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端粒长度在细胞癌变和预测肿瘤风险中的作用

 

 

端粒是染色体的天然末端,保护染色体末端防止其被错误地识别为DNA损伤信号。由于染色体DNA 复制机器不能够完整地复制染色体末端的DNA,细胞分裂过程中,染色体末端的DNA逐渐减少。一种称为端粒酶的逆转录酶能够添加端粒序列到染色体的末端,弥补细胞分裂过程中染色体末端DNA的丢失。在绝大多数正常组织中端粒酶活性缺失,因此整个生命周期中,体细胞的端粒长度是逐渐缩短的。但在大部分人类肿瘤(85%~90%)中端粒酶被重新激活,肿瘤细胞具有稳定的端粒长度和永生化的特征。由于端粒长度与肿瘤发生具有重要的相关性,本文将对端粒长度在细胞癌变和预测肿瘤风险中的作用进行综述。

 

端粒和端粒酶

 

端粒是真核生物染色体末端一段特殊的结构,在维持染色体的稳定性和完整性方面起重要的作用。端粒由端粒 DNA及相关蛋白复合体组成。哺乳类生物的端粒DNA由六聚体TTAGGG核苷酸重复序列和富含G的3’单链悬突构成,其中3'单链折回端粒双链区域内部,将自身链的一部分置换出来,并和互补链配对,形成紧凑的大T环结构,而置换出来的那段序列则形成D环,从而使整个端粒DNA序列形成环状结构(D环-T环结构)。因而,端粒能够避免染色体末端的降解,避免染色体与染色体之间的末端融合,抑制染色体的末端重组。由于“末端复制问题”,DNA聚合酶不能复制所有的DNA到染色体的末端,细胞每一次分裂端粒重复序列都会缩短,在人类细胞中,每次缩短50~300 bp 。当其缩短到一个临界长度,细胞出现生长阻滞,这一状态称为复制性衰老,细胞复制性衰老既是机体衰老的一种机制,也被认为是一种肿瘤抑制机制。

 

端粒酶能够克服细胞分裂过程中端粒的缩短,端粒酶核心成分包括端粒酶逆转录酶催化亚基(TERT)和端粒酶模板 RNA(TERC),它以自身的RNA为模板催化合成端粒重复序列添加到染色体末端。人类端粒酶活性在大部分正常组织是受到抑制的,仅在胚胎发育和很少的干细胞中(比如造血干细胞,生殖细胞)存在但受到高度的调控。因此,正常细胞随着机体的衰老端粒逐渐缩短,但在大部分人类肿瘤(85%~90%)中端粒酶被重新激活,使得短端粒的细胞逃避衰老发生永生化。因此,肿瘤细胞一般具有持续的端粒酶活性和较短的端粒。

 

端粒在细胞癌变中的作用

 

几乎所有的癌前病变都有非常短的端粒,这很可能是一种初始的保护机制限制了正常细胞的分裂。短端粒限制细胞分裂最终导致细胞生长阻滞,细胞发生复制性衰老,因此衰老可能是大型长寿哺乳动物进化出来的一种抑制肿瘤的机制,避免生命的早期发生肿瘤。然而一些细胞获得癌基因的改变,跃过复制性衰老,细胞最终进入危机期。危机期的细胞端粒尤其短,出现“断裂-融合-桥” (breakage-fusion-bridge,BFB)周期,染色体末端发生融合,人类细胞极少能够逃避危机。逃过危机期的细胞重新激活端粒酶稳定端粒长度,获得永生化的生长能力,细胞发生癌变。跃过危机期的分子机制尚不清楚,有时是通过DNA重组机制而不是端粒酶机制。

短端粒与端粒酶的激活被认为具有重要的联系。端粒很可能影响TERT的调控,因为人的TERT基因位于 5 号染色体上非常靠近端粒末端的位置。在大部分大型的长寿物种中,TERT基因也都非常靠近端粒,端粒酶受到精细调控避免肿瘤的早期发生。端粒酶在人类胚胎发育的早期是活化的,但在大概孕期3~4个月时大部分组织的端粒酶都沉默了。因此,在人发育过程中当端粒达到某个起始长度时(15~20 kb),具有端粒位置效应(telomere po⁃sition effects over long distances,TPE-OLD)的3D染色质结构沉默了TERT基因的表达。随着端粒的缩短,端粒位置效应丧失,TERT基因转录增强,端粒酶重新激活。这也符合大概70%的肿瘤都发生在65岁以上的老年人群。

 

短端粒是大型物种进化出抗癌保护机制

 

端粒长度具有物种特异性的特点,人们普遍认为肿瘤风险随着体积增大而增加,因为肿瘤是随机突变积累的结果。绝大多数哺乳类动物需要更多细胞复制延长寿命,那么在理论上就增加突变压力及患癌风险。然而,Peto等指出患癌风险和物种大小不总是成比例。大型、长寿命哺乳动物相比小型、短寿命哺乳动物在患病率上并未增加,这个称为Peto悖论。大型、长寿命哺乳动物通常在体内抑制端粒酶,并且相比较小型、短寿命哺乳动物其端粒更短。据报道,端粒酶受到抑制和体型增加有关,如一些体型较大的物种牛羊就表现出端粒酶活性的抑制,证明较大的物种进化出端粒酶活性的抑制机制。短端粒遗传长度作为抗癌保护机制已经在哺乳动物中得到大规模实验性验证。

 

 

小型物种表达较高端粒酶活性具有较长的端粒。一项对多种种系鼠的研究表明,端粒酶活性与体重负相关,与寿命不相关,长寿的种系具有较短端粒的趋势。和老鼠相比人类平均60~80 kg,寿命75~80 岁,而纯系大鼠体重 20~25 克,寿命 2~3年。然而人类和大鼠患癌率相同,理论上人类的抗癌能力应是鼠类的10万倍。其原因也许在于人类有更好的DNA修复机制,又或许相比较野生型鼠类,采用纯系鼠类和人类比较是不恰当的。大型和小型哺乳动物可能由于不同的肿瘤风险,进化出两种不同的端粒维持机制,大型哺乳动物进化出端粒酶抑制和复制性衰老,小型哺乳动物有端粒酶活性、较长的端粒并且缺乏复制性衰老,小型哺乳动物无法忍受在端粒堡垒激活之前形成的小肿瘤,因而进化出端粒不依赖的肿瘤抑制机制。

 

 

端粒长度与肿瘤风险

 

 

考虑到癌症发生率随着年龄增加,老年人体细胞端粒较年轻人短,其发生肿瘤的倾向应该更大。Willeit等通过对787 名参与者进行10 年的随访发现外周血淋巴细胞端粒的长度与癌症的发生率和死亡率呈负相关,端粒越短者癌症的发生率和死亡率越高,这些发现提示天生带有短端粒个体发生癌症可能性高。可能原因是端粒过短联合某些癌基因的改变影响基因组的稳定性从而增加了患癌风险。此外,包含27个研究13种肿瘤类型的Meta分析表明短的端粒长度与肿瘤风险相关,尤其是在膀胱癌、食管癌、胃癌和肾癌中,相关性更显著。另一个纳入了29个病例-对照研究的Meta分析同样表明短的端粒长度与肿瘤风险相关,同样是在膀胱癌、消化系统癌和泌尿生殖系统癌相关性更显著。还发现在肺癌和吸烟相关的癌中相关性显著,在乳腺癌中无显著相关性。包含61个病例对照研究的Meta分析报道短的端粒长度与增加的胃肠肿瘤和头颈癌风险相关。然而,一项包含47 102例大样本量的前瞻性研究得出了不一致的结论,这项研究的人群全是白种人,随访了20年,采用定量PCR的方法检测外周血白细胞端粒长度,结果发现短的端粒长度增加了肿瘤死亡风险,在522例肺癌患者中,端粒长度每缩短1kb,死亡风险增加27%。但短的端粒长度与肿瘤风险无关。

 

 

近几年越来越多的研究报道长端粒与一些肿瘤的高风险相关。一项端粒长度与肿瘤风险相关性的孟德尔随机化研究显示,端粒长度与肿瘤风险相关性在不同癌种中明显不同,增加的端粒长度与胶质瘤、低度恶性潜能浆液性卵巢癌、肺腺癌、神经母细胞瘤、膀胱癌、黑色素瘤、睾丸癌、肾癌和子宫内膜癌高风险显著相关。在端粒长度与肾细胞癌风险的研究中,Machiela等分析了10 784病例和20 406对照,同样采用孟德尔随机化分析,9个端粒长度相关的SNPs代替端粒长度,结果发现遗传相关的更长的端粒与增加的肾细胞癌风险相关。而在一个大样本多变量校正的观察性分析中,长端粒相关的端粒维持基因的SNPs与增加的肿瘤风险相关,尤其在黑色素瘤和肺癌中,但是外周血中长的端粒与增加的肿瘤风险不相关。以5 457例亚洲非吸烟女性肺癌病例为研究对象,通过检测外周血白细胞中可以预测端粒长度的端粒相关基因的SNPs,也证明较长的端粒增加肺癌发病风险,但是机制并不清楚。但对高加索男性吸烟肺癌患者的研究和来自于多种人群847例肺癌-对照样本的研究都证实,外周血白细胞中较长的端粒长度与增加的肺癌风险相关。另外,一项包括25篇文献28个研究的Meta分析也得出相同的结论,外周血中更长的端粒长度与肺癌高风险相关。一项大样本量包含26 540例参与者的前瞻性研究,检测外周血淋巴细胞的端粒长度,随访12年,654人发生肺癌,较长端粒与肺腺癌高风险相关,但与肺鳞癌和其他肺癌亚型不相关。这些研究都显示了外周血白细胞中端粒长度与肺癌风险的正相关性,有可能成为肺癌风险的预测标志物。可能的机制是长的端粒促进细胞的永生化,导致异常的细胞增殖和肿瘤形成。另一方面,长端粒可能与基因组不稳定相关,增加了细胞癌变风险。然而具体长端粒与肺癌高风险的生物学机制仍然有待阐明。

 

有多个研究发现端粒长度与肺癌的死亡风险也相关,例如一项包含788例肺癌病例的前瞻性研究表明肺癌诊断前短的端粒长度增加了吸烟严重的小细胞肺癌患者死亡风险,尤其是晚期小细胞肺癌患者,与肺腺癌和肺鳞癌患者的生存期无关。这似乎与长端粒增加肺癌风险相矛盾,但是需要指出的是这项研究里外周血获取的时间与肺癌诊断的时间间隔比较短,肿瘤患者的端粒可能已经发生了异常,另外组织亚型不同,小细胞肺癌与肺腺癌、肺鳞癌的生物学差异非常大,再者过长或过短的端粒都会导致端粒功能丧失。

 

在端粒长度与肝癌风险的研究中也证实了过长和过短端粒都不是有利的因素,通过孟德尔随机化分析1 538例HBV阳性的HCC患者和1 465例HBV阳性的对照,也采用9个端粒长度相关的SNPs代替端粒长度,分析发现遗传相关的较长或较短的端粒都与HBV有关的肝癌风险相关。

 

 

端粒长度与肿瘤风险和肿瘤死亡风险相关性在不同的研究中表现出不一致性,说明端粒长度与肿瘤的相关性与肿瘤类型相关。但在同一类型肿瘤中,有些研究结果也并不一致,因为不同的研究端粒长度检测方法不一样,另外,研究设计、研究人群、样本量大小、统计学方法也存在不同。未来可能需要分别针对不同肿瘤类型甚至是肿瘤的不同亚型进行大样本的前瞻性研究,并且使用标准化的端粒长度检测方法,才能清楚认识到端粒长度在肿瘤中的真正作用,从而为临床诊断和患者的临床管理提供重要帮助。

 

结语

 

大量证据表明端粒缩短导致的细胞衰老是大型物种进化出来的一种肿瘤抑制机制,防止物种在生命早期发生肿瘤。然而,另一方面人类端粒缩短会导致基因组不稳定,促进肿瘤的进程。长端粒也会导致基因组的不稳定,增加肿瘤的风险。尽管端粒长度与肿瘤风险与肿瘤类型有关,但对于同一种类型的肿瘤,不同的研究结果也不尽相同。临床实践中,需要谨慎评估端粒长度在肿瘤发生发展中的作用。未来,端粒长度和其他临床特征的联合可能会更好地预测肿瘤的发生发展。另外,深入的机制研究将增加对端粒长度调控的认识,使端粒生物学能够更好地应用于精准诊疗。

 

来源:《中国肿瘤临床》,2018年第45卷第17期,页码:908-911。