端粒(telomere)是现代生物学的研究热点，与肿瘤发生、基因表达调控、衰老有着密切的关系。端粒维持过程中有两类重要的蛋白：端粒相关蛋白和端粒酶。端粒相关蛋白是直接或间接与端粒结合的蛋白，在维持端粒稳定性方面有重要作用。端粒酶(telomerase），特别是其催化亚基人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse trans-criptase，hTERT)，在端粒延长过程中起着不可替代的作用，与细胞永生化和癌变密切相关。对hTERT的调节是治疗肿瘤的一个主要手段。2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白•布莱克本(Elizabeth Blackburn)、美国巴尔的摩约翰•霍普金斯医学院的卡罗尔•格雷德(Carol Greider)、美国哈佛医学院的杰克•绍斯塔克(Jack Szostak)，以表彰他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。在细胞分裂时染色体如何进行完整复制，如何免于退化，奥秘全部蕴藏在端粒和端粒酶上。端粒被科学家称作“生命时钟”，细胞每分裂一次，端粒就缩短一次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂而死亡。而端粒酶则在一些失控的恶性细胞的生长中扮演着重要角色。

一、端粒及端粒酶的结构及功能

1． 端粒的结构及功能

位于真核染色体末端的端粒结构在维持基因组完整性和功能稳定性方面有着重要作用。端粒位于真核染色体末端，由端粒DNA和端粒相关蛋白组成。端粒DNA由不含功能基因的简单重复的非编码序列组成。人的染色体端粒由超过1000个拷贝的TTAGGG序列组成，具有一条单链富含GT的3'末端突出。

最近发现，端粒末端与端粒结合蛋白在细胞内形成的是环套结构，而不是过去认为的单纯的线性结构。在大多数正常人体细胞中，端粒序列不能完全复制，因而随着细胞分裂将导致端粒片段的丢失，端粒DNA会随着每次细胞有丝分裂而逐渐缩短，由于染色体复制的自身缺陷，细胞每分裂一次，端粒要丢失20%～50%的碱基对，DNA 缩短到一定长度时，就丧失了保护染色体末端的功能，其后果是编码区基因被破坏，染色体之间发生融合或者染色体被降解，最终导致细胞老化死亡。与此相反，在永生化细胞包括肿瘤细胞中，端粒长度是稳定的，这表明细胞永生化需要通过端粒酶或者其他机理来维持端粒的稳定。

另外，端粒结合蛋白具有的结构进化上的保守性，在维持端粒的稳定性和参与抑制细胞凋亡方面有着重要作用。端粒结合蛋白与端粒DNA结合，并维持DNA特定的高级结构，从而保护端粒DNA末端不被核酸酶识别破坏。端粒结合蛋白与端粒DNA的结合具有高度特异性，不同种属的端粒结合蛋白在氨基酸序列上各不相同，但在其3'末端都有与myb类癌基因结合的位点。两种端粒结合蛋白对端粒有主要调节作用：第一种端粒结合蛋白是一类特异结合在端粒DNA上的蛋白质,如发酵酵母中的蛋白质RAP1、哺乳类动物细胞中的蛋白质TRF1；第二种端粒结合蛋白是一类与端粒DNA结合蛋白结合的蛋白质，发挥蛋白质与蛋白质间的相互作用，组成一个染色体功能区域。这类蛋白质有酿酒酵母中的SIR3/SIR4和RIF1，它们与第一种端粒结合蛋白质RAP1结合,分别发挥建立端粒静止效应和调节端粒长度的作用。已证明这两种蛋白质对于端粒长度具有负性调节作用，并且可能抑制端粒酶活性。

2．端粒酶的结构和功能

1989年美国加州大学的分子生物学教授Morin首次从人宫颈癌细胞株Hela细胞中发现并鉴定了端粒酶的存在,并证实它是一种核糖核蛋白。端粒酶是一种核糖核蛋白，具有逆转录活性，不依赖DNA聚合酶，可以与自身携带的RNA模板合成端粒重复序列。端粒酶由450bp的RNA和至少两个蛋白亚单位组成。迄今已有两个蛋白亚单位被克隆：端粒酶相关蛋白1和人端粒酶逆转录酶。端粒酶的活性可以通过调控端粒酶的RNA成分和（或）蛋白质成分来实现，对端粒酶活性起调控作用的是蛋白组分，其中hTERT为催化亚单位，作用最为重要。端粒酶RNA是无意义核酸序列，不编码蛋白质。端粒酶RNA种属间差异很大，四膜虫端粒酶RNA成分长度为159nt，模板区是43-51位点间的5'-CAACCCCAA-3'，合成1.5拷贝的端粒重复单位。模板区外突变导致合成端粒作用明显降低，并表现强外切酶活性，提示该酶RNA非模板区可能调控端粒酶的功能。人的端粒酶RNA，长约560nt，有11个碱基（5'-CUAACCCUAA-3'）与人端粒序列5'-TTAGGG-3'互补，与此区互补的反义寡核苷酸能抑制端粒酶活性，这个RNA基因的突变亦导致端粒酶活性的改变, 但端粒酶活性的调控与其RNA成分表达之间的相关性还有待于进一步阐明。

端粒酶相关蛋白1的mRNA的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，端粒酶活性的表达并不是由端粒酶相关蛋白1决定的。人类的端粒酶催化亚单位，即hTERT基因位于人染色体的5p15.33区。hTERT基因包含16个外显子和15个内含子，外显子的大小从62到1345bp不等，内含子长度从104到8616bp不等。端粒酶的基因全长大于37kb。第一外显子包含翻译起始点，而翻译终止点和3'非翻译区位于第16外显子。hTERT具有端粒酶特异性结构域单元T(T motif)和7个高度保守的逆转录结构区（reverse transcription motif,RT），分别位于单个的外显子上。它编码一个含有1132个氨基酸多肽的蛋白，其分子量大于100kD。hTERT基因的5'侧翼有一个约11.2kb的大型CpG岛和一个约300bp的小型CpG岛，CpG岛的GC含量大于70%，CpG比大于0.6,无论从长度、GC含量、还是CpG比上来看，都是一般CpG岛无法比拟的。hTERTCpG岛内DNA的甲基化可以解释部分细胞内hTERT表达的抑制。

由此可见，hTERT基因的CpG岛是细胞进行自我调节的一种重要组成结构。与一般的基因结构不同的是，在hTERT基因的转录起始区没有典型的TATA box或类似的序列，却有多个转录因子结合位点位于ACT上游，这包括多个Sp1结合位点，c-myc结合位点，AP-2结合位点。这些结合位点的存在提示，hTERT的表达式是受基因转录水平调控的，并且在不同细胞系中可能受不同因子的调节。这也提示hTERT表达调节的多样性和复杂性。近来发现，在同一生物的不同个体，同一个体的不同组织，甚至是同一组织的不同生长阶段，hTERT都有不同的变异体结构存在。这些变异体以RT区的变化为主，也有部分是C末端的变异。

至今发现的所有的hTERT变异体都能用其基因序列的不同拼接点来解释。hTERT拼接方式的差异可能是不同细胞以及组织生长的不同阶段端粒酶是否被激活的一个重要原因。端粒酶活性在正常体细胞中受到限制，只有在生殖细胞、胚胎细胞中才有表达，但在癌细胞和永生化细胞系却能表现出较短的端粒长度和较强的端粒酶活性。

二、端粒酶活性的调节

1．c-myc对端粒酶的调节

c-myc蛋白是由c-myc原癌基因编码的一种转录因子，参与细胞的分化与增殖，其调控表达异常与肿瘤发生密切相关。近来研究发现，在肿瘤细胞中，c-myc表达与hTERT水平相平行，c-myc可能通过激活hTERT的表达而导致肿瘤发生。Wu等研究发现，外源性MYC对hTERT基因表达具有直接激活作用，其激活作用与细胞增殖无关；此外，这种由独自诱导的上调不依赖于其他新合成蛋白质的辅助作用。早期研究表明，c-myc可显著上调hTERT启动子的表达，且c-myc的激活作用与其剂量成正相关；对hTERT启动子c-myc结合位点突变后，其在肿瘤细胞中活性明显下降，外源性的c-myc对突变后的启动子无上调作用，表明c-myc是调节hTERT表达的重要转录因子，因此通过抑制c-myc的表达，降低端粒酶的活性，可以达到治愈肿瘤的目的。Tyo等进一步研究发现，hTERT基因结构中邻近ATG位点的两个E盒对于其转录活性的上调更有意义；E盒突变后，c-myc的激活作用明显下降。但不同细胞类型其下降幅度仍有差别，这可能与c-myc在不同细胞中表达量有关。

2．SP1对端粒酶的调节

SP1是一种普遍存在的转录因子，在胎儿组织、精子以及造血干细胞中表达较多，而这些组织和细胞均有端粒酶活性的高表达。最近研究发现，SP1可与hTERT启动子上的GC盒结合而调节hTERT的转录活性。过量表达SP1可显著增强hTERT启动子活性,SP1结合位点发生突变，尤其是核心启动子的5个位点均突变后，不仅造成hTERT转录活性下降90%，同时外源性c-myc对hTERT启动子的激活作用也明显减弱，表明SP1不但可单独上调hTERT的活性，还能与c-myc有明显的协同作用。

3．MAD对端粒酶的调节

转录因子MAD也参与调节hTERT的表达。MAD家族和myc家族都属于羧基端有bHLH-Zip结构的转录因子，但其作用与c-myc相反。MAD同异二聚体MAX形成复合物后，与E盒结合，诱导细胞分化，抑制细胞增殖。有报道称，MAD可显著抑制hTERT的表达，在非永生化细胞中，突变hTERT启动子上MAD结合位点可明显提高hTERT启动子活性,另外，MAD的抑制作用可被外源性c-myc所抵消，所以，MAD可能是非永生化细胞中hTERT的直接抑制因子，使端粒酶在正常细胞不能表达；而在永生化和肿瘤细胞中，c-myc过度表达，MAD表达受到明显抑制，减弱了其对hTERT的下调作用。

4．苦参碱对端粒酶hTERT-mRNA表达及调控

苦参碱作为一种分化诱导剂作用于k562细胞，可见明显的端粒酶hTERT-mRNA表达减弱，同时伴有端粒酶活性的下降，并与药物浓度呈一定的量效关系。提示苦参碱可作为一种有效的端粒酶活性抑制剂。肿瘤细胞端粒酶活性受抑后，端粒继续缩短，则可直接导致肿瘤细胞死亡。但人体内一些具有再生潜能的正常细胞亦可表达端粒酶hTERT包括造血干细胞、胃肠粘膜隐窝等生长活跃的正常细胞，苦参碱对这些细胞的影响作用如何，尚有待于进一步研究。

资料表明，蛋白激酶C的抑制剂可对癌细胞的端粒酶产生抑制作用。最近文献报道组蛋白去乙酰化可抑制正常细胞 hTERT 的转录水平，并认为这可能是正常细胞不表达端粒酶活性的重要原因之一。Theodora等则证明，甲基化和去乙酰化有协同调节作用。

三、发展前景

端粒酶的活性调节作为一种重要的治疗肿瘤的手段越来越被生物学界所重视，随着社会的发展，调节端粒酶活性的技术成为研究的热点。现今端粒酶活性调节的有代表性的研究方向是：①阻断端粒酶RNA的模板作用来抑制端粒酶活性，比如通过反义核酸技术或构建锤头状核酶破坏端粒酶RNA的模板功能；②逆转录酶抑制剂；③核苷类似物；④蛋白激酶C抑制剂；⑤细胞分化诱导剂。利用现代分子生物学技术改变端粒酶尤其是hTERT的基因表达水平，将可能成为肿瘤基因治疗新的突破口。