防止衰老 细胞竟有一套精准端粒修复机制

端粒是染色体末端的DNA重复序列,像鞋带末端的塑料头保护鞋带不会散开一样,端粒的作用是保护染色体的完整性。随着细胞的不断分裂,端粒会逐渐缩短,对染色体的保护作用也会随之下降。如果端粒变得过短,这意味着细胞的遗传物质将变得不稳定,这时细胞分裂将会停止。端粒缩短和细胞分裂减少被认为是细胞衰老的典型特征。端粒如果由于意外事件在年轻细胞中被切短,细胞就需要对这些端粒进行修复和延长,防止细胞过早衰老。

▲端粒的长短可影响细胞衰老(图片来源:Stanford Medicine)

在干细胞和生殖细胞等几种需要持续分裂的细胞中,一种叫做端粒酶的蛋白质算是生命演化过程中的“续命高手”。它们可以在端粒末端添加DNA重复序列,使端粒变长,延缓端粒缩短的过程。但这些端粒酶并非在所有的细胞里都起作用。在已分化的体细胞中,过短的端粒则会触发细胞的DNA损伤修复机制,通过同源定向修复来延长意外受损的端粒。那么细胞是如何识别出那些过短的端粒,并且只修复这些过短的端粒呢?德国分子生物学研究所 (Institute of Molecular Biology, IMB) 和美因茨约翰内斯·古腾堡大学 (Johannes Gutenberg University Mainz, JGU) 的研究人员通过研究,发现了细胞识别和修复过短端粒的机理。这个发现发表在了顶尖学术期刊《细胞》上。

▲该研究的主要负责人Brian Luke教授(图片来源:Twitter)

研究人员的研究焦点是一种称为TERRA (telomeric repeat-containing RNA)的含有端粒重复序列的非编码RNA。这些非编码RNA是由端粒DNA序列转录生成,它们可以与端粒的DNA序列生成称为R-loops的RNA-DNA杂交结构。

为了检验TERRA是否会聚集在过短的端粒周围,研究人员设计出一种没有端粒酶的酵母,并且让它们持续分裂60次。这些分裂过60次后的酵母细胞含有很短的端粒。研究人员发现,这些含有很短端粒的酵母细胞中TERRA的水平和R-loops出现的机率与野生型酵母相比显著升高。通过用GFP标记TERRA和mCherry标记端粒区,研究人员直接观察到在含有过短端粒的酵母细胞中,TERRA与端粒区的结合频率是野生型酵母的2倍。

为了确认过短的端粒是导致TERRA和R-loops水平增加的原因,研究人员将翻转酶(flippase)的识别序列插入到6R号端粒序列中,当翻转酶被引入到细胞中时,6R号端粒将被人为缩短到只有120个碱基对,而对照组的6R端粒仍然长达200~300个碱基对。研究人员发现,TERRA和R-loops的水平在被缩短的6R端粒处显著增加,而且在同一细胞内其它正常长度的端粒周围,TERRA和R-loops的水平并没有提高。这个结果表明TERRA和R-loops水平的积累是端粒长度过短导致的特异性结果。

与此同时,研究人员观察到了一个很有意思的现象——如果通过在酵母细胞中过度表达核糖核酸酶H1(RNaseH1),以消除R-loops在端粒区的积累,那么携带过短6R号端粒的酵母细胞将比对照组更迅速地进入衰老期。这说明,TERRA和R-loops在过短端粒区的积累,能起到防止细胞衰老的作用

▲端粒的长度,受到了一个精准系统的调控(图片来源:《细胞》)

那么,是什么原因导致TERRA和R-loops不在正常长度的端粒区积累呢?研究表明,核糖核酸酶H2的催化亚基Rnh201能够与端粒相关蛋白Rif2相结合。通过染色质免疫沉淀 (chromatin immunoprecipitation, ChIP) 实验,研究人员发现处于S期的酵母细胞随着S期的进程会在端粒区积累Rnh201。而且如果在细胞中敲除Rif2蛋白,则在端粒区Rnh201的积累不会出现。这意味着Rif2蛋白会募集核糖核酸酶H2到正常长度的端粒附近。因为核糖核酸酶H2的作用是降解R-loops,所以这会导致在正常长度的端粒周围不会出现R-loops的积累。

综合这些实验结果,研究人员提出以下细胞调控端粒修复的模型。在正常长度的端粒区有足够的Rif2蛋白能够募集Rnh201消除TERRA与端粒DNA形成的R-loops。随着端粒长度的缩短,Rif2蛋白从端粒区解离,Rnh201不再被募集到端粒区,从而导致R-loops在端粒区的积累。R-loops在端粒区的积累会引发DDR机制被激活,导致细胞通过HDR延长过短的端粒,防止细胞过早衰老。

“虽然我们已经知道端粒的长度在决定细胞衰老的发生方面有着关键的作用,但是以前我们并不真正理解端粒的那些特征是重要的。这项研究发现TERRA介导着一个精密的调控系统,它能够解释细胞如何发现那些过短的端粒。”JGU的发育生物学和神经生物学研究所的Brian Luke教授说。

▲这项研究的图示(图片来源:《细胞》)

未来,研究人员有望通过调控这一精密的系统,来达到让细胞延缓衰老的效果。如果掌握了这一方法,人类无疑就掌握了长寿之门的钥匙。我们期待这一天的到来!

参考资料:

[1] New insight into how telomeres protect cells from premature senescence

[2] Telomere Length Determines TERRA and R-Loop Regulation through the Cell Cycle


文章来自:学术经纬

#端粒 #长寿 #基因

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