端粒功能對肝細胞增殖分化的影響及機制

汪艷

端粒是線型染色體末端的特殊DNA，由簡單的非編碼重復序列組成，保護染色體免受損傷。細胞每次發生分裂后，端粒會縮短。最終端粒不能再縮短之時，細胞不再分裂。對于端粒的實驗觀察始于Hayflick和Moorhead培養人成纖維細胞時發現。他們發現這些體外培養的細胞不會無限增殖，在大約60～80次分裂后增殖停止。這種細胞進入衰老前的分裂次數被稱為Hayflick極限[1]。 DNA進行復制時，DNA聚合酶不會復制整條滯后鏈，據此染色體DNA會隨著每次細胞分裂逐漸變短。如果這樣的話，經過每次DNA復制，遺傳信息丟失的危險就會增加。端粒是細胞對此問題的解決辦法。端粒通常有500～3 000個5′-TTAGGG-3′重復片段，可以保持線型染色體游離末端完整性。端粒的功能作用包括：防止遺傳信息丟失、防止染色體異常融合，以及活化由染色體出現游離末端而引發的共濟失調性毛細血管擴張癥變異(ATM)和共濟失調性毛細血管擴張癥和Rad3相關(ATR)DNA損傷反應通路。

出生時的端粒DNA長度為8～12 kb，隨著組織更新細胞不斷分裂，端粒DNA長度會逐漸縮短。一旦端粒縮短到一定限度，類似于DNA雙鏈斷裂引起的細胞反應，細胞會激活DNA損傷通路，活化p53、p21等，進入衰老或凋亡。在端粒失功細胞轉入衰老或凋亡狀態從而抑制腫瘤發生的過程中，p53起關鍵推動作用[2]。p21則是在p53活化的條件下調控DNA修復和壓力阻抗反應[3]。大多數細胞中端粒的長度都會隨著年齡增長而縮短，如在健康人肝組織中肝細胞端粒的長度會從20歲時9.7 kb減少到60歲時的8.1 kb。但某些類型的細胞，如胚胎組織、肝臟組織、骨髓組織和惡性腫瘤組織的細胞需要持續增殖，它們往往通過表達端粒酶，在經過許多次細胞分裂后仍然能維持端粒的功能長度。端粒酶是一種通過模板方式擴增端粒的核糖核蛋白復合物，它的組成包括端粒酶逆轉錄酶(TERT)，端粒酶RNA成分(TERC)作為RNA模板，以及用來穩固端粒酶復合物的dyskerin蛋白分子。TERT是端粒酶的主要功能部分，在大多數細胞如成人的分化成熟肝細胞中處于抑制狀態。

先天性角化不全癥(DC)是一種以端粒功能缺陷為致病機制特征的遺傳性疾病。患者通常在40～50歲時表現出骨髓衰竭和肝/肺纖維化病變。DC的發生率估計為百萬分之一，但是由于該疾病是不完全外顯性，其準確的發生率還不清楚。至少10種端粒相關基因缺陷會導致早熟干細胞形成和組織衰竭。DC患者還易于發生腫瘤，約有5%會發生肝細胞癌。一般人群中肝細胞癌通常在肝硬化肝細胞端粒縮短的情形下發生，并且超過90%的肝細胞癌會出現肝細胞端粒酶活化[4]。Dyskerin錯義突變是DC的最常見變異。變異的dyskerin造成端粒酶復合體結構不穩定，不能維持端粒而造成端粒隨著時間不斷縮短。A353V突變是其中常見的一種[5]。近期Munroe等[6]將人源胚胎干細胞(hESC)作為體外模型，觀察端粒縮短對DC可能產生的影響。他們使用CRISPR/Cas9技術造成了hESC中dyskerin發生A353V突變，這些hESC在多次分裂后端?？s短，p53維持穩定水平。然而，p53的穩定性并未使細胞進入衰老或凋亡，相反hESC細胞不再進行肝樣細胞分化，而是繼續發生增殖。這一表現與已知的p53對于DNA損傷引起的抑癌作用似乎相左。進一步觀察發現，分化受阻最早出現于肝內胚層期，端粒縮短的hESC細胞未能表達肝細胞核因子4α(HNF4α)。如果過表達TERC對抗A353V突變的影響、敲除p53，或者條件性表達HNF4α，則可以不同程度地挽救細胞分化。該研究中關于HNF4α表達與端?？s短之間存在機制關聯的發現是首次報道。

通常患肝較健康肝臟的細胞端粒長度更短。慢性肝損傷引起細胞死亡，其他肝細胞則反應性地進行分裂增殖，修復組織損傷。在持續損傷的情況下，肝細胞端粒則會不斷縮短。有研究顯示，肝細胞端粒縮短率與纖維化進展率有關；在肝硬化期，它還與肝細胞癌發生危險性有關[7]。 在Munroe等[6]研究中，端?？s短引起p53穩定又使得HNF4α表達抑制，肝細胞不再進一步分化而是持續增殖，這也許是肝細胞癌在肝硬化和DC發生的可能原因。已有數據發現肝細胞癌可能與p53活化、HNF4α表達抑制，以及細胞持續增殖有關。但目前p53活化與HNF4α表達抑制之間的分子作用機制還尚不清楚。這些進展提示，未來可以關注端粒功能在肝病發生、發展過程的作用機制，這也許可以為治療研究提供有意義的線索。