郑晓飞，吕星
(军事医学科学院放射医学研究所，北京 100850)
关键词：端粒；端锚聚合酶
端粒是真核细胞染色体末端的一个特殊结构，由一段具有特定重复序列的DNA和端粒结合蛋白组成，是维持染色体结构稳定的重要因素。端粒DNA的复制不是由DNA聚合酶完成的，而是由端粒酶(telomerase)催化合成后添加到染色体的末端。正常细胞随着细胞分裂活动的进行，端粒DNA逐渐缩短，当缩短到一定程度时，染色体结构被破坏，细胞进入衰老期并以死亡而告终。但当细胞发生癌变时，由于端粒酶的重新激活，这种端粒DNA随分裂活动发生渐进性缩短的趋势受到阻遏，使正常细胞转化成具有无限分裂能力的永生化恶性细胞。
研究表明，端粒DNA在与端粒蛋白共同作用下自身回折，在染色体的末端形成一个大的DNA套索结构，即t-环(telomere loop)。目前已知人的端粒功能需要两个特殊的端粒结合蛋白TRF1(telomeric repeat binding factor 1)和TRF2。TRF2起到保护染色体末端的作用，TRF1参与调节端粒的长度。在端粒酶阳性的细胞中过表达TRF1导致端粒长度的缩短，而抑制TRF1的表达可以增加端粒的长度。TRF1不能控制端粒酶的表达，但可抑制端粒酶在端粒末端的作用。由此提出了“端粒长度调节的蛋白计数模型”(proteincounting mechanism for telomere length regulation)：端粒DNA结合TRF1达到一个临界数目时，便产生抑制端粒酶复合物活性的信号，端粒延伸终止；若染色体不完全复制、核酸外切酶降解或发生重组，导致端粒长度缩短，端粒结合的TRF1也相应减少，当TRF1减少到临界数目时，则重新激活端粒酶复合物，端粒长度再次延伸到特定长度。当端粒DNA结合的TRF1又重新达到临界数目时，再次抑制端粒酶复合物的活性，从而维持了癌细胞端粒长度的稳定性。
但是，是什么因素控制TRF1与端粒DNA的结合与分离呢？直到Smith等［1］发现了端锚聚合酶(TRF1-interacting ankyrinrelated ADP-ribose polymerase，Tankyrase)，这一重要领域的研究才打开了一个全新的视野。端锚聚合酶是人端粒复合物中的一个重要组分，其基因定位于人第8号染色体［2］。它是一个由1327个氨基酸残基构成的蛋白质，其中心区域含有24个锚蛋白(ankyrin)的重复区，C末端与聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶［poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase，PARP］的催化区域同源，因此具有PARP活性。端锚聚合酶在细胞内的定位依赖于细胞周期［3］。端锚聚合酶在中期与TRF1结合共存于染色体末端，此外，也存在于核孔复合物中。在有丝分裂时，伴随核膜破裂与核孔复合物的解离，端锚聚合酶又定位于有丝分裂中心体周围。研究表明，端锚聚合酶不具有核定位信号，它在细胞内的定位受细胞周期和TRF1调节。体外研究表明，端锚聚合酶的PARP活性作用的底物一个是TRF1，另一个是端锚聚合酶自身。端锚聚合酶与TRF1的作用是瞬时的，此时的TRF1形成二聚体。体外重组表达的端锚聚合酶可使TRF1核糖基化而丧失结合端粒DNA的能力，允许端粒酶结合端粒DNA，使端粒得以延伸。这表明，在人细胞中，端粒的功能受聚腺苷二磷酸核糖基化的调节。
PARP是存在于多数真核细胞中的一个多功能蛋白质翻译后修饰酶。它通过识别结构损伤的DNA片段而被激活，被认为是DNA损伤的感受器。它还能对许多核蛋白进行聚腺苷二磷酸核糖基化。受它修饰的蛋白质有组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等，并通过组蛋白的ADP-核糖基化使组蛋白脱离下来，有助于修复蛋白的结合而进行DNA的损伤修复。同时，PARP又是细胞凋亡核心成员胱天蛋白酶(caspase)的切割底物。因此，它在DNA损伤修复与细胞凋亡中发挥着重要作用。由此可以推断，端锚聚合酶在癌细胞端粒结构的调控机制中有重要作用。端锚聚合酶具有自我催化的功能。端锚聚合酶有可能作为细胞内有效地检测端粒结构变化的分子感受器而起作用，其催化活性被激活后修饰受体蛋白，进而引发一系列的级联反应。同PARP一样，端锚聚合酶很可能也是一个多受体的蛋白质，启动细胞内对端粒结构变化作出反应的信号转导机制，使端粒酶能顺利地将端粒重复片段加到染色体的末端，从而维持癌变细胞端粒结构的稳定。新近研究又发现，除端锚聚合酶与TRF1结合外，TIN2(TRF1-interacting nuclear protein 2)也同TRF1结合［4］。TIN2是结合TRF1的一个新的核蛋白。TIN2与TRF1共存于细胞中期的染色体上。TIN2调节TRF1的功能，对端粒的长度起负调控作用。在正常细胞中，端粒的逐渐缩短导致端粒结合的TRF1、TIN2和端锚聚合酶的丢失，当端粒缩短到一定长度时，产生抑制生长的信号。而在肿瘤细胞中，端粒的缩短可能启动了恢复端粒酶活性的信号途径，从而使端粒保持在一定长度。但是，端锚聚合酶和TIN2如何调控TRF1功能的？还不十分清楚。端锚聚合酶在细胞内的作用机制和表达调控机制也不十分清楚，端锚聚合酶在体内的功能还有待阐明。
核蛋白聚腺苷二磷酸核糖基化对保持基因组DNA的稳定性具有重要作用。细胞内存在不同的具有PARP活性的分子，它们很可能针对不同机制所导致的不同染色体结构的DNA损伤发挥作用。阐明细胞内具有PARP活性的蛋白质分子的作用机制有助于端锚聚合酶的研究。目前，已经发现了人类的几个聚腺苷二磷酸核糖转移酶，这些酶的不同结构表明它们作用于不同的蛋白质效应分子，参与不同的细胞活动。对其性质和作用靶蛋白的研究，可能揭示聚腺苷二磷酸核糖基化调控的细胞途径。近来在人细胞中发现的Adprt 1是一个聚腺苷二磷酸核糖转移酶样蛋白质［5］，由1724个氨基酸残基组成，分子量为192.8kD，它与定位于核内的聚腺苷二磷酸核糖转移酶(nuclear-localized ADP-ribosyltransferase protein，Adprt)、Adprt 2、Adprt 3和端锚聚合酶的催化结构域具有同源性。与活性有关的关键氨基酸在这些酶中是保守的，表明Adprt 1具有聚腺苷二磷酸核糖基转移酶功能。与端锚聚合酶相比，序列分析显示，Adprt 1可能也不直接与DNA结合。Adprt 1的聚腺苷二磷酸核糖转移酶活性是由其它因子激活的，如通过羧基端介导的蛋白质-蛋白质相互作用。可见，具有PARP活性的蛋白质分子在细胞核内参与广泛的DNA反应。
端粒结构的稳定性与细胞癌变有极密切的关系，而端锚聚合酶正是决定端粒酶能否稳定端粒结构的一个重要因素。端锚聚合酶已成为继端粒酶之后又一个同细胞的癌变和衰老密切相关的蛋白质。端锚聚合酶被认为是细胞癌变机制和癌症治疗靶标研究的新热点。
参考文献
［1］Smith S et al. Science，1998，282(5393)：1484--1487
［2］Zhu L et al. Genomics，1999，57(2)：320--321
［3］Smith S et al. J Cell Sci，1999，112(Pt 21)：3649--3656
［4］Kim S et al. Nature Genet，1999，23：405--412
［5］Still IH et al. Genomics，1999，62(3)：533--536
(本文原刊登在《生命的化学》2000年第6期)
