端粒（Telomere）是真核生物線性染色體末端的一段DNA-蛋白質複合體，由串聯重複序列TTAGGG和與之相結合的Shelterin蛋白複合物組成，在染色體兩端形成“保護帽”以保護染色體末端免於降解，在維持DNA穩定性上發揮著關鍵作用。但在沒有端粒延長機制的情況下，由於末端複製問題，在每一次細胞分裂過程中端粒會縮短一次。當端粒長度低於臨界值時，會引發DNA損傷反應，從而降低基因組穩定性，最終導致細胞衰老凋亡。因此端粒縮短被認為是衰老的標誌之一（Nat. Rev. Genet., 2005）。
端粒酶（Telomerase）是一種核糖核酸蛋白DNA聚合酶，由逆轉錄酶催化亞基和包含端粒合成模板序列的長非編碼RNA組成，它可以通過在染色體末端從頭添加TTAGGG重複序列來延長端粒，從而補償端粒的損耗。但在成年機體中，端粒酶僅在幹細胞內有活性，而且不足以彌補伴隨衰老的端粒縮短（PNAS, 1998）。
鑑於端粒與衰老的密切關係，科學家思索能否通過延長端粒的自然長度，來規避由端粒縮短而引發的增齡相關疾病的發生及壽命縮短。已有研究發現，用多種不同方法在基因層面實現端粒酶的過表達，可以在成年小鼠體內維持端粒長度，進而延緩衰老並延長小鼠的壽命。近期，研究人員提供了另一種方法，無需進行任何基因改造，就可以延長端粒長度，通過這種方法獲得的擁有超長端粒的小鼠表現出機體代謝狀態改善、DNA損傷減少、線粒體功能增強等有益於延緩衰老和延長壽命的現象。
在之前的研究中，西班牙國家癌症中心（CNIO）的研究人員發現，來源於胚泡期內細胞團的胚胎幹細胞，在體外培養進行一定程度的分裂後，這些細胞的端粒長度是正常細胞的兩倍，產生了所謂的超長端粒的胚胎幹細胞。2016年，該研究團隊又證明，利用這些超長端粒的胚胎幹細胞產生的小鼠可以正常存活。然而最初製備的小鼠是嵌合體，超長端粒的細胞僅佔細胞總數的30％至70％。
2019年10月17日，CNIO研究人員利用具有超長端粒的胚胎幹細胞產生了100％的細胞都擁有超長端粒的小鼠。這一研究成功實現了在不進行任何基因層面操作的前提下，延長了端粒的正常長度，不僅延長小鼠的壽命，而且沒有明顯的副作用。該研究成果以“Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans”為題發表在Nature Communications上。
本文通訊作者Maria A. Blasco，西班牙國家癌症研究中心（圖片來源於網絡）
為了研究端粒延長對生物機體的影響，本文研究者首先建立了攜帶超長端粒的小鼠模型（圖1），他們將129S1-GFP小鼠（表達綠色熒光蛋白的細胞即代表擁有超長端粒的細胞）胚胎的P1代胚胎幹細胞體外培養成含有超長端粒的胚胎幹細胞。隨後將此胚胎幹細胞顯微注射入C57B16小鼠的桑葚胚內，待其發育出生。經檢測，該嵌合體小鼠全身細胞均表達GFP綠色熒光蛋白，即100%的細胞含有超長端粒。
圖1 全身攜帶超長端粒小鼠模型的建立
【超長端粒是否可以延長小鼠的壽命？】
超長端粒小鼠的平均壽命與最大壽命分別比端粒正常的對照小鼠提升了12.75%和8.40%，值得注意的是，之前的研究表明人類端粒的延長可能導致癌症發生率的增加[3]，但本研究中的超長端粒小鼠與端粒正常的對照小鼠相比，前者的腫瘤發生率降低了50％左右（圖2）。此外，研究者發現擁有超長端粒的嵌合體小鼠體型更加苗條瘦小（圖3），脂肪堆積量與皮下脂肪量也明顯減少（圖4），而在神經肌肉忍耐力、協調能力、嗅覺靈敏度等方面表現均正常。
圖2 超長端粒小鼠壽命更長，自發性癌症更少
圖3 超長端粒小鼠體型更加瘦削
【超長端粒是否會改變小鼠的代謝狀況？】
超長端粒小鼠體內低密度脂蛋白、膽固醇以及肝損傷標誌—谷丙轉氨酶（Alanineamino transferase，ALT）水平均顯著低於正常小鼠（圖5），同時葡萄糖耐量與胰島素耐受性得到提升。這說明超長端粒的小鼠，有更好的新陳代謝能力及較低的代謝老化現象。
圖5 超長端粒小鼠較對照小鼠有更強的代謝能力
【隨著小鼠生長髮育，超長端粒是否會影響端粒的保留長度？】
在排除因端粒酶表達而延長端粒的情況下，100周超長端粒小鼠比正常端粒的對照小鼠的增殖組織(皮膚和腸)和代謝相關組織(肝臟、白色脂肪組織、灰色脂肪組織)擁有更長的端粒保留長度，並且短端粒比例更少（圖6）。此外，端粒組成成分RAP1、shelterin的mRNA表達量未受到超長端粒的影響。
圖6 老年超長端粒小鼠保留了更長的端粒長度
【超長端粒是否可以改變衰老相關的表徵？】
超長端粒小鼠肝臟中的53BP1(DNA損傷標誌)陽性細胞，端粒誘導的DNA損傷以及P21(衰老標誌)陽性細胞分別減少了8倍、6倍和9倍（圖7），即超長端粒不僅可以延緩小鼠衰老，還降低了DNA損傷水平。此外，在衰老過程中線粒體功能會發生減弱。而超長端粒小鼠的線粒體DNA拷貝數增加、氧化磷酸化基因(Cytc，ATP合酶等)表達、線粒體調節因子PGC-1α的水平以及關鍵的靶標PPARα的表達量均顯著上升（圖8）。
圖7 超長端粒降低小鼠DNA損傷水平並延緩衰老
綜合以上結果表明，在特定物種中，端粒長於正常長度有延長壽命、延緩新陳代謝衰老和增強線粒體功能等益處。在人體中，長端粒被質疑可能有增加癌症的“副作用”，但本研究證明，在小鼠中長端粒不但沒有這種“副作用”，甚至有降低癌症發生率的趨勢。本研究成果為衰老領域相關研究開闢了除修飾基因之外的延長端粒的全新道路，這也為臨床治療早衰症提供了一種新的手段。
參考文獻：
[1] Blasco, M. A. Telomeres and human disease:ageing, cancer and beyond. Nat. Rev. Genet. 6, 611–622 (2005).
[2] Blasco, M. A., Martín-Rivera, L., Herrera,E. & Albar, J. P. Expression of mouse telomerase catalytic subunit inembryos and adult tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 10471–10476 (1998).
[3] Wentzensen, I. M., Mirabello, L.,Pfeiffer, R. M. & Savage, S. A. The association of telomere length andcancer: a meta-analysis. Cancer Epidemiol. Biomarkers Prev. 20, 1238–1250(2011).
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