，２１（２）：１８８—１９１ ［５］郭晓强，冯志霞．端粒酶的发现者一格雷德ＥＪ；．生物学通报， ２００９，４４（１１）：６０—６２ ｒ６］楚玉荣，宫凌涛，楚智慧，等．端粒、端粒酶与细胞衰老及肿瘤的 关系［Ｊ］．医学综述，２００４，１０（５）：２６７—２７１ ［７３于海涛，陈平．染色体端粒研究新进展［Ｊ］．齐齐哈尔医学院学 报，２００１，２２（７）：８２３—８２４ Ｅｓ］任亚红．端粒及端粒酶的研究［Ｊ］．安徽教育学院学报，２００４，２２ （６）：８４—８５