【科普】端粒与端粒酶：如何让生命时钟维持平衡？

@海参

复旦药学院

抗衰老先锋研究媛

夏眠动物

导语

2009年，因为“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”这一研究成果，Elizabeth Blackburn、Carol Greider以及Jack Szostak获得了诺贝尔生理学或医学奖，颁奖者对其“有望揭开衰老与癌症的奥秘”的高评价也使端粒与端粒酶正式进入了大众的视线。

如今十年过去，笔者在查阅资料前也充满期待：十年啊！不说成熟的抗衰老手段，苗头总有一些了吧？

于是……😐

然后……😕

再然后……😯

什么？人类已经攻克了端粒酶，大步迈向永生了？哦不好意思，文献检索的姿势错了。😂关掉小红书，打开Scifinder/Pubmed/GCBI……咱们来好好聊聊端粒酶与衰老这个严肃的话题。

细胞分裂的极限

很久以前，人们认为细胞的分裂是没有穷尽的。

1921年，生物学家Alexis Carrel通过给培养皿中的鸡心脏细胞不断添加肉汁培养液，发现其培养的鸡心脏细胞可以无限增殖，且不会出现任何衰老的迹象。这项细胞培养工作一直进行到1946年Alexis Carrel去世。因此当时的学术界普遍认为，细胞是永生的[1]。

直到几十年以后，Leonard Hayflick和Paul Moorhead等人对此项研究结果提出了质疑：Carrel在实验过程中所提供的肉汁培养液中没有完全去除血清中的活细胞。所谓能无限传代的细胞不是来自鸡心的细胞，而是每次添加的新细胞[2]。 

他们在重复Carrel的实验过程中严格避免带入新的细胞。结果发现，细胞的分裂次数时有限的。在经历了有限次数（40-60次）的分裂以后，细胞会逐渐衰老而无法进一步分裂[3]。至此，Hayflick推翻了学术界关于细胞永生的理论，并且根据自己的研究结果提出了“海弗利克极限”的概念[3]。

为什么细胞的分裂会有极限呢？这可以从DNA的复制说起。

DNA的复制与端粒 

DNA螺旋的末端也被称为阿克琉斯的脚踝，细胞每分裂复制一次，末端就会丢失一小段序列。原来啊，DNA的复制特别讲究，必须满足两个特殊的要求：①必须沿5’端至3’端进行；②必须有引物。

有些读者对生物课本可能还有印象，即DNA的复制是半保留复制，意思是两条双链分开后各作为模板，按照“碱基互补原则”一点点添上新链。

双链结合时有方向，解开时自然也有方向：先导链是3’→5’，后随链是5’→ 3’，这是科学家为了方便描述人为规定的。总之，“必须沿5’端至3’端复制”意味着先导链能够连续复制，而后随链的复制只能不连续进行，合成的小段DNA被称为“冈崎片段”。

两条DNA链有不同的复制方式

DNA在开始复制前还必须有“引物”。引物是一小段直链DNA或RNA，顾名思义，起引导、定位的作用。因此后随链上新合成的序列其实是由“……引物-冈崎片段-引物-冈崎片段……”组成。

绿色：引物；红色：冈崎片段

看上去至少是一条完整的链了，不过复制并没有就此结束，还需要进一步加工：切除引物，填补空缺，用正确的DNA序列替换后随链上的引物。

DNA的复制就是在这一步丢了一截：链中间的引物被切除，前方还有冈崎片段，沿着片段往后填补即可；可链最前端没有可以定位的序列，因此引物被切除后无法填补空缺。

因此这种特殊的复制过程会导致DNA复制后的两条链不一样长，以后随链为模板的DNA丢失一小段末端序列。如果继续复制，就会导致末端不断丢失：

如果没有解决措施，最终一定会遗失重要基因。

而端粒其实就是位于染色体末端的“炮灰”。你可以把它想象成一条鞋带两端的塑料壳，承担伤害以防止鞋带本体散架。

左侧：在没有端粒酶的保护下，随着细胞的分裂，端粒的丢失导致染色体损伤

右侧：端粒酶保护端粒，使整个染色体在每一轮细胞分裂中都得到完整的复制

当然更准确的定义是：👇👇

端粒是由染色体末端非编码DNA重复序列以及一系列相关蛋白组成的DNA-蛋白复合体。其特征是高度保守、重复且不携带遗传信息。人端粒的DNA序列是5'-TTAGGG-3’重复序列，长约 15～20 kb[4]。

过去科学家们曾把处于染色体末端、不编码任何蛋白质的端粒称为“垃圾DNA”，可正是所谓的垃圾DNA承载着保护遗传信息的重任。除了担任细胞的“分裂时钟”，端粒还有其他重要作用，如防止染色体之间胡乱连接[5]、通过“端粒位置效应”影响基因表达[6]，与阿尔兹海默症、心血管疾病等均有关系，这里不详述了。

随着细胞的不断分裂，端粒不断磨损，使基因表达模式发生改变，从而导致细胞出现衰老——这就是海弗利克极限背后的生物学机制。

端粒的修复

当端粒随分裂而磨损到一定程度就需要端粒酶出马了，科学研究证实：端粒酶能把磨损的端粒重新缝补好，从而延长细胞分裂的次数。

端粒酶是含有短RNA分子的蛋白质复合物，具有逆转录酶活性。说白了就是，这种酶能够以端粒为引物，以自身为模板，回过头来制造DNA。

在细胞周期的S期，端粒酶通过hTERT的TEN域与端粒蛋白复合体中的TPP1相互作用被募集到端粒中，从而维持端粒的长度[7]，简单过程如下：👇👇

人类端粒酶的RNA成分已被成功克隆，它包括与端粒重复序列互补的11个核苷酸：5′-CUAACCCUAAC-3′。

虽然端粒酶延长端粒理论上可以无限期进行，但是连接在端粒双链上的蛋白质作为端粒酶活性的弱抑制剂，小心地调节着端粒的长度。当端粒很短时，这些蛋白与端粒结合变少，端粒酶活性会被激活；当端粒变长时，这些蛋白质会积累并抑制端粒酶，使其不能无限延长端粒。

以上是对端粒与端粒酶的总体介绍，下一期我们将着重解决一个疑问：激活端粒酶究竟靠不靠谱？能不能让人青春永驻？咱们下期见~😉😉

端粒的分子结构｜选读

端粒是由非编码DNA重复序列与相关蛋白组成的DNA-蛋白复合体，可自行循环形成二级结构，称为t循环。t-循环包含6种主要蛋白: 端粒重复结合因子1（TRF1）、端粒重复结合因子2（TRF2）、TRF1-相互作用蛋白2 (TIN2)、抑制/激活蛋白1（RAP1）、端粒保护蛋白1 (POT1)和三肽氨基肽酶1（TPP1）[8]。它们的主要功能有：

TRF1和TRF2：特异识别端粒重复序列，抑制损伤信号传导[9]；

TIN2：端粒双链和单链结合复合物之间的连接枢纽；

POT1：与端粒单链悬垂相连，阻止它被DNA损伤机制识别[10]；

TPP1：促进POT1的结合，并介导端粒酶与端粒结合[11]。

正是在这六种蛋白质的共同作用下，端粒的t-循环结构才可以维持在稳定状态[12]。

当端粒缩短到临界水平，其末端形成保护蛋白复合物的蛋白质就不能与端粒序列结合，也就不能再发挥在染色体末端“封顶”的作用。此时，细胞会失去再分裂的能力，最终衰老死亡。

端粒酶的分子结构｜选读

端粒酶是真核细胞中一种具有逆转录活性的核糖核蛋白聚合酶，分子量约500-1500KDa，主要由端粒酶模板RNA（TERC) 、端粒酶逆转录酶(TERT) 及端粒酶相关蛋白(TEP)三部分组成[13]。

TERT蛋白共包含四个功能域：端粒酶N端区域（TEN域）、TERC结合区域(TRBD)、逆转录酶区域（RT）和C端延伸区域(CTE)[14]，在增加定位功能、诱导端粒结合以及参与端粒重复合成的催化中起着关键作用[15]。

TERC也由四个功能区域组成：逆转录模板区域、伪结区域、茎环和a3区域。其中，逆转录模板区域主要是作为端粒DNA合成的模板；伪结区域和茎环主要负责与TERT连接；a3区域主要负责稳定细胞核中的RNA，促进端粒酶定位[16]。

人体内几乎所有的细胞中均普遍表达TERC，然而TERT却仅在部分特殊细胞（生殖细胞、干细胞和大部分肿瘤细胞）中表达，说明TERT是端粒酶表达的关键成分[17]。

不论是TERC还是TERT缺乏，均会导致端粒缩短、基因组出现不稳定状况。此外，端粒酶的功能障碍可能也会导致各种高增殖细胞或组织出现生理性缺陷，从而引起疾病[18]。 

END

参考文献

[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).