第二节　端粒与端粒酶

端粒（telomere）最早发现于四膜虫细胞中，是位于真核生物染色体末端的特殊结构，由重复的DNA序列（TTAGGG）和端粒结合蛋白组成，作用在于弥补DNA 不完全半保留复制中引物降解所致的DNA单链序列损耗，防止染色体之间的互相融合及染色体丢失，保持染色体的完整性。人体不同组织细胞内端粒长度不同，主要受端粒酶、端粒结合蛋白、核糖基转移酶-核糖多聚酶等共同调控。一个细胞内端粒总长度约为5~15kb，精子和早期胚胎细胞端粒长度可达15~20kb。随着细胞分裂染色体末端会丢失部分序列，每次分裂后染色体末端约失去50~200bp，而在细胞一生中端粒共缩短大约2~15kb。在大多数的细胞中，端粒随着细胞的分裂次数增多而缩短，当端粒缩短到一定程度时，将失去其对染色体的保护功能，并会引发细胞周期停滞、细胞凋亡及基因组的不稳定性。

过短端粒能够通过直接或间接的方式激活P53直接导致细胞进入衰老和凋亡过程，是细胞衰老的重要标志。端粒长度主要受端粒酶的调控，端粒酶具有反转录酶活性，能够以自身的RNA为模板合成端粒 DNA。人类的端粒酶包括3部分（图3-2）：①端粒酶 RNA（human telomerase RNA，hTR）；②端粒酶相关蛋白 1（telomerase associated-protein 1，TP1/TLP1）；③端粒酶催化亚单位（human telomerase catalytic subunit，hTERT/hTRT）。正常体细胞中往往存在hTR模板区，却没有端粒酶活性，但这一模板区对于端粒酶结合DNA及其反转录酶活性都是必需的。此外，hTR模板序列突变也会影响端粒的稳定性。hTERT是单拷贝基因，在胚胎和肿瘤中都有较强的表达，其表达量与端粒酶活性正相关。

总之，端粒和端粒酶可通过多个途径参与人体的发育、生殖、衰老和疾病发生等多个环节、多水平的复杂调控，涉及多个基因在转录前、翻译、翻译后等多个水平的调控，包括端粒结合蛋白、细胞周期蛋白及相关细胞因子、相关蛋白的磷酸化和去磷酸化等多个方面。

研究表明，一些 POF患者卵巢细胞内的端粒短于正常人，而在卵巢中，颗粒细胞的增殖及卵母细胞的成熟都与端粒密切相关。卵泡正常发育需要颗粒细胞大量增殖分化，端粒的长度可直接影响颗粒细胞的增殖能力。端粒过短会减慢颗粒细胞的增殖速度，导致其分泌的雌激素不足，造成卵泡的发育滞后，继而出现停经、雌激素水平降低等症状。此外，端粒长度缩短也会阻碍有丝分裂中期时卵子中染色体的交叉和联会，导致纺锤体及染色体排列异常，正常的细胞周期受阻，胚胎发育停滞，最终凋亡。对卵丘复合体的观察与分析发现，卵丘细胞的端粒长度可以作为其包围的卵子质量的标记，卵丘细胞端粒较长则卵细胞质量更好。在通常情况下，卵子的端粒长度比体细胞短，因此在受精完成后，受精卵必须经历一个重编程的过程延长端粒长度。研究显示，在端粒酶缺失的情况下，端粒长度的修复是不完全的。因此证明了端粒酶在这个重编程过程中对端粒长度维持的作用。

图3-2　端粒酶结构示意图

端粒酶的活性对生殖细胞和颗粒细胞的存活及生长有重要影响，且端粒酶活性的下降会导致颗粒细胞凋亡和卵泡闭锁。在细胞分裂最为旺盛的前窦状卵泡中，颗粒细胞端粒酶活性较高，随后端粒酶活性逐渐降低，颗粒细胞分裂也逐渐减缓，进一步表明卵泡正常发育需要维持端粒酶活性。端粒酶逆转录酶（TERT）和端粒酶RNA片段（TERC）基因缺陷的小鼠其端粒酶活性缺失。这样的小鼠生殖力逐代下降，直至不孕。人类卵巢中端粒酶的活性也会随着年龄的增长而下降。因此，受精后端粒延长过程的失败也可能是高龄女性生殖力下降的原因之一。

近期还有研究证实了雌激素水平下降与端粒长度之间的关系。在雌激素缺失的小鼠中，其端粒酶对端粒长度的维持功能会显著下降，而这种改变可以通过雌激素替代疗法得到缓解。这说明在靶细胞中，雌激素可能是通过提高端粒酶的活性进而影响端粒的长度来调节细胞的增殖。雌激素与胞内的雌激素受体（estrogen receptor，ESR）结合形成复合体后可与靶基因启动子上的雌激素反应元件（estrogen receptor elements，ERE）结合，调控靶基因的表达。雌激素受体包括ESR1（ERα）和ESR2（ERβ）两类，两者存在于颗粒细胞中且都参与hTERT调控，其中以ESR2为主。雌激素主要通过两种方式调控TERT基因表达：①雌激素受体ESR1直接作用于TERT 基因启动子的 ERE上，并上调端粒酶的表达；②雌激素刺激转录因子MYC 的表达，再进一步通过肿瘤抑制因子BACR1、Auro-ra-a激酶、TGF-β、信号传导因子SMAD3和促分裂素原活化蛋白激酶MAPK来调节TET基因的表达。研究表明，中国POF 患者体内存在TGF-β受体TGFBR3错义突变，可影响SMAD3通过MYC与hTERT启动子E-box元件的结合，阻碍其调节细胞内的hTERT表达。POF患者卵巢内的表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）水平显著低于正常人，EGF可通过MAPK作用于TERT基因启动子，调控端粒酶的活性，因此端粒酶活性异常可能是过低水平的EGF参与POF发病的机制之一。FMR1突变的POF小鼠卵泡内包括TERT 等在内的蛋白泛素化降解水平增高，限制了相关细胞的增殖能力，进而引起了卵泡提前耗竭，提示TERT高度泛素化可能参与FMR1突变致POF患者体内卵泡耗竭过程。

端粒和端粒酶与卵泡发育和卵母细胞的分裂成熟密切相关，根据卵巢中端粒长度和端粒酶活性随年龄的老化、卵巢功能下降而逐渐降低，以及卵巢早衰功能患者端粒酶活性低等临床发现，端粒及端粒酶可能在卵巢功能衰退过程中扮演着重要角色，端粒及端粒酶的相关研究也有望为诊断和治疗卵巢功能早衰提供理论与实验依据。