端粒酶与人类遗传性疾病
作者：吴汉平 张方信 贾忠建
单位：吴汉平(兰州军区兰州总医院消化科，甘肃 兰州 730050)张方信(兰州军区兰州总医院消化科，甘肃 兰州 730050)贾忠建(兰州大学)
关键词：遗传性疾病；端粒酶；人类
端粒酶与人类遗传性疾病分类号：R 596 文献标识码：A
文章编号：1007-8622(2000)01-0060-02▲
真核生物染色体DNA均呈线性结构。早在半个世纪前，人们就已经发现其染色体末端是由具有特殊结构及重要功能的端粒组成。但直到近年才从分子水平提示了端粒的结构、作用及合成途径。现发现端粒主要是由种属特异性的简单重复DNA序列与端粒酶结合蛋白质构成。人类的端粒重复序列为TTAGGG，其主要生物功能是稳定染色体结构，防止染色体融合，保证染色体末端完整复制[1，2]。而完成这种复制的是一种具有端粒特异性末端转移酶活性的端粒酶，它能使染色体的遗传学行为改变[3]。因此，端粒及端粒酶的异常状态可能与人类遗传性疾病的发生密切相关。本文着重讨论这方面的研究进展。
, 百拇医药
1 端粒酶的结构与作用方式
端粒酶是一种核蛋白体(RNP)，具有一个内源性RNA和蛋白质的基本成分。它能以内源性RNA为模板，不断合成端粒序列添加到染色体末端，维持和稳定端粒长度(TRF)[4]。目前已对部分纤毛虫、真菌、小鼠及人类的端粒RNA测序克隆[5]。在不同物种，其TRF长度变化很大。如纤毛虫约150～200个核苷酸，哺乳类约450个，真菌可达1 000个以上。其保守的二级结构为一个长的柄环结构与一个小的柄环结构组成[5]。中心环5'端有一个推测为模板的区域，其序列与该种属的端粒重复序列互补，用于指导脱氧核苷酸添加序列。端粒酶蛋白质可能具有为酶提供催化基团及作为DNA与dNTP底物形成结合位点等作用。哺乳类端粒分子较大，推测其蛋白成分由多个亚基组成。人类端粒酶蛋白成分已部分被分离，Harrington等[6]鉴定并克隆了一种基因编码哺乳类同源蛋白TP1，发现该蛋白与四膜虫端粒蛋白亚基P80具有大量的相似氨基酸序列，免疫学试验证实该蛋白与体内端粒酶活性有关；Meyerson等[7]克隆出人类hEST2基因，与低等真核生物端粒酶催化基因具有显著的相似序列，并发现该基因在肿瘤及其它永生细胞中被上调，而在细胞分化时被下调。推测该基因产物与端粒酶催化作用有关。有作者认为人类端粒酶蛋白成分中催化功能是由极少数亚基完成的，其他亚基起着调节、稳定、结合等功能。
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端粒酶的作用类似逆转录酶，其反应的简化模型包括引物与模板的配对结合，模板指导核苷酸延伸及转位[1，8]。来自人类及四膜虫的端粒酶双结合位点学说[9，10]认为，在结合域3'端上游8～15个核苷酸处存在另一个位点与引物配对结合，称为上游位点或锚定位点。当聚合反应达到模板终端时，DNA/RNA双链解旋，而此时上游位点与引物未解离。此后反应有两个可能途径：一种是滑行机制，即上游位点与DNA下游6个核苷酸结合，继之再添加6个核苷酸；另一种是环出模型，即DNA占据上游位点不释放，新合成的DNA段在上游位点与结合位点之间环出，在3'端再次添加核苷酸。通过上述机制，端粒酶实现了识别、结合于端粒末端，并连续延伸端粒的作用，但许多细节仍有待于进一步阐明。
2 端粒酶与人类遗传性疾病
2.1 α地中海贫血：α地中海贫血系珠蛋白链合成部分或全部受抑制而引起的。控制α链合成的基因位于第16号染色体上，每条16号染色体上有两个α基因，若均缺失，α链合成完全受抑制，仅缺失α基因，则链合成部分受抑制。近年有作者对一些染色体末端丢失的α地 中海贫血病例进行研究，发现端粒酶介导的染色体修复在发病中起重要作用。他们通过对染色体断点处序列的检查及体外对端粒酶使用这些位点的广泛实验，显示在6例α地中海贫血病例中有5例端粒酶能识别修复位点[11，12]。但在α地中海贫血病例中修复位点附近并无内在的TTAGGG或类TTAGGG序列。推测修复的途径是由端粒酶添加足够的序列与TRF结合，然后TTAGGG/TRF复合物稳定该过程并促进转变为新端粒。这项研究使人们认识到一种新的遗传性疾病的发病机制。由于端粒酶对双链DNA断点不加选择地识别，可以形成一个新端粒，这使一个末端丢失的染色体稳定存在，并丢失了断点远端的所有基因。在体细胞中端粒酶的缺乏限制了大多数组织中这条修复通路，但生殖细胞系中端粒酶的活化使断裂的染色体稳定存在，并遗传给子代，这可能就是端粒酶修复诱生多种遗传性疾病的重要机制。
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2.2 Down综合征(21三体综合征)：21三体综合征发病率较高，活产婴儿发病率约1/500。染色体检查发现绝大多数患者染色体组型为21号染色体呈三体性。它的临床特征之一是免疫功能缺陷，包括胸腺异常、淋巴细胞系及骨髓细胞系分类混乱、T细胞的成熟前早衰。Vaziri等[13]检测了21例该病患者外周血淋巴细胞的端粒丢失率，并与年龄相匹配的正常对照组相比，前者为133±15bp/年，后者为41±7.7bp/年，差别显著。这提示端粒的加速丢失是这类患者免疫系统早衰的生物学标志，并可能在染色体异常变化中起重要作用。有人观察到酵母菌中若干基因表达变化会引起端粒长度调节失控[14]，因此可以推测由于21号染色体的三体性影响有关端粒长度调控基因的表达，因而使患者端粒丢失率增加。
2.3 人类遗传相关性肿瘤：已知在人类大多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性并有端粒序列缩短端粒融合等现象[15，16]，提示了端粒及端粒酶行为异常是肿瘤发生的一个原因，但是具体机制未明。有作者对部分家族性遗传性肿瘤进行研究，获得了一些较详细资料。Li-Fraumeni综合征是一种伴有遗传性P53基因突变的家族性肿瘤综合征。Rogan等[17，18]对该病患者成纤维细胞进行体外培养研究，发现细胞的永生化必须具有P53基因及P16INK4蛋白的同时丢失。发生永生化的细胞在传代培养73代之前其端粒长度逐代缩短，但此后端粒DNA显著延长，而此时细胞中测不到端粒酶活性，暗示了一种端粒延长的新机制。此外，Sawyor[19]也报道了1例散发的Wilm氏瘤患者肿瘤细胞发生端粒融合，位于11P13及11P15带上，因此，此区段端粒丢失可作为一种肿瘤细胞染色体突变的机理。Yashima等[20]在17例Wilm氏肿瘤中也发现端粒酶RNA(hTR)呈高表达，且与细胞增殖指数相关，表明hTR的表达也参与了细胞的恶性转化。
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3 结束语
端粒及端粒酶的研究成为近年生物学领域研究的热点。原因不仅因为它们具有维持生物遗传信息稳定、调控细胞生命周期的重要功能，而且由于端粒及端粒酶的行为异常与多种人类肿瘤及遗传性疾病密切相关。在这些疾病中端粒可表现出缺失、融合及序列缩短等异常，而这些异常又可能受端粒酶的调控。端粒酶被证实是一种特殊的逆转录酶，具有RNP结构。其RNA链具有结合端粒DNA引物，提供模板复制端粒序列等作用，但对其蛋白成分了解较少，推测有催化、调节、稳定、协助结合等功能。所有这些成果为人们从分子水平研究肿瘤及遗传性疾病的发病机制及诊断治疗提供了新思路。例如，设计特异的端粒酶抑制剂可以调节酶活性，抑制肿瘤生长。对遗传性疾病中染色体末端端粒异常的修复或对端粒酶进行抑制或修饰也同样可以逆转或治愈某些人类遗传性疾病。
基金项目：国家博士后基金及甘肃省自然科学基金资助项目
(ZS981-A23-086-Y)
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作者简介：吴汉平，(1969—)，男，硕士，医师
参考文献：
[1]张方信，张学庸，樊代明.端粒酶与细胞永生化的分子机制[J].国外医学生理、病理科学与临床分册，1997，1：46-49.
[2]Konig K & Rhodes D.Recognition of telomeric DNA[J].TIBS,1997，22：433-447.
[3]Shore D.Telomerase and telomere-binding proteins:controlling the endgame[J].TIBS,1997.22:233-235.
[4]Budapest C.Possible mechanisms for the regulation of telomere length[J].J Mol Biol,1997,273:814-825.
, 百拇医药
[5]Holt SE,Wright WE,Shay JW,Multiple pathways for the regulation of telomerase activity[J].Euro J Cancer,1997,33：761-766.
[6]Harrington L,Mcphail T,Mar V,et al.A mammalian telomerase assocaited protein[J].Science,1997,275:973-976.
[7]Meyersom M,Counter CM,Eaton EN et al.hEST2,the putative human telomerase catalytic subunit gene,is up regulated in tumor cells and during immortalization[J].Cell,1997,90:785-795.
, 百拇医药
[8]Morin CB.The implication of telomerase biochemistry foy human disease[J].Euro J Cancer,1997,33:750-760.
[9]Harrington LA & Greider CW.Telomerase primer specificity and chromosome healing[J].Nature,1991,353:451-454.
[10]Lee MS & Blackburn EH.Sequence-specific DNA primer effecfs on telomerase polymerizaton activity[J].Mol Cell Biol,1993,13:6586-6599.
[11]Morin GB.Recognition of a chromosome trucation site associated with alpha-thalassaemia by human telomerase[J].Nature,1991,353:454-456.
, 百拇医药
[12]Flint J,Graddock CF,Villegas A,et al.Healing of broken human chrosomes by the addition of telomericrepeats[J].Am J Hum Genetics,1994，55：505-512.
[13]Vaziri H,Schaechter F,Uchida I,et al.Loss of telomeric DNA during aging in normal and trisomy 21 human lymphocytes [J].Am J Hum Genetics,1993,52:661-667.
[14]Lunablad V & Seostak JW.A mutant with a defect in telomere elongation leads to senescence in yeast[J].Cell,1989,57:633-643.
, 百拇医药
[15]张方信，邓芝云，张学庸，等.大肠癌组织中的端粒酶活性变化[J].西北国防医学杂志，1999，20(2)：89-91.
[16]张方信，张学庸，樊代明，等.原发性胃癌组织中的端粒及端粒酶表达[J].中华病理学杂志，1998，27：429-432.
[17]Rogan EM,Bryan TM,Hukku B,et al.Alterations in p53 and p16 expression and telomere length during spontaneous immortalization of Li-Fraumeni syndronme fibroblasts[J].Mol Cell Biol,1995,15:4745-4753.
[18]Gollahon S,Kraus E,WUTA,et al.Telomtrase activity during spontaneous immortalizatiom of Li-Franmeni syndronme skin fibroblasts[J].Oncogene 1998,6:709-817.
[19]Sawyor J.Telomeric fusions in Wilms tumor[J].Cancer,1994,74:767-773.
[20]Yashimak K,Maitra A,Timmons CF,et al.Expression of the RNA component of telomerase in Wilms tumor and nephrogenic rest recapirulation renal embryogenesis [J].Hum Pthol,1998,5:536-542.
收稿日期：1999-10-12, http://www.100md.com
单位：吴汉平(兰州军区兰州总医院消化科，甘肃 兰州 730050)张方信(兰州军区兰州总医院消化科，甘肃 兰州 730050)贾忠建(兰州大学)
关键词：遗传性疾病；端粒酶；人类
端粒酶与人类遗传性疾病分类号：R 596 文献标识码：A
文章编号：1007-8622(2000)01-0060-02▲
真核生物染色体DNA均呈线性结构。早在半个世纪前，人们就已经发现其染色体末端是由具有特殊结构及重要功能的端粒组成。但直到近年才从分子水平提示了端粒的结构、作用及合成途径。现发现端粒主要是由种属特异性的简单重复DNA序列与端粒酶结合蛋白质构成。人类的端粒重复序列为TTAGGG，其主要生物功能是稳定染色体结构，防止染色体融合，保证染色体末端完整复制[1，2]。而完成这种复制的是一种具有端粒特异性末端转移酶活性的端粒酶，它能使染色体的遗传学行为改变[3]。因此，端粒及端粒酶的异常状态可能与人类遗传性疾病的发生密切相关。本文着重讨论这方面的研究进展。
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1 端粒酶的结构与作用方式
端粒酶是一种核蛋白体(RNP)，具有一个内源性RNA和蛋白质的基本成分。它能以内源性RNA为模板，不断合成端粒序列添加到染色体末端，维持和稳定端粒长度(TRF)[4]。目前已对部分纤毛虫、真菌、小鼠及人类的端粒RNA测序克隆[5]。在不同物种，其TRF长度变化很大。如纤毛虫约150～200个核苷酸，哺乳类约450个，真菌可达1 000个以上。其保守的二级结构为一个长的柄环结构与一个小的柄环结构组成[5]。中心环5'端有一个推测为模板的区域，其序列与该种属的端粒重复序列互补，用于指导脱氧核苷酸添加序列。端粒酶蛋白质可能具有为酶提供催化基团及作为DNA与dNTP底物形成结合位点等作用。哺乳类端粒分子较大，推测其蛋白成分由多个亚基组成。人类端粒酶蛋白成分已部分被分离，Harrington等[6]鉴定并克隆了一种基因编码哺乳类同源蛋白TP1，发现该蛋白与四膜虫端粒蛋白亚基P80具有大量的相似氨基酸序列，免疫学试验证实该蛋白与体内端粒酶活性有关；Meyerson等[7]克隆出人类hEST2基因，与低等真核生物端粒酶催化基因具有显著的相似序列，并发现该基因在肿瘤及其它永生细胞中被上调，而在细胞分化时被下调。推测该基因产物与端粒酶催化作用有关。有作者认为人类端粒酶蛋白成分中催化功能是由极少数亚基完成的，其他亚基起着调节、稳定、结合等功能。
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端粒酶的作用类似逆转录酶，其反应的简化模型包括引物与模板的配对结合，模板指导核苷酸延伸及转位[1，8]。来自人类及四膜虫的端粒酶双结合位点学说[9，10]认为，在结合域3'端上游8～15个核苷酸处存在另一个位点与引物配对结合，称为上游位点或锚定位点。当聚合反应达到模板终端时，DNA/RNA双链解旋，而此时上游位点与引物未解离。此后反应有两个可能途径：一种是滑行机制，即上游位点与DNA下游6个核苷酸结合，继之再添加6个核苷酸；另一种是环出模型，即DNA占据上游位点不释放，新合成的DNA段在上游位点与结合位点之间环出，在3'端再次添加核苷酸。通过上述机制，端粒酶实现了识别、结合于端粒末端，并连续延伸端粒的作用，但许多细节仍有待于进一步阐明。
2 端粒酶与人类遗传性疾病
2.1 α地中海贫血：α地中海贫血系珠蛋白链合成部分或全部受抑制而引起的。控制α链合成的基因位于第16号染色体上，每条16号染色体上有两个α基因，若均缺失，α链合成完全受抑制，仅缺失α基因，则链合成部分受抑制。近年有作者对一些染色体末端丢失的α地 中海贫血病例进行研究，发现端粒酶介导的染色体修复在发病中起重要作用。他们通过对染色体断点处序列的检查及体外对端粒酶使用这些位点的广泛实验，显示在6例α地中海贫血病例中有5例端粒酶能识别修复位点[11，12]。但在α地中海贫血病例中修复位点附近并无内在的TTAGGG或类TTAGGG序列。推测修复的途径是由端粒酶添加足够的序列与TRF结合，然后TTAGGG/TRF复合物稳定该过程并促进转变为新端粒。这项研究使人们认识到一种新的遗传性疾病的发病机制。由于端粒酶对双链DNA断点不加选择地识别，可以形成一个新端粒，这使一个末端丢失的染色体稳定存在，并丢失了断点远端的所有基因。在体细胞中端粒酶的缺乏限制了大多数组织中这条修复通路，但生殖细胞系中端粒酶的活化使断裂的染色体稳定存在，并遗传给子代，这可能就是端粒酶修复诱生多种遗传性疾病的重要机制。
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2.2 Down综合征(21三体综合征)：21三体综合征发病率较高，活产婴儿发病率约1/500。染色体检查发现绝大多数患者染色体组型为21号染色体呈三体性。它的临床特征之一是免疫功能缺陷，包括胸腺异常、淋巴细胞系及骨髓细胞系分类混乱、T细胞的成熟前早衰。Vaziri等[13]检测了21例该病患者外周血淋巴细胞的端粒丢失率，并与年龄相匹配的正常对照组相比，前者为133±15bp/年，后者为41±7.7bp/年，差别显著。这提示端粒的加速丢失是这类患者免疫系统早衰的生物学标志，并可能在染色体异常变化中起重要作用。有人观察到酵母菌中若干基因表达变化会引起端粒长度调节失控[14]，因此可以推测由于21号染色体的三体性影响有关端粒长度调控基因的表达，因而使患者端粒丢失率增加。
2.3 人类遗传相关性肿瘤：已知在人类大多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性并有端粒序列缩短端粒融合等现象[15，16]，提示了端粒及端粒酶行为异常是肿瘤发生的一个原因，但是具体机制未明。有作者对部分家族性遗传性肿瘤进行研究，获得了一些较详细资料。Li-Fraumeni综合征是一种伴有遗传性P53基因突变的家族性肿瘤综合征。Rogan等[17，18]对该病患者成纤维细胞进行体外培养研究，发现细胞的永生化必须具有P53基因及P16INK4蛋白的同时丢失。发生永生化的细胞在传代培养73代之前其端粒长度逐代缩短，但此后端粒DNA显著延长，而此时细胞中测不到端粒酶活性，暗示了一种端粒延长的新机制。此外，Sawyor[19]也报道了1例散发的Wilm氏瘤患者肿瘤细胞发生端粒融合，位于11P13及11P15带上，因此，此区段端粒丢失可作为一种肿瘤细胞染色体突变的机理。Yashima等[20]在17例Wilm氏肿瘤中也发现端粒酶RNA(hTR)呈高表达，且与细胞增殖指数相关，表明hTR的表达也参与了细胞的恶性转化。
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3 结束语
端粒及端粒酶的研究成为近年生物学领域研究的热点。原因不仅因为它们具有维持生物遗传信息稳定、调控细胞生命周期的重要功能，而且由于端粒及端粒酶的行为异常与多种人类肿瘤及遗传性疾病密切相关。在这些疾病中端粒可表现出缺失、融合及序列缩短等异常，而这些异常又可能受端粒酶的调控。端粒酶被证实是一种特殊的逆转录酶，具有RNP结构。其RNA链具有结合端粒DNA引物，提供模板复制端粒序列等作用，但对其蛋白成分了解较少，推测有催化、调节、稳定、协助结合等功能。所有这些成果为人们从分子水平研究肿瘤及遗传性疾病的发病机制及诊断治疗提供了新思路。例如，设计特异的端粒酶抑制剂可以调节酶活性，抑制肿瘤生长。对遗传性疾病中染色体末端端粒异常的修复或对端粒酶进行抑制或修饰也同样可以逆转或治愈某些人类遗传性疾病。
基金项目：国家博士后基金及甘肃省自然科学基金资助项目
(ZS981-A23-086-Y)
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作者简介：吴汉平，(1969—)，男，硕士，医师
参考文献：
[1]张方信，张学庸，樊代明.端粒酶与细胞永生化的分子机制[J].国外医学生理、病理科学与临床分册，1997，1：46-49.
[2]Konig K & Rhodes D.Recognition of telomeric DNA[J].TIBS,1997，22：433-447.
[3]Shore D.Telomerase and telomere-binding proteins:controlling the endgame[J].TIBS,1997.22:233-235.
[4]Budapest C.Possible mechanisms for the regulation of telomere length[J].J Mol Biol,1997,273:814-825.
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[6]Harrington L,Mcphail T,Mar V,et al.A mammalian telomerase assocaited protein[J].Science,1997,275:973-976.
[7]Meyersom M,Counter CM,Eaton EN et al.hEST2,the putative human telomerase catalytic subunit gene,is up regulated in tumor cells and during immortalization[J].Cell,1997,90:785-795.
, 百拇医药
[8]Morin CB.The implication of telomerase biochemistry foy human disease[J].Euro J Cancer,1997,33:750-760.
[9]Harrington LA & Greider CW.Telomerase primer specificity and chromosome healing[J].Nature,1991,353:451-454.
[10]Lee MS & Blackburn EH.Sequence-specific DNA primer effecfs on telomerase polymerizaton activity[J].Mol Cell Biol,1993,13:6586-6599.
[11]Morin GB.Recognition of a chromosome trucation site associated with alpha-thalassaemia by human telomerase[J].Nature,1991,353:454-456.
, 百拇医药
[12]Flint J,Graddock CF,Villegas A,et al.Healing of broken human chrosomes by the addition of telomericrepeats[J].Am J Hum Genetics,1994，55：505-512.
[13]Vaziri H,Schaechter F,Uchida I,et al.Loss of telomeric DNA during aging in normal and trisomy 21 human lymphocytes [J].Am J Hum Genetics,1993,52:661-667.
[14]Lunablad V & Seostak JW.A mutant with a defect in telomere elongation leads to senescence in yeast[J].Cell,1989,57:633-643.
, 百拇医药
[15]张方信，邓芝云，张学庸，等.大肠癌组织中的端粒酶活性变化[J].西北国防医学杂志，1999，20(2)：89-91.
[16]张方信，张学庸，樊代明，等.原发性胃癌组织中的端粒及端粒酶表达[J].中华病理学杂志，1998，27：429-432.
[17]Rogan EM,Bryan TM,Hukku B,et al.Alterations in p53 and p16 expression and telomere length during spontaneous immortalization of Li-Fraumeni syndronme fibroblasts[J].Mol Cell Biol,1995,15:4745-4753.
[18]Gollahon S,Kraus E,WUTA,et al.Telomtrase activity during spontaneous immortalizatiom of Li-Franmeni syndronme skin fibroblasts[J].Oncogene 1998,6:709-817.
[19]Sawyor J.Telomeric fusions in Wilms tumor[J].Cancer,1994,74:767-773.
[20]Yashimak K,Maitra A,Timmons CF,et al.Expression of the RNA component of telomerase in Wilms tumor and nephrogenic rest recapirulation renal embryogenesis [J].Hum Pthol,1998,5:536-542.
收稿日期：1999-10-12, http://www.100md.com