端粒和端粒酶的结构和功能及其生物学意义。【摘要】：端粒是染色体末端的一种特殊结构。它由简单重复的 DNA 序列和与其结合的蛋白质组成，可保护染色体末端不被降解或融合。并使染色体能够完全复制。端粒长度的维持和端粒结构的稳定性在细胞衰老、癌症发生、干细胞全能性自我更新能力的维持等生命过程中起着重要作用。端粒酶是一种专门的逆转录酶，它使用自己的 RNA 亚基作为模板来复制端粒 DNA。本文综述了端粒和端粒酶的结构和功能及其与细胞衰老、癌症和干细胞的关系，并在此基础上，展望了端粒酶在抗衰老和抗癌方面的应用。关键词：端粒；端粒酶；衰老和死亡；癌症; 干细胞——端粒的结构和功能 位于真核染色体末端的端粒结构在维持基因组完整性和功能稳定性方面起着重要作用。端粒位于真核染色体中核染色体的末端由端粒DNA和端粒相关蛋白组成。在生物进化过程中，端粒的核酸序列高度保守，均由富含GC的DNA重复序列组成。人类染色体端粒由1000多个拷贝的TTAGGG序列组成，3'端突出一个富含GT的单链。最近发现，端粒末端与端粒结合蛋白在细胞内形成环状结构，而并非以往所认为的简单线状结构。在大多数正常人体细胞中，端粒序列不能完全复制，因此随着细胞分裂，端粒重复序列会丢失，DNA会随着每一次有丝分裂而逐渐缩短，由于染色体复制的自我缺陷，每一次细胞分裂，端粒会失去20%～50%的碱基对，当DNA缩短到一定长度时端粒酶的结构，就失去了保护染色体末端的功能，其结果就是编码区的基因被阻断相反，在包括肿瘤细胞在内的永生化细胞中，端粒长度是稳定的，
端粒结合蛋白在结构进化过程中较为保守，在维持端粒稳定性和参与抑制细胞凋亡等方面发挥着重要作用。端粒结合蛋白与端粒DNA结合，维持DNA特定的高级结构，从而保护端粒DNA的末端不被核酸酶识别和破坏。端粒酶的结构和功能。1985年后，号称“端粒女王”的布莱克本首先在四膜虫中发现了催化端粒重复序列合成的端粒酶。端粒酶是一种逆转录酶，可以以自身的RNA为模板，不断合成新的端粒DNA序列，并将其添加到染色体末端，以补偿端粒丢失，防止端粒缩短，并可能最终让细胞逃脱程序性死亡。获得无限繁殖的能力，即永生。端粒酶是由端粒酶RNA组分、端粒酶相关蛋白和端粒酶催化亚基组成的蛋白质复合体。端粒酶活性高，端粒片段就会长。编码四膜虫端粒酶两条多肽链的基因和编码人和鼠端粒酶RNA组分的基因已经被克隆。端粒酶在正常体细胞中几乎不表达，但低水平的端粒酶在有丝分裂细胞和干细胞如皮肤、淋巴组织和子宫内膜组织中表达。端粒在维持不同物种细胞的染色体稳定性和细胞活性方面起着重要作用。端粒酶可以延长缩短的端粒，从而增强细胞的体外增殖能力。端粒酶的活性在正常人体组织中受到抑制，在肿瘤中重新激活，端粒酶可能参与恶性转化。
端粒酶在维持端粒稳定性、基因组完整性、长期细胞活性和潜在的持续增殖方面起着重要作用。3 端粒与人的衰老和死亡 3.1 衰老和死亡的本质 衰老是生物体随着年龄增长死亡风险增加的现象。细胞衰老是生物衰老的基本单位，是老年病的基础。近年来，衰老研究取得了一些进展，如细胞凋亡与特殊基因的关系、端粒长度的调控等。累积的 DNA 损伤和端粒的逐渐缩短可能是细胞衰老的主要机制。以下因素与衰老密切相关：（1）氧化损伤（2）染色体复制过程中可能出现错配肿胀的染色体外RDNA环（ERC），其积累可导致细胞衰老和核仁裂解。(3) 在其位点阻止 DNA 转录的 sirtuin 复合物。(4) 发育程序影响细胞存活。(5) 随着时间的推移，线粒体 DNA 中的突变非常显着。(6) 细胞内的新陈代谢复杂而精密，但外界刺激可导致蛋白质磷酸化端粒酶的结构，逐步传递和激活，进行通常不存在的蛋白质的转录和翻译，而这种蛋白质会引起下一个。一系列级联反应。这些原因会导致细胞老化和死亡。3.2 端粒和老化端粒是有长度的，并且随着年龄的增长而变得越来越短。端粒的消失会导致染色体畸变，
端粒中还有一种端粒酶，具有调节端粒长度的能力。它的活性也随年龄而变化。年轻时，活动度高，更容易延长端粒。端粒的长度受新陈代谢控制。细胞分裂次数增加，端粒缩短，寿命缩短。药物用于刺激体内的干细胞来弥补衰老和耗竭的细胞，即延长端粒的长度。例如，注射生长激素可以动员干细胞，延缓衰老。端粒-端粒酶假说认为，正常人体细胞经过有限次数的有丝分裂后，分裂次数达到Hayflick极限，染色体末端的端粒长度在一定程度上缩短，并且细胞的有丝分裂在细胞周期的G1期被不可逆地阻断。G2和G2/M期之间的一段时期，细胞进入衰老期，然后发生凋亡。如果细胞被病毒感染，或p53、wnt-5a等抑癌基因发生突变，或DNA错配修复基因发生突变，或某些基因DNA序列发生高甲基化，从而改变基因表达而无核苷酸突变，则在此时细胞可以越过阻断点，继续进行有丝分裂，随着分裂次数的不断增加，端粒的长度不断缩短。当端粒长度缩短到一定程度时，染色体就会出现异常形状。此时，大部分细胞已经凋亡，但此时有少数细胞激活了体内端粒酶的活性。，可维持细胞染色体长度在分裂时不再缩短，进入永生化期。端粒酶可以合成端粒DNA，修复受损的端粒，使其延长。然而，除了生殖细胞，大多数人类细胞在胚胎发育过程中不再产生这种酶。在正常人体细胞中，由于缺乏端粒酶活性，端粒随着细胞分裂而逐渐缩短，导致细胞衰老。大多数人类细胞在胚胎发育过程中不再产生这种酶。在正常人体细胞中，由于缺乏端粒酶活性，端粒随着细胞分裂而逐渐缩短，导致细胞衰老。大多数人类细胞在胚胎发育过程中不再产生这种酶。在正常人体细胞中，由于缺乏端粒酶活性，端粒随着细胞分裂而逐渐缩短，导致细胞衰老。
干细胞、生殖细胞和肿瘤细胞通常表现出很强的端粒酶活性。端粒酶存在于人类生殖细胞、造血干细胞和 95% 的癌细胞中。体细胞端粒酶活性的显着升高，是正常细胞向癌细胞转化的关键环节。端粒酶的激活不仅可以防止细胞衰老，还可以满足肿瘤生长的条件。因此，在揭示细胞衰老机制的同时，可以深度治疗肿瘤。细胞内端粒酶对肿瘤发生和抑制的分子基础研究。四、端粒与癌症 自 1994 年以来，Kim 等人。开始使用灵敏的基于PCR的端粒酶检测方法TRAP法检测人体组织 研究发现，端粒酶活性存在于90%的恶性肿瘤组织中，包括肺癌、结肠癌、乳腺癌和前列腺癌等主要癌症，以及大多数白血病和淋巴瘤。然而，在人体的大部分正常细胞和组织中，端粒酶活性只能在生殖细胞、造血细胞、淋巴细胞等具有增殖潜能的细胞中检测到。这说明端粒酶的激活与肿瘤的发生、发展密切相关，端粒酶似乎是维持肿瘤细胞生存所必需的。最近对缺乏端粒酶的小鼠的研究表明，端粒缩短在肿瘤发生和进展中起着双重作用。当端粒缩短到临界长度时，会导致染色体和基因组不稳定，从而诱发肿瘤形成。相反，由于端粒的缩短，
在一些慢性疾病中，如：动脉粥样硬化、溃疡性结肠炎等，可以检测到端粒缩短。实验证实，缩短的端粒限制了组织器官的再生功能。当引入TERT基因表达端粒酶时，可以恢复缩短的端粒。因此，在衰老细胞和慢性疾病中，可以通过激活端粒酶的活性来延长组织和器官的再生功能。一方面，端粒酶的激活可以阻止端粒的进一步缩短，以维持染色体和基因组的稳定性；但另一方面，它又能促进肿瘤的形成和分裂。最近的研究表明，将致癌基因RAS引入端粒酶缺陷的裸鼠细胞可以表达SV40抗原，但由于缺乏端粒酶，不易形成肿瘤。相反，如果引入hTERT和非癌基因RAS的共表达，细胞就容易形成肿瘤，而且这种细胞即使在巨大的压力下也能表现出超强的增殖能力。由此可见，端粒酶对肿瘤形成的贡献远大于它对端粒的拉长。在没有端粒酶的情况下，并不影响肿瘤的初始形成，但要维持肿瘤的发生、发展和恶变，必须有一个稳定的端粒长度，这往往需要重新激活端粒酶。由于端粒酶在大多数肿瘤细胞中表达，而在正常体细胞中呈阴性，因此端粒酶目前被认为是肿瘤的特异性治疗靶点。冯等。
Kanazawa设计了一种靶向hTR模板区的锤头状核酶，将该酶与肝癌细胞株HepG2的提取物共孵育，端粒酶活性明显受到抑制，提示该方法也可诱导肿瘤细胞衰老. 5. 端粒与干细胞 5.3 干细胞及其生物学特性 干细胞序列是胚胎、胎儿或成人体内具有长期自我复制和多向分化潜能的特殊细胞。由于其尚未完全分化、未成熟，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，被医学界称为“万能细胞”。干细胞具有以下特点：①干细胞本身不处于分化途径的末端。②干细胞可以无限增殖和分裂。③干细胞可以连续分裂数代，也可以长期处于静止状态。④ 干细胞通过两种序列生长，一种是对称分裂，即形成两个相同的干细胞，另一种是不对称分裂，即一个子细胞不可逆地走向分化末期，成为功能特异的分化细胞，而另一个是不对称分裂。一种保留了亲本特征并仍作为干细胞存在的细胞。根据发育阶段，干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是高度未分化的细胞，在发育过程中具有全能性，可以分化成成年动物的所有组织器官，包括生殖细胞。成体干细胞是在成年动物的许多组织和器官中具有修复和再生能力的细胞，例如表皮和造血系统。干细胞存在于整个生命过程中。由于埃文斯等人。1981年从小鼠囊胚内细胞团中成功分离出胚胎干细胞，干细胞研究已成为生命科学中最活跃和最有影响的领域之一。
干细胞研究的意义在于干细胞用途广泛，涉及医学领域众多。它有潜力发育成各种需要的组织，替代各种疾病中受损的组织，恢复受损组织的结构和功能。随着对干细胞研究的深入，发现随着年龄的增长，干细胞数量减少，自我更新和分化能力下降。衰老是人类生命发展的自然规律，干细胞也不例外。试图从干细胞的角度来恢复或提升干细胞的活力，是目前的一大难题。5.4 端粒与干细胞 随着组织器官的逐渐衰老，端粒逐渐缩短，同时，端粒酶的功能丧失或突变会加速端粒的缩短。因此，端粒酶的活跃表达对于维持干细胞的自我更新能力和复制潜能非常重要。造血干细胞中端粒酶的表达随着年龄的增长而下降，它们的端粒也慢慢丢失。然而，B 和 T 淋巴细胞可能激活端粒酶活性，从而减少端粒缩短或部分延长端粒。先天性角化不良、特发性肺纤维化和再生障碍性贫血患者的端粒酶突变导致组织和器官更新过早丧失，并最终缩短寿命。在小鼠中，发现端粒酶缺陷型造血干细胞在重复移植过程中比野生型造血干细胞更早失效。
在对成体神经干细胞的研究中，也发现端粒酶的缺失会降低增殖能力，增加基因组的不稳定性。由此可见端粒酶对于干细胞自我更新能力的重要性。成体干细胞分裂相对不频繁，但它们的复制潜力仍然受到端粒长度的限制。研究最广泛的造血干细胞表达端粒酶，但不足以维持端粒长度。颗粒缩短的速度较慢，但??最终增殖潜能会随着年龄的增长而持续下降。六大展望 自发现端粒酶以来，对端粒和端粒酶的深入和广泛研究使人们对DNA复制以及染色体末端如何受到保护有了更好的理解；然而，端粒酶活性和端粒蛋白的调节 许多保护端粒的精细生化和细胞生物学过程仍然未知。由于端粒与细胞衰老、癌症和干细胞等基础生物学问题相关，因此对端粒和端粒酶的进一步研究将给人们带来意想不到的惊喜。参考文献 端粒、端粒酶与肿瘤、细胞衰老 曹瑞珍、薛岩、张莉 内蒙古民族大学 2006 2 端粒-端粒酶假说与细胞衰老 李美祥、杨成波、李铁军、尹玉龙 中国科学院亚热带农业生态研究 20073端粒和端粒酶的发现及其生物学意义童霞静*，上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所周锦秋，中国科学院 20094 端粒和端粒酶的发现 廖新华 美国国立卫生研究院 2009 5 端粒酶与肿瘤研究进展 黄石工学院陈玉华医学院 2007 6 人体端粒酶活性调控机制及新功能研究进展*丛玉玉 北京师范大学生命科学学院细胞生物学 2008 7〕端粒酶重现阻止人脐静脉老化？？皮肤细胞 李琪, 韩卫东, 郝浩杰, 世界医学杂志, 20038〕 胃癌端粒酶活性与肿瘤细胞增殖 吕仁荣, 寿南海. 山东医科大学学报，20059 癌基因和抑癌基因在肺癌研究中的应用与发展趋势〔王梦山，张光宇..