端粒長度在細胞癌變和預測腫瘤風險中的作用*

端粒是染色體的天然末端，保護染色體末端防止其被錯誤地識別為DNA損傷信號。由于染色體DNA復制機器不能夠完整地復制染色體末端的DNA，細胞分裂過程中，染色體末端的DNA逐漸減少。一種稱為端粒酶的逆轉錄酶能夠添加端粒序列到染色體的末端，彌補細胞分裂過程中染色體末端DNA的丟失。在絕大多數正常組織中端粒酶活性缺失，因此整個生命周期中，體細胞的端粒長度是逐漸縮短的。但在大部分人類腫瘤（85%～90%）中端粒酶被重新激活［1］，腫瘤細胞具有穩定的端粒長度和永生化的特征。由于端粒長度與腫瘤發生具有重要的相關性，本文將對端粒長度在細胞癌變和預測腫瘤風險中的作用進行綜述。

1 端粒和端粒酶

端粒是真核生物染色體末端一段特殊的結構，在維持染色體的穩定性和完整性方面起重要的作用。端粒由端粒DNA及相關蛋白復合體組成。哺乳類生物的端粒DNA由六聚體TTAGGG核苷酸重復序列和富含G的3’單鏈懸突構成，其中3′單鏈折回端粒雙鏈區域內部，將自身鏈的一部分置換出來，并和互補鏈配對，形成緊湊的大T環結構［2］，而置換出來的那段序列則形成D環，從而使整個端粒DNA序列形成環狀結構［3］（D環-T環結構）。因而，端粒能夠避免染色體末端的降解，避免染色體與染色體之間的末端融合，抑制染色體的末端重組。由于“末端復制問題”，DNA聚合酶不能復制所有的DNA到染色體的末端，細胞每一次分裂端粒重復序列都會縮短，在人類細胞中，每次縮短50～300 bp［4］。當其縮短到一個臨界長度，細胞出現生長阻滯，這一狀態稱為復制性衰老，細胞復制性衰老既是機體衰老的一種機制，也被認為是一種腫瘤抑制機制。

端粒酶能夠克服細胞分裂過程中端粒的縮短，端粒酶核心成分包括端粒酶逆轉錄酶催化亞基（TERT）和端粒酶模板 RNA（TERC），它以自身的RNA為模板催化合成端粒重復序列添加到染色體末端［5］。人類端粒酶活性在大部分正常組織是受到抑制的，僅在胚胎發育和很少的干細胞中（比如造血干細胞，生殖細胞）存在但受到高度的調控。因此，正常細胞隨著機體的衰老端粒逐漸縮短，但在大部分人類腫瘤（85%～90%）中端粒酶被重新激活［6］，使得短端粒的細胞逃避衰老發生永生化。因此，腫瘤細胞一般具有持續的端粒酶活性和較短的端粒。

2 端粒在細胞癌變中的作用

幾乎所有的癌前病變都有非常短的端粒，這很可能是一種初始的保護機制限制了正常細胞的分裂。短端粒限制細胞分裂最終導致細胞生長阻滯，細胞發生復制性衰老，因此衰老可能是大型長壽哺乳動物進化出來的一種抑制腫瘤的機制［7］，避免生命的早期發生腫瘤。然而一些細胞獲得癌基因的改變，躍過復制性衰老，細胞最終進入危機期［8］。危機期的細胞端粒尤其短，出現“斷裂-融合-橋”（breakage-fusion-bridge，BFB）周期，染色體末端發生融合，人類細胞極少能夠逃避危機［9］。逃過危機期的細胞重新激活端粒酶穩定端粒長度，獲得永生化的生長能力，細胞發生癌變。躍過危機期的分子機制尚不清楚，有時是通過DNA重組機制而不是端粒酶機制［10］。

短端粒與端粒酶的激活被認為具有重要的聯系。端粒很可能影響TERT的調控，因為人的TERT基因位于5號染色體上非常靠近端粒末端的位置［11］。在大部分大型的長壽物種中，TERT基因也都非常靠近端粒，端粒酶受到精細調控避免腫瘤的早期發生。端粒酶在人類胚胎發育的早期是活化的，但在大概孕期3～4個月時大部分組織的端粒酶都沉默了。因此，在人發育過程中當端粒達到某個起始長度時（15～20 kb），具有端粒位置效應（telomere po?sition effects over long distances，TPE-OLD）的3D染色質結構沉默了TERT基因的表達［12］。隨著端粒的縮短，端粒位置效應喪失，TERT基因轉錄增強，端粒酶重新激活。這也符合大概70%的腫瘤都發生在65歲以上的老年人群。

3 短端粒是大型物種進化出抗癌保護機制

端粒長度具有物種特異性的特點，人們普遍認為腫瘤風險隨著體積增大而增加，因為腫瘤是隨機突變積累的結果。絕大多數哺乳類動物需要更多細胞復制延長壽命，那么在理論上就增加突變壓力及患癌風險［13］。然而，Peto等［14］指出患癌風險和物種大小不總是成比例。大型、長壽命哺乳動物相比小型、短壽命哺乳動物在患病率上并未增加，這個稱為Peto悖論。大型、長壽命哺乳動物通常在體內抑制端粒酶，并且相比較小型、短壽命哺乳動物其端粒更短。據報道，端粒酶受到抑制和體型增加有關，如一些體型較大的物種牛羊就表現出端粒酶活性的抑制，證明較大的物種進化出端粒酶活性的抑制機制。短端粒遺傳長度作為抗癌保護機制已經在哺乳動物中得到大規模實驗性驗證［15］。

小型物種表達較高端粒酶活性具有較長的端粒。一項對多種種系鼠的研究表明［16］，端粒酶活性與體重負相關，與壽命不相關，長壽的種系具有較短端粒的趨勢。和老鼠相比人類平均60～80 kg，壽命75～80歲，而純系大鼠體重20～25克，壽命2～3年。然而人類和大鼠患癌率相同，理論上人類的抗癌能力應是鼠類的10萬倍［17］。其原因也許在于人類有更好的DNA修復機制，又或許相比較野生型鼠類，采用純系鼠類和人類比較是不恰當的［18］。大型和小型哺乳動物可能由于不同的腫瘤風險，進化出兩種不同的端粒維持機制，大型哺乳動物進化出端粒酶抑制和復制性衰老，小型哺乳動物有端粒酶活性、較長的端粒并且缺乏復制性衰老，小型哺乳動物無法忍受在端粒堡壘激活之前形成的小腫瘤，因而進化出端粒不依賴的腫瘤抑制機制［19］。

4 端粒長度與腫瘤風險

考慮到癌癥發生率隨著年齡增加，老年人體細胞端粒較年輕人短，其發生腫瘤的傾向應該更大。Willeit等［20］通過對787名參與者進行10年的隨訪發現外周血淋巴細胞端粒的長度與癌癥的發生率和死亡率呈負相關，端粒越短者癌癥的發生率和死亡率越高，這些發現提示天生帶有短端粒個體發生癌癥可能性高。可能原因是端粒過短聯合某些癌基因的改變影響基因組的穩定性從而增加了患癌風險。此外，包含27個研究13種腫瘤類型的Meta分析表明短的端粒長度與腫瘤風險相關，尤其是在膀胱癌、食管癌、胃癌和腎癌中，相關性更顯著［21］。另一個納入了29個病例-對照研究的Meta分析同樣表明短的端粒長度與腫瘤風險相關，同樣是在膀胱癌、消化系統癌和泌尿生殖系統癌相關性更顯著，還發現在肺癌和吸煙相關的癌中相關性顯著，在乳腺癌中無顯著相關性［22］。包含61個病例對照研究的Meta分析報道短的端粒長度與增加的胃腸腫瘤和頭頸癌風險相關［23］。然而，一項包含47 102例大樣本量的前瞻性研究得出了不一致的結論，這項研究的人群全是白種人，隨訪了20年，采用定量PCR的方法檢測外周血白細胞端粒長度，結果發現短的端粒長度增加了腫瘤死亡風險，在522例肺癌患者中，端粒長度每縮短1kb，死亡風險增加27%。但短的端粒長度與腫瘤風險無關［24］。

近幾年越來越多的研究報道長端粒與一些腫瘤的高風險相關。一項端粒長度與腫瘤風險相關性的孟德爾隨機化研究顯示，端粒長度與腫瘤風險相關性在不同癌種中明顯不同，增加的端粒長度與膠質瘤、低度惡性潛能漿液性卵巢癌、肺腺癌、神經母細胞瘤、膀胱癌、黑色素瘤、睪丸癌、腎癌和子宮內膜癌高風險顯著相關［25］。在端粒長度與腎細胞癌風險的研究中，Machiela等［26］分析了10 784病例和20 406對照，同樣采用孟德爾隨機化分析，9個端粒長度相關的SNPs代替端粒長度，結果發現遺傳相關的更長的端粒與增加的腎細胞癌風險相關。而在一個大樣本多變量校正的觀察性分析中，長端粒相關的端粒維持基因的SNPs與增加的腫瘤風險相關，尤其在黑色素瘤和肺癌中，但是外周血中長的端粒與增加的腫瘤風險不相關［27］。以5 457例亞洲非吸煙女性肺癌病例為研究對象，通過檢測外周血白細胞中可以預測端粒長度的端粒相關基因的SNPs，也證明較長的端粒增加肺癌發病風險，但是機制并不清楚［28］。但對高加索男性吸煙肺癌患者的研究和來自于多種人群847例肺癌-對照樣本的研究都證實，外周血白細胞中較長的端粒長度與增加的肺癌風險相關［29-30］。另外，一項包括25篇文獻28個研究的Meta分析也得出相同的結論，外周血中更長的端粒長度與肺癌高風險相關［31］。一項大樣本量包含26 540例參與者的前瞻性研究，檢測外周血淋巴細胞的端粒長度，隨訪12年，654人發生肺癌，較長端粒與肺腺癌高風險相關，但與肺鱗癌和其他肺癌亞型不相關［32］。這些研究都顯示了外周血白細胞中端粒長度與肺癌風險的正相關性，有可能成為肺癌風險的預測標志物。可能的機制是長的端粒促進細胞的永生化，導致異常的細胞增殖和腫瘤形成。另一方面，長端粒可能與基因組不穩定相關，增加了細胞癌變風險。然而具體長端粒與肺癌高風險的生物學機制仍然有待闡明。

有多個研究發現端粒長度與肺癌的死亡風險也相關，例如一項包含788例肺癌病例的前瞻性研究表明肺癌診斷前短的端粒長度增加了吸煙嚴重的小細胞肺癌患者死亡風險，尤其是晚期小細胞肺癌患者，與肺腺癌和肺鱗癌患者的生存期無關［33］。這似乎與長端粒增加肺癌風險相矛盾，但是需要指出的是這項研究里外周血獲取的時間與肺癌診斷的時間間隔比較短，腫瘤患者的端粒可能已經發生了異常，另外組織亞型不同，小細胞肺癌與肺腺癌、肺鱗癌的生物學差異非常大，再者過長或過短的端粒都會導致端粒功能喪失。

在端粒長度與肝癌風險的研究中也證實了過長和過短端粒都不是有利的因素，通過孟德爾隨機化分析1 538例HBV陽性的HCC患者和1 465例HBV陽性的對照，也采用9個端粒長度相關的SNPs代替端粒長度，分析發現遺傳相關的較長或較短的端粒都與HBV有關的肝癌風險相關［34］。

端粒長度與腫瘤風險和腫瘤死亡風險相關性在不同的研究中表現出不一致性，說明端粒長度與腫瘤的相關性與腫瘤類型相關。但在同一類型腫瘤中，有些研究結果也并不一致，因為不同的研究端粒長度檢測方法不一樣，另外，研究設計、研究人群、樣本量大小、統計學方法也存在不同。未來可能需要分別針對不同腫瘤類型甚至是腫瘤的不同亞型進行大樣本的前瞻性研究，并且使用標準化的端粒長度檢測方法，才能清楚認識到端粒長度在腫瘤中的真正作用，從而為臨床診斷和患者的臨床管理提供重要幫助。

5 結語

大量證據表明端粒縮短導致的細胞衰老是大型物種進化出來的一種腫瘤抑制機制，防止物種在生命早期發生腫瘤。然而，另一方面人類端粒縮短會導致基因組不穩定，促進腫瘤的進程［35］。長端粒也會導致基因組的不穩定，增加腫瘤的風險。盡管端粒長度與腫瘤風險與腫瘤類型有關，但對于同一種類型的腫瘤，不同的研究結果也不盡相同。臨床實踐中，需要謹慎評估端粒長度在腫瘤發生發展中的作用。未來，端粒長度和其他臨床特征的聯合可能會更好地預測腫瘤的發生發展。另外，深入的機制研究將增加對端粒長度調控的認識，使端粒生物學能夠更好地應用于精準診療。