景晓杨,雷 燕,王 强,修成奎
·综述与进展·
端粒、端粒酶与血管老化的关系
景晓杨1,雷 燕2,王 强3,修成奎3
研究伴随增龄而出现的血管老化问题已成为防治心血管疾病的新靶点。血管老化作为一种退行性疾病,其病理改变主要涉及内皮细胞和平滑肌细胞的衰老。端粒学说是被广泛讨论的衰老假说之一,端粒长度的缩短被认为是细胞衰老的开始;端粒酶作为一种特殊的核糖核蛋白复合体,能够有效维持端粒的长度以延缓衰老,进而推测端粒、端粒酶可能通过细胞衰老的形式与血管老化发生密切的联系。
血管老化;端粒;端粒酶;衰老
随着人口老龄化的加速发展,有关增龄在心血管疾病发生发展中的作用逐渐被引起重视。血管老化作为一种退行性疾病,是人体衰老的关键始发因素,主要表现为内皮细胞和平滑肌细胞的衰老。根据其发病原因的不同,可以分为主要是由增龄导致的生理性老化和由多种血管疾病促发引起的病理性老化。在细胞衰老领域,端粒学说一直广受关注。端粒作为染色体末端的一段重复序列,会随着细胞的有丝分裂而逐渐缩短,从而引发了细胞衰老,端粒酶的出现则能特定的延长端粒的长度,进而提示在血管细胞衰老进程中端粒和端粒酶起着关键的作用。
1 血管老化的概述
血管是由内膜、中层和外膜所组成,构成内膜和中层的主要细胞是血管内皮细胞和平滑肌细胞,它们是防御各种应激因子的第一道防线,外膜主要由成纤维细胞构成。血管老化是血管发生的一种缓慢的退行性变化,其病理改变主要涉及血管内皮细胞衰老和功能障碍,平滑肌细胞的衰老、迁移和增殖,以及细胞外基质成分的改变和病理产物沉积。根据发病原因不同,
可分为主要由增龄导致的生理性老化和由多种血管疾病促发引起的病理性老化。生理性血管老化表现为随着增龄而出现血管长度和横断面的直径增长,即血管扩张和屈曲,与此同时,血管壁发生了质的变化;病理性血管老化是由高血压病、高脂血症、冠心病以及糖尿病等疾病引起的,它们共同表现为血管僵硬度增加,动脉弹性和顺应性下降,动脉供血减少,进而引起机体功能降低。
2 端粒、端粒酶的结构及其功能
2.1 结构 端粒是真核细胞的染色体的末端结构,被形象地比喻为细胞内染色体末端的“保护帽”,它由重复的DNA序列和端粒结合蛋白组成,是细胞必需的组分。端粒DNA序列既有高度的保守性,又有种属特异性,但每种生物都有其特定的序列和平均长度,如四膜虫重复序列为GGGGTT,草履虫为TTGGGG,人类和哺乳动物为TTAGGG[1]。端粒结合蛋白是由称为she lterin的六个蛋白的复合体组成,该复合体由TRF1、TRF2、TIN2、Rap1、TPP1、POT1组成,其中TRF1、TRF2直接识别单链和双链TTAGGG端粒重复序列,并通过TIN2、Rap1、TPP1、POT1相互联系。Shelterin comp lex能够维持“T-环”结构的稳定性,“T -环”结构即3′末端突出的单链折叠并侵入端粒的双螺旋结构形成的;这个“T-环”有利于端粒在染色体末端形成帽子结构[2],该复合体不仅可以阻止染色体末端DNA损伤反应的激活,而且可以调节染色体末端端粒酶活性。依据结合特性端粒结合蛋白分为两大类[3]:①双链TBPs(doub le-strand TBPs),它在端粒长度的维持中具有重要作用,而且对端粒具有保护和调节功能[4];②单链TBPs(sing le-strand TBPs),对于染色体末端的“戴帽”,以及端粒酶活性的调节具有重要作用[5]。
端粒的结构决定了端粒具有许多重要的功能:①保护染色体末端,防止遗传信息丢失。端粒DNA如帽子一般保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解,从而防止染色体在复制过程中发生丢失或形成不稳定结构[6,7]。此外端粒的存在能使得DNA复制从端粒开始,避免染色体遗传信息的丢失。②决定细胞寿命。正常体细胞端粒的长度是有限度的,随着年龄的增长和细胞分裂次数的增多,端粒会逐渐缩短,一般丢失速度为(50~200)bp/次[8],当端粒缩短至一定程度,细胞停止分裂,进入静止状态,故有人称端粒为正常细胞的分裂钟(mistosis clock),因而端粒的长度也就决定了细胞的寿命[9]。③端粒位置效应,这是由于端粒序列改变了染色体的结构,使得接近端粒处的染色体区域形成异染色质,而且这一区域位于核膜附近,离体条件下不易被DNaseⅠ接近,活体内不易受到DNA修饰酶的作用。由于聚合酶和转录因子不容易接近,抑制了附近基因的表达,这种现象称为端粒的位置效应[10]。
2.2 功能 端粒酶是一种特殊的核糖核蛋白酶复合体,具有逆转录酶活性,它通过引物特异识别位点,以自身RNA为模板,在染色体末端合成端粒DNA,使端粒得以延长。人类端粒酶主要由RNA成分(hTR)、端粒酶相关蛋白1(hTEP 1)和催化亚单位(hTERT)三部分组成。hTR长约5 6 0 nt,其中有1 1个碱基(5-CUAACCCUAA-3)与人类端粒序列5-TTAGGG-3互补[11],与此区互补的反义寡核苷酸能抑制端粒酶活性,而这段RNA的突变会导致端粒酶活性的改变[12]。hTEP1的mRNA表达并不限于有端粒酶活性的组织和细胞系,各组织的水平差异与端粒酶的活性无关,因此,端粒酶活性表达并不是由TEP1决定的[13,14],但hTERT则是端粒酶活性所必需的。对端粒酶活性的表达,hTR和hTERT两种组分缺一不可,但它们的表达调控是分离的。因为hTR在人的组织细胞中广泛表达,是一个普遍现象,端粒酶活性没有平行关系;而hTERT只在有端粒酶活性的细胞中(如生殖细胞、各种具有分裂增殖能力的细胞和绝大多数肿瘤细胞)表达,其表达与端粒酶活性呈正相关[15]。
端粒酶作为一种特殊的DNA聚合酶,有着非常重要的生物学功能[16],不仅使细胞分裂过程中缩短的端粒长度得到补偿,维持端粒的长度,还能够参与组织分化、细胞因子、胞浆Ca2+水平的调节,并在一定程度上保护了线粒体,此外,端粒酶还参与细胞凋亡级联反应核信号的发放和细胞周期与细胞增殖的调控[17]。
3 端粒、端粒酶与血管老化的研究
生命机体由细胞构成,生命机体的衰老是从细胞衰老开始的。胡章雪[18]认为端粒参与血管老化的机制,主要是通过细胞衰老的途径发挥作用的。细胞衰老主要表现为端粒酶的活性明显下降,端粒功能发生异常(包括端粒DNA受损、端粒结构发生异常变化、端粒明显缩短)和细胞停止生长。内皮细胞和平滑肌细胞作为血管细胞的主要成分参与了血管老化的发生,内皮细胞和平滑肌细胞的衰老与端粒、端粒酶有关,即端粒的缩短、损伤,端粒酶活性的下降会导致相关血管内皮细胞和平滑肌细胞的衰老,并且通过其衰老与心血管疾病的发生存在互为因果的关系。Minamino等[19]通过破坏端粒结构完整性诱导人主动脉内皮细胞衰老,首先发现在人类动脉粥样硬化区域有典型的衰老细胞特征,并发现抑制端粒酶可诱导内皮细胞衰老,而促进端粒酶表达可抑制内皮细胞衰老,延长细胞的生长周期。体外细胞实验表明端粒酶活性在血管平滑肌细胞增殖调控中发挥着至关重要的作用,过表达hTERT可以延长血管平滑肌细胞寿命[20]。另一方面,杨淑均等[21]也指出端粒的过度损耗导致血管内皮细胞、内皮祖细胞以及平滑肌细胞衰老和功能障碍,进而参与动脉粥样硬化病理演进,最终引发冠心病、脑卒中等。黄华等[22]指出早期端粒酶活性增强及端粒长度增加导致内膜血管平滑肌增生是高血压早期血管重塑的表现。可见端粒和端粒酶的生物学功能发生异常是导致细胞衰老,以及血管老化的关键因素。
与此同时,在研究有关端粒酶的端粒外作用机制的同时,也发现端粒酶与氧化应激关系密切。氧化应激引起端粒损伤的重要表现之一是可改变端粒的长度,使细胞端粒缩短,进而加速细胞衰老[23]。而通过检测端粒DNA限制性酶切片段(te lomerase restriction fragment,TRF)的长度,并结合荧光原位杂交实验,发现培养在高氧化应激环境下的内皮细胞,其端粒缩短的速度加快[24]。实验发现40%的高压氧下细胞传代次数降低,端粒缩短速率增大,细胞出现衰老特征,端粒DNA上单链断裂积累。由此推测端粒缩短的主要原因在于衰老过程中或氧胁迫下端粒DNA单链断裂增多,使端粒末端单链片段在DNA复制时丢失[25]。此外,端粒酶转基因鼠表现出明显的抗氧化应激能力,其干细胞的增殖分化能力也提高,而端粒酶基因敲除鼠则表现出较低的抗氧化应激能力,并对化疗药物敏感[26,27]。端粒酶还与线粒体关系密切,但在氧化应激状态下,端粒酶线粒体定位的确切生理功能还需进一步探讨。Haendeler等[28]研究发现TERT进入线粒体后定位在线粒体基质,结合mtDNA编码区ND1和ND2区,并认为TERT的线粒体定位全面提高了呼吸链的活性,可以抵抗氧化应激诱导的损伤。Ahmed等[29]发现在TERT过表达的细胞中,mtDNA被保护,线粒体膜电位升高,线粒体超氧化产物和细胞过氧化水平降低,这些表明TERT表达下降能够导致端粒缩短和细胞衰老,使端粒酶活性下降,相反则能提高线粒体功能和减少不良反应,使线粒体处于一个温和应激状态。
4 有关端粒、端粒酶与中医研究的现状
张先平等[30]实验表明,当归多糖(ASP)能够拮抗X线诱导的造血干细胞(HSC)衰老,其作用机制可能与增加端粒长度及端粒酶活性、下调P53蛋白表达有关。周玥等[31]研究发现,人参皂苷Rg1可能通过激活端粒酶活性和减少端粒长度缩短发挥延缓和治疗造血干细胞(HSC)衰老的作用。张洪泉等[32]研究发现,肉苁蓉多糖(PCD)能拮抗自由基损伤,增强衰老小鼠心和脑组织端粒酶活性和机体免疫功能,对D-半乳糖所致的衰老有一定的改善作用。马丽杰等[33]实验发现,锁阳多糖(CSP)组可以通过抑制D-半乳糖衰老小鼠血细胞和脑细胞染色体末端端粒长度的缩短,延缓组织细胞的衰老进程。杨靖等[34]通过研究发现,四君子汤能拮抗自由基损伤,减少D-gal衰老模型小鼠心、肝、脑组织丙二醛(MDA)含量,并能提高心、脑组织端粒酶活性,但对肝组织端粒酶活性无影响[34]。目前在中医药领域缺乏有关端粒、端粒酶和血管老化的直接研究,有必要进行加强以阐明其中的关系。
5 结 语
血管老化作为一种缓慢的进行性疾病和老龄化社会亟待解决的问题,值得大家广泛关注。端粒长度的缩短引发了衰老,而端粒酶的存在能够通过延缓细胞衰老,提高细胞抗氧化应激水平来延缓衰老,进而可能延缓血管老化,但是仍然存在一些问题。第一,有研究表明端粒长度可能和海拔有关,影响衰老和血管老化[35],如何用药物代替海拔对端粒长度的影响而延缓血管老化值得进一步的研究。第二,如何控制端粒酶的过度表达是一个有待解决的问题。端粒酶一方面可以维持端粒的长度,有效延缓衰老,同时也会增加细胞癌变的机会,这其中的临界点需要解决。第三,正常情况下端粒长度随着细胞分裂不断缩短,缩短到一定的程度会引发衰老,但是没有确切的长度标准。
生命机体的衰老是生物整个生命机体形态、结构和功能逐渐衰退的综合现象,是一个非常复杂的进程,端粒仅是其众多影响因素之一。自从发现端粒丢失同衰老相关以来,端粒与细胞衰老的研究不断深入,但在中医药领域有关端粒、端粒酶同血管老化的研究并不多,故希望通过加强此方面的研究来进一步证实其中的相关性。随着科学技术的发展,我们相信在不远的将来就可以在不引发肿瘤的前提下,能够通过干预端粒酶适时适度地作用于端粒,使之延长并延缓血管老化,从而达到有效控制心血管疾病发生的目的,提高人类的生活质量和寿命。
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Relationship between Telomere,Telomerase and Vascu lar Aging
Jing Xiaoyang,Lei Yan,Wang Qiang,Xiu Chengkui
Experimental Research Center,China Academy of Chinese Medica l Sciences,Beijing 100700,China Corresponding Author:Lei Yan
The research of vascular aging problemwith age has become a new target for the prevention and treatment of cardiovascular disease.Vascular aging,which pathological changes mainly involved in endothelial cells and smooth muscle cells senescence,is a degenerative disease.The telomere hypothesis is one of the widely discussed hypothesis of senescence,the shortening of telomere length is considered to be the start of cellu lar senescence;telomerase is a ribonuc leoprotein complex special,which can effectively maintain telomere length in order to delay aging.And then we specu lated that telomere and telomerase may be contact closely with vascular ageing through the formof cell senescence.
telomere;te lomerase;vascu lar aging;aging
R541 R256
:A
10.3969/j.issn.1672-1349.2015.07.011
1672-1349(2015)07-0893-04
2014-10-30)
(本文编辑王雅洁)
国家自然科学资助项目(No.81273976);中国中医科学院自主选题(No.ZZ 2013002)
1.中国中医科学院医学实验中心在读硕士研究生,中国中医科学院医学实验中心(北京100700);2.中国中医科学院医学实验中心; 3.中国中医科学院医学实验中心博士研究生
雷燕,E-mail:jingxy321@163.com
