端粒是位於真核生物染色體末端的核蛋白結構。它們由串聯重複的TTAGGG DNA序列組成，這種序列被稱為shelterin的六蛋白複合物所結合。端粒對於DNA修復活性和保護染色體末端免受DNA降解至關重要，它們在染色體穩定性中起著重要作用。由於所謂的“末端複製問題（end replication problem）”，端粒隨著細胞的每一次分裂而縮短。
人類基因組，圖片來自Wikipedia。
端粒酶是一種核糖核酸蛋白DNA聚合酶，可通過在染色體末端重新添加TTAGGG重複序列來延長端粒，從而補償端粒消減。端粒酶由一個逆轉錄酶催化亞基（稱為TERT）和相關的RNA組分（Terc）組成，其中Terc用作合成TTAGGG重複序列的模板。在成年有機體中，端粒酶活性僅限於成體幹細胞區室，不過，在這些區室中，不論是在人類中，還是在小鼠中，端粒酶僅有部分活性，即便在這些成體幹細胞中，端粒酶的表達也不足以在整個有機體的壽命中維持端粒穩態，這也就無法阻止隨著年齡的增長而發生的漸進性端粒縮短（progressive telomere shortening）。
端粒的長度由遺傳決定，端粒的平均長度和端粒縮短的速率在不同物種之間有所不同。在這方面，人類天生具有比小鼠更短的端粒，但是小鼠端粒的縮短速率比人類快100倍。當端粒縮短到極限長度時，它們會誘導持續的DNA損傷反應（DNA damage response）和基因組不穩定性，從而引發其他的細胞事件，比如細胞衰老和/或凋亡，以及削弱幹細胞再生組織的能力。端粒縮短被認為是衰老的特徵之一，這是因為較短的端粒足以引起有機體衰老和壽命縮短。科學家們已發現使用不同的端粒酶過表達方法（包括基因治療策略）來維持成年小鼠中的端粒長度可以延緩衰老和年齡相關病理特徵，並延長它們的壽命。
但是，端粒酶在大多數人類癌症中都被重新激活，這引起了人們對端粒酶重新激活在促進腫瘤發生中的潛在負面長期影響的關注。在這方面，越來越多的證據表明即使在癌基因受到激活的情況下，通過使用非整合型AAV病毒載體使得成年小鼠中的端粒酶重新激活也不會導致癌症的增加。然而，大型人群研究已表明在人類中，更長端粒的存在與肺癌等某些癌症的發病率增加有關。此外，Pot1 shelterin基因發生的導致更長端粒的生殖細胞突變與多種類型的家族性癌症---比如黑色素瘤和神經膠質瘤---有關。儘管在後一種情況下，Pot1突變不僅導致更長的端粒，而且還導致端粒畸變增加，這種端粒畸變增加也可能是導致癌症易感性增加的原因。因此，在端粒酶不被激活或不發生其他端粒變化的情況下，探究較長的端粒本身是否可以促進腫瘤發生具有重要意義。
在小鼠中，西班牙國立癌症研究中心（CNIO）的Maria A. Blasco研究團隊和其他人之前已證實端粒酶在胚泡階段被激活，在該階段，端粒在內細胞團（ICM）中延長，以這種方式設定了給定物種的正常端粒長度。有趣的是，Blasco團隊還發現源自ICM的胚胎幹細胞（ESC）在體外增殖時允許它們的端粒進一步延長而超過這個物種的正常端粒長度，從而產生所謂的超長端粒胚胎幹細胞（hyper-long telomere ESC）。這種端粒的延長與多能性階段的表觀遺傳變化有關，這些表觀遺傳變化允許更“開放”的端粒染色質結構，並且在不存在明顯的基因表達變化的情況下允許端粒酶介導的端粒延伸。近期，Blasco團隊證實這些具有超長端粒的小鼠ESC可以聚合成桑椹胚（morulae），從而獲得嵌合體小鼠，這些嵌合體小鼠也由具有比正常情形下更長端粒的細胞組成。因此，具有超長端粒的ESC能夠產生所有的成年器官，並且不會影響這些器官的正常結構和功能。但是，有必要開展進一步的研究來解決增加一種物種的天然端粒長度的長期影響。
為此，在一項新的研究中，Blasco團隊百分百地利用具有超長端粒的ESC培育出嵌合體小鼠，即超長端粒小鼠（hyper-long telomere mice），隨後在它們的整個生命週期中對它們進行了跟蹤。相關研究結果近期發表在Nature Communications期刊上，論文標題為“Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans”。
這些研究人員發現這些由具有超長端粒的ESC培育出的小鼠在較大年齡時具有比正常情形下更長的端粒，而且未顯示出任何病理異常。相應地，與具有正常端粒長度的對照小鼠相比，在超長端粒小鼠中，隨著年齡的增長，呈現出整體DNA損傷以及端粒縮短誘導的DNA損傷的細胞數量顯著減少。同樣，在超長端粒小鼠中，衰老標誌物p21的水平下降了。
有趣的是，從第40周開始，超長端粒小鼠的體重比對照小鼠減輕了。這些研究人員進一步發現這種體重減小的原因是在瘦體重變化不大的情況下脂肪堆積減少。此外，超長端粒小鼠表現出“年輕”的代謝表型跡象，這表明在它們的一生中，血清中的LDL、ALT和膽固醇水平顯著下降。再者，它們顯示出對葡萄糖和胰島素攝入的敏感性增加，即使在年老時也是如此，因此這就表明相比於具有正常端粒長度的對照組小鼠，超長端粒小鼠具有“更年輕”的代謝年齡。
先前的報道已表明線粒體功能下降與端粒功能障礙有關。與這些先前的發現相一致的是，Blasco團隊的當前數據表明具有超長端粒的小鼠具有改善的線粒體功能。特別是，他們發現在超長端粒小鼠中，Pgc1-α/β以及其靶基因Errα和Pparα的表達增加了。此外，與具有正常端粒長度的對照組小鼠相比，超長端粒小鼠還顯示出增加的線粒體DNA拷貝數和增加的OXPHOS線粒體基因細胞色素C、ATP合酶、細胞色素C亞基6和細胞色素C亞基5a表達水平。總之，這些發現表明，超長端粒小鼠的線粒體活性增強，這可能有助於它們的代謝性能的改善。
超長端粒小鼠比正常小鼠瘦。圖片來自Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x。
重要的是，Blasco團隊並沒有觀察到超長端粒小鼠具有增加的自發性腫瘤發生率，相反，與具有正常端粒長度的對照小鼠相比，它們顯示出明顯的減少自發性腫瘤的趨勢，因此這就表明較長的端粒本身並不增加腫瘤的發生，相反似乎會降低癌症風險，這與更年輕狀態時的情形相一致。同樣與此相一致的是，他們發現超長端粒小鼠的壽命比對照小鼠長，中位生存期增加12.75％，最大生存期增加8.4％。可能有人提出，在這項研究中使用的100％嵌合小鼠可能來自供體滋養層細胞，其性別可能會影響這些小鼠的生存。然而，眾所周知，滋養層細胞的全部作用在於它們能夠形成胎盤和羊膜囊，這不太可能影響成年小鼠。
由此可知，Blasco團隊在這項研究中提供了一種在沒有基因操作的情況下可以延遲衰老的小鼠模型。這個小鼠模型具有抗衰老表型，這些抗衰老表型也存在於先前描述的具有延遲衰老特性的幾種轉基因小鼠模型中。特別地，Blasco團隊開發的這個小鼠模型顯示出與生長激素（GH）突變侏儒小鼠相類似的體型減小，胰島素敏感性增強，甚至致命性腫瘤的發生率下降，不過也存在明顯的差異，比如，前者具有更低的身體脂肪，然而這種侏儒小鼠容易堆積身體脂肪。在這方面，超長端粒小鼠與胰島素樣生長因子（IGF）突變小鼠更相似，後者還具有身體脂肪堆積減少的特點。
總而言之，Blasco團證實通過增加胚胎幹細胞的傳代數量並在不進行基因修飾的情況下，可以產生端粒比自然物種長得多的小鼠。這些超長端粒小鼠表現出更年輕的表型，體現為線粒體功能改善、代謝參數改善、癌症減少和壽命延長。這些結果還表明，在物種中，端粒較長的個體並不存在負性選擇，因此，人們可以預見，在特定物種中，有利於端粒較長的個體的自然選擇過程可能會延長物種壽命。最後，這些發現提出了一種誘導具有更長端粒的個體的潛在方法可能是在端粒被延長的胚胎髮育過程中調節多能性階段的持續時間。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Miguel A. Mu?oz-Lorente et al. Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans. Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x.
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