端粒、端粒酶与再生障碍性贫血的关系研究

谷晓璐3110102528 端粒、端粒酶与再生障碍性贫血的关系研究 1 端粒、端粒酶与再生障碍性贫血的关系研究Study on relationship between telomere, telomerase and Aplastic anemia 谷晓璐,浙江大学理科试验班1104班,melody223503@163.com 摘要:研究发现,端粒长度和端粒酶活性与细胞的寿命以及很多疾病发生直接相关。而端粒缩短及端粒酶基因突变与获得性再生障碍性贫血(简称再障)关系的研究也成为近年再障研究的热点之一。随着研究的不断深入,实现合理控制端粒的长度和端粒酶活性成为可能,这将有助于攻克再障这一难题,开发出潜在有效的新疗法。 关键词:端粒,端粒酶,基因突变,再生障碍性贫血 Abstract:Studies suggest that telomere length and telomerase activity is directly associated with cell life and the genesis of many diseases. And it’s one of the hot topics in Aplastic anemia’s research that the relationship between telomere length decreasing, telomerase gene mutations and Aplastic anemia (AA for short). With the progress of study, how to control the telomere length and telomerase activity is helpful to overcome this difficulty, and will stimulate the development of potential effective new therapies. Key words: telomere, telomerase, gene mutations, Aplastic anemia 引言:2009 年10月5日,瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将2009年度诺贝尔生理学或医学奖授予3位美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德和杰克·绍斯塔克,以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。近年来,端粒和端粒酶一度成为人类研究的热点,人们对于端粒和端粒酶的基因突变与“癌症、特定遗传病和衰老”的关系的研究也越来越深入,希望能攻克医学上的大难题,为全人类带来福音。 再生障碍性贫血是由多种原因引起的造血干细胞数量下降和功能异常,导致全血细胞减少的一种综合病症,是骨髓衰竭综合征的一种。研究表明,它的病发机制与端粒缩短和端粒酶的基因突变不无关系。本文对端粒和端粒酶作了大致介绍,并解释了端粒、端粒酶与再生障碍性贫血的关系。 1. 端粒与端粒酶 1.1 端粒的定义 端粒是真核细胞内线性染色体末端的一种特殊“帽状”结构,(如图1)是一种由端粒DNA和与端粒DNA特异结合的端粒结合蛋白组成的核糖核酸的蛋白质复合物,在真核生物包括原虫、真菌、纤毛虫、植物和哺乳动物中都存在。其生物学功能是防止染色体末端的降解、丢失及端-端不规则融合,对维持染色体的完整性和稳定性有重要作用。人类在出生的时候端粒约有10-15kb,随着细胞的分裂次数增加,端粒的长度不断地缩短,平均端粒长度随年龄增大而显著减小,特别是免疫系统的细胞。当端粒缩短达到一个临界长度(2-4kb)时,就会认为是双链断裂DNA损害,丧失保护染色体末端的功能,导致不可逆地退出细胞周期,从而走向衰亡。 图1 端粒在染色体末端形成帽子结构 1.2 端粒酶的定义与结构 端粒酶是一种能将真核生物染色体末端DNA端粒DNA加以延伸的酶。它是一种核酸蛋白质复合物。目前认为端粒酶是由端粒酶RNA组分Telomerase RNA Component,TERC),逆转录酶组分(Telomerase Reverse Transcriptase, TERT)和端粒酶相关蛋白(Telomerase Associated Protein,TP)三部分组成的蛋白质复合物。 其中,TERC长约560nt,其中有11个碱基(5’-CUAACCCUAA-3’) 与人类端粒序列5’-TTAGGG-3’互补。与此区互补的反义寡核苷酸能抑制端粒酶活性,而这段RNA 的突变会导致端粒酶活性的改变端粒的合成。 TERT的晶体结构由三部分组成:RNA 结合区(TRBD)、逆转录区(the reverse transcriptase domain)和羧基末端延伸区(carboxy-terminal extension, CTE)。TRBD主要由螺旋组成,含有CP和T两个保守区域,与单链和双链RNA结合。逆转录区由α螺旋和β折叠组成,呈现像手指和手掌形状的结构.而CTE 区由延长的螺旋组成,其表面有长的loop结构,这种新的二级结构折叠方式使CTE区成为TERT的“拇指”。(如图2) [1] 图2 TERT结构示意图1.3 端粒的功能 端粒高度的保守性表明端粒具有非常重要的作用。其主要功能包括: (1) 保护染色体末端。真核生物的端粒DNA如帽子一般保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解,同时可能还有防止端粒酶对端粒进行进一步延伸的作用。改变端粒酶的模板序列将导致端粒的改变,从而诱导细胞衰老和死亡。 (2) 解决染色体复制时末端丢失问题。细胞分裂、染色体进行半保留复制时存在染色体末端丢失的问题。随着细胞的不断分裂,DNA丢失过多,将导致染色体断端彼此发生融合,形成双中心染色体、环状染色体或其他不稳定形式。端粒的存在可以起到缓冲保护的作用,从而防止染色体在复制过程中发生丢失或形成不稳定结构。 (3) 细胞的“生命钟”。染色体复制的上述特点决定了细胞分裂的次数是有限的,端粒的长度决定了细胞的寿命,故而被称为“生命的时钟”。(4) 固定作用。染色体的末端位于细胞核边缘,人类端粒DNA 和核基质中的蛋白相互作用,以TTAGGG 结构附着于细胞核基质。 此外,还发现端粒存在位置效应(telomere position effect,TPE)。 这是由于端粒序列改变了染色体的结构,使得接近端粒处的染色体区域形成异染色质,由于聚合酶和转录因子不容易接近,抑制了附近基因的表达,这种现象称为端粒的位置效应。 另外,有些研究还显示端粒与核运动有关,可能对同源染色体的配对重组有重要意义。 1.4 端粒酶的功能 端粒酶的主要作用是维持端粒的长度。端粒酶不但可以维持已经存在的端粒DNA,同时端粒酶反转录酶能够识别断裂染色体的末端,重新将端粒重复序列加到染色体的断裂末端或非端粒DNA 上。端粒酶能利用端粒3′端单链为引物,自身的RNA为模板合成端粒重复序列添加到染色体末端,从而延长端粒的长度。人的生殖细胞、造血干细胞及T、B淋巴细胞中端粒酶有不同程度的表达,而在正常的体细胞中,端粒酶处于失活状态,因此体细胞随细胞分裂次数的增加端粒逐渐缩短。端粒的长度与有丝分裂次数相关,所以端粒又有细胞的“有丝分裂钟”之称。[2] 2.端粒酶基因突变与再生障碍性贫血的发病机制 再生障碍性贫血(Aplastic anemia, AA,简称再障)是由多种原因引起的造血干细胞数量下降和功能异常,导致全血细胞减少的一种综合病症,是骨髓衰竭综合征的一种。AA可以分为获得性和遗传性的,获得性AA又分为原发性AA和继发性AA两类。近年来,在获得性AA中发现,部分患者与同年龄组的正常人相比端粒缩短。端粒酶基因的突变可导致再障患者端粒酶活性降低,端粒缩短加速,减少造血祖细胞增殖能力。在1/3有端粒缩短的获得性再障患者中有一部分伴有端粒酶的突变(TERC基因或TERT基因),约占所有获得性再障患者的4% -10%。 2.1 TERC基因突变 研究发现,遗传性TERC突变导致的端粒酶活性和端粒维持损失,可能会限制骨髓干细胞再生。在再障患者中,有一些TERC突变与端粒维持通路的遗传病变有关,有一些突变能破坏TERC的二级结构或折叠。经过一项正常和突变TERC 分子的端粒酶重组实验表明,TERC的突变是由于单倍剂量不足引起的。在无负性干扰的情况下,TERC的变异使端粒酶活性降低或取消,导致端粒合成功能的丧失。 2.2 TERT基因突变 TERT基因的突变是通过单倍剂量不 足机制破坏了端粒酶活性,从而造成了白细胞端粒缩短和造血干细胞室的增殖能力有限。有TERT突变的患者外周血白细胞端粒明显缩短,且发现有突变患者的亲属也具有造血障碍,其CD34细胞数的减少、造血集落形成减少、造血生长因子水平增加以及短端粒,揭示了基因突变的家族倾向。体外培养突变的患者及亲属的外周血白细胞发现,培养细胞的端粒酶活性较正常对照组减少了约50%,说明TERT突变相关再障降低端粒酶活性的机制是单倍剂量不足:即其余的正常等位基因不足以生产足够数量的酶。 另有不同的研究发现,在慢性再障患者中骨髓单个核细胞的端粒酶活性是增高的。在22例儿童再障患者中测定了骨髓单个核细胞的端粒酶活性,高于正常对照组的两倍,分析端粒酶活性增加与再障患者潜在的造血负反馈有关。两种不同的研究结果说明关于端粒酶的活性在获得性再障的研究中还存在争议,有待于大量的实验数据的进一步验证。[3] 2.3端粒相关蛋白基因和其他基因突变端粒相关的6种蛋白(TRFI、TRF2、POTI、TPPl、RAPl和TIN2)共同组成Sheltefin复合体,为端粒的保护伞。上述蛋白编码基因突变也会导致端粒长度改变。另外,发现SNMIB/Apollo 基因,SBDS基因和NOLAl基因也能引起端粒长度缩短或者端粒功能异常。 3. AA治疗方法 在获得性AA中,即使是端粒缩短的患者对IST也是有反应的,一部分患者血象长期稳定,且随病情好转,端粒缩短逐渐得以恢复;另一部分患者早期有效,晚期病情进展、复发或克隆性变。其中端粒缩短AA复发率是端粒正常者的2-3倍,且所有的克隆性改变均发生于端粒最短的1/4患者。 3.1 雄激素治疗 雄激素能改善端粒缩短AA患者骨髓造血功能,有效率达50%-70%。雄激素、雌激素、黄体酮均能够刺激核细胞端粒酶(TA)基因表达。实验显示正常PMMC及骨髓CD34+细胞在雄激素条件下TA活性增强,TERT mRNA水平明显增加。雌二醇与雄激素作用雷同。杂合型TA突变者拥有较低水平的TA活性,经雄激素治疗后TA活性能达正常。 在对雄激素作用机制研究中还发现,雄激素对TA的调节是通过芳香化作用转化为雌激素并作用雌激素受体实现的。这可能解释了青春期或孕妇雌激素水平异常时AA的发生。 谷晓璐3110102528 端粒、端粒酶与再生障碍性贫血的关系研究 6 3.2免疫抑制及刺激因子治疗 接受IST的AA患者,6个月内早期疗效不受诊断时白细胞端粒长度影响,且短期应用粒细胞集落刺激因子、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、促红细胞生成素等刺激因子治疗,均表现出较好的效果。然而端粒缩短者容易复发,易向MDS /急性粒细胞白血病转化。部分研究表明外周白细胞端粒在IST有效组逐渐恢复,而无效组及初治组显著低于正常。 3.3造血干细胞移植(HSCT)治疗 与先天性AA及某些遗传性疾病相似, HSCT治疗是获得性AA最终有效的治疗方法。但鉴于IST部分有效,且端粒可逐渐恢复,因此确定IST无效后再进行HSCT为佳。 3.4抗感染治疗 感染是AA最重要的死亡原因,对于端粒缩短的AA患者,尤其是60-97岁的老年患者,端粒长度明显缩短,其感染后的相关病死率增加8倍,因此在该部分患者抗感染治疗应更积极充分。 3.5 靶向药物 有人提出针对TA活性减低的AA患者进行基因治疗。TERT基因转到人细胞中,可增加端粒长度,延长细胞寿命,保留正常细胞的增殖分化能力,未引起恶性改变。TA活性增高,可增加细胞抗压能力,耐受高氧或低氧条件,对分子毒性等异常生长环境适应力增强。 综上所述,作为最重要的骨髓衰竭疾病之一,获得性AA综合征正在被逐步解析,依据端粒及其相关基因异常与否可能将该病进行新的划分。对于端粒异常的AA患者采用联合雄激素、免疫抑制剂进行早期治疗,如无效或复发,方进行HSCT,将来有望进行基因治疗。[4] 参考文献: [1]钟天映,陈媛媛,毕利军.端粒与端粒酶的研究——解读2009年诺贝尔生理学或医学奖[J].生物化学与生物物理进展,2009, 36(10):1233-1238. [2]朱雅新,麻浩.端粒和端粒酶的结构与功能及其应用[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2005,31(1):98-105. [3]王琰,徐瑞荣.端粒、端粒酶、shelterin 与获得性再生障碍性贫血的研究概况[J]. 中国免疫学杂志,2012,28(9):854-857. [4]王婷,邵宗鸿.端粒异常与再生障碍性贫血[J]. 中华医学杂志,2012, 92(18):1288-1290.