端粒长短能否预测人的寿命？ 李福洋 今年 5 月初，美国《新科学家》（ New Scientist ）以“端粒诺贝尔奖得主兜售生物年龄检测”为题做了一篇报道，介绍了伊莉莎白 · 布莱克伯恩（ Elizabeth Blackburn ）的“商业计划”。这位 2009 年度的诺贝尔奖获得者、美国加州大学 San Fancisco 分校的教授，作为发起人，在美国加州成立了一家名为“端粒健康”（ Telomere Health ）的公司，起先主要是为各类端粒研究提供检测分析服务；她计划在 2011 年底开展面向公众个人的端粒长度检测分析服务，为个人的健康状况的评估和预测提供参考。这个报道并没有引起多大的波澜。紧接着，西班牙一家名为“生命长度”（ Life Length ）的公司也宣称将于下半年在英国开展类似的这项技术服务，并将其商业化；为了引起公众的注意，该公司有意给这项检测分析起了个耸人听闻的名称“死期检测”（ death test ）；该公司声称：“这项检测不仅告诉你的健康状况，还将将告诉你还能活多久 ” ，并且煞有其事地标出了具体的价码：每人份 435 英镑（折合 700 美元，人民币 4515 元 ) 。西班牙这家公司颇富争议的商业宣传顿时吸引了广泛的注意，至少有 40 多家媒体跟进报道【 2 】。这项端粒长度检测一时成为一个公众热点话题，各种声音不绝于耳，有支持的，有担忧的，也有一些自科学界的批评，其中包括 2009 年诺贝尔奖共同获得者卡萝 · 格蕾德（ Carol Greider ）的严厉批评。 那么，什么是端粒？端粒长度分析究竟是一种什么样的检测？是否真的如商家所宣称的可以预测健康与疾病，还预知寿命？ 一、什么是端粒？ 人体由各种各样的细胞组成，在这些细胞的中央有个细胞核，里存放着我们的所有遗传信息的原始备份 -DNA ，我们的基因以密码的形式储存在这些 DNA 中。 DNA 就像很长的两股细绳，为了保证在细胞核这个狭小的空间能够放得下， DNA 这根“绳子”得需要像螺线管一样缠绕，最后形成相对粗短的染色体。可是“绳头”（染色体末端）该怎么办呢？不用担心，细胞以一种特殊的方式来结构来固定和保护染色体的末端，那就是端粒 (telomere) 。 如果把染色体比作鞋带，那么端粒就像是鞋带两头的“塑料头”，保护染色体结构的完整性，避免各种因素的损害。 染色体末端这个小小的“塑料头”，究竟是怎样的结构和组成？作用是什么？跟人的健康和寿命有着什么样的关系？让我们从头说起。 二、 DNA 复制的“末端问题” 上个世纪 70 年代，当生命的遗传物质的分子本质被揭示，遗传信息的传递和流动机制已被阐明，当时苏联理论学家阿历克谢 · 奥洛夫尼科夫（ Alexei Olovnikov ）提出了一个“染色体末端问题”。 我们知道，遗传物质 DNA 的复制就是以原有 DNA 作为模板合成出新的一摸一样的 DNA ；由于 DNA 的复制合成是有方向性的，是“单行”的，而且合成起始处必须有一小段大约 20 个核苷酸的“引物”作为导引，在合成完之后，这段引物要被切掉，然后由更前方新合成的 DNA 链继续作为“引物”引导 DNA 合成，把空缺补上。但是，染色体末端的 DNA 复制就遇上一个严重的问题：这段 DNA 自己就已经是最前端了，不会再有更前端的 DNA 合成机制来填补“引物”被清除之后留下的空缺，因此新合成的 DNA 就会少一截，这样 DNA 每复制一次， DNA 末端就会损失 20-30 个核苷酸。 为了便于理解，这里打个比方。假设工人驾驶铺路车铺设铁路，只能往一个方向铺，不能回头，开始的一小段铁轨还需要人工铺设，以供铺路车行驶使用，但这段临时架设的铁轨最终还得（由其它专门人员）拆除，由然后上游路段的铺路车经过时顺便补上。但是，如果所在路段就是铁路的起始端，就不可能有路过的铺路车，那岂不是起始临时铁轨被拆除后就没法再铺上了？ 如果细胞每分裂一次（ DNA 复制一次）， DNA 末端就要减少 20-30 个核苷酸，那么细胞的 DNA 必将随着分裂越来越短，以至于最后完全丢失殆尽，基因逐渐丢失，生命将无法延续。实际情形显然不是这样的，所有生物个体即便经过了无数代的繁殖，细胞也都经历了无数次的分裂，但是其后代 DNA 长度仍然是相对稳定的，这说明细胞以某种方式解决了这个问题。可是，细胞究竟是采取什么策略避免了染色体末端 DNA 的磨损的呢？这就是分子生物学史上著名的“ DNA 末端问题”；这个问题困扰着着当时的分子生物学家和遗传学家，同时也吸引了他们去探索究竟。 三、端粒 DNA 的发现 1975-1977 年，还在做博士后的伊莉莎白 · 布莱克伯恩发现了端粒的结构。在随后的 30 多年时间里，布莱克伯恩一直致力于端粒的研究，在她和学生、以及同事的合作努力下，逐渐搞清楚了端粒的结构和复制的原理，并从一个新的角度揭开了衰老和癌症发生的奥秘。这项研究和发现在 2009 年被授予生理学和医学诺贝尔奖，布莱克伯恩和卡萝 · 格蕾德以及杰克 · 索斯达科（ Jack Szostak ）共同分享了这一殊荣。 端粒 DNA 的组成十分特殊，是很多个简单序列的多次重复。我们知道，组成 DNA 庞大密码语言的基本“字母”就四种 A 、 G 、 C 、 T ，但是靠不同的顺序组合却可以形成无限复杂多样的遗传信息。然而，端粒 DNA 却像是“车轱辘话”，就一句由 6 个字母组成的、看似毫无意义的话“ TTAGGG ”被翻来覆去重复几百上千遍，对应另外一条互补链就是“ CCCTAA ”，相同的重复。有意思的是，脊椎动物和一些高等植物都共用这样的重复序列作为端粒 DNA 组成。 但是，端粒特殊 DNA 构成还不能告诉我们 “末端磨损问题”是怎么解决的。 1978 年布莱克伯恩离开耶鲁，在加州大学三藩市分校拥有了自己独立的实验室，并继续探索这个问题。后来，有卡萝 · 格蕾德作为博士研究生加入这项研究，她们共同协作努力初步揭示了这个奥秘。原来，细胞内有一种端粒酶，这种酶本质上是一种反转录酶，它可以拿 RNA 作为模板合成 DNA ，并加到染色体 DNA 的末端。端粒的组成中就有一些小的 RNA ，就是作为合成 DNA 的模板用的。端粒酶最后将合成的 TTAGGG 这样很小的 DNA 加到染色体末端。现在我们应该明白了吧，端粒 DNA 为什么总是千百次地重复“ TTAGGG ”这一句话，原来是端粒酶不停地一个个加上去的。 其实，并非所有的细胞内都有端粒酶。端粒酶主要在生殖细胞和一些干细胞（ stem cell ））内才表达，而在绝大部分体细胞内却检测不到端粒酶的活性。这就是说，体细胞内的染色体在复制过程中还是难以避免末端的磨损。但是，染色体末端加上长长的端粒 DNA ，它可以用自己的 “磨损”来保护染色体主体 DNA 的完整，同时，必要时又可以通过端粒酶把磨损的部分再补上去；这样一来，生物体的 DNA 一代代传递， 最后依然能够基本保持的完整。 端粒 DNA 和端粒酶的发现完美地回答了染色体的“末端问题”。 探索的脚步并没有就此停下来，越来越多的科学家加入研究，揭示了更多令人吃惊的秘密。 四、端粒的结构和功能 端粒不仅仅只有端粒 DNA ，还有结合在 DNA 上一些专门蛋白、甚至一些小的 RNA 共同的形成特殊结构，像鞋带的塑料头，保护染色体 DNA 不至于被降解。 研究发现，端粒结构的完整性对细胞的存活十分重要。决定这个结构的完整性的主要是两方面的因素，一是端粒 DNA 本身的完整性，另外，就是哪些结合在端粒 DNA 上的蛋白成份，它们之间的关系是相互依赖、缺一不可。 如果端粒结构被破坏（比如结合端粒 DNA 的蛋白出现问题了，或者是端粒 DNA 由于磨损缩短到一定程度导致那些蛋白无处结合），那么就会造成染色体末端 DNA “断茬”暴露出来，细胞会认为这是是染色体受到断裂损伤。两条链完全断开是一种极其严重的损伤，细胞的第一反应往往是让分裂进程完全停止下来，对短端实施抢修；然而由于染色体末端的这种“断裂”极其难修，绝大多数情况下细胞会放弃修复，并启动死亡预案，让细胞走向衰老和死亡。偶尔，恰巧有两个以上的染色体末端都暴露了，总是有那么很少数的细胞会耍个小聪明，把两个失去端粒的染色体断端接上，专业上叫染色体末端融合，从表面上看似乎没有 “断茬”了，细胞还可以继续存活或生长、分裂，但是这一“小聪明”却给细胞带来很多额外的麻烦和问题，更糟糕的是，还为后来的细胞癌变埋下伏笔【 1 】。 在决定端粒结构的完整性的因素中，端粒 DNA 的长度是个动态可变因素，会随着细胞分裂缩短，也会受到环境损伤因素的影响。 五、端粒 DNA 长度与细胞衰老 研究发现，如果把细胞放在外界（培养皿）里培养，体细胞的生长分裂次数是有极限的；细胞每分裂一次，端粒长度就会缩短一截；当到端粒 DNA 的长度缩短到一定程度时，细胞就开始走向衰老和死亡。 肿瘤细胞属于“长生不死”细胞；研究发现很多肿瘤细胞的端粒酶活性很高，因此肿瘤细胞的端粒 DNA 不仅不缩短，还比正常细胞长。另外，如果人为地让正常细胞也表达端粒酶，也可以让细胞变得“永生”。这些充分地说明，端粒的长度可以决定细胞的“生命长度”。 关于端粒长度在细胞癌变中的作用，目前认为在癌细胞发生的早期端粒 DNA 是缩短的，以至于导致端粒完整性被破坏，从而导致整个基因组不稳定，各种性质的突变增加，促进细胞癌变；而端粒酶表达与端粒变长则是后期突变的产物【 1 】。 可是对整个人体而言，情形又是怎样的呢？人体的衰老和寿命是否与端粒 DNA 长度有关呢？ 六． 人端粒 DNA 长度的检测与解读 首先大致介绍一下端粒 DNA 长度的检测分析方法。目前有三种方法检测端粒 DNA 的长度。一种是比较经典的方法，就是利用 DNA 的“分子剪刀” - 限制性内切酶把端粒 DNA 从染色体 DNA 上切下来，通过分子生物学手段进行“直接测量”；这个方法直观、可信度高，但需要的样品量较大（抽较多的血），费时费力，测量的准确性受技术水平的影响比较大，因此还主要限于实验室研究使用，不适合大规模检测。还有两种方法都是通过“数”端粒 DNA 重复序列的重复次数来间接算出端粒 DNA 的长度。端粒 DNA 是由 TTAGGG 重复来重复去组成的，我们只要能数清它到底重复了多少次就可以算出它的总共长度了。其中一种叫做定量荧光原位杂交法（ Q-FISH ），另外一种是实时定量 PCR 法；这两种方法各有千秋，都对样品的需要量很小，因此适于进行大规模批量检测。 人体由各种不同的组织细胞组成，那么人体端粒 DNA 长度指的究竟是什么？是那种具体组织细胞的呢，还是以某种组织代表全身各种组织全体？现在我们知道，是后一种情况。大量的研究表明，人的不同组织细胞端粒 DNA 长度虽然存在一些差异，但是整体变化趋势是基本一致的，其中外周血中的白细胞能够很好地反映（代表）人体各种组织整体的端粒的平均长度和变化趋势【 2 】。由于血样检测取样最容易、可行性最好，因此血样端粒 DNA 分析是目前普遍采用的分析方式。 有一点需要强调：体内白细胞的状态是很不均一的，有些是年轻、还未分裂过的，有些则是频临衰老的，因此是一个各种阶段都有的混杂群体，端粒 DNA 长度相差很大，所以检测出来的长度是经过特殊处理和计算出来的一个值，反映的是细胞群体端粒 DNA 长度的 均 值 。 七、人端粒 DNA 的长度与年龄的关系 一个人最起始端粒 DNA 的长度从他（她）还是在子宫里时就决定了。不同的人之间的端粒 DNA 长度差异还是比较大的，最长可达到 2 万个碱基对，最短可以 3000 个碱基对。 从整体趋势上讲，端粒 DNA 长度和人的年龄确实存在密切的关系。比如，老年人群的端粒 DNA 整体上要比年轻人的短；长寿人群的 DNA 要比短寿人群长；每一个具体的个人，其端粒 DNA 都会随着年龄的增长而磨损缩短，一般每年 50-100 碱基对的速度进行，但是，这种变化关系并非完全同步，比如，人在刚出生的 5 年内，端粒 DNA 的磨损速度最快，可以是正常速度的 4 倍，但是随后逐步减慢并相对稳定下来，到了 60 岁以后就变化更慢了。此外，端粒 DNA 的磨损速度还受到一些环境因素的影响，比如长期慢性的紧张和压力，还有一些引起 DNA 损伤的因素，如氧化应激、射线，甚至吸烟等【 3,4 】。 基于这些观察和研究获得的认识，人们提出或“生物年龄”的概念，认为端粒 DNA 长度可能是一个“生物学标志”（ biomarker ）反映一个人真实的衰老进程。更有人大胆地提出，端粒 DNA 可能是一个“生物时钟”以倒计时的方式在计算着人的寿命。但是，这些概念目前还只是停留在“假说”层面，尚缺乏充分的证据支持，甚至存在一些争议。很多来自不同研究人员的研究结果呈现明显的不一致，有些甚至结果完全相反。 人体的体细胞虽然有寿命，但是这些体细胞都在不停地死亡与更新，体细胞的衰老寿命并不一定能代表一个整体人的寿命，比如，一些来自动物的研究， 八．端粒 DNA 长度分析真能预测寿命吗？ 2003 年，犹他大学的理查德 · 考松（ Richard Cawthon ）率先建立了一种建议快速的检测端粒 DNA 长度的新技术，并用于流行病学研究，分析端粒 DNA 长度与衰老和衰老相关疾病的关系。研究发现，对 60 岁以上的人群，端粒长度与衰老和衰老相关疾病呈现相关性；端粒 DNA 长度缩短人群患心血管疾病死亡风险增加 3 倍多，患肺炎死亡的风险增加 8 倍以上。这一重要发现发表在 2003 年的国际权威性医学期刊《柳叶刀》【 5 】。这一研究结果引起广泛重视，后来有很多世界各国其它研究人员的跟进研究，但是在端粒长度与寿命（“生命长度”）以及衰老相关疾病发生之间的关系，存在明显分歧【 6-8 】。 作为流行病学研究，除了严格的设计和条件控制分组，调查人群的数量也是一个重要的因素，数量越大，其可靠性相对越好。就拿理查德 · 考松来说， 2003 年那项研究的调查样本量总共 143 名，似乎显得不足；而 6 年后，他们增大了调查样本数量（被调差人数达 3075 人），结果显示，端粒长度和癌症、心血管病和感染性疾病没有任何关系，但被研究对象自身感觉有些关系【 9 】，这其实也是否定了他 6 年前发表在《柳叶刀》上的研究结论。可以说，由这次的样本数量得出的结果与他 6 年前 143 人的调差对象得出的结论相比，可信度肯定要高得多。 总之，端粒 DNA 长度与年龄和衰老有密切的关系，可以作为一个“生物学标志”反映人体的衰老情况，但是现在没有任何直接的证据表明端粒长度与人体的衰老存在必然的因果关系。衰老，是一个受到多因素影响的过程，氧化应激或损伤，以及蛋白的糖化作用等，都是重要因素，而端粒 DNA 长度可能只是其中一种因素和指标，目前还没有研究数据能告诉我们，端粒长度对人整体衰老过程的影响究竟有多重要。 人体的体细胞虽然有寿命，但是这些体细胞都在不停地衰老、死亡与更新，这些体细胞的衰老或寿命并不一定能代表一个人的寿命。 由此看来，通过端粒 DNA 长度来预测人体的预期寿命，至少现在还是缺乏充分的科学依据的；那种声称依据端粒长度来 DNA 预测一个人“还能活多久”的说法更是一种耸人听闻的商业宣传。就像头发变白是人衰老的一个标志，白得越多，往往越显得老；可是，如果反过来，通过头发变白来预测一个人的寿命 ( 能活多久 ) ，您会觉得靠谱吗？ 另外，关于检测价格也很有意思。美国休斯顿的一家叫 Spectracell 公司已经在提供这类服务，他们宣称的价格是 290 美元，布莱克伯恩的“端粒健康”公司宣称的价格是 200 美元以下，而这个西班牙的“生命长度”公司却开价 400 欧元（相当于 700 美元）。难怪卡萝 · 格蕾德评价这家西班牙公司“只是为了牟利”；该公司的所有者和这项检测技术发明人玛利亚 · 布拉斯科（ Maria Blasco ）是从格蕾德教授实验室毕业的学生，曾邀请格蕾德教授做该公司顾问（一般顾问费是每年 3~5 万美元），但遭到格蕾德教授拒绝【 10 】。 九、端粒 DNA 长度检测带来伦理问题？ 对待端粒 DNA 长度检测问题上，大家不免担忧，认为“端粒 DNA 检测打开了潘多拉盒子”，将带来很多伦理问题。我认为，这种担忧的前提是：端粒 DNA 检测确实可以预测人的“生命长度”；而实际上，由于端粒 DNA 长度与人的寿命之间的关系还没有确定的结论，更缺乏确定的对应关系，因此这项检测本身并不能给人们真实地提供太多确定的信息，所以也无所谓打开“潘多拉盒子”，那些所谓的伦理问题其实还都是伪问题。这种检测带来一些负面的影响是会有的的，如给被检测对象带来不必要的紧张和压力，同时为伪保健药商提供了牟取暴利的商机，以及医疗健康保险公司也会由此调整政策或抬价 … 等等，那要归结于商家和利益相关部分科学家的误导性宣传和公众的对这项检测作用的误解所引起的；其实单独一个端粒 DNA 检测还不能揭示什么，至少目前还无法打开“潘多拉盒子”，也就根本谈不上释放出什么要命的“魔鬼”。 P.S. 这是篇命题作文，于5月24日写成。5月28日，Nature也以“ Spit test offers guide to health ”专题对这件事进行追踪报道，并采访了Nobel laureate Elizabeth Blackburn本人，她说： “ Telomeres may not predict how long we'll live, but they can still revolutionise medicine ” . (转载请注明出处，本文引用地址 http://blog.sciencenet.cn/u/GumpForrest ） 部分参考文献 1. Hanahan D and Weinberg RA, Hallmarks of Cancer: The Next Generation. Cell, 2011, March 4. 144(5): p. 646-674. 2. Gramatges MG, et al . Measuring relative telomere length: Is tissue an issue? AGING, November 2010, Vol 2 N 11, 756-757. 3. Epel ES, et al . Accelerated telomere shortening in response to life stress. 17312–17315 PNAS 2004 4. Wolkowitz OM, et al . Leukocyte Telomere Length in Major Depression: Correlations with Chronicity, Inflammation and Oxidative Stress - Preliminary Findings. Plos One, 2011,6(3)1-10. 5. Cawthon RM , et al . Association between telomere length in blood and mortality in people aged 60 years or older .Lancet . 2003 ; 361 : 393 – 395 . 6. Njajou OT, et al . Telomere length is paternally inherited and is associated with parental lifespan . Proc Natl Acad Sci USA . 2007 ; 104 : 12135 – 12139 . 7. Bischoff C, et al . No association between telomere length and survival among the elderly and oldest old . Epidemiology . 2006 ; 17 : 190 – 194 . 8. Martin-Ruiz CM, et al . Telomere length in white blood cells is not associated with morbidity or mortality in the oldest old: a population-based study . Aging Cell . 2005 ; 4 : 287 – 290 . 9. Njajou OT, et al . Association Between Telomere Length, Specifi c Causes of Death, and Years of Healthy Life in Health, Aging, and Body Composition, a Population-Based Cohort Study. Journal of Gerontology: BIOLOGICAL SCIENCES, 2009,1-5. 10. Experts: 700 Life Length blood test still short on science - BostonHerald.com
DNA 末端长度刻录童年不幸? 李福洋 最新一期 Science 上发了一篇述评，以“ stress 缩短儿童的端粒长度”为题，评论即将发表的一项工作【 1 】。 ( 这个 stress 很难翻译啊，找不到一个合适的对应词，紧张？压力？应激？ ) 这是一项以罗马尼亚孤儿的作为研究对象的长期研究。该研究集中在 136 名 6-30 个月大的孤儿（在孤儿院），这些孩子有些后来被陆续收养。其中一项研究内容是分析孩子们的端粒 DNA 长度变化与孤儿院经历的关系。在孩子 6-10 岁时，获得他们的 DNA ，进行端粒长度检测分析，结果发现，孩童时期的孤儿院不幸经历令孩子们的端粒 DNA 长度普遍缩短，而且这种孤儿院生活时间越长，似乎影响越明显【 2 】。 什么是端粒？ DNA 就像很长的两股细绳，为了保证在细胞核这个狭小的空间能够放得下， DNA 这根“绳子”得需要像螺线管一样缠绕，最后形成相对粗短的染色体；染色体末端部分由一小段特殊组成的 DNA ，被特定的一些蛋白结合，形成结合的独特结构，叫端粒。如果把染色体比作鞋带，那么端粒就像是鞋带两头的“塑料头”，用来保护染色体结构的完整性，避免各种因素的损害。 端粒 DNA 的组成十分特殊，是很多个简单序列的多次重复。我们知道，组成 DNA 庞大密码语言的基本“字母”就四种 A 、 G 、 C 、 T ，但是靠不同的顺序组合却可以形成无限复杂多样的遗传信息。然而，端粒 DNA 却像是“车轱辘话”，就一句由 6 个字母组成的、看似毫无意义的话“ TTAGGG ”被翻来覆去重复几百上千遍，对应另外一条互补链就是“ CCCTAA ”，相同的重复。有意思的是，脊椎动物和一些高等植物都共用这样的重复序列作为端粒 DNA 组成。 端粒结构的完整性对细胞的存活十分重要。决定这个结构的完整性的主要是两方面的因素，一是端粒 DNA 本身的完整性，另外，就是哪些结合在端粒 DNA 上的蛋白成份，它们之间的关系是相互依赖、缺一不可。 端粒ＤＮＡ缩短能告诉我们什么？ 端粒 DNA 长度和人整体衰老的关系，总的趋势是随着年龄的增长、衰老进行，端粒 DNA 长度也在相应缩短；另外， 成人端粒 DNA 长度与各种疾病的关系，已经有大量的流行病学调查研究显示出相关性；端粒长度似乎可以作为反映成年或老年人的健康状态的一个生物学标志，将来或许可以用于预测疾病风险。 早有研究发现，（成人）长期慢性的紧张和压力可以影响端粒长度缩短的速度【 3 ， 4 】，而健康的生活方式可以缓解这种变化。 儿童的不幸经历对他们心理健康有显著的影响，相信大家是认可的，但对他们的生理健康是否也有影响呢？从影响端粒长度这一点看，可能性还是有的。 明天是 6.1 国际儿童节，这几天，学校和幼儿园已经满是喜庆的气氛，陆续开始提前庆祝了。这几天孩子们都应该是快乐的，至少让他们有个快乐的形式。 快乐总是短暂，压力和苦恼却不得不时时面对。孩子们过早的压力会不会销蚀和透支他们的健康和生命？他们的端粒DNA变化速度是否会受到影响？这是个有趣，或许也有意义的课题，不知谁感兴趣？ 1. http://www.nature.com/news/2011/110517/full/news.2011.298.html 2. Drury, S. S. et al. Mol. Psychiatr. advance online publication doi:10.1038/mp.2011.53 (2011). 3. Epel ES, et al . Accelerated telomere shortening in response to life stress. 17312–17315 PNAS 2004 4. Wolkowitz OM, et al . Leukocyte Telomere Length in Major Depression: Correlations with Chronicity, Inflammation and Oxidative Stress - Preliminary Findings. Plos One, 2011,6(3)1-10. mp201153a.pdf
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