免费文献传递   相关文献

Translocation of telomerase to mitochondria

端粒酶线粒体转位


摘 要:端粒酶是一种逆转录酶,主要存在于细胞核,其主要功能是维持端粒长度,有助于细胞永生化。现已发现,氧化应激可以改变端粒酶活性,促使端粒酶从细胞核转位到线粒体,因而不能继续维持端粒长度,使细胞端粒缩短。端粒酶线粒体转位的非依赖端粒功能包括改善线粒体功能、减少细胞氧化应激、拮抗细胞凋亡。
关键词:端粒酶;线粒体转位;端粒酶的非依赖端粒功能
中图分类号:R363;Q55    文献标识码:A


    


 


全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第10期
2010年10月
Vol. 22, No. 10
Oct., 2010
文章编号 :1004-0374(2010)10-1005-04
收稿日期:2010-04-22;修回日期:2010-06-11
*通讯作者:E-mail:Lingxlong@yahoo. com. cn
端粒酶线粒体转位
文 蕾,凌贤龙*
(第三军医大学新桥医院消化科,重庆 400038)
摘 要:端粒酶是一种逆转录酶,主要存在于细胞核,其主要功能是维持端粒长度,有助于细胞永
生化。现已发现,氧化应激可以改变端粒酶活性,促使端粒酶从细胞核转位到线粒体,因而不能继
续维持端粒长度,使细胞端粒缩短。端粒酶线粒体转位的非依赖端粒功能包括改善线粒体功能、减少
细胞氧化应激、拮抗细胞凋亡。
关键词:端粒酶;线粒体转位;端粒酶的非依赖端粒功能
中图分类号:R363;Q55 文献标识码:A
Translocation of telomerase to mitochondria
WEN Lei, LING Xian-long*
(Department of Gastroenterology,Xinqiao Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)
Abstract:Telomerase is a reverse transcriptase which main exist in nucleus,with the main function of
maintaining telomeres,so it contributes to cellular immortality . It has been demonstrated that telomerase
activity would be altered upon oxidative stress and excepted from nucleolus to mitochondria as well as telomere
shortening. The telomere-independent functions of translocation of telomerase to mitochondria have been
related to improved mitochondrial function, decreased oxidative stress and resistaned cell apoptosis.
Key words:Telomerase; translocation to mitochondria; telomere-independent functions of telomerase.
端粒酶(telomerase)是一种具有逆转录酶活性的
特殊 DNA 聚合酶,主要存在于细胞核,其主要功
能是合成端粒DNA,使端粒出现多个重复序列而不
断延长, 因此它有助于细胞的永生化。已证明端粒
酶可在细胞内不同亚细胞器之间动态穿梭。在氧化
应激条件下,端粒酶从核内转位,在线粒体内被发
现。线粒体保护作用可能是端粒酶在细胞生存和老
化方面的一个重要功能。
1 端粒酶与细胞永生化
端粒是指位于真核细胞线性染色体末端的一种
特殊结构,起着保护染色体末端,维持染色体的稳
定性和完整性,并调节细胞的生长、决定细胞的生
命等功能。而其功能主要依靠端粒长度和端粒结构
的保持。随着细胞分裂次数的增加,端粒DNA 逐
渐缩短,当端粒缩短到临界长度时,即不能维持染
色体的稳定,细胞就会出现衰老以致死亡。因此,端
粒缩短被看作是正常细胞分裂和老化的分子信号。
DNA 末端复制问题和氧化应激介导的端粒DNA
损伤通常会造成端粒缩短。端粒酶可以合成端粒
DNA,弥补细胞分裂时 DNA 端粒的缩短,维持端
粒的长度,保持染色体的动态平衡。端粒酶在生物
体的老龄化和长寿中也发挥了作用,在抗癌小鼠模
型已证实了端粒酶稳定端粒的功能[1]。
端粒酶是一种核糖核蛋白酶,主要由3个亚单
位构成,即端粒酶RNA(telomerase RNA, TR)、端
粒酶相关蛋白质(telomerase-associated protein, TP1/
TP2)和端粒酶逆转录酶(telomerase reverse transcriptase,
TERT) [2]。研究表明, hTERT 表达水平随着端粒酶
活性增加而相应成比例增加,并在正常和癌组织中
1006 生命科学 第22卷
存在差异性表达,因此认为hTERT 是人类端粒酶活
性的主要调控亚单位。hTERT 是 RNA 依赖的 DNA
聚合酶,它区别于其他逆转录DNA聚合酶的主要特
征是自身携带模板。端粒酶的主要功能是合成端粒
DNA,使端粒末端出现多个重复序列而不断延长。
端粒酶的活性在人类不同细胞和组织是不同
的。人类细胞在胚胎发育早期端粒酶呈活化状态,
随后被抑制并一直处于失活状态。正常人体组织端
粒酶表达呈阴性或阳性率很低,而在生殖细胞、胚
胎干细胞和癌细胞中端粒酶高表达。端粒酶激活和
端粒长度维持与细胞永生化密切相关。主要是由于
端粒酶能延长端粒,保持端粒长度和结构的稳定。
但是,研究发现,端粒酶还存在非依赖于端粒的功
能[3]。
2 端粒酶非依赖端粒功能
越来越多的证据表明,除了维持端粒长度的明
确作用外,端粒酶有更多的生理功能。端粒酶非依
赖于端粒的功能包括促进DNA修复、抗细胞凋亡或
改变染色质结构和基因表达[4-6]。在不同类型的细
胞,如神经细胞和癌细胞,随着端粒酶活性增强,
抵抗由应激导致的细胞凋亡和(或)衰老的能力也明显
加强。同时,在 TERT 异位过度表达模型系统中,
端粒酶不能保护在增加氧化应激时的端粒[4-8]。这些
资料表明,端粒酶促进细胞的生存和抗应激非依赖
于端粒长度[9]。
第一次分析端粒酶的非依赖于端粒功能是神经
生理学家Mark Mattson。端粒酶在胚胎脑组织中高
表达,并在神经细胞的分化和生存过程中起重要作
用[10]。随着TERT 水平下降培养的胚胎脑细胞可出
现细胞凋亡增加,表明这些胚胎神经元的生存需要
TERT。与此相反,在PC12 嗜铬细胞瘤细胞,TERT
过度表达可以增强肿瘤细胞对于各种损伤因素,包
括营养戒断因素、星形孢菌素和DNA损伤等所引起
的凋亡的抵抗能力[10-12]。研究显示,TERT 可以在
线粒体改变和天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解
酶激活之前,通过阻止细胞凋亡的级联反应来发挥
其凋亡抑制作用。TERT 过度表达可以对抗撤出营
养因素后由于线粒体膜电位下降和活性氧增加导致
的损伤。因此,有人认为,端粒酶可作为发育中
的大脑神经元生长促进因子,而在各种年龄相关的
神经退行性疾病中,成年脑组织中TERT 下调可能
会增加神经元的脆弱性。
Zhang等[13]通过对野生型TERT和它的两种变异
体(14-3-3蛋白结合结构域突变体和RT结构域突变
体)的研究,证实了TERT 的抗凋亡作用。Massard
等 [14] 也证明,在各种肿瘤细胞中,降低hTERT 水
平可促进由顺铂、依托泊苷和活性氧诱导的非p53
依赖的细胞凋亡。Kang等[15]通过对鼠前脑神经元的
研究发现,TERT 可以减少胞浆中Ca2+ 的累积,增
强线粒体对其的摄取能力,从而选择性阻断 NMDA
(N-甲基-D-天冬氨酸)受体介导的神经毒性,进而
发挥其对缺血缺氧性脑损伤的保护性作用。
3 端粒酶核外转位
研究发现,端粒酶可在细胞内不同亚细胞器之
间动态穿梭。hTERT 蛋白有核和核仁定位信号,以
及核输出信号。2000年,Seimiya等[16]发现了端粒
酶核外转位:信号蛋白14-3-3 是绑定在TERT上的
一个组成部分,它能使 T E R T 定位于细胞核,当
14-3-3 蛋白表达阴性时,TERT 从细胞核移出,在
细胞质出现。Haendeler等[6]研究显示,HEK 293细
胞 3 个细胞亚组分的端粒酶活性,约 60% 在细胞
核、20% 在线粒体、20% 在细胞质。
在增加氧化应激时[4,17-19],端粒酶从核内转位,
在细胞质(主要是线粒体)被发现。在Ahmed等[4]的实
验中,用H2O2 处理人成纤维细胞MRC5 后发现,随
着H2O2 浓度的增加,细胞核外的端粒酶活性从总活
性的25%~30% 逐渐增加到80%~90%,通过激光共
定位发现,降低细胞应激水平可扭转端粒酶核外转
位。因此,端粒酶在亚细胞器间穿梭是细胞内自然
发生的和动态调节的。这个穿梭过程取决于各种因
素,如细胞所处周期阶段、DNA 损伤和氧化应激。
氧化应激,如过氧化氢可能通过蛋白激酶Src(其
酪氨酸707磷酸化)促进TERT核外转位,其他因素,
如CRM1 和胞浆内14-3-3 蛋白可能涉及其中[16,17]。
hTERT 在不同的细胞器的定位似乎是动态调节和依
赖于各种信号,如抗原、生长因子或氧化应激。由
于端粒酶只有在细胞核能发挥其保护端粒的功能,
因此, hTERT的核外定位提示端粒酶具有其他非依
赖端粒功能。
4 线粒体与氧化应激
线粒体是除细胞核外拥有DNA 的细胞器之一,
也是细胞呼吸和通过 AT P 产生能量的重要的细胞
器,是细胞内活性氧(ROS)的主要来源 ,同时也
是活性氧诱导的氧化损伤的主要目标。线粒体功能
障碍和氧化应激与细胞衰老和老化过程有重要联
1007第10期 文 蕾,等:端粒酶线粒体转位
系。Harman[20,21]提出了老龄化的“自由基或氧化应
激理论”认为老龄化是代谢过程中产生的活性氧
(ROS)造成的分子损伤积累的结果,并最终决定生
物体的寿命。这一理论通过Miquel等[22]的努力得到
了进一步发展和完善。他们指出,线粒体内氧化应
激诱导的体细胞突变积累是导致老龄化和与年龄有
关的退化性疾病主要因素。
有大量证据表明,氧化应激可诱发或加快细胞
衰老的发展过程。长期以来线粒体DNA(mtDNA)损
害一直作为细胞内氧化应激一个敏感的指标,许多相
关的研究表明,随着年龄增长,活性氧生成增加,
线粒体功能降低和线粒体 DNA 氧化损伤增加[23 ]。
氧化应激和细胞衰老日益被认为是老龄化、衰退和
失去活性的重要的内在机制。实验表明,线粒体功
能和活性氧簇在决定寿命中发挥重要作用[24]。因
此,对线粒体的保护作用在细胞抗应激、抗凋亡中
有着潜在的意义,与细胞的永生化密切相关。
5 端粒酶线粒体转位
近几年研究发现氧化应激和药物治疗可导致端粒
酶从细胞核转位到线粒体并保护线粒体功能[4,6-19]。
并且,氧化应激导致的端粒酶线粒体转位的发生有
时间和剂量依赖性[4]。过氧化氢治疗后不到3 h,即
可发生端粒酶线粒体转位。Ahmed 等[4]发现,氧化
应激(慢性氧:40%氧条件下)导致80%~90%的端粒
酶进入线粒体,而细胞核内其余端粒酶无法维持端
粒的长度,因此端粒缩短,其实,早在 1995 年,
von Zglinicki等[25]就曾证明成纤维母细胞在同样条件
下,端粒缩短明显加速。将 hTERT 高表达的细胞
从高氧状态转到常氧状态,可以扭转端粒酶核外转
位,端粒重新延长和扩展。
Ahmed等[4]发现了端粒酶的线粒体保护作用, 从
而推翻了Santo等[18,19]描述的端粒酶线粒体转位对线
粒体的不利影响,破坏 DNA 的完整性、导致细胞
凋亡。而且,在各种细胞系统中,线粒体端粒酶
的保护功能很好地对应早先发现的端粒酶的抗凋亡
功能。Saretzki[26]指出,端粒酶保护线粒体是一个
全新的功能,在应激时,端粒酶能够改善线粒体功
能,减少氧化应激。
Ahmed 等[4]发现,在人成纤维细胞,线粒体
hTERT 基因的过度表达可以保护线粒体DNA 免受急
性(过氧化氢处理)或慢性(氧化应激)损伤,降低线
粒体内过氧化物的产量和维持其较低的细胞ROS水
平,同时可以增强线粒体偶联,抑制线粒体功能障
碍所致的逆行反应,保护并增强线粒体作用,抵制
凋亡。这与Haendeler等[6]研究发现的在UV和溴化
物介导的损伤下TERT 可以使mtDNA 受到保护,并
提高线粒体作用的结论一致。
Kovalenko等[27]发现与TERT核输出信号有关的
突变不能维持端粒的长度、线粒体功能和细胞生
长:突变干扰 T E R T 的核输出信号,尽管此时的
T E R T 仍保留催化活性,却不再促进细胞的永生
化。在表达 TERT 突变基因的细胞中,可以产生高
水平的线粒体活性氧簇,线粒体功能受损,并损伤
端粒DNA及端粒外DNA。del Bufalo[28]通过对Bcl2
抑制剂所诱导的凋亡模型进行研究,认为 TERT 在
线粒体的过表达在保护线粒体膜电位和其作用中起
着重要作用,并且是独立于其可以维持端粒长度这
一催化活性之外的作用。
端粒酶被运送到线粒体基质后通过 T O M 与
TIM 结合到线粒体DNA 编码的complex I,并增加
complex I 呼吸效率[6]。TERT 基因敲除小鼠的心肌
线粒体的呼吸效率比较野生型小鼠低。同时,
h T E R T 线粒体转位与抗凋亡之间有正相关关系。
h T E R T 敲除后,线粒体活性氧生成增加。然而,
目前还不清楚 hTERT 是通过何种机制保护线粒体
DNA。可能的机制包括通过改进耦合或更有效地降
低线粒体活性氧生成、直接结合和保护线粒体
D N A、提高 D N A 修复或加速损伤线粒体的降解。
Saretzki[26]提出:hTERT保护线粒体的一个可
能的机制是加快降解已经损伤的线粒体,避免DNA
受损。而Tondera等[29]则描述了一种所谓的“应激
诱导的线粒体超融途径(stress-induced mitochondrial
hyperfusion SIMH)” :当细胞处于一定水平(较
低,正好可诱导凋亡的水平)应激状态时,线粒体
相互融合形成一闭合的网状结构,阻止线粒体断
裂。van der Bliek[30]发现这种融合形成的网状结构,
可以促进线粒体的一些关键成分发生互换,以加强
线粒体结构,对抗进一步的损伤。
在人类端粒酶呈阳性细胞中,如淋巴细胞、内
皮细胞和干细胞,端粒酶逐步核外转位和穿梭到线
粒体可能是一个重要生理机制。这可能意味着,在
正常生长条件下,端粒酶保护端粒;在增加氧化应
激的的条件下,端粒酶保护线粒体。与高表达
hTERT 基因的成纤维细胞相似,在增加应激下,细
胞端粒酶由细胞核向线粒体的亚细胞穿梭也发生在
癌细胞。有数据显示[4,6],线粒体功能可能与端粒
功能共存:在正常生理状态下,在多种细胞类型
1008 生命科学 第22卷
中,20%~30% 的端粒酶出现在细胞核外,部分在
线粒体。
虽然氧化应激时端粒酶从细胞核转位线粒体确
切的生物学意义并不完全清楚,我们推测,在增加
应激的情况下,对于细胞生存来说,保护线粒体比
保护端粒更直接和重要。一旦高应激状态消失,这
个过程便宣告结束。由于活性氧和线粒体损伤是衰
老进程中的重要组成部分,线粒体端粒酶增加了衰
老进程的复杂程度,这还有待于进一步研究。
[参 考 文 献]
[1] Tomás-Loba A, Flores I, Fernández-Marcos PJ, et al.
Telomerase reverse transcriptase delays aging in cancer-
resistant mice. Cell, 2008, 135 (4): 609-22
[2] Blackburn EH. Telomeres and telomerase: the path from
maize, tetrahymena and yeast to human cancer and aging.
Nat Med, 2006, 12: 1133-8
[3] Stewart SA, Hahn WC, O’Connor BF, et al. Telomerase
contributes to tumorigenesis by a telomere length-independent
mechanism. Proc Natl Acad Sci, USA 2002, 99: 12606-11
[4] Ahmed S, Passos JF, Birket MJ, et al. Telomerase does not
counteract telomere shortening but protects mitochondrial
function under oxidative stress. J Cell Sci, 2008, 17: 1046-53
[5] Choi J, Southworth LK, Sarin KY, et al. TERT promotes
epithelial proliferation through transcriptional control of a
Myc- and Wnt-related developmental program. PLoS Genet.
2008 1: e10
[6] Haendeler J, Dröse S, Büchner N, et al. Mitochondrial
telomerase reverse transcriptase binds to and protects mito-
chondrial DNA and function from damage. Arterioscler
Thromb Vasc Biol, 2009, 29 (6): 929-35
[7] de Magalhães JP, Chainiaux F, Remacle J, et al. Stress-
induced premature senescence in BJ and hTERT-BJ1 human
foreskin fibroblasts. FEBS Lett, 2002, 523 (1-3): 157-62
[8] Gorbunova V, Seluanov A, Pereira-Smith OM. Expression
of human telomerase (hTERT) does not prevent stress-in-
duced senescence in normal human fibroblasts but protects
the cells from stress-induced apoptosis and necrosis. J Biol
Chem, 2002, 277 (41): 38540-39
[9] Rubio MA, Davalos AR, Campisi J. Telomere length medi-
ates the effects of telomerase on the cellular response to
genotoxic stress. Exp Cell Res, 2004, 298 (1): 17-27
[10] Mattson MP, Fu W, Killen M, et al. The catalytic subunit of
telomerase is expressed in developing brain neurons and
serves a cell survival-promoting function. J Mol Neurosci,
2000, 14: 3-15
[11] Lu C. Telomerase protects developing neurons against DNA
damage induced cell death. Brain Res Dev Brain Res, 2001,
131: 161-71
[12] Zhu H, Fu W, Mattson MP. The catalytic subunit of
telomerase protects neurons against amyloid β-peptide-
induced apoptosis. J Neurochem, 2000, 75: 117-24
[13] Zhang P, Chan SL, Fu W, et al. TERT suppresses apoptosis
at a premitochondrial step by a mechanism requiring reverse
transcriptase activity and 14-3-3 protein-binding ability.
FASEB J, 2003, 17: 767-9
[14] Massard C, Zermati Y, Pauleau AL, et al. HTERT: a novel
endogenous inhibitor of the mitochondrial cell death pathway.
Oncogene, 2006, 25: 4505-14
[15] Kang HJ, Choi YS, Kim KW, et al. Ectopic expression of the
catalytic subunit of telomerase protects against brain injury
resulting from ischemia and NMDA-induced neurotoxicity.
J Neurosci, 2004, 24: 1280-7
[16] Seimiya H, Sawada H, Muramatsu Y, et al. Involvement of
14-3-3 proteins in nuclear localization of telomerase. EMBO
J, 2000, 19 (11) : 2652-61
[17] Haendeler J, Hoffmann J, Brandes R. P, et al. Hydrogen
peroxide triggers nuclear export of telomerase reverse tran-
scriptase via Src kinase family-dependent phosphorylation
of tyrosine 707. Mol Cell Biol, 2003, 23 (13): 4598-610
[18] Santos JH, Meyer JN, Skorvaga M, et al. Mitochondrial
hTERT exacerbates free-radical-mediated mtDNA damage.
Aging Cell, 2004, 3: 399-411
[19] Santos JH, Meyer JN, van Houten B. Mitochondrial local-
ization of telomerase as a determinant for hydrogen perox-
ide-induced mitochondrial DNA damage and apoptosis. Hum
Mol Genet, 2006, 15 (11) : 1757-68
[20] Harman D. Aging: a theory based on free radical and radia-
tion chemistry. J Gerontol. 1956, 11: 298-300
[21] Harman D. The biologic clock: the mitochondria? J Am
Geriatr Soc, 1972, 20 (4): 145-7
[22] Miquel J, Economos AC, Fleming J, et al. Mitochondrial role
in cell aging. Exp Gerontol, 1980, 15 (6): 575-91
[23] Van Remmen H, Richardson A. Oxidative damage to mito-
chondria and aging. Exp Gerontol, 2001, 36 (7): 957-68
[24] Sedensky MM, Morgan PG. Mitochondrial respiration and
reactive oxygen species in mitochondrial aging mutants. Exp
Gerontol, 2006, 41 (3): 237-45
[25] von Zglinicki T, Saretzki G, Docke W, et al. Mild hyperoxia
shortens telomeres and inhibits proliferation of fibroblasts:
a model for senescence? Exp Cell Res, 1995, 220: 186-93
[26] Saretzki G. Telomerase, mitochondria and oxidative stress.
Exp Gerontol, 2009, 44: 485-92
[27] Kovalenko OA, Caron MJ, Ulema P, et al. A mutant
telomerase defective in nuclear-cytoplasmic shuttling fails
to immortalize cells and is associated with mitochondrial
dysfunction. Aging Cell, 2010, 9 (2): 203-19
[28] del Bufalo D. Involvement of hTERT in apoptosis induced
by interference with Bcl-2 expression and function. Cell
Death Differ, 2005, 12: 1429-38
[29] Tondera D, Grandemange S, Jourdain A, et al. SLP-2 is re-
quired for stress induced mitochondrial hyperfusion. EMBO
J, 2009, 28 (11): 1589-1600
[30] van der Bliek AM. Fussy mitochondria fuse in response to
stress. EMBO J, 2009, 28 (11): 1533-4