端粒酶_细胞中负责端粒的延长的一种酶

端粒酶

细胞中负责端粒的延长的一种酶

端粒酶（Telomerase），在细胞中负责端粒的延长的一种酶，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，即把端粒修复延长，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。

功能特性

特性

端粒（Telomere）是真核细胞染色体末端的特殊结构。人端粒是由6个碱基重复序列（TTAGGG）和结合蛋白组成。端粒有重要的生物学功能，可稳定染色体的功能，防止染色体DNA降解、末端融合，保护染色体结构基因DNA，调节正常细胞生长。

由于正常细胞线性DNA复制时5'末端消失，随着体细胞不断增殖，端粒逐渐缩短。当细胞端粒缩至一定程度，细胞停止分裂，处于静止状态。故有人称端粒为正常细胞的“分裂钟”（Mitosis clock），端粒长短和稳定性决定了细胞寿命，并与细胞衰老和癌变密切相关。

浙江大学孔德华博士介绍，端粒酶（Telomerase）是使端粒延伸的反转录DNA合成酶。是个由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。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。

近年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，则是研究端粒酶调控机制的热点之一。

合成

端粒的存在是为了维持染色体的稳定。没有端粒，则末端暴露，易被外切酶水解。而报道说端粒与生命长短有关，这只是个说法，还没成定论。端粒不是用DNA聚合酶来合成的，是用端粒酶来合成的。端粒酶中含有RNA模板，用来合成端粒。

开发历程

发现端粒

染色体末端的端粒

端粒是染色体末端的一段DNA片段。排在线上的DNA决定人体性状，它们决定人头发的直与曲，眼睛的蓝与黑，人的高与矮等等，甚至性格的暴躁和温和。其实端粒也是DNA，只不过端粒是染色体头部和尾部重复的DNA。把端粒当作一件绒线衫，袖口脱落的线段，绒线衫像是结构严密的DNA。细胞学家从来不对染色体棒尾巴拖出的DNA感兴趣。他们把注意力聚集在46条染色的基因图上面，而且把绘制的人类基因组草图的事大声喧哗。

人体衰老

1990年起Calvin Harley把端粒与人体衰老挂上了钩。他讲了三点，将它记录如下：

第一、细胞愈老，其端粒长度愈短；细胞愈年轻，端粒愈长，端粒与细胞老化有关系。衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列。当细胞端粒的功能受损时，出现衰老。而当端粒缩短至关键长度后，衰老加速，临近死亡。

第二、正常细胞端粒较短。细胞分裂会使端粒变短，分裂一次，缩短一点，就像磨损铁杆一样，如果磨损得只剩下一个残根时，细胞就接近衰老。细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30–200bp（碱基对），鼠和人的一些细胞一般有大约10000bp。

第三、研究发现，细胞中存在一种酶，它合成端粒。端粒的长短，是由酶决定的。细胞内酶多酶少可预测端粒的长短。正常人体细胞中检测不到端粒酶。一些良性病变细胞，体外培养的成纤维细胞中也测不到端粒酶活性。但在生殖细胞睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为阳性。令人注目的发现是，恶性肿瘤细胞具有高活性的端粒酶，端粒酶阳性的肿瘤有卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌等等。人类肿瘤中广泛地存在着较高的端粒酶活性。这样一来，我们又发现了一种肿瘤细胞的特异物质。

寻找衰老钟

人体是由细胞组成的，人有衰老，细胞是否也有衰老呢？这就像一座大厦，它的寿命很大程度上与组成它的砖块有关。细胞是有寿命的，这是细胞学家海弗列克（Hayflick）在四十年前发现的，他一代又一代地培养人体的成纤维细胞。但是在营养充分供给的情况下，细胞分裂到50代左右就停止活动了，真正地进入衰老期，这一发现似乎告诉人们在细胞内有一口衰老钟，限定了细胞分裂的次数，也就限定了生物的寿命。因为高寿生物是由一个受精卵细胞分裂而形成的，它一分为二、二分为四、以此类推的增殖，组成胎儿，再分裂而成青年。如果细胞不能再分裂了，那么个体就出现衰老现象。

抗老之路

还不敢讲，科学家已经找准了衰老的真正起因，然而端粒功能的发现的确是为我们开拓了一条新的抗衰之路。端粒的缩短，引起衰老。如果端粒长度得不到维持，细胞停止分裂或者死亡。在某种情况下，濒临衰亡的细胞愈变成永生细胞，即癌细胞。

端粒酶的发现使正常细胞，衰老和癌化这些苦恼千年的难题有了一个符合逻辑的解释。简单地说，把端粒酶注入衰老细胞中，延长端粒长度，使细胞年轻化，这是可能的，科学家们对此寄托了厚望。将来医生给老人注射类似端粒酶的制剂，延长老者的端粒长度，达到返老还童的目的。

有学者提出，端粒酶的抑制剂可作为治疗癌症的药物。因为只有在癌细胞中存在端粒酶，如果将该酶排光那么癌细胞似乎不会繁殖了。当然其中有不少需克服的困难。

当今衰老研究的新进展——端粒，那么到底用什么方法能获得延缓衰老的效果？

首先降低身体的新陈代谢速率，少吃少饮。如一盏油灯，火焰小，点得长，火焰大，点得短。这与Hayflick限度和端粒长度均有关联。代谢率高，细胞分裂次数增多，端粒缩短，寿命也短了。

其次，用药物刺激体内的干细胞（一种保持潜能的细胞），弥补衰老损耗细胞。威斯康辛大学首创的生长激素注射法，对调动干细胞，延缓老化是有一定作用的。还未见到生长激素与端粒关系的研究报告，但生长激素的抗老效果是比较肯定的。端粒酶抗衰老，只具理论价值。连动物实验都很少。早在三十年代，遗传学家Mullert发现染色体末端结构对保持染色体的稳定十分重要，并定名为（telonereTLM）。1978年Blackburn和Gall首先在四膜虫中发现并证实了端粒结构，端粒是由端粒DNA和端粒蛋白质组成。他们发现这种rDNA每条链的末端均含有大量的重复片段，后来发现真核生物绝大多数DNA末端都是由特定的基本序列单元即端粒序列大量重复而构成的。对于一个给定的真核生物物种，它一定具有特征性的端粒DNA序列。

特殊结构

端粒是染色体末端的一种特殊结构，它是由许多简单短重复序列和端粒结合蛋白（Telomere end-binding protein, TEBP）组成。在正常人体细胞中，可随着细胞分裂而逐渐缩短。

端粒是细胞必需的遗传组分，因为它能够保护和补偿染色体末端遗传信息的丢失，保护它不会被核酸酶识别而免遭降解。但是在复制过程中，端粒也因为复制机制的缺欠或者其他原因会缓慢地丢失,在新细胞中细胞每分裂一次，染色体顶端的端粒就缩短一次（细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30–200bp），当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂了。

进一步的研究表明，衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列。1990年，凯文·哈里（Calvin Harley）发现不同年龄的人的体细胞的寿命明显不同，其端粒的长度也不相同。是随着年龄的增长而缩短。细胞愈老，其端粒长度愈短；细胞愈年轻，端粒愈长。端粒与细胞老化有关系，因此原因用端粒阐述了新的人体衰老机制。

另外，端粒的丢失还与很多病因有关。Maria Blasco and PieroAnversa的研究，探讨了端粒在一些心血管病理状态中，端粒功能失调的影响。Maria Blasco and Piero Anversa构建了在第二代G2和第5代G5端粒RNA缺失的转基因小鼠（Terc-/-）。研究者对G5（Terc-/-）小鼠的心肌细胞进行原位定量荧光杂交分析，发现这些细胞具有比G2（Terc-/-）小鼠更短的端粒，G2（Terc-/-）小鼠心肌细胞的端粒也比野生型细胞的端粒要短。

在1996年3月15日的《欧洲分子生物学组织杂志》上，达拉斯UT西南医学中心，Shay博士和Wright博士报道了，通过控制端粒长度而改变人类细胞寿命的研究结果。他们发现通过增加端粒长度，能够延长细胞杂交系的寿命。但是，要提的是，端粒的减少是否导致动脉粥样硬化这个问题也待进一步的研究。

催化酶

研究发现，细胞中存在一种酶，它合成端粒。端粒的复制不能由经典的DNA聚合酶催化进行，而是由一种特殊的逆转录酶——端粒酶完成。端粒酶是以RNA 为模板合成DNA 的酶。端粒酶是一种核糖核蛋白，由RNA 和蛋白质构成。其RNA 组分是端粒序列合成的模板。不同生物的端粒酶，其RNA 模板不同，其合成的端粒序列也不同。对端粒酶的RNA 进行诱变；可在体内合成出与突变RNA 序列相对应的新端粒序列，证明了RNA 的模板功能。端粒酶合成端粒的DNA片段TTAGGG，其基因定位于人类染色体的3q.26.3上，正常人体细胞中检测不到端粒酶。一些良性病变细胞，体外培养的成纤维细胞中也测不到端粒酶活性。但在生殖细胞、睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为阳性，研究表明这也是科学家由此又开始研究精子和癌细胞内的染色体端粒是如何长时间不被缩短的原因。

假说

值得注意的是，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（MortalityStage1）和第二期M2期（MortalityStage2）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。

端粒DNA

端粒DNA，包括非特异性DNA和由高度重复序列组成的特异DNA序列，通常是由富含鸟嘌呤核苷酸（G）的短的串联重复序列组成，伸展到染色体的3'端。人工合成四膜虫端粒的重复DNA片段（TTGGGG）4端。人和小鼠的端粒DNA重序列为TTGGG，人类端粒的长度约为15Kb碱基。由于dsDNA存在末端复制问题，故细胞每分裂一次，约丢失一个岗崎片断长度的DNA，即25–100对碱基。

端粒酶将自身RNA模板合成的DNA重复序列加在后随链亲链的3′端，然后再以延长了的亲链为模板，由DNA聚合酶合成子链。但是由于复制机制的不完整性（或者这不完整性是进化保留的，由此机制来保证细胞的定期衰老和死亡。），端粒还是以一定的速度丢失。

端粒酶是一种核蛋白（RNP），主要由RNA和蛋白质组成。端粒酶是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶。不少生物的端粒酶RNA已被克隆，但不同种属之间的核苷酸序列差别很大。

四膜虫的端粒酶RNA模式板长160–200个核苷酸，编码1.5拷贝的端粒重复序列。其43–51位序列为CAACCCCAA，刚好编码一个GGGGTT。

鼠同人的端粒酶RNA基因有65%的相同，模板为8–9个核苷酸序列，人的端粒酶RNA（hTR）由450个核苷酸组成。模板区为CUAACCCUAAC（5′–3′）向 Shippen-Lentz（1990年）克隆了游仆虫属的端粒酶RNA序列，其中包括5′–CAAAACCCCAAA–3′模板序列。该模板亦与基端粒重复序列（TTTTGGGG）n以碱基互补方式合成RNA序列。

研究还认为，端粒酶RNA中的模板每次与1.5（TTTTGGGG）重复序列互补，然后通过模板的滑动，再进行下一次合成。

结合蛋白质

在端粒结合蛋白质方面，早在1986年，Gottschling等即已鉴定了尖毛虫属（Oxytricha）的相对分子质量为55000和26000的端粒结合蛋白质，该蛋白质特异识别和结合尖毛虫属的大核白质RAP1（repressor activator protein1）是参与端粒长度调节的一个必需因子，一个RAP1分子平均与18个端粒DNA序列结合，负反馈调节端粒长度。

在克隆鉴定了酵母等的端粒酶蛋白质部分的催化亚基的编码基因后，人端粒酶蛋白质部分的催化亚基编码基因也已经被克隆鉴定，命名为hTERT（human Telomerase Reverse Transcriptase）基因。该基因含有一个端粒酶特异基序（Telomerase-specific motif），翻译48个氨基酸的蛋白质序列。hTR和hTERT基因的对照表达研究显示，hTR基因可在增殖力强制胎儿细胞——非永生化的（mortal）细胞中表达，而hTERT基因仅在肿瘤细胞——永生化的（Immortal）细胞中表达。因此，hTERT基因更显示出肿瘤特异的诊断和治疗潜在应用价值。

另外，人乳头状病毒（HPV）能引发人的子宫颈癌。HPV病毒基因组中的癌基因E6，在肿瘤发生中起要作用，它是第一个被发现可以激活端粒酶的癌基因。该基因的表达产物，能在转录后水平调节MYC的表达，随后再由MYC激活端粒酶。最近又发现人体内的雌激素（Estrogen），能与TERT基因启动子区–2677位的一个不完全回文结构结合，直接调节TERT基因活性。另外雌二醇也可通过激活myc基因的表达，间接促进TERT基因的表达，提高端粒酶的活性。

功效

长生不老

美国德克萨斯大学西南医学中心的细胞生物学及神经系统科学教授杰里·谢伊和伍德林·赖特做了这样一项试验：在采集的包皮细胞（包皮环切术的附带产物）中导入某种基因，该基因可使细胞产生一种酶——端粒酶（Telomerase）。

一般来说，包皮细胞在变老之前可分裂60次左右。但在上述试验中，细胞已分裂了300多次却毫无终止的征兆，也没有显示任何异常的迹象。“细胞在端粒酶的作用下，就像被注入了兴奋剂的小兔子，”谢伊说，“它们只管没完没了地分裂繁殖。”

与此同时，谢伊和赖特的合作伙伴——美国杰龙（Geron）公司的研究人员，采用人体视网膜细胞做了相同的试验。结果，这些细胞似乎也变得长生不老了。

可能性

研究人员由此看到了诱人的希望，但他们却不知道，这种控制细胞衰老过程的方法，最终是否能同样有效地延缓人体的衰老。因此，迄今尚无人提议在大家的日常饮食中添加端粒酶。实际上，这种酶也有令人忧虑之处：人们发现它也存在于85%的肿瘤之中，可能是造成癌细胞无节制增生的元凶。尽管如此，只要研究人员充分认识其作用原理，就完全可能开发出既可防止衰老，又能制服癌症的新技术。21世纪初人类开始的生命方舟计划对于细胞衰老过程的研究取得了突破性的进展，这让人们似乎看到了治愈癌症的曙光。

国内研究

人类衰老

中国医学专家童坦君、张宗玉两位教授经过10多年的研究，破解了人类衰老之谜，得出了人类衰老细胞基因调控能力减退与特异转录因子相关的结论。

童坦君、张宗玉夫妇是北京大学医学部生物化学与分子生物学系教授。他们对人类衰老的研究始于20世纪80年代，并接受了国家自然科学基金重点项目——衰老分子机理与生物学年龄指征的研究。

在全国人大常委会副委员长、北京大学副校长、北大医学部主任韩启德的倡导和支持下，童坦君、张宗玉夫妇成立了国内首家衰老研究中心。

童坦君介绍，人类衰老的机理极其复杂，其学说不下几十种，如免疫学说、神经内分泌学说、自由基学说、蛋白质合成差错累积学说等。近年从分子与基因水平上提出的基因调控学说、DNA损伤修复学说、线粒体损伤学说以及端粒假说已成为国际研究热点，这也是童坦君、张宗玉夫妇在人类衰老机理方面研究的成果。

在衰老中心简陋的办公室内，两位老人接受了记者的专访，他们用通俗的语言解释了人类为什么会衰老？衰老机理如何？

童坦君首先介绍了一个专业名词——端粒（又称端区），它是细胞染色体末端的一种用显微镜可以见到的呈条状的物质。端粒有长短，随年龄增加而越来越短，端粒的消失，会使染色体发生畸变，从而使人类细胞丧失复制能力，最终导致细胞衰老。

专家观点

童坦君说，端粒中还存在一种端粒酶，它具有调控端粒长短的能力，其活性也随年龄大小而不同，年轻时，活性大，较容易延长端粒，这是年轻人不易显老的原因。此外，男性端粒长度缩短略快于女性，这也是男性平均寿命低于女性的原因。

张宗玉说，端粒酶的特性让人们看到了长生不老的曙光。根据端区学说的原理，可否将人类体细胞引入端粒酶使细胞不断生长，从而达到青春常驻，这是人类未来研究的方向。

假说研究

解决端粒酶问题人就可以长生吗

衰老机制（链接）首先要明确的问题就是人为什么会死亡，只有对这个过程的机制了解的足够透彻，做到永生并非不可能。关于人衰老和死亡的机制，比如体内自由基清除与生成机制失衡，导致有害自由基日积月累，并进而破坏细胞器，线粒体已被证实参与了这一过程。

端粒酶也是其中一种解释。由于正常人细胞没有端粒酶，无法修复DNA复制所造成的DNA缩短的问题，因此随着细胞复制次数的增多，DNA短到一定程度，可能就触发了死亡机制，或者死亡是一个渐近的过程。

关于细胞衰老分子机制的主流假说

其中一个就是端粒酶。但是98年就证明了二倍体叙利亚仓鼠胚细胞在复制分裂的各阶段始终表达端粒酶，但是仍然衰老。而剔除端粒酶基因的小鼠尚未观测到相应的表型的变化。所以端粒钟学说并不完全正确。

1.氧化性损伤。来自自由基的积累。

2. rDNA。染色体复制时可能出现错配膨起染色体外rDNA环，叫ERC。它的积累导致细胞衰老，并伴随核仁的裂解。

3.沉默信息调节蛋白复合物。它可以阻止它所在位点的DNA转录。

4.SGS1基因和WRN基因。这是两个同源的基因，对于保证细胞正常生命周期是必须的，但是容易突变导致早老症。

5.发育程序。

6.线粒体DNA。随着时间的推移，线粒体DNA的突变是相当显著的。

7.生命是最最神奇的魔法。细胞里的行动是复杂而精确的，往往是外来刺激导致蛋白质磷酸化，一级一级地传递，激活一定基因，开始转录翻译出平时不存在的蛋白质，这蛋白质再引起接下来的一系列级联反应。要推翻自然的规律，解决一个酶的问题，无异于杯水车薪。

可是即使假设人体具有了端粒酶，长生也是个值得打上问号的问题。因为端粒酶仅仅解决了复制长度的问题，并不能解决DNA复制时的变异问题，当然这有专门的机构来负责。可是这也说明，长生并非如想像中那么简单，不单单一个端粒酶就能解决。