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端粒与衰老的问与答

已有 730 次阅读 2022-9-16 08:47 |个人分类:衰老生物学|系统分类:观点评述

端粒(telomere)位于真核线性染色体两端,由高度重复DNA序列(人类是TTAGGG)和端粒结合蛋白组成。目前发现端粒结合蛋白主要有6个亚单位,TRF1,TRF2,TIN2,Rap1,POT1和TPP1,他们共同组成端粒保护蛋白复合体。端粒酶( telomerase)于1989年Morin教授率先在人类宫颈癌细胞中发现,活性端粒酶由三部分组成:端粒酶RNA( telomerase RNA,TR)、端粒酶相关蛋( telomerase associated protein,TEP)和端粒酶逆转录酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)。人类端粒酶RNA基因定位于3q23.3,大小450bp,与端粒DNA序列互补。端粒逆转录酶定位于5p15.33,全长4027bp,是单拷贝基因。人类端粒酶的相关蛋白被认为是端粒酶活性的调节亚单位,它能与端粒酶RNA特异性结合,可作为支架募集以及组织端粒酶RNA、端粒酶逆转录酶和端粒及其他调节因子。

细胞中端粒酶分子很少,如一个HEK-293人胚肾细胞中只含有约20~50个端粒酶分子,92个端粒,而酵母中则只含有29个端粒酶分子,64个端粒。

现已知端粒酶反应最适pH为6.5~8.5,最适反应温度为35-40℃,最适离子浓度为1-25 mmol/L。

问:已知有几种途径延长端粒?

延长端粒的途径有4种:(1)端粒酶途径;(2)端粒序列的姐妹染色单体交换途径,这种端粒延长机制速度快,主要发生在生殖细胞的减数分裂上。刘林教授发现Zscan4基因能够快速延长重编程细胞的端粒,重编程后第三天,Zscan4组的细胞端粒比没有Zscan4组的长约5kb;这种快速的端粒延长是通过姐妹染色体互换完成,而不是通过传统的端粒酶介导;(3)替代性延长端粒(ALT)途径,染色体外的端粒重复序列DNA(extra chromosomal telomeres repat DNA,ECTR DNA)是端粒重复DNA以核小体形式(包括端粒DNA,端粒特异结合蛋白,参与重组的蛋白)大量游离在细胞核内,有可能会通过同原源重组来延伸端粒。2022年9月15日,著名科研期刊Nature Cell Biology刊登了一篇题为《An intercellular transfer of telomeres rescues T cells from senescence and promotes long-term immunological memory》的论文[https://www.nature.com/articles/s41556-022-00991-z]。伦敦大学学院研究人员领导的国际科研团队发现,抗原呈递细胞(APC),由B细胞、树突状细胞或巨噬细胞等组成,主要负责加工和呈递抗原以供某些淋巴细胞(如T细胞)识别,来激活细胞免疫反应。当T细胞识别到抗原准备大干一场时,APC就得把自己的端粒经过一系列复杂的处理后转移到细胞外囊泡中。外囊泡中包含一种名为Rad51的重组因子,使其本身携带的端粒能够与T细胞的端粒融合到一起,增加T细胞的端粒长度;(4)果蝇能通过反转座子(又称逆转座子)的不断复制来延长端粒[https://academic.oup.com/mbe/article/21/9/1620/992103?login=true]。

问: 端粒酶是不是致癌物?

答:癌基因和抑癌基因是正常细胞缺一不可的基因,它们互相制约,调控着细胞的增殖与衰老。导致正常细胞癌变的原因是抑癌基因因突变等原因失活,使癌基因和端粒酶基因不再受制约而发生持续高表达。也有报道,有的肿瘤细胞端粒酶基因正常,但端粒酶基因的启动子发生突变,导致端粒酶基因高表达。由于端粒酶催化亚基基因的调节区含有癌基因如c-myc这个癌基因蛋白的结合点,因此,一旦抑癌基因失活,癌基因就会不受控制地持续高表达,从而也启动了端粒酶催化亚基基因表达。因此,端粒酶不是致癌物,而只是抑癌基因失活下的次生产物。

问:如果说端粒缩短是导致细胞衰老的原因,那为什么大部分癌细胞的端粒长度比正常的衰老的体细胞还短,反而癌细胞的年龄却和胚胎细胞一样年轻?

答:这是因为p53失活和端粒酶的作用能够部分代偿(补偿)端粒的作用,因此,高活性的端粒酶能够补偿端粒长度的不足[ 黄必录.衰老的生命周期程序驱动学说[J].中国老年病杂志,2011,8(3):169.]。依据如,(1)很多癌细胞端粒虽然很短,但端粒酶活性很高,而且只要抑制端粒酶,癌细胞马上就会出现衰老和凋亡;(2)丛羽生发现,hTERT能够促进血管内皮生长因子转录;端粒逆转录酶在血管生成中起着与端粒无关的作用,它通过与转录因子 Sp1的相互作用上调 VEGF 的表达。[ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5062966/];p53是调控细胞衰老的主控因子,而癌细胞是因为各种原因导致p53失活的。

问:端粒是染色体DNA两端的封头,具有稳定染色体DNA的作用。细胞衰老死亡是因为端粒过短而引起染色体DNA崩溃酶解所致?

答:人类细胞在衰老死亡之前,端粒长度还剩一半左右,约5-6kb,小鼠还更长,因此,细胞衰老不是因为端粒缩短到染色体DNA崩溃酶解所致。

问:人类精子端粒最长,有15kb,然而,在小鼠衰老的细胞,剩余端粒长度比人类最年轻的胚胎细胞还长,从短端粒的地中海小家鼠到长端粒的小家鼠C57BL/6品系,各类小鼠的不同组织均确定存在不同程度的端粒缩短现象。CAST/EiJ小鼠端粒可自然缩短至不足15kb。那为什么小鼠细胞已非常衰老了?

答:只是剂量效应在不同物种或同一物种不同个体间不同而已,就象有的人喝一杯酒就醉,有的人要干几大碗才醉。

问:早衰症是端粒快速缩短造成的吗?

答:是的,早衰症是核纤层蛋白A突变导致端粒聚集了一些与端粒相关的非编码核糖核酸(RNA)而加速端粒缩短(https://news.sina.cn/2019-11-24/detail-iihnzhfz1386379.d.html?cid=56264&pos=11&vt=4)。新陈代谢也会促进端粒转录( Anabelle Decottignies等,2016)。随着端粒DNA转录成RNA量的提高,端粒缩短加快(Joachim Lingner等,2007)。

问:胚胎发育过程,端粒酶活性最高,但端粒为什么会快速缩短?

答:大麦胚芽生长过程中,每次细胞分裂端粒缩短长度可达50kb,由于RNA引物是很短的,人类细胞每个复制周期只能缩短5个核苷酸左右。因此这就无法用有丝分裂末端复制问题来解释(Kilian A et al. Proc Natl Acad Sci U S A.1995: 92 9555.)。在人类胚胎发育几个月中,端粒缩短量相当于成年人的几十年缩短量。连端粒缩短的氧化性损伤理论也无法解释,用个体发育和端粒的关系的(黄必录,个体发育和端粒的关系[J].中国老年病杂志,2008,5(1):57-58.)理论认为,端粒缩短是启动细胞分化和个体发育的,因此,在胚胎发育期,细胞分化和个体发育时间很短,端粒缩短速率必须很快,因此,端粒缩短速率需要被基因选择性调控,根据发育需要决定缩短速率。缩短机制可能包括根据发育时间需要,细胞会合成一些能够导致端粒DNA损伤的蛋白,以此左右端粒缩短速率,因为在细菌和人类细胞中都已发现能够自己合成内源性的增加DNA突变的蛋白质。或/和合成一些能够修剪端粒的蛋白质。

Kian等(Kilian A et al. Proc Natl Acad Sci U S A.1995: 92 9555.)发现大麦在胚芽时端粒长度为80kb,但成熟后只有30kb。von Zglinicki等(von Zglinicki T, Saretzki G, Docke W, et al. Mild hyperoxia shortenstelomeres andinhibits proroliferation of fibroblasts: a model for senes-cence? Exp Cell Res,195,220(1):186~193.)的研究表明DNA损伤在端粒缩短中起着重要作用。人成纤维细胞在正常条件下可以传44~45代,每次分裂使端粒缩短90bp,而当细胞在40%的高压氧下培养时却只能传几代,每次分裂使端粒缩短的速率由原来的90bp增大到500bp。

Sitte等(Sitte N, Saretzki G, von Zglinicki T. Accelerated telomere shortening infibroblasts after extended periods of confluency. Free Radic Biol Med1998,24(6):885~893.)缺血清培养成纤维细胞,发现在细胞增殖被抑制期间端粒长度保持不变,然而端粒DNA上对S1核酸酶敏感的单链位点增加了四倍。细胞被解除增殖抑制后,端粒DNA上单链位点降低到正常水平,端粒缩短的速率则比未经增殖抑制处理的对照组增加了约3倍,但在分裂2代以后,端粒缩短速率又降低到正常水平。Sitt等用端粒特异的DNA降解模型来解释这一现象,即代谢时间依赖的单链DNA降解是端粒缩短的主要原因,该模型最适合氧化性DNA损伤引起端粒缩短这一推测。因为即使在细胞增殖缺血清性抑制的情况下,细胞的基本代谢仍然维持,因而活性氧仍然产生,这必然导致DNA的氧化性损伤,包括端粒DNA单链位点的积累,而端粒单链DNA的降解则是依赖于更高水平的代谢过程,所以只有在恢复正常培养水平的代谢条件下,单链DNA才被迅速降解,端因此快速缩短。

问:一些不分裂的细胞的衰老是不是端粒也会缩短?

答:不分裂的心肌细胞的端粒也会越来越短(参考文献:《多种组织细胞端粒DNA长度与年龄相关性的研究》);Takubo等(Takubo K et al. Exp Gerontol, 2002: 37: 523.)研究不同更新速率组织细胞来源的端粒长度时,发现虽然不同组织来源的细胞每年更新次数不相等,但每年的平均端粒缩短长度却没有明显差异。这两个例子都说明了少分裂或不分裂的细胞端粒每年缩短量差不多。

新陈代谢与端粒缩短是呈正相关的,而新陈代谢过程必须要用氧气,已发现,细胞培养在浓度为40%氧气中很快停止生长,同时端粒缩短了,显示不经细胞分裂端粒也会缩短(Von Zglinicki等人,1995;Von Zglinicki,1998)。2016年11月7日,匹兹堡大学的研究人员在《Nature Structural and Molecular Biology》杂志上揭示了氧化应激导致端粒缩短的关键机制——线粒体燃烧葡萄糖产生活性氧是通过破坏合成端粒DNA的前体分子的,而不是端粒本身。Patricia Opresko教授研究了常见的氧化损伤——核苷酸碱基氧化(8-oxo-7、8-oxoG)如何通过端粒酶调节端粒的延伸 。发现,当在dNTP(脱氧核糖核苷三磷酸)中添加8-oxoG时,在端粒延伸过程中,含有氧化核苷酸的端粒酶能诱导有机体突变,并终止端粒的进一步延伸。骨髓氧分压很低的目的就是防止骨髓干细胞端粒缩短,现在兴起的低氧培养细胞也就是这个意思。

研究发现运动能增加端粒酶活性,但为什么运动员平均寿命更短,首先运动会增加线粒体产生活性氧,而活性氧除了上段说的“线粒体燃烧葡萄糖产生活性氧是通过破坏合成端粒DNA的前体分子”而影响端粒长度外,这篇(文蕾,凌贤龙,端粒酶线粒体转位,生命科学,2010)提到活性氧会使细胞核中的端粒酶迁移到线粒体也是一个重要原因,Ahmed等[Ahmed S , Passos JF , Birket MJ , et al . Telomerase does not counteract telomere shortening but protectsmitochondrial functionunderoxidativestress.JCellSci,2008,17:1046-53]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%。但有个矛盾问题,除草剂“百草枯”,在线虫体内会产生超氧化物和H2O2。用低浓度的百草枯(0.01mM到0.1mM)处理线虫,线虫的寿命随着百草枯的浓度增加而延长,最多可以长58%。再用抗氧化剂乙酰半胱氨酸处理后,百草枯延长寿命的效果又消失了。这里应该还有不为人知的端粒保护机制。

心肌细胞不易再生也是因为端粒迅速缩短造成的。例如(JCB:端粒长度与心脏再生有关/2016-05-30 )最近,西班牙国家心血管研究中心的研究人员发现,心肌细胞染色体的末端会在出生后迅速缩短,从而限制了细胞增殖和替换受损心脏组织的能力。这项研究将刊登在2016年5月30日的《Journal of Cell Biology》杂志上。

问:有人根据DNA甲基化水平会随着年龄增长而降低认为,决定细胞衰老的生物钟是DNA甲基化,而非端粒,或认为细胞中有两套决定衰老的生物钟。这个问题就象先有鸡先有蛋,那么到底谁是决定细胞衰老的生物钟?

答:很多研究者不是缺乏研究设备与手段,而是分析有问题,常常因果颠倒,把几百种衰老结果当成衰老原因,因此提出了约300种的衰老学说或假说,就象是先有鸡还是先有蛋那样分不清,争来争去。其实,鸡是鸟类的生殖细胞基因先一步步突变造成的,因此是先有蛋才对。

虽然DNA甲基化总体水平会随年龄增长而下降。但在年轻个体中未甲基化的基因在老年个体中发生了甲基化,反之亦然。

其实,衰老过程DNA甲基化水平的变化是由端粒缩短引发的次生现象,也就是说,在因果关系中,端粒缩短是因,DNA甲基化水平下降是果。因此,如果端粒长度恢复或端粒酶活性上升,DNA甲基化会重新上升到相应水平。依据是,SV40病毒及大T抗原转染细胞都会激活端粒酶,DNA甲基化水平会重新上升(Matsumura等人,1989);端粒酶能上调DNA 5-甲基胞嘧啶转移酶I,因此对表观遗传学状态有上调作用(Young等,2003)。再说,果蝇DNA甲基化很少,在常用来研究发育与衰老的秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)等少数动物中并不存在DNA胞嘧啶甲基化现象。

如果端粒酶没有激活,培养一段时间,无论细胞分裂或没分裂,表观遗传年龄不变。端粒酶能补偿端粒缩短的衰老变化(https://www.nature.com/articles/s41467-017-02697-5)。这说明端粒酶至少能间接修改表观遗传模式。也可以说,如果只有端粒缩短而没有表观遗传模式的修改,细胞只会普遍降低各种蛋白质的合成速率。如果端粒缩短加表观遗传模式的修改,就会同时发生普遍降低各种蛋白质的合成速率和基因表达模式的改变。

甲基化的选择性增减的作用可以改变基因表达模式。从很多癌细胞基因表达模式可从成人细胞表达模式逆转到胚胎细胞表达模式来看,我认为端粒延长后,该增加甲基化的基因会选择性增加甲基化,该清除甲基化的基因会选择性清除掉,以此逆转老。例如,胚胎肝细胞合成甲胎蛋白,而不合成白蛋白。成人肝细胞不合成甲胎蛋白,而是合成白蛋白。如果成人肝细胞癌变,就会再次合成甲胎蛋白,而停止合成白蛋白。这种基因表达模式的转换不是细胞脱分化,是逆转衰老,因为肝细胞还是肝细胞,而不会变成皮肤细胞或ips细胞。

综上所述可以断定,端粒是决定细胞衰老的主要生物钟之一。

问:成体干细胞含有较高的端粒酶活性,端粒为什么还会继续缩短?

答:很多人认为,成体干细胞含有较高的端粒酶活性,从而认为成体干细胞的端粒不会缩短,成体干细胞不会衰老,而造成个体衰老的原因是细胞中蛋白质交联或垃圾分子积累等因素造成的。

其实,虽然干细胞表达端粒酶,但造血干细胞(HSCs)、神经干细胞(NSCs)、毛囊干细胞(hfSCs)和生殖干细胞(GSCs)的端粒也会随着年龄的增长而缩短(Ferrón等人,2009年; Flores等人,2008年)。以造血干细胞为例,胎肝造血干细胞端粒长度为11kb,脐带造血干细胞10.4kb,骨髓造血干细胞7.6kb,外周血造血干细胞7.4kb。胎肝造血干细胞端粒最长,产生的CD34+比骨髓多1000倍)。参考文献:《端粒/端粒酶在血液系统中的研究进展》。

端粒不缩短的癌细胞不会发生细胞分化,端粒酶抑制剂会促进癌细胞或正常细胞分化,因此,端粒缩短可能是启动细胞分化必须的生物法则。由于细胞分化也是组织细胞更新必不可少的法则,因此,进化过程中已经制定了规则:只允许体细胞端粒缩短,不允许停止缩短或增加长度。这就是为什么从古至今没找到返老还童药的原因。

如果有一种药物能让体内细胞端粒停止缩短或延长,细胞就会停止分化,这可能会要个体小命的。

问:器官或细胞的衰老是因为端粒缩短降低了细胞的分裂速度或次数造成的吗?

答:不是,因为细胞的分裂速度与分裂次数以及死亡速度,都与器官或细胞本身的衰老程度无关,例如,儿童的心脏中的心肌细胞,虽然不再分裂或很少分裂,但是心脏或心肌细胞的本身都是健康有力的;胃壁每天都有大量细胞死亡,胃功能也不会退化。

问:如果把细胞比作汽车的发动机,那么,端粒相当于什么装置?

答:端粒是控制染色体中基因表达活性的,进而控制细胞质中的线粒体的数量和产生ATP速率,从而决定细胞的新陈代谢率,因此,端粒就是细胞活力的总开关,相当于汽车发动机的油门,端粒长,发动机(线粒体)动力强劲,反之亦然。换句话说,衰老不是线粒体出问题,而是细胞核出问题,线粒体只是受到细胞核调控而已。即细胞核年轻,线粒体就会年轻,细胞核衰老,线粒体就会衰老。例如,线粒体DNA(mtDNA)的拷贝数与端粒长度之间存在正相关关系[Tyrka A.R,Carpenter L.L,Kao H.T,et al.Association of telomere length and mitochondrial DNA copy number in a community sample of healthy adults.Exp.Gerontol.2015; 66: 17-20.]。

端粒越长,端粒酶活性就越高。H aendeler等通过T ER T对线粒体DNA粘附,发现了线粒体T ER T展现出新的保护功能,能增加呼吸链活性和抗氧化能力,提高细胞寿命[H aendeler J,D ro ¨se S,Büchner N,et al.M itochondrial telom erase reverse transcri p tase binds to and p ro tects m itochondrial DNA and functi on from dam age[J].A rteri o scler T h rom b V asc B i o l, 2009,29(6):9292935.]。

由于决定细胞衰程度的部位在细胞核,而非细胞质或细胞质中的线粒体,因此,增加线粒体功能的药物无法延长动物寿命。例如,辅酶Q10, 就是细胞线粒体里的抗氧化剂。给小鼠服用Q10,虽然线粒体里的Q10浓度显著增加了,小鼠的寿命并没增加[R. S. Sohal et al.Effect of coenzyme Q10 intake on endogenous coenzyme Q content, mitochondrial electron transport chain, antioxidative defenses, and life span of mice. Free Radic Biol Med,2006,40, 480-487 .]。喜欢运动锻炼的人一般都喜欢吃抗氧化的维生素。据说这些保健品可以减少肌肉的损伤,而新的研究发现服用抗氧化的保健品会克制锻炼的有益的作用[G. Paulsen et al., Vitamin C and E supplementation alters protein signalling after a strength training session, but not muscle growth during 10 weeks of training. J Physiol 592, 5391-5408 (2014).]。

问:大部分癌细胞端粒比正常细胞端粒更短,但含有高活性的端粒酶,少数癌细胞端粒很长,但没有端粒酶活性。但是,这两类癌细胞都有共同的能无限增殖的特点。

例如,Urabe等[Urabe Y. Nouso K, Higashu T, et al. Telomere length in luruanliver diseases, Liver, 1996, 16(5): 293-297.]检测了肝组织的端粒长度:正常肝脏(13例)、慢性肝炎(11例)、肝硬化(24例)和肝癌(24例)的平均端粒长度分别为(7.8±0.2)kb、(7.1±0.3)kb、(6.4±0.2)kb和(5.2±0.2)kb。肝癌组织的平均端粒长度要明显短于正常肝脏和其它慢性肝病者,慢性肝病端粒短于正常组织也是因为肝细胞反复增殖造成的,肝炎和肝硬化者端粒酶活性也高于正常肝脏,是因为细胞增殖过程需要端粒酶。

也有研究发现阻断端粒酶活性的突变,会导致小鼠和人类产生肝硬化。

那么,端粒和端粒酶是如何介导细胞增殖活性的?

答:端粒酶活性越高,一种名为TRF1的端粒结合蛋白活性就越高。TRF1不但可以抑制端粒酶延伸端粒的作用,而且还会激活一种名为TACP1的因子的活性,TACP1会和一种名为Tankyrase1(端锚聚合酶,可使TRF1核糖基化而丧失结合端粒DNA能力,使端粒酶能够延长端粒)协同在中心体促进细胞有丝分裂进程(浙江大学,黄 河、蓝建平,2006);无端粒酶活性的癌细胞的增殖活性,也是通过染色体端粒或和一种游离在染色体外的核小体结构的端粒序列DNA来激活TRF1等因子,在中心体促进细胞有丝分裂进程的(浙江大学,余建等人,2008)。

问:通过药物激活细胞中的端粒酶活性,能不能延长端粒?

答:不能,因为上面已说过,激活端粒酶会加快细胞分裂,而细胞分裂次数是有限的,加快细胞分裂等于加速端粒缩短速度。例如,根据童坦君院士测得,中国人每年端粒平均缩短是35bp,而遗传性贫血端粒酶活性比正常人高4.8倍(参考文献:端粒/端粒酶在血液系统中的研究进展),端粒每年缩短247bp。白血病造血干细胞的端粒酶活性比正常造血干细胞高3000-10000倍,端粒反而比正常细胞短很多。其实,大部分具有高活性的端粒酶的癌细胞,端粒比正常细胞还短。

虽然体细胞端粒酶活性上升,端粒缩短加速。但相反的是,胚胎干细胞和ips细胞端粒酶活性上升会延长端粒。

至于为什么用药物激活细胞中的端粒酶活性,端粒还会缩短?

这是由于端粒酶活性升高,端粒结合蛋白TRF1的活性也会呈正相关的跟着上升。端粒结合蛋白分TRF1和TRF2,TRF1会抑制端粒酶延长端粒,但是,过度抑制TRF1也和抑制TRF2一样也会破坏端粒功能。由于端粒结合蛋白会阻碍端粒酶延长端粒的作用,因此,细胞每分裂一次,端粒酶只能延伸端粒最多约15bp,而端粒缩短达50bp以上,得不偿失,从而随着细胞分裂次数的增加,端粒就会越来越短。此外,细胞中有端粒酶的存在并不能保证端粒的延伸。因为端粒DNA的四个TTAGGG重复序列可以形成一种四链的G-四链体结构。该结构非常稳定,会阻止端粒DNA与端粒酶的相互作用。中科院动物所谭铮领导的端粒与衰老研究组研究发现了一种hnRNP A2*蛋白,它可以与端粒DNA和端粒酶发生作用,主动打开端粒G-四链体结构,将端粒3’端的5个碱基暴露出来,促进它和端粒酶的RNA模板配对,从而增强端粒酶活性和延长端粒的效率,因此,端粒酶能否延长端粒还与hnRNP A2*的表达水平高度相关。但是,端粒酶活性并不是总是与hTERTmRNA水平正相关,例如肝细胞具有极高的hTERTmRNA水平,而TRAP检测到的端粒酶活性很低。而天津医科大学王峰团队以及中国医学科学院放射医学研究所柳杨团队在 Nucleic Acid Research 杂志上共同发表文章Mammalian CST averts replication failure by preventing G-quadruplex accumulation,也发现端粒结合蛋白CST复合体在体内也能够有效打开G-四链体结构,敲除CST端粒会迅速缩短,细胞复制效率大大降低。

还有一个原因是端粒缩短这个动作过程是启动体细胞分化必须的,这是1998年我发表在燕京医学通讯的《衰老的机理意义及治疗》的论文第1054页的一个奇怪的理论:“认为启动细胞分化必须要消耗某些稳定的物质贮备,而且这些贮备物不能一边消耗一边补充。也就是说成体干细胞中的端粒DNA只能缩短而不能加长。如果让端粒停止缩短或变得更长,细胞分化就会停止,而细胞如果不会分化,胚胎将无法发育,成体也会很快死亡。最近有研究证明了我1998年认为启动细胞分化端粒会缩短的理论:发现多能干细胞的定向分化可导致端粒缩短[丁志超、王平、刘光慧等,老年医学与保健,2013年第19卷第6期,346页]。

问:为什么端粒越长,缩短越快?例如,精子端粒平均长达15kb,但从受精卵到胎儿出生短短9个月,端粒缩短了4kb左右;Robertson等对1~96岁正常人的外周血(包括脐血)中性粒细胞和T淋巴细胞的端粒长度进行测定发现,出生后第一年有较快速的端粒缩短,约700bp年,以后逐年下降,31bp/年;Iwana等(1998)发现人4~39岁时端粒每年减少84bp,40岁以后年平均是41bp。但到了50~60岁时端粒又会加速缩短,这就是老年人加速衰老的原因。

答:端粒末端有个端粒特异性保护蛋白复合体(shelterin),是与端粒结合的六蛋白复合体,能防止端粒被当成双链DNA的帽状结构。如果端粒较长,shelterin复合物的蛋白浓度相对就较低。2017年1月13日发表在《Science》上的论文说发现了一种命名为TZAP(端粒相关锌指蛋白),和染色体末端结合决定了端粒有多长。TZAP会优先地和拥有低浓度的shelterin复合物的长端粒结合,与端粒重复序列结合因子TRF1和TRF2竞争,使细胞在分裂过程会快速删除端粒重复序列。

也有发现端粒延长会激活XRCC3和Nbs1蛋白质,启动端粒修剪机制。当胚胎干细胞中XRCC3和Nbs1两种蛋白的表达量下降后,会阻止端粒缩短(参考文献:Scientists find that for stem cells to be healthy, telomere length has to be just right)。

还有,一种能阻止端粒酶延长端粒的端粒结合蛋白TRF1的水平与端粒酶活性呈正相关,而端粒长度又与端粒酶活性呈正相关,因此,端粒越长,端粒酶活性就越高,TRF1水平也越高,端粒缩短也越快。

问:为什么端粒比人类长的老虎,寿命反而比人类短很多?

答:端粒长的动物寿命不一定长,端粒短的动物不一定短,寿命长短取决于端粒缩短速度,人类早老症端粒会快速缩短,小鼠端粒长度是人类6倍,然而端粒缩短速度比人类快100百倍,因此,小鼠寿命比人类短得多。

问:缺乏端粒酶RNA组分(TERC)的实验小鼠在5代中没有明显的表型。只有在第六代才能观察到干细胞的损耗,尽管最早可在第四代观察到一种倾斜的HSC谱系潜在表型(Ju等人,2007年; Lee等人,1998年)。

答:端粒越长,端粒酶越难延长端粒,而小鼠端粒很长,因此,端粒酶对端粒长度影响很小,端粒酶的作用主要是影响细胞增殖的。而且在生殖细胞和胚胎早期的端粒重置主要靠端粒酶替代途径延长端粒,故缺乏端粒酶RNA组分对小鼠成体细胞端粒长度影响不大。

小鼠端粒长度为30-150 kb,人类10-15 kb。

这里是不同物种的成体成纤维细胞的端粒平均长度:人9kb,小鼠50kb,牛18kb,绵羊18kb,猪15kb,马14kb,狗15kb,熊猫25kb,虎50kb,家鼠40kb,索诺拉鹿鼠9kb,挪威大鼠40kb,裸鼹鼠16kb,欧洲白兔50kb,黑尾杰克兔25kb,蜘蛛猴7kb,松鼠猴9kb,恒河猴16kb,猩猩10kb,矮猩猩10kb,印度象15kb,非洲象14kb,猫11kb。

问:端粒长度是细胞本身内在决定的吗?

答:虽然细胞培养环境会影响端粒缩短速度,但在同一环境中,不同年龄的细胞,衰老是各自固有和独立的,在一起的年轻细胞不会让衰老细胞变年轻,衰老细胞也不会让年轻细胞变衰老,也就是说衰老程度不会互相找平。例如,同一头的白发和黑发是独立的,白发拔掉只会再长白发,黑发拔掉只能再长黑发。把不同年龄的造血干细胞移植到同一宿主骨髓中,也将继续保持各自独立的年龄标记。1958年Hayflick和Moorhead将已分裂40次的男性成纤维细胞和分裂10次的正常女性纤维细胞混合培养,同时用单独培养的细胞作为对照;当单独培养细胞停止分裂时,检查混合培养细胞,发现仅剩下了女性成纤维细胞。这一实验说明细胞停止分裂是由细胞自身因素决定的,与环境条件无关。

问:电离辐射如何延长端粒的?

答:有报道用45Gy照射果蝇,寿命反而比对照组长。如果照射不引起癌症的话,照射小鼠还能使寿命延长。日本的广岛和长崎两市的居民平均寿命高于全国的原因也许与原子弹爆炸余留下来的核辐射有关。提示,适当剂量的电离辐射能够延长端粒。

利用γ射线照射造血细胞系,端粒酶活性会按照剂量依赖方式增加,在3Gy的强度下达到最高(Leteurtr 等人,1997)。利用X射线照射也一样,随着端粒酶活性增加,端粒酶-端粒结合作用加强(Hyeon 等人,1998)。这是因为,染色体末端的DNA序列比其它序列有更高的辐射敏感性(Alvarez L,Evans JW,Wilks 等人,1993)。辐射导致端粒DNA损伤激活了端粒修复机制,延长端粒机制是射线使DNA损伤,损伤的DNA会激活“DNA损伤感应蛋白”,然后再由DNA损伤感应蛋白使蛋白激酶ART和ATM激酶磷酸化并激活下游的Chk2激酶,再由Chk2激酶告诉抑癌基因P53,再由P53激活抑癌基因P21而抑制细胞分裂,使细胞周期阻滞在G1/S或G2/M期。以便细胞赢得时间去修复受损的DNA。因此,被认为是衰老基因的P53和P21在有些条件下表面上看似乎会使细胞变老,实际是在逆转衰老。

辐射延长端粒可能是辐射产生活性氧(ROS)使细胞核端粒酶转移到线粒体,从而诱导非端粒酶的端粒替代途径延长端粒(ATL),因为端粒酶会抑制ATL的发生。

2014年11月24日发表在《Cell Reports》杂志上,约翰.霍普金斯大学Carol Greider博士发现,一种抑制PARP1的酶的药物可以激活ATM激酶,刺激端粒延长。国内科学家研究表明,辐射可以使端粒长度显著增加。肺癌细胞辐射,对照组端粒长度7.5kb,3Gy照射48小时,端粒长度12.8kb,长度非常显著地增加了5.3kb(参考文献:邹跃等人,电离辐射诱导端粒延长作用的研究)。

问:热量限制(CR)是如何通过保护端粒来延长寿命的?

答:首先新陈代谢会产生活性氧自由基而导致端粒DNA损伤,新陈代谢也会促进端粒DNA转录RNA,这也会加速端粒DNA损伤,而细胞在修复损伤的端粒DNA时就会导致端粒DNA降解,从而使端粒缩短。因此,我说的DNA突变不是导致细胞衰老原因,但其附带的作用是因为端粒DNA损伤会加速端粒缩短,从而缩短寿命。而CR能减少氧自由基对端粒的损伤,CR能提高SIRT1沉默端粒转录,CR能激活端粒酶添加端粒DNA序列,因此,CR延长寿命的根本原因是通过减缓端粒缩短速度。

问:端粒缩短是导致细胞衰老的唯一因素吗?

答:不是,因为有些细胞端粒不缩短,或让有些细胞保持恒定的端粒长度,但最终都会衰老,因此,除了端粒,还有一种和端粒一样的多拷贝串联重复DNA决定了细胞的衰老,那就是核糖体DNA(rDNA),见“细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说”。

综上所述,细胞中的端粒缩短和rDNA拷贝数减少会导致基因总表达速率下降和有些基因表达特异性上升或下降才是导致细胞和器官衰老的根本原因。-原创:黄必录



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