端粒（Telomere）是真核生物线性染色体末端的一段DNA-蛋白质复合体，由串联重复序列TTAGGG和与之相结合的Shelterin蛋白复合物组成，在染色体两端形成“保护帽”以保护染色体末端免于降解，在维持DNA稳定性上发挥着关键作用。但在没有端粒延长机制的情况下，由于末端复制问题，在每一次细胞分裂过程中端粒会缩短一次。当端粒长度低于临界值时，会引发DNA损伤反应，从而降低基因组稳定性，最终导致细胞衰老凋亡。因此端粒缩短被认为是衰老的标志之一（Nat. Rev. Genet., 2005）。
端粒酶（Telomerase）是一种核糖核酸蛋白DNA聚合酶，由逆转录酶催化亚基和包含端粒合成模板序列的长非编码RNA组成，它可以通过在染色体末端从头添加TTAGGG重复序列来延长端粒，从而补偿端粒的损耗。但在成年机体中，端粒酶仅在干细胞内有活性，而且不足以弥补伴随衰老的端粒缩短（PNAS, 1998）。
鉴于端粒与衰老的密切关系，科学家思索能否通过延长端粒的自然长度，来规避由端粒缩短而引发的增龄相关疾病的发生及寿命缩短。已有研究发现，用多种不同方法在基因层面实现端粒酶的过表达，可以在成年小鼠体内维持端粒长度，进而延缓衰老并延长小鼠的寿命。近期，研究人员提供了另一种方法，无需进行任何基因改造，就可以延长端粒长度，通过这种方法获得的拥有超长端粒的小鼠表现出机体代谢状态改善、DNA损伤减少、线粒体功能增强等有益于延缓衰老和延长寿命的现象。
在之前的研究中，西班牙国家癌症中心（CNIO）的研究人员发现，来源于胚泡期内细胞团的胚胎干细胞，在体外培养进行一定程度的分裂后，这些细胞的端粒长度是正常细胞的两倍，产生了所谓的超长端粒的胚胎干细胞。2016年，该研究团队又证明，利用这些超长端粒的胚胎干细胞产生的小鼠可以正常存活。然而最初制备的小鼠是嵌合体，超长端粒的细胞仅占细胞总数的30％至70％。
2019年10月17日，CNIO研究人员利用具有超长端粒的胚胎干细胞产生了100％的细胞都拥有超长端粒的小鼠。这一研究成功实现了在不进行任何基因层面操作的前提下，延长了端粒的正常长度，不仅延长小鼠的寿命，而且没有明显的副作用。该研究成果以“Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans”为题发表在Nature Communications上。
本文通讯作者Maria A. Blasco，西班牙国家癌症研究中心（图片来源于网络）
为了研究端粒延长对生物机体的影响，本文研究者首先建立了携带超长端粒的小鼠模型（图1），他们将129S1-GFP小鼠（表达绿色荧光蛋白的细胞即代表拥有超长端粒的细胞）胚胎的P1代胚胎干细胞体外培养成含有超长端粒的胚胎干细胞。随后将此胚胎干细胞显微注射入C57B16小鼠的桑葚胚内，待其发育出生。经检测，该嵌合体小鼠全身细胞均表达GFP绿色荧光蛋白，即100%的细胞含有超长端粒。
图1 全身携带超长端粒小鼠模型的建立
【超长端粒是否可以延长小鼠的寿命？】
超长端粒小鼠的平均寿命与最大寿命分别比端粒正常的对照小鼠提升了12.75%和8.40%，值得注意的是，之前的研究表明人类端粒的延长可能导致癌症发生率的增加[3]，但本研究中的超长端粒小鼠与端粒正常的对照小鼠相比，前者的肿瘤发生率降低了50％左右（图2）。此外，研究者发现拥有超长端粒的嵌合体小鼠体型更加苗条瘦小（图3），脂肪堆积量与皮下脂肪量也明显减少（图4），而在神经肌肉忍耐力、协调能力、嗅觉灵敏度等方面表现均正常。
图2 超长端粒小鼠寿命更长，自发性癌症更少
图3 超长端粒小鼠体型更加瘦削
【超长端粒是否会改变小鼠的代谢状况？】
超长端粒小鼠体内低密度脂蛋白、胆固醇以及肝损伤标志—谷丙转氨酶（Alanineamino transferase，ALT）水平均显著低于正常小鼠（图5），同时葡萄糖耐量与胰岛素耐受性得到提升。这说明超长端粒的小鼠，有更好的新陈代谢能力及较低的代谢老化现象。
图5 超长端粒小鼠较对照小鼠有更强的代谢能力
【随着小鼠生长发育，超长端粒是否会影响端粒的保留长度？】
在排除因端粒酶表达而延长端粒的情况下，100周超长端粒小鼠比正常端粒的对照小鼠的增殖组织(皮肤和肠)和代谢相关组织(肝脏、白色脂肪组织、灰色脂肪组织)拥有更长的端粒保留长度，并且短端粒比例更少（图6）。此外，端粒组成成分RAP1、shelterin的mRNA表达量未受到超长端粒的影响。
图6 老年超长端粒小鼠保留了更长的端粒长度
【超长端粒是否可以改变衰老相关的表征？】
超长端粒小鼠肝脏中的53BP1(DNA损伤标志)阳性细胞，端粒诱导的DNA损伤以及P21(衰老标志)阳性细胞分别减少了8倍、6倍和9倍（图7），即超长端粒不仅可以延缓小鼠衰老，还降低了DNA损伤水平。此外，在衰老过程中线粒体功能会发生减弱。而超长端粒小鼠的线粒体DNA拷贝数增加、氧化磷酸化基因(Cytc，ATP合酶等)表达、线粒体调节因子PGC-1α的水平以及关键的靶标PPARα的表达量均显著上升（图8）。
图7 超长端粒降低小鼠DNA损伤水平并延缓衰老
综合以上结果表明，在特定物种中，端粒长于正常长度有延长寿命、延缓新陈代谢衰老和增强线粒体功能等益处。在人体中，长端粒被质疑可能有增加癌症的“副作用”，但本研究证明，在小鼠中长端粒不但没有这种“副作用”，甚至有降低癌症发生率的趋势。本研究成果为衰老领域相关研究开辟了除修饰基因之外的延长端粒的全新道路，这也为临床治疗早衰症提供了一种新的手段。
参考文献：
[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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