癌细胞为什么会永生不死
admin 08 / 02 / 2021

体细胞为什么会衰老?癌细胞为什么会永生不死?全世界的科学家已经研究了上百年,但至今仍是个未解之谜。

1965年,美国佛罗里达大学遗传学研究中心的奥那多·海夫利克(Leonard Hayflick)发表论文指出,来自人类胎儿的成纤维细胞,在体外只能分裂50次左右就会停止分裂并发生凋亡,“50次”的倍增极限即“海夫利克极限”[1]。由于人体中的细胞受到接触抑制的作用,大部分的成体干细胞处于静息状态,只有少数处于细胞周期,据此估计人类细胞的平均每次分裂周期约为2.4年。2.4×50=120,即人类最高寿命是120岁,正好与能证实的有史以来寿命最长的活了122岁零164天的法国女性雅娜·路易斯·卡尔曼特的寿命吻合。

对于复杂的无法直观的问题,要想阐明其内在机制,必须先提出合符逻辑的假说,然后根据假说来指导进行实验验证,才能以最小的代价获得想要的结果。不然,毫无方向的实验就会像闭上眼睛打靶一样,不但浪费了大量的人力、物力和财力,而且打中的可能很小。为此,我最近发表的题为《细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说》的论文(阅读全文可到知网去下载),就是想找出导致海夫利克极限的原因,以便开发出突破海夫利克极限的方法,让衰老的细胞返老还童和永生化,用于治疗各种疾病和大幅度延长人类的寿命。

HeLa细胞是一种宫颈癌细胞,自1951年到现在已经分裂了近2万次,没有发现一点衰老的迹象。那么,癌细胞为什么不受海夫利克极限的限制?

人们通常认为,癌细胞之所以会长生不老,是因为端粒酶活性很高,能保持较长的端粒。然而,事实上恰恰相反,大部分的癌细胞的端粒的长度比正常细胞还短。例如,1997年,Murakami检测了41例卵巢肿瘤细胞中的端粒长度及端粒酶活性,结果显示,正常卵巢细胞中的端粒长度为8-13kb,而在恶性卵巢肿瘤中小于8kb[2];Urabe等人检测了正常肝脏13例和肝癌24例的肝细胞的平均端粒长度,结果显示,正常肝细胞端粒长度为7.8±0.2kb,肝癌细胞端粒长度为5.2±0.2kb[3]。

不同的癌细胞,端粒与端粒酶可以分为3个组合:(1)端粒酶活性很高,端粒很长;(2)端粒酶活性很高,端粒很短;(3)无端粒酶活性,端粒很长。但共同特点是,无论癌细胞的端粒长短,端粒酶活性高低,它们都能长生不老,无限分裂。

综上所述提示,癌细胞永生不死可能与端粒或/和端粒酶无关。

由于癌细胞有一半是P53基因突变而导致p53蛋白丧失了活性,剩下的一半有的是因为病毒感染产生的病毒蛋白与p53蛋白结合而导致p53蛋白丧失了活性,或某个抑癌基因失活而导致p53蛋白丧失了活性。而且持续抑制p53会使成纤维细胞无限增殖[4];敲除p53基因可使肝细胞无限增殖[5]。提示,p53才是控制细胞衰老的主控因子。

细胞衰老过程的表现,主要是总蛋白质和ATP的合成速率的逐渐下降,从而导致细胞的各种生化和生理功能的逐渐衰退。而p53蛋白的数量和活性会随着细胞的衰老而上升,这是导致细胞衰老过程,总蛋白质和ATP的合成速率的逐渐下降的主要原因。因为p53蛋白会抑制细胞核组蛋白乙酰化和线粒体活性,从而抑制基因转录、蛋白质合成和线粒体产生ATP。

但是,p53基因的拷贝数在不同衰老程度的细胞中都是一样的,那么,是什么装置让p53蛋白的数量和活性随着细胞的衰老而上升的?

P53会与端粒结合而存储在端粒上[6]。由于P53自身具有较短的半衰期和其它方式在端粒上降解P53,因此,端粒会不断的结合和降解掉细胞中的P53,端粒越长,细胞中的P53浓度和活性就会越低,细胞就越年轻。相反,端粒越短,细胞中的P53浓度和活性就会越高,细胞就越衰老。

造血干细胞(HSCs)、神经干细胞(NSCs)、毛囊干细胞(hfSCs)和生殖干细胞(GSCs)都有较高的端粒酶活性,但端粒照样会随着年龄的增长而缩短(Ferrón等人,2009年; Flores等人,2008年)。而且端粒酶活性越高,端粒缩短越快,例如,中国人每年端粒平均缩短是35bp,而遗传性贫血端粒酶活性比正常人高4.8倍,端粒每年缩短247bp。为什么成体干细胞含有端粒酶,端粒还是会照样缩短?而且端粒酶活性越高,端粒缩短越快?

原来,通过激活细胞自身基因组中的端粒酶基因表达时,会呈正相关地激活一些会抑制端粒延长的基因的表达,从而抑制端粒酶延长端粒的作用。例如,端粒结合蛋白TRF1会阻止端粒酶靠近端粒,很多高端粒酶活性的肿瘤细胞的端粒特别短,就是因为TRF1也跟着端粒酶一起高表达。对实体肿瘤组织进行免疫印迹实验,发现TRF1表达与肿瘤组织中端粒酶活性呈正相关[7]。

既然激活细胞自身基因组中的端粒酶基因表达,会引起抑制端粒酶延长端粒的基因呈正相关的表达,那么,我们是不是可以用病毒携带端粒酶基因来转染细胞,在不惊动基因组中的端粒酶基因的同时,给细胞额外的端粒酶基因让端粒延长?实验发现真的可行,靠病毒携带端粒酶基因来转染细胞,能够迅速延长端粒。

但别高兴太早,Bodnar 等人将人端拉酶催化亚单位cDNA转染人视网膜色素上皮细胞或成纤维细胞后,衰老速率减慢,但体外倍增代数只延长了约20代。所以,人类体细胞引入端粒酶似能“延年益寿”,但不能使细胞长生不老。Kiyone等报道,使人上皮细胞永生化,既要引入端粒酶,还要使Rb和p16INK4等抑癌基因失活。可见有端粒酶活性只是人类体细胞长生不老的条件之一,如使其永生化,还应辅以其他条件[8];斯坦福大学的约翰·拉穆纳斯等人,将经过化学修饰的人的端粒酶mRNA递送到细胞瞬间延长端粒,即使多次延伸端粒,端粒长度保持恒定,但皮肤成纤维细胞也只能多分裂28次,成肌细胞只能多分裂3.4,然后就永久停止分裂并发生死亡[9] 。提示,单单延长端粒并不能突破海夫利克极限。

既然端粒不是决定细胞衰老的全部,那么,是不是除了端粒之外,还有另一种能够结合和降解P53的重复DNA与端粒一起共同控制细胞的P53水平?而且这种重复DNA会象端粒一样拷贝数会不断减少?找了找还真的找到了:P53主要集中在核仁区,而且核糖体重复基因拷贝数也会逐渐减少。已观察到人类的骨髓间充质干细胞的端粒和核糖体的DNA拷贝数都会随着细胞传代次数的增加而减少[10]。据此,按照《细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说》推测:端拉酶催化亚单位cDNA转染细胞延长端粒或经过化学修饰的人的端粒酶mRNA递送到细胞瞬间延长端粒的细胞,在增加N次分裂后虽然端粒还很长但细胞不再分裂的原因,可能是因为核糖体重复基因拷贝数已减少了。因此,只要把端粒和核糖体基因拷贝数都补充到一定水平,细胞就能返老还童和突破海夫利克极限!

原创:黄必录

【参考文献】

[1] Hayflick L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains[J].Exp Cell Re,1965,37:614-636.

[2] 徐耀红.端粒、端粒酶与衰老和肿瘤[J].国外医学.老年医学分册,1999,20(3):127-130.

[3] Urabe Y. Nouso K, Higashu T, et al. Telomere length in luruanliver diseases[J]. Liver, 1996, 16(5): 293-297.

[4] Aksoy O, Chicas A, Zeng T, et al. The atypical E2F family member E2F7 couples the p53 and RB pathways during cellular senescence[J]. Genes Dev, 2012, 26(14):1546–1557.

[5] 马 迪, 严信祺, 彭承宏. 肝细胞永生化研究进展[J]. 组织工程与重建外科杂志, 2012, 8(1):46–48.

[6] 李 玲, 张 波, 邹万忠, 等. P53与端粒重复序列结合蛋白质1的体外相互作用[J].北京大学学报(医学版), 2004, 36(5):510–513.

[7] 黄 河.端粒调节蛋白水平与肿瘤相关[N].健康报,2000年5月11日.

[8] 童坦君,张宗玉.端粒酶的医学应用前景与局限性[J],中华医学杂志,2003,80(3):170-171.

[9] 约翰·拉穆纳斯,爱德华·雅库博夫, 海伦·M·布劳, 等. 与端粒延伸相关的化合物、组合物、方法和试剂盒:美国,201480021010.1, 2015[P]. 2015-12-16.

[10] Ren R, Deng L,Xue Y,et al.Visualization of aging-associated chromatin alterations with an engineered TALE system. Cell Research ,2017,27:483–504.

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