蜜蜂端粒酶活性與端粒長度研究進展

吳文立 牛慶生 王志 王進州 劉玉玲 李志勇

（吉林省養蜂科學研究所，吉林 132021）

Muller 在20 世紀30年代首次發現在真核細胞染色體中存在一種特殊的結構，并將之命名為端粒（telomere）[1]。端粒在染色體中與端粒結合蛋白一起構成了一種特殊的“帽狀”結構，如圖1。這種結構的實質就是一小段DNA—蛋白質復合體，其功能是保護染色體末端的單鏈DNA 不被機體識別成破損的雙鏈DNA，避免錯誤修補[2]，維持染色體的完整和細胞的活性。由于細胞有絲分裂中DNA 復制是不完整的復制，每一輪復制，在染色體末端會縮短30～200bp，如果不及時修復，染色體的缺失就會逐漸變大，進而導致細胞功能衰退，引起機體的衰老，如圖2，所以端粒被稱為“有絲分裂時鐘”和“生命時鐘”[3]。端粒的修復是通過端粒酶的催化和介導來完成的，端粒酶是一種特別的逆轉錄酶，在保持端粒穩定、基因組完整、細胞活性和潛在的增殖能力等方面發揮重要作用，端粒長度和端粒酶活性已成為醫學界和動物學界研究的熱點領域之一。2009年，3 位美國科學家Elizabeth H Blackburn、Jack W Szostak 和Carol W Greider 通過發現端粒和端粒酶的結構以及其保護染色體的功能而獲得諾貝爾生理學或醫學獎[4]。

圖1

圖2

1 端粒和端粒酶

1.1 端粒的結構和功能

端粒是真核細胞線狀染色體末端的一種基本結構。在脊椎動物中，端粒的絕大部分由一連串重復序列——(TTAGGG)n 構成，昆蟲中的這種重復序列為(TTAGG)n，植物中的這種重復序列為(TTTAGGG)n[5,6]。每個重復序列長度為5～7bp[7]，在人體中，這種重復序列的總長度從36bp到幾十kb不等[8]，并且圍成T環，形成“帽子”結構，防止染色體末端互相重組、融合和染色體退化[9]。

端粒的主要功能有3 個：第一，在DNA 復制過程中，以RNA 為起始引物，當DNA 聚合酶沿著5′到3′復制完成時，RNA 被剪切，造成5′末端空缺，從而使5′末端序列縮短，而端粒結合蛋白與端粒酶通過復雜的相互作用來調節端粒酶的活性，并且保持端粒擁有足夠的長度；第二，由于端粒存在于染色體末端并且是閉合環狀結構，所以能防止單鏈DNA 不被機體識別成破損的雙鏈DNA，避免了錯誤修補和粘連；第三，一些端粒結合蛋白可以調節其在細胞核中的位置來實現一些功能，其中最突出的就是在減數分裂Ⅰ期之中，端粒結合蛋白移動到核膜上與中心粒相對，以此促進同源染色體的聯會[10]。

1.2 端粒酶的組成和功能

端粒酶是一種核糖體蛋白，含有2 個重要的組成部分——逆轉錄酶和RNA。逆轉錄酶可以催化端粒DNA 的合成，而RNA 則是端粒DNA 合成的模板。在機體正常的細胞增殖和器官發育過程中，端粒酶的活性受到嚴格控制[11,12]。在脊椎動物中，胚胎期的端粒酶具有很高的活性，而后期發育時端粒酶的活性逐漸降低[13]；在增殖不活躍的體細胞中，端粒酶的活性處于低水平狀態[14,15]。

2 端粒長度的變化機制及影響因素

2.1 端粒長度的變化機制

端粒酶不能無限增加端粒自身的長度，當自身達到穩態時，其活性就會在此值上下浮動。目前科學家提出端粒長度的變化機制：一類是依賴端粒酶活性，如生殖細胞、成體干細胞、胚胎干細胞[16]；另一類是端粒重組，如淋巴細胞和胃黏膜細胞中有少量甚至沒有端粒，卻具有很長的壽命[17]。如今，已有科學家通過實驗驗證，雄性動物中的端粒長度普遍比同種雌性動物的短[18]，這可以從分子水平上解釋，在身體健康狀態相似、同等饑餓的條件下，女性存活時間大于男性，亦解釋女性壽命普遍長于男性；還可以解釋蜂王大量產卵，工蜂日夜勞作，但是其壽命依然普遍長于從未交尾且養尊處優的雄蜂。

2.2 端粒長度的影響因素

影響端粒長度的因素主要有環境因素和遺傳因素。在環境因素上，已有研究得出結論，孕婦在孕期奶制品的攝入較多，孕婦的端粒長度較短；孕婦飲用咖啡者，其臍血端粒長度短；孕期經常保持體育鍛煉的孕婦，其端粒長度較長。在遺傳因素上，遺傳變異可能不影響新生兒的端粒長度，但影響成長過程中不同個體對環境暴露導致端粒縮短的易感程度[19]。煙草暴露、生物化學暴露、酗酒、營養不良、肥胖、慢性炎癥以及心理壓力等因素也被證明與較短的端粒長度相關[20-30]。

3 關于蜜蜂和其他昆蟲端粒和端粒酶的研究

美洲大蠊，作為一個非完全變態昆蟲的代表，會從一個未成熟的形態逐漸長成成蟲，在這期間，除生殖器官外，其端粒酶活性會隨著機體的發育而逐漸降低，也就是說半變態昆蟲端粒酶活性的大小與細胞循環和機體衰老相關[31]。但是許多研究顯示，在以蜜蜂為代表的完全變態昆蟲中，并未發現機體發育各階段端粒酶變化的規律[31-33]。在工蜂發育過程中，端粒酶的活性呈現下降趨勢[34]；而年輕蜂王與老年蜂王相比，端粒酶的活性沒有區別[35]。Radmila 發現，蜜蜂中蜂王的壽命遠遠大于工蜂是因為端粒在其中發揮了作用[34]，而蜜蜂生存的環境因素也會影響端粒酶的活性和端粒長度[36]。

4 研究前景與展望

蜜蜂是世界上一種重要的授粉動物，愛因斯坦也曾說過：“如果蜜蜂忽然消失于地球，人類的生存時間不會超過4年”，但是蜜蜂的壽命問題卻很少得到重視。工蜂的壽命短則30 天，多則200 余天，差距如此之大，究竟原因何在，無從知曉。而如今，醫學界和動物學界都已發現，端粒是影響真核動物壽命的一個重要因素。尤其在醫學界，對端粒的研究已經到一個成熟階段，經研究得知，端粒縮短會造成人類DNA 損傷、炎癥和氧化應激等反應，無論是引起心血管疾病的危險因素或是常見的心血管疾病，如動脈粥樣硬化、心臟衰竭、高血壓，都呈現白細胞端粒縮短[37]。但是對蜜蜂端粒的研究才剛剛開始，還處在摸索階段，不過前景廣闊。

蜜蜂端粒的研究應該從人類端粒的研究中得到啟迪。人類端粒可以通過影響人類疾病的發生來間接影響壽命，也可以通過直接變短、損傷DNA 或使自身結構異常來使細胞衰老，直接影響人類壽命。而蜜蜂的疾病很少，端粒可能直接影響蜜蜂的壽命。現在已經通過端粒的研究知道蜜蜂的滋養細胞和脂肪細胞與蜜蜂的壽命存在一定的聯系[38]，而這種聯系可以為以后更深入的探究蜜蜂壽命奠定基礎。