端粒及其長(zhǎng)度改變與人衰老關(guān)系的研究進(jìn)展

端粒及其長(zhǎng)度改變與人衰老關(guān)系的研究進(jìn)展

周璇黃河浪吳磊

(南昌大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院流行病學(xué)教研室,江蘇南京330006)

關(guān)鍵詞〔〕端粒；細(xì)胞學(xué)；衰老

中圖分類(lèi)號(hào)〔〕R592〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A〔

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)

通訊作者：黃河浪(1953-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事慢性非傳染病流行病學(xué)研究。

第一作者：周璇(1990-)，女，在讀碩士，主要從事慢性非傳染病流行病學(xué)研究。

衰老是許多慢病的最重要危險(xiǎn)因素之一。目前，端粒長(zhǎng)度改變對(duì)人的衰老影響研究備受關(guān)注，大量研究證實(shí)，衰老與端粒長(zhǎng)度存在著一定的關(guān)系。隨著年齡增長(zhǎng)，細(xì)胞連續(xù)分裂，端粒長(zhǎng)度逐漸縮短，染色體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定使細(xì)胞老化喪失增殖能力而死亡，因而認(rèn)為端粒長(zhǎng)度可以用來(lái)衡量衰老，且作為人體衰老的生物學(xué)標(biāo)志物。但也有相當(dāng)一些學(xué)者對(duì)此認(rèn)為還需要深入探索。本文在復(fù)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)和近期一些研究的基礎(chǔ)上，就端粒長(zhǎng)度與衰老的關(guān)系作一概述。

1端粒的結(jié)構(gòu)、功能及其檢測(cè)方法

1.1端粒結(jié)構(gòu)端粒是存在于真核細(xì)胞染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)，由端粒DNA (6個(gè)堿基重復(fù)序列)和結(jié)合蛋白組成。端粒DNA是富含鳥(niǎo)嘌呤(G)的高度保守的重復(fù)核苷酸序列，人類(lèi)端粒以 5′-TTAGGG-3′為重復(fù)單位，它位于染色體末端，像帽子一樣包裹著染色體的頭部。此重復(fù)序列具有極性，一條鏈富含G，稱(chēng) G鏈，互補(bǔ)鏈富含C，稱(chēng)C鏈，G鏈3′末端形成特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(D環(huán)、T環(huán))以穩(wěn)定端?！?〕。端粒DNA豐富的鳥(niǎo)嘌呤使端?？梢栽阪渻?nèi)和鏈間形成非Watson-Crick的G-G堿基配對(duì)，形成鳥(niǎo)嘌呤四聯(lián)體，中間配位結(jié)合一個(gè)一價(jià)金屬離子的二級(jí)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性很強(qiáng)。端粒DNA與結(jié)合蛋白形成的特殊復(fù)合結(jié)構(gòu)在保證染色體的穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用。

1.2端粒的主要生理功能端粒具有重要的生理功能：(1)可以防止染色體末端DNA被酶解或兩條染色體的端區(qū)融合、丟失或重排，因而其具有保持染色體穩(wěn)定的功能，從而保證染色體的完整性。(2)為端粒酶提供底物，解決DNA 復(fù)制末端隱縮的問(wèn)題，從而保證染色體的完全復(fù)制。(3)決定細(xì)胞的壽命，隨著年齡增長(zhǎng)，細(xì)胞連續(xù)分裂，細(xì)胞端粒長(zhǎng)度逐漸縮短，當(dāng)端?？s短到達(dá)一定的界限時(shí)，染色體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，使得細(xì)胞老化喪失增殖能力而死亡，因而端粒又被稱(chēng)為“細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器”。

1.3關(guān)于端粒DNA的檢測(cè)技術(shù)端粒DNA長(zhǎng)度的測(cè)量方法很多，最經(jīng)典、應(yīng)用最廣泛的方法是Southern印跡法 (DNA 印跡法)，它對(duì)測(cè)定細(xì)胞整體水平端粒DNA的平均TRF長(zhǎng)度具有重要意義。除此之外，端粒的測(cè)量方法還有原位雜交熒光定量法(Q-FISH)、熒光標(biāo)記原位雜交流式細(xì)胞儀定量法(Flow-FISH)、狹縫雜交法(slot-blots)、雜交保護(hù)分析(HPA)、液相雜交法(TALA)等方法。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，Q-FLSH法能測(cè)得每條染色體末端端粒DNA重復(fù)數(shù)量，但主要適用于處于有絲分裂中期的細(xì)胞，而衰老細(xì)胞較少進(jìn)入S期，故不適合應(yīng)用于衰老細(xì)胞〔2〕，而且其實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，并需要特殊設(shè)備進(jìn)行定量；Flow-FISH能測(cè)定眾多細(xì)胞中單個(gè)細(xì)胞或單個(gè)染色體的端粒DNA重復(fù)數(shù)量，快速、準(zhǔn)確，但不適用于固態(tài)組織〔3〕。學(xué)者們可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皸l件選擇相當(dāng)?shù)姆椒y(cè)量端粒DNA長(zhǎng)度。

2端粒長(zhǎng)度改變與衰老的關(guān)系

2.1影響端粒長(zhǎng)度改變的生物因素研究證實(shí)，正常細(xì)胞不斷進(jìn)行分裂、增殖，細(xì)胞端粒長(zhǎng)度逐漸縮短。老年人較青年人來(lái)說(shuō)，其細(xì)胞端粒長(zhǎng)度明顯縮短〔4～7〕，人體大多數(shù)組織平均每年端粒長(zhǎng)度減少的變化范圍為20～60 bp〔8〕，當(dāng)端?？s短到一定界限，細(xì)胞停止分裂，細(xì)胞老化而死亡。d′Adda di Fagagna等〔9〕研究發(fā)現(xiàn)，端粒縮短引起DNA損傷反應(yīng)，從而導(dǎo)致基因組不平衡而啟動(dòng)細(xì)胞衰老的過(guò)程；由此，人們創(chuàng)造性地提出端粒的長(zhǎng)度決定著細(xì)胞的壽命，被后人稱(chēng)為衰老的“端粒學(xué)說(shuō)”或“細(xì)胞有限分裂學(xué)說(shuō)”〔10〕。Harley〔11〕的人類(lèi)端粒與衰老的研究發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞端粒DNA會(huì)隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短，近年Atzmon等〔12〕的研究也發(fā)現(xiàn)端粒長(zhǎng)度與細(xì)胞分裂次數(shù)以及與壽命極限有著密切關(guān)系。張宗玉等〔13〕在國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，人胚肺二倍體成纖維細(xì)胞每增齡一代，端粒長(zhǎng)度減少約49 bp，同時(shí)還測(cè)定了人體外周血白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度隨增齡的變化，結(jié)果顯示端粒長(zhǎng)度平均每年減少約35 bp。Unryn等〔14〕測(cè)定正常人體的外周血細(xì)胞中端粒長(zhǎng)度隨年齡變化情況(端粒長(zhǎng)度在30～49歲時(shí)每年減少51.3 bp，40～80歲每年減少19.8 bp)，提示隨著細(xì)胞不斷分裂，端粒長(zhǎng)度逐漸縮短。由此可見(jiàn)，每一次的細(xì)胞分裂，染色體都會(huì)丟失一部分端粒DNA序列，當(dāng)其縮短到一個(gè)臨界長(zhǎng)度，即末端限制性片段的長(zhǎng)度時(shí)(Hayflick界限〔15〕)，細(xì)胞不再分裂，逐漸衰老直至死亡。由于端粒還可能限制細(xì)胞的分裂次數(shù)，因此也有人將端粒的長(zhǎng)度稱(chēng)為“生命時(shí)鐘”〔16〕。

2.2影響端粒長(zhǎng)度改變的心理、社會(huì)因素有研究指出，細(xì)胞端粒的長(zhǎng)度受氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、組織修復(fù)、慢性疾病、吸煙、體育運(yùn)動(dòng)、個(gè)性心理以及社會(huì)緊張狀態(tài)等多種與衰老相關(guān)因素的綜合影響，即端粒長(zhǎng)度改變除了受生物因素影響之外還受心理和社會(huì)因素影響。有研究〔17〕提示，端粒長(zhǎng)度與體質(zhì)能力呈正相關(guān)〔17〕。Kristine等〔18〕研究顯示，端粒長(zhǎng)度與認(rèn)知能力也有關(guān)聯(lián)〔18〕。Babizhayev等〔19〕在吸煙對(duì)人體累積損害的研究中，以外周血白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度縮短作為氧化應(yīng)激和炎癥損害程度的生物標(biāo)志物，預(yù)示生物衰老的步伐，其結(jié)果顯示吸煙加快了人外周血白細(xì)胞端?？s短的進(jìn)程。Fumagalli等〔20〕的研究，在經(jīng)射線照射的人正常二倍體成纖維細(xì)胞中，出現(xiàn)了端粒的損傷，此類(lèi)損傷不能修復(fù)，持續(xù)地激活DNA損傷反應(yīng)體系，從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老。體外壓力誘導(dǎo)的衰老研究中，也發(fā)現(xiàn)端粒DNA遭受損傷，端粒長(zhǎng)度縮短〔21〕。

2.3端粒長(zhǎng)度可以反映年齡變化上述系列研究從不同角度或?qū)用嫔咸崾径肆ｉL(zhǎng)度改變與人體衰老的關(guān)系。正是居于這一前提，有人認(rèn)為端粒長(zhǎng)度能夠更好或更全面地反映人體年齡〔22～26〕。Geoff等〔6〕在蘇格蘭西部進(jìn)行了2 148人的端粒長(zhǎng)度與衰老的橫斷面研究，從生理心理社會(huì)三維度評(píng)價(jià)衰老，認(rèn)為端粒長(zhǎng)度確實(shí)增加了時(shí)序年齡對(duì)衰老的預(yù)測(cè)效力，其線性分析結(jié)果表明端粒長(zhǎng)度與年齡呈負(fù)相關(guān)。有研究〔27〕結(jié)果顯示，端粒長(zhǎng)度隨增齡而縮短。Müezzinler等〔28〕對(duì)白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度與年齡關(guān)系的129項(xiàng)研究(包括隊(duì)列研究在內(nèi))進(jìn)行Meta分析，結(jié)果表明，隨著個(gè)體衰老，年齡與端粒損傷的負(fù)相關(guān)關(guān)系已得到肯定，加權(quán)線性回歸提示每年平均白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度損失24.7 bp，其中隊(duì)列研究結(jié)果表明，白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度隨著年齡的增長(zhǎng)而縮短，平均每年端粒長(zhǎng)度減少范圍在32.2～34.5 bp〔29〕。但也有人認(rèn)為，端粒丟失并不與衰老速度呈絕對(duì)正相關(guān)，隨著增齡大腦和心肌細(xì)胞端粒DNA長(zhǎng)度未有顯著變化〔7〕，實(shí)驗(yàn)表明不同組織的端粒長(zhǎng)度存在差異，不同種屬端粒長(zhǎng)度也不一樣，鼠的端粒比人類(lèi)長(zhǎng)近5～10倍，但是壽命卻比人類(lèi)短的多。這些均提示，端粒長(zhǎng)度與組織器官及個(gè)體的預(yù)期壽命并不一致〔30〕，因而對(duì)端粒長(zhǎng)度與年齡兩者關(guān)系有待深入研究。

3結(jié)語(yǔ)與展望

端粒長(zhǎng)度與衰老關(guān)系的研究作為一個(gè)反映人的衰老綜合性指標(biāo)越來(lái)越被人們所重視，尤其在時(shí)序年齡與生物學(xué)年齡檢測(cè)不一致或存在矛盾的情況下，尋求一個(gè)更為科學(xué)、更可靠、更具代表性的生物學(xué)標(biāo)志物，是當(dāng)今老年醫(yī)學(xué)或老年保健學(xué)迫切面臨且需要解決的現(xiàn)實(shí)課題，端粒長(zhǎng)度在這方面的優(yōu)勢(shì)已初見(jiàn)端倪，相信在不久的將來(lái)會(huì)獲得更多的突破。

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〔2013-09-22修回〕

(編輯徐杰)