学术交流 | 染色体末端传奇：端粒与人类疾病

端粒是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。形态学上，染色体DNA末端膨大成粒状，像两顶帽子那样盖在染色体两端，因而得名。在某些情况下，染色体可以断裂，这时，染色体断端之间会发生融合，或者断端被酶降解。但正常染色体不会整体地互相融合，也不会在末端出现遗传信息的丢失(被降解之类)。可见端粒在维持染色体和DNA复制的完整性方面有重要作用。20世纪80年代中期，科学家们发现了端粒酶。当DNA复制终止时，端粒酶的作用下，通过端粒的依赖模版的复制，可以补偿由去除引物引起的末端缩短，因此在端粒的保持过程中，端粒酶至关重要。随着细胞分裂次数的增加，端粒的长度是在逐渐缩短的，当端粒变得不能再短时，细胞不再分裂，而会死亡。体细胞端粒长度大大短于生殖细胞，胚胎细胞的端粒也长于成年细胞。科学家发现，至少可以认为在细胞水平的老化，和端粒酶的活性下降有关。作为一种专门的端粒修复酶，端粒酶能够在染色体末端上添加DNA片段。它分为两部分。第一部分是一种被称作TERT的蛋白，用于这种DNA片段复制过程。第二部分被称为TR端粒酶RNA，即一种起着模板作用的小片段RNA。这两部分一起形成端粒酶。端粒酶在染色体的末端上上下移动，复制这种模板。人类的端粒中大约3000个DNA序列“TTAGGG”拷贝——由端粒酶合成和维持。但令人遗憾的是，除了精子、卵子和一些免疫细胞之外，TERT的产生在人体组织中受到抑制。

端粒与肿瘤之间的关系解读

端粒的缩短与很多疾病有关，研究发现基因突变、肿瘤形成时，人体的端粒可表现出缺失、融合或序列缩短等现象。端粒酶在正常组织中唯一已知的作用是保护某些经常分裂的细胞，如胚胎细胞，精子细胞，成体干细胞和免疫细胞。科学家认为端粒酶在除了癌症细胞之外的其它所有细胞中被关闭。在一些癌症细胞中，端粒酶活性增高，所以这些癌细胞可以分裂很多次。对于某些特定的癌细胞，如果可以阻止端粒酶，端粒就会变短，癌细胞就会死亡。所以深入研究端粒和端粒酶的变化，是目前肿瘤研究中的一个新领域。机体通过端粒酶来调节端粒维持，但是它们是在走生物学钢丝。一方面，它们需要通过细胞分裂来替代它们在日常生活中失去的细胞。然而，任何具有无限分裂能力的细胞都是肿瘤的种子。事实证明人类癌症中的绝大多数细胞具有较强活性的端粒酶，以及比正常细胞更长的端粒。这表明它们的起源细胞尽管能够与正常的细胞一样发生分裂，但是随后在这些细胞中发生了促使TERT重新活化的突变。癌症和老化是同一枚硬币的正反面，而且总的来说，端粒酶所做的就是翻动这枚硬币。抑制端粒酶，人类就有了一种癌症治疗方法；激活它，则能够阻止衰老。目前来看，在理论上就是如此。最近，新研究发现可以使癌细胞“永生”的端粒酶也可以预防肿瘤，减缓正常细胞死亡的关键步骤发生。也就是说在衰老过程关键时刻，正常成体细胞中的端粒酶会重新激活，缓解细胞老化的压力，减少可能导致癌症的DNA损伤。

遗传性角化不良——种系端粒生物学与人类疾病的直接关系

先天性角化不良(Dyskeratosis congenita,DC)是一种少见的具有临床特征和遗传异质性的遗传综合征。其典型临床表现为皮肤粘膜三联征：甲营养不良、口腔粘膜白斑、网状色素沉着。除上述表现外，本病尚有骨髓衰竭、肺纤维化、再生障碍性贫血、肿瘤易感性等。DC患者一般幼年起病，80％以上DC患者在30岁之前表现为骨髓衰竭，此为DC最主要的死亡原因。Hoyeraal-Hreidarsson(HH)综合征为DKC1突变DC的一种严重表型，临床特点为再生障碍性贫血、小头颅、小脑发育不全、免疫功能缺陷、生长迟缓等。目前已发现DC有三种遗传方式：X-连锁隐性遗传、常染色体显性遗传、常染色隐性遗传；但目前仍约有50％患者遗传特性不明确。其中以第一种遗传方式最为多见，致病基因为DKC1，位于Xq28。DKC1基因编码角化不良蛋白(Dyskerin)，此蛋白为核仁蛋白，包含514个氨基酸，是snoRNAs和端粒酶复合体的必要结构成分。DKC1基因包含15个外显子，总长度为15kb。X连锁隐性遗传DC主要是因DKC1错义突变所致。以小鼠为研究对象定向裂解DKC1基因可导致小鼠胚胎死亡。11号外显子的p.A353V是一个突变热点，为1058位核苷酸的C至T的错义突变，约30％X连锁隐性遗传DC男性患者可检测到p.A353V突变。端粒酶包括端粒酶RNA(TERC)和端粒酶逆转录酶(TERT)。在常染色体显性遗传DC和骨髓衰竭、再生障碍性贫血患者发现TERC和TERT杂合子突变。TERC和TERT均可导致端粒酶功能障碍和端粒缩短。

在1999年，Mitchell JR发现DC细胞端粒酶RNA水平下降，导致端粒酶活性降低和端粒的缩短。DC发病机制可能为端粒酶功能的缺陷导致端粒长度维持的受损，这样限制了上皮和血液中未分化干细胞的增殖能力。Dyskerin不仅是snoRNAs成分，而且是端粒酶RNA所必需。Dyskerin突变可减少端粒酶RNA蓄积，降低端粒酶RNA活性，导致端粒酶无法维持端粒长度。端粒酶复合体(TERC、TERT、NHP2、NOP10)和shelterin(TINF2)中多个基因的突变均可导致端粒的缩短。近10年的部分研究表明DC的主要致病原因为端粒得不到保护和维持。DKC1和TINF2突变患者较TERC和TERT突变患者发病早且临床表现多样，但这两组之间端粒长度无明显差别。此外，一些遗传特性不明确的DC患者端粒长度也未见缩短。DC与端粒之间的关系仍不明确。基因突变和端粒缩短难以解释DC的临床表现异质性。

端粒分子的流行病学研究

随着高通量端粒长度测量方法的发展，全基因组基因分型平台的建立，以及端粒生物学在人类疾病中作用的研究日益增多，端粒分子流行病学应运而生。端粒分子流行病研究通常以大规模的人群调查为基础，试图确定：(1) 端粒长度是否与疾病相关；(2) 常见的遗传变异（即单核苷酸多态性或SNPs）是否与端粒长度相关；(3) SNPs在端粒生物学中的作用；(4) 端粒长度、SNPs和端粒结构之间的相互作用。尽管这些研究已经取得了很多令人兴奋的结果，但同时我们有必要指出，在基于大量人群的研究中，病例人群和对照组人群中端粒长度的差异可能在统计学上具有显著意义，但并不具有临床相关性。准确可靠的端粒长度测量方法，是所有端粒研究的关键。在癌症、心血管疾病、心理健康、炎症疾病研究中，血液或口腔细胞中端粒的长度已被广泛研究。在“端粒限制性片段”方法中，研究者使用限制性内切酶切断染色体的亚端粒末端，进而研究端粒长度，这种方法在基础科学实验室中使用广泛。

端粒是染色体末端的核蛋白复合体，对染色体的完整性至关重要。近年来，针对常见疾病及罕见疾病的研究扩展了人们对端粒在人类疾病中作用的理解。发生在编码“端粒功能维持因子”基因上的变异，可引起很多罕见的病症。先天性角化不良(Dyskeratosis congenita，DC)是这一类病症中最严重的一种，在儿童时期通常表现为的皮肤色素异常、指甲营养不良和口腔白斑三联症，并伴有发生率极高的骨髓衰竭、癌症、肺纤维化和其它的病症风险。在常见病研究领域，大规模分子流行病学的研究发现了不同疾病之间的新联系，如癌症、心脏病和心理健康，以及端粒生物学中端粒长度和常见基因的遗传变异。本文从罕见病和常见病两个方面，综述了人类疾病中端粒生物学的最新发现。在未来的研究中，临床医生、基础科学家和流行病学家之间的多学科合作至关重要，这些合作有助于我们结合新的端粒生物学发现来改善人体健康。

本文涉及到的部分参考文献：

刘香：先天性角化不良基因突变研究及其患者端粒长度测量。

Sharon A: Savage, Beginning at the ends: telomeres and human disease.

Zinsser F: Atropha cutis reticularis cum pigmentatione, dystrophia ungiumet leukoplakia oris.

Engman MF: A unique case of reticular pigmentation of the skin with atrophy.

Cole HN, Rauschkolb Je, Toomey J: dyskeratosis congenita with pigmentation, dystrophia unguis and leukokeratosis oris.

Costello Mj, Buncke Cm: Dyskeratosis congenita.

Sorrow jm Jr, Hitch Jm: dyskeratosis congenita. first report of its occurrence in a female and a review of the literature.

Vulliamy TJ, Marrone A, Knight SW, et al.: Mutations in dyskeratosis congenita: their impact on telomere length and the diversity of clinical presentation.

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