理論上說，細(xì)胞的壽命決定于端粒的長度和端粒ＤＮＡ在體內(nèi)的消減速度。
早在1938年，Muller便發(fā)現(xiàn)了端粒（Telomere），然而對端粒的深入研究卻開始于20世紀(jì)70年代后期。端粒酶（Telomerase）是1985年由Blackbun實(shí)驗(yàn)室在四膜蟲細(xì)胞核提取物中首先發(fā)現(xiàn)并純化，隨后在尖毛蟲（Oxytricha）、游仆蟲（Euplotes）及人的Hela細(xì)胞等細(xì)胞中被證實(shí)。有關(guān)研究表明，端粒、端粒酶與細(xì)胞壽命直接相關(guān)，端粒酶的激活和表達(dá)程度與腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移也有十分密切的關(guān)系。
1 端粒
端粒是存在于真核生物線性染色體末端，由串聯(lián)重復(fù)的短的ｄｓＤＮＡ序列及其相關(guān)的蛋白所組成的ＤＮＡ－蛋白復(fù)合體。ｄｓＤＮＡ中的一條為富Ｇ鏈，以5′→3′指向染色體末端，比另一條互補(bǔ)鏈長8個(gè)～12個(gè)堿基，這是端粒ＤＮＡ分子的結(jié)構(gòu)特征，是端粒酶識別工作的基礎(chǔ)。
端粒既有高度的保守性，如原生動(dòng)物、真菌、植物、動(dòng)物序列都很相似；又有種屬特異性，如四膜蟲重復(fù)序列為ＧＧＧＧＴＴ，草履蟲為ＴＴＧＧＧＧ，人和哺乳動(dòng)物為ＴＴＡＧＧＧ，等等。
端粒的功能除保證ＤＮＡ完整復(fù)制外，還在維持染色體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（保護(hù)染色體不分解和染色體重排及末端不相互融合等），染色體在細(xì)胞中的定位（使之不隨機(jī)分布）和引起細(xì)胞衰老等方面起著重要作用。眾所周知，真核ＤＮＡ是線性ＤＮＡ，復(fù)制時(shí)由于模板ＤＮＡ起始端為RＮＡ引物先占據(jù)，新生鏈隨之延伸；引物ＲＮＡ脫落后，其空缺處的模板ＤＮＡ無法再度復(fù)制成雙鏈。因此，每復(fù)制一次，末端ＤＮＡ就縮短若干個(gè)端粒重復(fù)序列，即出現(xiàn)真核細(xì)胞分裂中的“末端復(fù)制問題”。當(dāng)端?？s短到一定程度時(shí)即引起細(xì)胞衰老，故端粒又稱“細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器”。
2 端粒酶
端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，是一種由蛋白質(zhì)和ＲＮＡ構(gòu)成的核糖核蛋白體。其ＲＮＡ成分中含有與端粒ＤＮＡ富G鏈互補(bǔ)的部分，起著合成模板的作用。
端粒酶具有對端粒的延伸作用，在沒有端粒酶的細(xì)胞中，端粒會逐漸縮短直至損害基因；有端粒酶存在的細(xì)胞，則該酶會不斷補(bǔ)充新的端粒，使之處于一種不斷伸縮的動(dòng)態(tài)平衡中。端粒酶的另一個(gè)功能是修復(fù)斷裂的染色體末端。當(dāng)斷裂的染色體末端有富Ｇ、ＴＤＮＡ存在時(shí)，即使沒有完整的端粒重復(fù)序列存在，它也能被端粒酶作為引物ＤＮＡ并為之延伸端粒序列。因修復(fù)斷端免遭外切酶對染色體ＤＮＡ的更多切割，端粒酶在某種意義上講也維護(hù)了基因組的穩(wěn)定性。此外，在端粒合成中端粒酶還具有去除錯(cuò)配堿基的糾錯(cuò)作用，不僅可以除去錯(cuò)配堿基，還可除去延伸超過模板范圍的堿基。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在嗜熱四膜蟲的小核中，端粒酶還有影響姊妹染色體分離的作用。
不同物種中端粒酶使端粒延伸的反應(yīng)具有宿主特異性，即無論此酶來源于何種生物，它催化重新合成的端粒都具有宿主生物的特異性。
3 端粒、端粒酶與細(xì)胞壽命
細(xì)胞衰老是細(xì)胞生命活動(dòng)的必然規(guī)律，Hayflick等指出：細(xì)胞，至少是培養(yǎng)的細(xì)胞，不是不死的，而是有一定的壽命的；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的極限。這就是著名的“Hayflick極限”。Hayflick等還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的增殖能力與供體的年齡有關(guān)。如從胎兒肺得到的成纖維細(xì)胞可在體外條件下傳代50次，而從成人肺得到的成纖維細(xì)胞只能傳代20次，提示這可能與成人細(xì)胞的端粒長度小于胎兒細(xì)胞的端粒長度有關(guān)。 1990年，Harley等人在研究體外培養(yǎng)的人成纖維細(xì)胞時(shí)，得到細(xì)胞衰老過程中端粒損失的直接證據(jù)。他們分別取新生兒、24歲、71歲和91歲的供體的成纖維細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，并使之衰老。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著成纖維細(xì)胞的不斷分裂，染色體末端限制性片段（ＴＲＦ）的長度都逐漸減少，而染色體內(nèi)部的重復(fù)序列并不減少。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，如果細(xì)胞不分裂，則ＴＲＦ的長度不減少。說明染色體末端重復(fù)序列ＴＴＡＧＧＧ（端粒）在細(xì)胞衰老過程中特異地依賴ＤＮＡ復(fù)制而丟失。相反，精子中的端粒長度與受試者的年齡無關(guān)。這是因?yàn)榫又杏卸肆Ｃ傅谋磉_(dá)，使端粒保持恒定長度的緣故。所以，端粒的長度被認(rèn)為是人體細(xì)胞壽命的標(biāo)志。 正常體細(xì)胞中（生殖細(xì)跑、干細(xì)胞及外周淋巴細(xì)胞等除外），一般很難測知端粒酶的活性。所以隨著細(xì)胞的不斷分裂，染色體末端的端粒序列便會不斷縮短，當(dāng)人的ＴＲＦ縮短到臨界長度（Checkpoint）5Kbp～7Kbp時(shí)，就有信號指令細(xì)胞退出細(xì)胞周期（Ｍ１），并啟動(dòng)細(xì)胞衰老機(jī)制，使細(xì)胞出現(xiàn)衰老。如果細(xì)胞此時(shí)被病毒感染，或某些抑癌基因如Ｐ53、Ｒｂ等發(fā)生突變，則細(xì)跑可以越過Ｍ１期而繼續(xù)分裂。此時(shí)端粒酶仍然沒有活性，端粒長度繼續(xù)縮短，最終當(dāng)端粒長度短到極限，即ＴＲＦ為2Kbp～4Kbp時(shí)，細(xì)跑進(jìn)入危機(jī)期（Ｍ２），這時(shí)，由于染色體端粒對染色體的保護(hù)作用喪失，染色體不穩(wěn)定性增加，染色體間出現(xiàn)端—端融合的現(xiàn)象，細(xì)胞因而死亡。相反，在有端粒酶活性的細(xì)胞中，由于端粒不斷得到補(bǔ)充延伸，因而細(xì)胞會表現(xiàn)不死性。
理論上說，細(xì)胞的壽命決定于端粒的長度和端粒ＤＮＡ在體內(nèi)的消減速度。但有資料表明，有一些動(dòng)物有較長的端粒而壽命不長，如老鼠的端粒長達(dá)50Kbp～150Kbp，而人只有15Kbp，但人比老鼠壽命長得多。在酵母細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞分裂24代之后會死亡，但老年細(xì)胞沒有發(fā)現(xiàn)端粒的明顯縮短［3］。所以端粒對細(xì)胞壽命的影響有多大尚難定論。
4 細(xì)胞的不死性
研究表明：精子等胚性細(xì)胞內(nèi)可檢測出端粒酶活性，因而細(xì)胞中端粒的長度穩(wěn)定而且很長，表現(xiàn)為永生細(xì)胞；而在沒有端粒酶活性的細(xì)胞中，隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行，當(dāng)ＴＲＦ長度縮短為2Kbp～4Kbp時(shí)，細(xì)胞進(jìn)入危機(jī)期（Ｍ２），此時(shí)大多數(shù)細(xì)胞就會死亡。
但其中有極少數(shù)細(xì)胞其端粒酶活性因某些原因被激活，從而使端粒不斷維持在一定的長度而不再縮短，因而穩(wěn)定了染色體，細(xì)胞亦逃過死亡成為無限增殖的細(xì)胞——腫瘤細(xì)胞。所以許多腫瘤組織和轉(zhuǎn)化細(xì)胞都在不斷細(xì)胞分裂中維持穩(wěn)定而短的ＴＲＦ。 據(jù)羅建新等報(bào)道［4］：對43例鼻咽癌患者活檢標(biāo)本進(jìn)行檢測，端粒酶活性呈陽性者39例，陽性率達(dá)90．7％；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明，端粒酶活性陽性率隨腫瘤的發(fā)展過程而增高。此前，日本科學(xué)家曾測定了66個(gè)原發(fā)性胃癌樣品的端粒酶活性，其中85%有酶活性。因此他們認(rèn)為端粒酶的激活可能是腫瘤形成過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。此外，其他的研究者們在乳腺癌、卵巢癌、白血病、結(jié)腸癌、肝癌、腎癌中也都測到了端粒酶活性。因此，端粒酶被認(rèn)為是腫瘤診斷和預(yù)防的重要指標(biāo)。
大多數(shù)事實(shí)證明，端粒、端粒酶與細(xì)胞壽命直接相關(guān)，且端粒酶的激活和表達(dá)程度與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展也有十分密切的關(guān)系。因此，如何合理地控制端粒的長度，控制端粒酶的激活和抑制，以達(dá)到延緩衰老和防癌、治癌的目的，將會是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的、富有挑戰(zhàn)性的工作。由重復(fù)排列的端粒構(gòu)成的DNA四聯(lián)體結(jié)構(gòu)形態(tài)恰好類似弦圖結(jié)構(gòu)(目前對端粒的研究表明，端粒是真核生物染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)，包含若干的DNA雙鏈重復(fù)序列，其末端為含多個(gè)G的單鏈DNA.不同物種端粒的重復(fù)序列和長度是不一樣的，但每種生物體有其特定的序列和平均長度——如人的端粒為(TTAGGG)n，大約在15kb左右.線狀染色體的末端有一段稱為端粒的特殊區(qū)域，由于一般參與復(fù)制DNA的酵素?zé)o法作用于染色體的末端，因此這些端粒的主要功能，是使細(xì)胞能利用一種稱為端粒酶的酵素來復(fù)制端粒。如果端粒消失，那么復(fù)制過程將使染色體長度縮小。因此這些特化的端帽能保護(hù)染色體結(jié)尾不被外切酶破壞，并阻止細(xì)胞中的DNA修復(fù)系統(tǒng)將其視為需修正的損毀位置。在人類細(xì)胞中，端粒是由重復(fù)出現(xiàn)數(shù)千次TTAGGG序列的單股DNA所組成。這些序列富含鳥嘌呤，可形成一種由四個(gè)堿基重疊而成的特殊結(jié)構(gòu)，使染色體末端較為穩(wěn)定。四個(gè)鳥嘌呤可構(gòu)成一個(gè)平面，并且重疊于其他平面之上，產(chǎn)生穩(wěn)定的G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)。堿基與位在四個(gè)堿基中心的金屬離子螯合物之間，是經(jīng)由氫鍵結(jié)合以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。左圖顯示由上方觀看人類端粒中的四聯(lián)體，圖中可見每四個(gè)堿基為一組，共三層堿基重疊而成的單股DNA環(huán)狀物。在堿基環(huán)繞的中心，可見三個(gè)螯合在一起的鉀離子。也有其他類型的結(jié)構(gòu)存在，例如中心的四個(gè)堿基，除了可以是屬于單一的一股DNA之外，也可能是由多條平行的DNA各自貢獻(xiàn)一個(gè)堿基而形成。端粒另外還可形成一種大型環(huán)狀結(jié)構(gòu)，稱為端粒環(huán)或T環(huán)（T-loop）。是由單股DNA經(jīng)過端粒結(jié)合蛋白的作用之后，卷曲而成的一個(gè)大循環(huán)。在T環(huán)長鏈最前端的地方，單股的DNA會附著在雙股DNA之上，破壞雙螺旋DNA與另一股的堿基配對，形成一種稱為替代環(huán)或D環(huán)的三股結(jié)構(gòu)。其中,端粒是由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成的，其中一條鏈富含G，另一條富含C.端粒合成時(shí)先由端粒酶將端粒重復(fù)序列加到富G鏈上去，再由DNA聚合酶合成富C鏈.不同生物的端粒G鏈一般都采用緊實(shí)結(jié)構(gòu).而在所有的結(jié)構(gòu)中，G-四聯(lián)體是理論上最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它除了可在兩條DNA分子間形成外，還可以在含四段重復(fù)端粒序列單鏈DNA中形成.Zahler et al考察了端粒DNA的不同折疊方式作為引物時(shí)對四膜蟲端粒酶的影響.他們發(fā)現(xiàn)端粒G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)啟動(dòng)端粒酶延伸端粒的效率最差，不能作為端粒酶的引物，另外，他們的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶所需的引物可能不應(yīng)有任何折疊.折疊的端粒DNA結(jié)構(gòu)由于無法作為引物與端粒酶RNA組分堿基配對、結(jié)合，或者改變了端粒引物從端粒酶解離的速度而影響端粒的延伸.目前，所有已知生物的端粒都是在富G的那條鏈上由端粒酶進(jìn)行端粒合成，因此，能促使或穩(wěn)定端粒形成G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)或方法可能對癌癥有潛在治療意義.G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)是端粒DNA末端單鏈懸掛在溶液中形成的特殊二級結(jié)構(gòu)，由于它在端粒酶催化延長端粒DNA過程中的重要作用，已成為腫瘤治療和抗腫瘤藥物設(shè)計(jì)開發(fā)的重要靶點(diǎn)。如果藥物能穩(wěn)定G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)或促使其形成，則可使端粒酶不能發(fā)揮其逆轉(zhuǎn)錄酶活性，不僅抑制端粒酶活性而且使端粒不能延伸。而惡性腫瘤需要一定的端粒長度才能維持其生長及增殖，所以通過促成G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)的藥物可以達(dá)到抑制惡性腫瘤生長的目的。
) 注:通過穩(wěn)定G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)應(yīng)該能起到兩個(gè)作用,在有腫瘤時(shí)可以抑制腫瘤的生長,對于健康人則可以延緩端粒的縮短,有助于延長壽命.這是因?yàn)橛芍貜?fù)排列的端粒構(gòu)成的DNA
四聯(lián)體結(jié)構(gòu)形態(tài)恰好類似弦圖結(jié)構(gòu)——實(shí)際上DNA結(jié)構(gòu)是在規(guī)范場作用下形成的，在能夠雙鏈纏繞的地方則呈雙螺旋，不能雙鏈纏繞則呈現(xiàn)弦圖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，包括DNA橫檔平均夾角為36度，這都與規(guī)范場分布有關(guān)系，場越規(guī)范越接近穩(wěn)定的理想黃金分割結(jié)構(gòu),在不平衡時(shí)可以雙向調(diào)整，趨于規(guī)范分布。金字塔構(gòu)形的神奇效應(yīng)也與黃金分割數(shù)所約定的幾何結(jié)構(gòu)的特殊性密切相關(guān)。對于四聯(lián)體端粒，在正常情況下應(yīng)該越穩(wěn)定越好，這對于防治癌癥有幫助，因?yàn)榘┌Y細(xì)胞往往對應(yīng)非正常時(shí)機(jī)的染色體變異，而在規(guī)范場作用情況下，在需要時(shí)可打開四聯(lián)體結(jié)構(gòu)通過端粒酶實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄，不論在“過穩(wěn)定”問題。G四聯(lián)體作為端粒，有點(diǎn)類似十字封手。
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