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细胞衰老分子机制的主流假说
1
2
3
氧化性损伤
rDNA
沉默信息调节蛋白复合物
4
SGS1基因和WRN基因
5
程序化细胞死亡
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端粒和端粒酶
什么是端粒？
DNA复制时，由于受DNA聚合酶特性限制，子代
DNA链的最后一个片断去除引物后，无法填补
空隙，易造成子代DNA链的缩短。
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上面的情况是不会出现的！
端粒是指真核细胞线性染色体末端的蛋白质-DNA特殊结构，即染色体末端DNA
序列的多个重复，其作用是保护和稳定染色体的末端，它由2～20kb 串联的短片
段重复序列(TTAGGG) n 及一些结合蛋白组成 。
20世纪30年代，两位卓越的遗传学家Muller（诺贝尔奖获得者）和
McClintock分别发现细胞染色体末端具有特殊结构，该结构具有维持染色体稳定
性的功能。
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
1978年，他们首先克隆了四膜虫（一种有纤毛的单
细胞池糖微生物）的端粒结构：一种串联的线性排列的
核酸重复序列---(TTGGGG)n。这种线性排列的端粒重复
序列的数目是非固定的，端粒限制性片段也不相同的。
端粒长度在细胞的对数生长期增加，因此端粒长度是能
或增或减的动态变化结构。此后有人对锥虫、酵母、蛙、
小鼠和人等多种物生细胞的端粒进行了克隆。Moyzi等
（1988年）应用原位杂交方法，发现锥虫的端粒重复序
列为TTAGGG，酵母、人和脊椎动物均为（TTAGGG）n。
Black-burn根据已经克隆的端粒序列，得出端粒的通用
公式为：Cn(A/T)mGn,n=1-8,m=1-4；其中真核细胞的端
粒是简单重复的G1-8（T/A）1-4的松散性保守序列，因
此端粒是一种富含G的DNA序列。
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真核生物的端粒DNA由非常短的数目精确的串联重排DNA
排列而成。尽管很多物种中，端粒DNA有很多的变化，但
进化关系非常远的生物却发现有相同的端粒DNA序列。如
所有的脊椎动物、原生动物的锥虫，以及黏菌和真菌中的
都有几乎相同的端粒序列T2AG3，富含GT。其它情况下，
尽管不同的有机体有不同的端粒序列，但彼此总有明显的
相关性。这说明了什么呢？
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端粒的G四联体结构
从上文可知，端粒DNA序列
富含G。鸟嘌呤有相互连接
的不寻常的能力。端粒的单
链G富含尾能够形成“G四
联体”。每个四联体含4个
鸟嘌呤彼此通过氢键形成平
面结构。每个鸟嘌呤来自连
续的TTAGGG重复单位中的
相应位点。四联体代表了每
个重复单位中a同样组织形
式的、但是由每个重复单位
中的第二个G所组成另一个
四联体之上。一系列四联体
可按这种方式堆叠成螺旋状。
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根据G-四联体的分子特性及螺旋取向，它可分为
三类：①分子间的G-四联体或称为平行性的G-四
联体；②两个发夹结构形成的双分子型G-四联体；
③自身折叠形成的分子内G-四联体
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G-四联体结构已在体外实验中得到证实，关
于它们对端粒功能的影响已进行了大量的研
究，有关实验表明人类体内也含有这种结构
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端粒的哪些特征负责染色体末
端的稳定性呢？有关研究表明：
端粒处形成的DNA环没有游离
末端，而是形成一种大型环状
结构，称为端粒环或T环（Tloop）。是由单股DNA经过端
粒结合蛋白的作用之后，卷曲
而成的一个大循环。可能是使
染色体末端稳定的关键特性。
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图2显示了在端粒（TTAGGG）n的
3’单链末端代替了端粒上游区中的
相同序列时生成了环，这使双链区
域转变成类似D环的结构，此处一
系列的TTAGGG重复序列被取代形
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成一个单链区，并且端粒尾与同源
链配对。
反应由端粒结合蛋白与其他蛋白质
一起形成能稳定染色体段部的复合
物。TRF2缺失能导致染色体发生重
排，这表明； 它对保护末端的重要
性。
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端粒与衰老的关系
端粒的功能
1）维持染色体结构的完整性，防止染色
体被核酸酶降解及染色体间相互融和。
2）防止染色体结构基因在复制时丢失，
解决了末端复制的难题。
端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部
分，从而保护了染色体内部的结构基因。
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。
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随着细胞分裂时染色体的复制使端粒不可避免地
逐渐缩短，体外培养证实（新生儿的细胞可传代
培0-90代，而70岁的老人其体细胞仅能传代培养
20-30代） ，人类体细胞每分裂一次端粒缩短3120bp，因此端粒可能限制了细胞分裂次数，端
粒的逐渐缩短可能是细胞计算和控制细胞分裂的
基础，即端粒有“分裂时钟（mitotic clock）”
的作用，当端粒缩短到一定程度就不再保护染色
体免受重组或降解，细胞分裂的控制点就此得到
信号而产生作用，如使细胞分裂停止和进入老化
过程，最后导致细胞死亡。这种细胞因衰老而死
亡与细胞凋亡即细胞程序性死亡不同，但似乎存
在某种联系，两者的关系尚需进一步明确。
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多利羊在壮年时便患上了关
节炎肺部感染疾病等典型的
“高龄病症”。，最后被实
施安乐死。1999年5月27日，
培育多利羊的英国PPL医疗
公司和罗斯林研究所科学家
组成的一个研究小组就已发
现，多利的染色体端粒长度
比同年龄普通绵羊要短２０
％，几乎与其6岁的母亲
（提供细胞核的母羊）的端
粒长度一样 。
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据此我们可以知道，如果维持端粒长度在
可以保护染色体的范围内，那么即使不能
实现长生不老，也能对延长人类寿命产生
很大促进作用。那么，如何维持端粒长度
呢?答案是端粒酶。
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端粒酶的发现
端粒酶发现于20世纪70到
80年代。约翰霍普金斯基
础生物医学研究所的女教
授Carol Greider、加州大
学的Elizabeth H. Blckburn
（女）博士和哈佛医学院
的Jack Szostak博士 三人
对端粒酶的发现和预测做
了杰出的贡献。
Carol Greider
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端粒酶回顾
端粒酶是一种RNA与蛋白的复
合体，它以自身RNA上的一个片
段为模板通过逆转录合成端粒重复
序列，并通过一种RNA依赖性聚
合酶（如逆转录酶）机制加到染色
体3’末端以延伸端粒。
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端粒酶的三维结构
端粒酶主要由两部分组
成：端粒酶RNA组分
(TR) 和端粒酶催化亚基
(hTERT).
端粒酶RNA亚基内重要
序列缺失保守性，但都
有保守的二级序列 。推
测只有在三级结构上才
能找到与端粒酶功能有
关的共同结构特征。
端粒酶结构示意图
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端粒酶的作用机制
端粒酶利用酶分子内RNA亚基
为模板，以5′ →3′方向合成端粒
结构的重复序列。端粒酶的作用
机制被称为“爬行机制”。端粒
酶的模板RNA与端粒3′端的杂交
链之间发生移位和配对，周而复
始。在过程中，离开RNA模板
的端粒DNA 3′端经常出现两个G
之间的配对，这种非WastonCrick碱基配对有利于DNARNA之间的相对滑动。下图是
以四膜虫端粒及端粒酶为例的作
用过程。
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端粒酶的爬行模型（动画演示）
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hTERT基因的转录调控
通过比较TR和TERT表达水平与端粒酶活性的研究，以
及外源TERT基因的表达, 表明端粒酶催化亚基表达是人端
粒酶活性的限制因素 。hTERT基因启动子长11．2kb。
hTERT启动子区缺乏典型的TATA盒或CACA盒。转录起始点
上游181bp是核心启动子区，在该区发现有多个转录因子
结合位点，如Sp1，c-Myc,Mad1等，这些因子单一或共同
作用于hTERT基因启动子，构成了对hTERT基因调控的复杂
系统。研究证实，c-Myc可结合到hTERT基因启动子区，直
接激活hTERT基因转录；而且，c-Myc激活或抑制将影响正
常细胞或肿瘤细胞hTERT启动子的活性。在hTERT核心启动
子区有5个Spl结合位点(GGGCGG)，每个位点作为顺式作用
元件调节hTERT基因转录，消除这5个位点将导致hTERT基
因转录全部消失。研究表明hTERT基因的调控机制是很复
杂的，多个转录因子共同作用调节基因转录，促进hTERT
的表达。其具体调控机理目前尚不清楚。
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 端粒酶活性的改变是靠以上因素调节的，在其表达的基础
上，端粒酶将重复序列加到染色体末端，但其本身并不控
制重复序列的长度，其他蛋白质参与决定端粒长度。这些
蛋白即为端粒结合蛋白，前面已提到TRF2具有保护染色
体末端的作用，而TRF1则参与调节端粒长度。TRF1不能
控制端粒酶的表达，但可抑制端粒酶在端粒末端的作用。
由此提出了“端粒长度调节的蛋白计数模型”：端粒DNA
结合TRF1达到一个临界数目时，便产生抑制端粒酶复合
物活性的信号，端粒延伸终止；若染色体不完全复制、核
酸外切酶降解或发生重组，导致端粒长度缩短，端粒结合
的TRF1也相应减少，当TRF1减少到临界数目时，则重新
激活端粒酶复合物，端粒长度再次延伸到特定长度。
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。那么是什么因素控制TRF1与端粒DNA的结合与分离呢？
1 端锚聚合酶（Tankyrase）端锚聚合酶是人端粒复合物中的一个
重要组分，其基因定位于人第8号染色体。它是一个由1327个氨基
酸残基构成的蛋白质，其中心区域含有24个锚蛋白的重复区，C末
端与聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶的催化区域同源，因此具有PARP
活性。 体外研究表明，端锚聚合酶的PARP活性作用的底物一个是
TRF1，另一个是端锚聚合酶自身。端锚聚合酶与TRF1的作用是瞬
时的，此时的TRF1形成二聚体。体外重组表达的端锚聚合酶可使TRF1
核糖基化而丧失结合端粒DNA的能力，允许端粒酶结合端粒DNA，使端粒
得以延伸。但端锚聚合酶在细胞内的作用机制和表达调控机制还不十分清
楚，端锚聚合酶在体内的功能还有待阐明。
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2. TIN2
除端锚聚合酶与TRF1结合外，TIN2(TRF1interacting nuclear protein 2)也同TRF1结合。
TIN2是结合TRF1的一个新的核蛋白。TIN2调节
TRF1的功能，对端粒的长度起负调控作用。但是
TIN2如何调控TRF1功能的？还不十分清楚。
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现在大家已经基本了解了端粒与端粒酶的结构
功能及调控上的特点.简单点说，端粒是用来保持
染色体稳定的，而端粒酶则是负责延长端粒的，
由于多数体细胞内端粒酶不表现活性导致细胞染
色体端粒变短，进而导致细胞死亡。宏观上看就
是人体衰老，那看起来似乎只要保证端粒酶一直
保持活性就可以使人长生不老了，事实上这是很
困难的。但端粒与端粒酶的研究毕竟给延长寿命
带来了曙光.可是，端粒与端粒酶也与人类死神
“癌症”密切相关。
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正常细胞中端粒酶是关闭的，但在85％的癌细胞
中端粒酶都表现出异常的活跃性。端粒酶通过在
染色体末端注满保护性“缓冲液”起着保护DNA的
作用。这个过程是生命早期所必需的，因为如果
没有端粒酶的保护作用，DNA就会随着细胞的快速
分裂而降解。然而，机体在出生前就会关闭端粒
酶，为细胞能够分裂的次数规定一个严格的上限。
可是端粒酶在癌细胞中又是如何被激活的呢？
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端粒的
缩短
染色体
末端不稳
多数细胞死亡
部分细胞度过危机
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P53蛋白
 P53蛋白是P53抑癌基因的调节产物，是一种基因
调节蛋白，对细胞周期的进程有调节作用，正常
细胞中很少有P53蛋白，在DNA损伤时可刺激产生
更多的P53蛋白。其作用机制如下图
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Contents
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Diagram
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科学家在进行小鼠实验中发现缺
乏端粒酶的小鼠细胞也能度过衰老
危机，并被转化产生肿瘤细胞 ，
而且只有85%肿瘤细胞中端粒酶活
性异常活跃。
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端粒酶的激活是癌症发生发
展过程中的关键分子事件，
还是伴随效应呢？
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应用
 由于端粒酶活性见于绝大多数恶性肿瘤，而人正常体细胞
中未见该酶活性，端粒酶活性为恶性肿瘤的诊断和治疗带
来了希望。
 端粒酶活性的测定（端粒酶活性的检测有希望成为早期恶
性肿瘤诊断和判断肿瘤预后的标志物。例如端粒酶活性的
检测可作为筛选早期恶性肿瘤的标志物，若能将转移癌细
胞与外周血细胞分开亦可作为早期转移癌的标志物。）
 端粒酶在体外可以以其自身RNA的模板区为模板，在适宜
的寡核苷酸链的末端添加6个碱基的重复序列，用聚丙烯
酰胺（PAGE）凝胶电泳可显示6个碱基差异的梯带。1994
年Kim建立了基于PCR基础上的端粒重复序列扩增法
（telomeric repeat amplification protocol, TRAP）。
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 由于端粒酶活性是保持绝大多数恶性肿瘤细胞继续生长必
须之酶，抗癌药物建立在抑制端粒酶活性的基础上可能会
得到高效治疗效果和最低的副作用。端粒酶在生殖细胞和
其它永久存活细胞内的功能是保持端粒长度，使细胞能不
断地分裂。虽然要考虑到抑制肿瘤细胞端粒酶活性的同时
也抑制了生殖细胞和造血干细胞端粒酶活性，但是此治疗
设想比现用治疗的毒性和副作用低，通常的化疗除了对干
细胞有作用外，对所有增生的细胞均起作用。用端粒酶抑
制剂会减轻或避免常规化疗所引起的恶心、脱发等副作用。
应该考虑到端粒酶抑制剂一定在端粒缩短到一定程度端粒
酶被激活后，才能发挥效应，所以可能需要一段时间。设
计用该酶抑制剂治疗肿瘤首先应设法加快肿瘤细胞端粒的
缩短速度，以尽快使抑制剂发挥作用达到治疗肿瘤的目的。
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抗癌新策略：用RNAi抑制端粒酶生产
科学家利用RNA干扰即RNAi技术成功削弱了癌细
胞产生一种叫做端粒酶的关键蛋白的能力。绝大
多数癌症类型的癌细胞中都存在这种酶，它赋予
细胞猖獗分裂、永不死亡的致命能力。现在，这
项实验为从事端粒酶癌症研究的科学家提供了一
次研制出前所未有的能够有效治疗85％癌症类型
的抗癌药的机会。
这项研究由罗切斯特大学医学中心的Peter T.
Rowley医学博士领导，有关结果于华盛顿召开的
美国癌症研究协会2003年会上公布。
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