來源于:BioWorld
從太上老君的煉丹爐,到谷歌建立的抗衰老公司Calico,人類對長生不老仙丹的探求始終沒有停步。
人類衰老和器官衰竭在分子水平上伴隨著體細(xì)胞內(nèi)的端粒的變短(端粒,telomere: 染色體末端的重復(fù)DNA序列)。過短的端粒會破壞基因組的穩(wěn)定性,引發(fā)(干)細(xì)胞的沉睡(senescence),導(dǎo)致組織和器官的功能退化。因此,有效的延長端粒的藥物對治療先天性早衰、肝肺硬化(fibrosis)、神經(jīng)和骨髓衰竭等短端粒疾病有重要的臨床價值。
甚至還有臨床試驗(yàn)在試圖通過延長端粒的方法去逆轉(zhuǎn)人類的衰老進(jìn)程。詳情:世界首個返老還童的收費(fèi)臨床試驗(yàn)獲批,“只需”100萬美元,讓你年輕20歲
端粒酶(telomerase)是人體,乃至單細(xì)胞酵母中,可以直接延長端粒的唯一分子機(jī)器。這個蛋白RNA復(fù)合體以非編碼RNA亞基hTR為模板,由逆轉(zhuǎn)錄酶TERT去催化端粒的延長。端粒酶的活性對TERT和hTR的分子豐度非常的敏感:單拷貝TERT或hTR的失活突變會造成50%的端粒酶的下降,但也足以引發(fā)先天性的短端粒早衰??;表達(dá)外源的TERT和/或hTR在體外細(xì)胞系里足以引發(fā)端粒的延長,也證明了提高hTR的分子水平對延長端粒的可行性。hTR的調(diào)控主要發(fā)生于轉(zhuǎn)錄后的一系列的RNA biogenesis步驟,包括hTR轉(zhuǎn)錄后的修飾(PTM)和成熟,細(xì)胞內(nèi)的定位,以及和TERT的有效組裝,直至形成能夠延長端粒的全酶(見下圖)。
以短端粒為特質(zhì)的早衰病變闡述了維持端粒長度的必須分子機(jī)理,但激活端粒酶而造成端粒延長的突變和實(shí)驗(yàn)報道并無先例。因此,系統(tǒng)性的研究端粒酶RNA亞基hTR的biogenesis 中的具體步驟可以彌補(bǔ)這個知識的空缺,從而為提高細(xì)胞內(nèi)hTR豐度,和端粒伸長提供新的藥物靶點(diǎn)。
端粒酶hTR和其它的RNA聚合酶II的產(chǎn)物一樣,其5’端的非典型的鳥苷上在共轉(zhuǎn)錄過程中會獲得單甲基化的修飾 (m7G)。信使mRNA的m7G帽會被帽結(jié)合蛋白CBP識別并介導(dǎo),路經(jīng)核孔轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)來進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯。但hTR和其他的非編碼RNA [包括小核RNA(snRNA),小核小體RNA(snoRNA),和病毒RNA] 的m7G帽會被進(jìn)一步甲基化為三甲基化鳥苷帽(m2,2,7G, TMG) 。這些RNA的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控與mRNA不同,其中TMG帽的修飾起了很大的作用。酵母細(xì)胞里端粒酶RNA的TMG帽需要yTGS1(三甲基化鳥苷合成酶)。有意思的是,在出芽酵母和分裂酵母里分別敲除yTGS1,會導(dǎo)致截然相反的端粒酶RNA的水平變化,以及相反的端粒長度變化。此外,人類細(xì)胞內(nèi)hTR的TMG帽被哪個蛋白因子修飾還不清楚,而且三甲基帽對人類端粒酶和端粒長度的調(diào)控也有待進(jìn)一步研究。
2020年2月5日,斯坦福大學(xué)癌癥研究中心Steven E. Artandi的實(shí)驗(yàn)室和羅馬大學(xué)Grazia D. Raffa實(shí)驗(yàn)室合作在 Cell Reports 雜志在線發(fā)表題為:Loss of Human TGS1 Hypermethylase Promotes Increased Telomerase RNAand Telomere Elongation 的研究論文。
該研究第一次提供證據(jù)表明在人細(xì)胞里RNA三甲基化鳥苷合成酶(TGS1) 直接修飾了端粒酶RNA (hTR) 的三甲基化帽,TGS1的缺失會導(dǎo)致hTR的分子豐度和端粒酶活性的等比例增加,以至于人細(xì)胞內(nèi)的端粒的伸長。
文章另外提出了端粒酶RNA (hTR) 穩(wěn)定性增加和端粒伸長的分子細(xì)胞機(jī)理模型:在TGS1正常工作的人細(xì)胞里,TGS1和hTR都聚集在Cajal小體里,核小體外;hTR的5’鳥苷帽子被TGS1三甲基化后, 與帽結(jié)合蛋白CBP, RNA伴娘Sm復(fù)合體的親和力保持較低狀態(tài)。當(dāng)TGS1被CRISPR失活后,hTR的5’帽子三甲基化不再,只留下單甲基化的hTR成為CBP和Sm的高親和力結(jié)合伴侶, hTR也由CBP所介導(dǎo),更多的被外送出細(xì)胞核。hTR細(xì)胞內(nèi)外平衡的改變直接或間接的規(guī)避了hTR被RNA exosome識別降解的效率,因此導(dǎo)致了更多hTR的細(xì)胞內(nèi)積累,更多的hTR和TERT在細(xì)胞核里的組裝。由于Cajal小體在TGS1-KO細(xì)胞的瓦解,端粒酶大多會定位至核仁內(nèi)。
作者在最后指出抑制TGS1和抑制PAPD5(hTR 的3'端多聚腺苷酸酶)在表型上有相似處:都是少有的能夠提高hTR分子豐度和端粒酶活性,乃至端粒的伸長的分子途徑。
因此,TGS1的抑制為治療由端粒酶不足引發(fā)的疾病提供新的藥物靶點(diǎn),并為探索延緩人類衰老提出新的思路。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.01.004
本文來源:BioArt