全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第1期
收稿日期:2007-09-13
作者简介:马永红(1974-),男,硕士,助理研究员,从事端粒、端粒酶与肿瘤关系的研究
端粒酶 (telomerase)是由 RNA和蛋白质组成
的,能够延长端粒(telomere)序列的一种特殊的反
转录酶[1]。其中的 RNA亚基镶嵌在蛋白质内部,为
端粒酶延长端粒序列提供模板,是端粒酶呈现活性
所必需的亚基,对于端粒酶的结构和催化活性都十
分重要[2]。
1 端粒酶的结构
1985年 Shampay等[3]将四膜虫端粒 DNA转入
酵母细胞,发现酵母端粒序列与之相连并延长,因
此他们假设生物体内存在一种物质,能将特异末端
序列转移至外源 DNA上。后来 Greider、Blackburn
等人在四膜虫细胞核提取物中首先发现并纯化了
这种物质,证实该物质就是端粒酶[1],它具有端粒
特异性末端转移酶的活性,它的活性不依赖于 α-
DNA聚合酶和 DNA模板而使端粒序列自我复制[4]。
体内实验表明,端粒酶合成端粒 DNA包括四
个步骤:1)富含 G的 3-overhang作为引物与端粒
酶 RNA中的端粒互补序列相互识别、碱基互补配
对;2)端粒酶 RNA作为模板,在底物 dNTP参与
下,按 5→3方向合成一个新的端粒重复序列,使
染色体 3末端得以延长;3)端粒酶的转位。端粒酶
RNA模板与染色体末端配对解开,重新定位于新
合成的端粒重复序列的 3末端,并重复步骤 2)的
聚合反应;4)互补链的合成。目前一般认为是以新
合成的端粒重复序列为模板,在 DNA聚合酶作用
下完成。上述几个步骤循环重复,则可合成很多个
端粒重复序列,使端粒得以延长。
近年来,端粒酶 RNA组分研究进展很快。国外
已经克隆了许多生物的端粒酶 RNA(TR)基因包括
纤毛虫、鼠、啤酒酵母和人等[5]。已克隆的各种生物
端粒酶 RNA组分(表 1)。
1995年 Feng等人首次通过构建肾癌 293细胞
端粒酶的研究进展
马永红 1 党荣理 1 任立松 1 张建江 1 张玉静 2
(1新疆军区疾病预防控制中心,乌鲁木齐 830011;2吉林大学农学部,长春 130062)
摘 要: 端粒酶(Telomerase)是一种反转录酶,由RNA和蛋白质组成。对端粒酶的研究已成为一大研究热点,尤
其是端粒酶与癌症及衰老的关系倍受科学家们的关注。就端粒酶的研究进展作一综述。
关键词: 端粒酶 RNA组分 肿瘤
TheAdvanceofResearchonTelomerase
MaYonghong1 DangRongli1 RenLisong1 ZhangJianjiang1 ZhangYujing2
(1CenterforDiseasePreventionandControlofXinjiangMilitaryRegion,Urumqi830011;
2AgricultureDepartmentofJilinUniversity,Changchun130062)
Abstract: TelomerasewhichisconstitutedbyRNA andprotein isareversetranscriptase.Theresearch on
telomerasehasbecomeafocus,especialytherelationoftelomeraseandcancerorcaducityweremoreatentionedby
scientists.Thisarticlesummarizesadvanceofresearchontelomerase.
Keywords: Telomerase RNAingredientTumour
表 1 端粒酶 RNA组分比较
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
系 cDNA文库,进行 RT-PCR扩增,最后从 PCR-
cDNA库中筛选出人类端粒酶 RNA基因并定义为
hTR(humantelomeaseRNA,hTR)基因,定位于 3号
染色体(3q23.3)。hTR基因长约 450bp,无内含子,
其中模板互补序列为 CTAACCCTAAC转录后生成
RNA组分的 5-CUAACCCUAAC-3序列,正好与
1.5个 TTAGGG互补,用于合成一个染色体末端
TTAGGG序列[5]。
对许多生物的端粒酶 RNA组分研究发现:1)
端粒酶 RNA的一级结构不太相同;2)在纤毛虫中
端粒酶 RNAs有一个保守的二级结构。最近人们在
纤毛虫的端粒酶 RNA中发现一种“假结”的保守结
构,而且该结构在体内是和 TERT(telomerasere-
versetranscriptase,TERT)装配在一起的,这样就形
成了端粒酶 RNA的主要结构元件,而且具有明显
的定位功能。在哺乳动物和酵母中端粒酶的 RNAs
都明显较长,分别为 450和 1300个核苷酸,酵母
中的多数多余的序列是功能所不必需的。在四膜虫
中端粒酶 RNA仅 159nt即足以维持酶的活性,哺乳
动物需要更长 RNA的原因仍不太清楚。检测酵母
及哺乳动物中较长的 RNA是否与纤毛虫的二级结
构中的组份相同还需要在表现型上进行分析比较,
所以,在酵母和哺乳动物中是否存在普遍保守的结
构元件,现在还不清楚[6]。
为研究四膜虫的端粒酶 RNA功能,已经建立
了体内、外重构分析方法。体外是用从四膜虫中分
离的野生型酶重构的:即去掉 RNA组分,其活性由
加上野生型或变异的 RNA来重构。体内重构包括
用一高拷贝变异端粒酶 RNA基因转染四膜虫,并
从转移细胞中分离端粒酶。对四膜虫端粒酶 RNA
的变异分析集中在模板区。改变 5末端 6个单核
苷酸(CAACCCCAA)导致体内和体外的端粒重复序
列发生改变,3末端的单核苷酸序列(CAACCC-
CAA)看来是用于引物 3端,并不在向前延伸端粒
引物过程中作为模板残基。49位的 C可以但不一
定作为模板使用。并非所有的模板变异效应都是由
于碱基配对所致。在一 43A(AAACCCCAA)变异的
核苷酸空间效应可以影响其它位点的有效的聚合
反应,并且提示了 RNA可能在催化核苷酸加入时
起直接作用[2]。
研究表明,在所有的端粒酶 RNA中都发现在
模板 5端上游 2nt位点上有保守序列。与模板 5
端相关的保守位点使人们想到这个区域决定了模
板的边界。当这个区域的序列和位置都发生改变并
在体外重构时,酶模板的边界也发生改变。这些实
验提示保守序列代表蛋白结合位点或阻断 RNA模
板活性位点延伸的功能性 RNA元素。纤毛虫 RNAs
模板上游的该保守序列在哺乳动物和酵母端粒酶
RNAs中并不保守,提示这些酶可能利用不同的序
列或机制来定义模板边界[6~7]。
Shay和 Harinton报道了体外有关 hTR分子功
能性的试验,他们发现在网状细胞转录/翻译系统
中 hTERT (humantelomerasereversetranscriptase,
hTERT)被表达而且端粒酶活性通过 hTR被重构。
后来的研究发现 hTR模板的上游区通常不是用来
重构端粒酶活性所必需的,但是,hTR模板的下游
区对于重构端粒酶活性/装配是至关重要的。Shay
也报道指出,hTR模板区的两个片段(+33~+147,
+164~+325)本身对重构端粒酶活性不起作用,但是
当与反转录酶结合时才起作用[8]。
最近研究发现,在人端粒酶 RNA3末端存在
一段典型的 H/ACA基序。该元件是在小核仁 RNAs
(snoRNAs)中发现的,能装配成用于引导 rRNA前
体假尿嘧啶核苷酸的小核糖核蛋白 (snoRNP)粒
子。但是人类端粒酶 RNA中的 H/ACA基序这种特
征元件的功能现在还不清楚[7]。
2 端粒酶与肿瘤
端粒酶是一种由蛋白质和 RNA构成的核糖核
蛋白体(RNP)。在绝大多数真核生物的细胞中,端
粒的长度都是通过端粒酶维持的。正常体细胞中,
除生殖细胞、骨髓造血干细胞及外周淋巴细胞外,
端粒酶的活性一般难以检测到,随着细胞的不断分
裂,染色体末端的端粒序列便会不断缩短。由于肿
瘤细胞是无限增殖的细胞,不会衰老,而 90%的肿
瘤细胞都具有端粒酶的表达,因此,端粒酶的活性
与表达程度和肿瘤的发生、发展及转归间的关系便
成为近年来生物学和基础医学共同关注的热点[8]。
端粒酶究竟同癌细胞的无限增殖有何关系,
Harley提出了“端粒-端粒酶”假说[9]。他认为:由于
端粒酶活性的缺乏,随着二倍体细胞有丝分裂的不
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断进行,端粒的长度便不断缩短,当端粒长度缩短
到一定程度,即所谓末端限制片段(TRF)的长度为
5~7Kb时,细胞进入危机期 M1(crisisM1),从而触
发某种信号,使细胞周期在检查点(checkpoint)处
受阻,细胞退出细胞周期并出现衰老。如果细胞此
时被病毒转染,或者某些抑癌基因如:P53、Rb等发
生突变,则细胞可以越过 M1期而继续分裂。此时
端粒酶仍然没有活性,端粒长度继续缩短,最终当
细胞端粒的长度缩短到极限,即末端限制片段长度
为 2~4Kb时,细胞进入 M2危机期。此时,由于染色
体端粒对染色体的保护作用丧失,染色体的不稳定
性增加,染色体间出现端-端融合的现象,细胞因而
死亡。但其中有极少数细胞在此阶段其端粒酶活性
因某种原因被激活,从而使端粒维持在一定的长度
而不再缩短,从而稳定了染色体,细胞亦逃过死亡
成为无限增殖的“永生性”细胞。
这一假说已被越来越多的事实所证实:Harley
等发现人的成纤维细胞的端粒长度随着年龄的增
长而不断地缩短[10]。deLange等证明在转化细胞中
端粒的长度则不变[11]。精子中的端粒长度不因年龄而
变化似可用精细胞中存在有端粒酶活性来解释[12]。
Hiraga等发现只有具有端粒酶活性的神经上皮瘤
者可以建成细胞株,而没有端粒酶活性的神经上皮
瘤则不能建成细胞株[13]。这说明端粒酶激活对于神
经上皮细胞的“永生化”是必须的。Cheng等发现早
期鼻咽癌细胞的端粒酶便已激活,提示端粒酶的激
活可能是肿瘤发生的早期事件[14]。
端粒酶是肿瘤诊断的重要指标。运用 TRAP
(telomererepeatamplificationprotocol)法,端粒酶活
性已经在血、胸腔穿刺液、甲状腺、肝脏、子宫颈分
泌物、肺脏和唾液、胸膜渗出液、粪便]和尿液的标
本中被检测出[15~16]。Shay等总结了近年来各种恶性
肿瘤组织、癌旁组织、癌前组织及良性肿瘤组织中
的端粒酶活性[8]。发现 90%的恶性肿瘤组织的端粒
酶活性呈阳性;而癌旁组织的阳性率只有 6%,而且
很可能是因为 TRAP法很敏感从而使混入其中的
极少量恶性肿瘤细胞同时也被检测出来的缘故;良
性肿瘤和癌前组织的阳性率分别为 14%,而正常组
织,除少数种类外,其阳性率均为 0。所以端粒酶活
性显然是恶性肿瘤的一种标志,其作为肿瘤标志广
泛性和明确性要优于 Ki-67和 MIB1。
少数情况下,正常组织的细胞也具端粒酶活
性,但比之对应恶性组织,显然要低。Kyo等对卵巢
癌、对应癌前组织、卵巢囊肿组织和正常卵巢组织
的端粒酶活性定量分析后发现,虽然在其他非癌组
织中都有端粒酶活性的表达,但和癌组织相比要低
得多[17]。
部分肿瘤的端粒酶活性与肿瘤的转移相关。
Hoos等发现出现转移的乳腺癌其原发灶的端粒酶
活性要比未发生转移的乳腺癌高,指出乳腺癌的形
成与端粒酶有关[18]。
端粒酶还可判断肿瘤的预后,并且活性水平
与肿瘤的大小、规模、转移相关。有证据表明,高端
粒酶活性与白血病、脑膜瘤和乳腺癌的不良预后
有关[19~20]。另外,Nakarani等发现端粒酶活性阳性的
胶质母细胞瘤患者其平均生存期为 8个月,而端粒
酶活性阴性的患者则为 13.8个月[21]。
端粒酶在正常体细胞中无活性或检测不出其
活性,而在大多数肿瘤细胞中活性高,且其功能是
添加端粒重复序列至 DNA末端阻止端粒随细胞分
裂而缩短,起着稳定 DNA的作用。因此,许多学者
推测端粒酶可能是肿瘤治疗的最佳靶点之一[22,23]。
Feng等人用端粒酶 RNA组分的反义寡核苷酸转导
入 HeLa细胞中后,细胞端粒酶活性丧失,端粒也随
着细胞分裂而逐渐变短,经 20~26个倍增时间,细
胞发生衰老死亡[5]。资料还显示只有与模板区 RNA
及其周围序列互补的特异性反义寡核苷酸对端粒
酶方有抑制活性,而与模板区远侧序列互补的特异
性寡核苷酸对端粒酶活性无影响。当此研究在
“Science”杂志中发表之后,对端粒酶作为肿瘤治疗
靶点的研究变得更加热门。有靶向端粒酶 RNA组
分的反义核苷酸、剪切端粒酶 RNA组分的核酶等[62]
基因治疗法和以端粒酶蛋白组分为靶点的小分子
抑制剂等。Hamilton与 Mata等人最近设计出的反
义 RNA寡核苷酸已经在一些细胞系和异种移植物
人/裸鼠模型中成功用于抑制端粒酶活性[24,25]。Zhao
等人研究提出利用 hTR启动子的特性来干扰该基
因的转录也是一种潜在的治疗肿瘤的策略[26]。另外,
通过基因操作技术改变端粒酶 RNA空间构象不仅
对提示其功能有意义,而且亦有重要的治疗价值。
马永红等:端粒酶的研究进展 77
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
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3 结语
总而言之,端粒酶在肿瘤的发生中具有重要的
作用,有可能成为重要的肿瘤诊断和判断预后的指
标。同时,它也可能成为肿瘤治疗的新靶点。
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