陳小云,張 敏,王 磊,張啟龍,王 棟,蔣桃珍
(中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京 100081)
細(xì)胞永生化(cell immortalization)指體外培養(yǎng)的細(xì)胞經(jīng)過自發(fā)的或受外界因素的影響從增殖衰老危機(jī)中逃離,從而具有無限增殖能力的過程。自然界中自發(fā)永生化的幾率非常小,嚙齒類動(dòng)物為10-5~10-6,而人類細(xì)胞則小于 10-12[1]。細(xì)胞永生化與端粒(telomere)和端粒酶(telomerase)有密切聯(lián)系。端粒除保持染色體完整性外,還作為細(xì)胞生存期限的關(guān)鍵性調(diào)控因子存在,端粒功能障礙會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞增殖衰竭或凋亡。
端粒酶的催化亞單位端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)在端粒酶的激活中起著關(guān)鍵作用。目前,應(yīng)用端粒酶來延長細(xì)胞的生命期是近年來的研究熱點(diǎn)之一。相對(duì)于病毒、原癌基因等永生化基因,TERT具有許多優(yōu)越性。端粒酶轉(zhuǎn)染建立的永生化細(xì)胞保持了正常細(xì)胞的生理特性,具有正常的生長速率,正常的核型,呈現(xiàn)生長錨著依賴性和接觸生長抑制性,因而是一種非常理想的細(xì)胞來源[1]。
端粒是位于真核細(xì)胞線性染色體末端的特殊結(jié)構(gòu),由簡單的DNA串連重復(fù)序列和一系列相關(guān)的蛋白質(zhì)組成,即DNA蛋白復(fù)合物。端粒DNA由若干個(gè)不含功能基因的簡單重復(fù)的非編碼序列構(gòu)成。端粒的兩條DNA鏈長度也不一樣,以人為例,其中具有一條單鏈富含GT,比它的互補(bǔ)鏈富CA單鏈多出50~400個(gè)核苷酸。
端粒酶是一種合成和延伸端粒的核糖核蛋白。正常細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)不到端粒酶活性,因此正常細(xì)胞分裂次數(shù)是有限的,不能無限增殖。但是惡性腫瘤細(xì)胞的增殖并不使端粒區(qū)縮短,因此具有無限增殖的能力,這是因?yàn)榧?xì)胞中端粒酶被激活[2],它的作用在于補(bǔ)充細(xì)胞分裂中丟失的端粒,維系細(xì)胞穩(wěn)定。
端粒酶由三部分組成:端粒酶RNA(telomerase RNA,TR或TRC)模板、端粒酶相關(guān)蛋白(TPI)和TERT。TERT的表達(dá)水平高低決定端粒酶活性,被認(rèn)為是調(diào)節(jié)端粒酶活性的重要限速步驟之一。TERT在進(jìn)化上相對(duì)保守,幾乎所有物種均含有6個(gè)逆轉(zhuǎn)錄酶元件和1個(gè)端粒酶特異性元件。對(duì)人、雞、猴、大鼠、倉鼠、蟾蜍等6個(gè)不同物種TERT的基因序列比較可以發(fā)現(xiàn),其功能元件是相對(duì)保守的(圖1)。在原代培養(yǎng)的細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)人端粒酶催化亞基(hTERT)基因能穩(wěn)定端粒的長度,使細(xì)胞易于永生化,因此hTERT的激活是細(xì)胞永生化的重要步驟。
圖1 不同物種的TERT基因比較
2.1 端粒酶的優(yōu)越性 到目前為止,采用傳統(tǒng)方法已經(jīng)構(gòu)建了許多種永生化細(xì)胞系,但是各種細(xì)胞永生化的方法都有著顯著的局限性。它們往往出現(xiàn)有別于正常細(xì)胞的特征,如細(xì)胞形態(tài)改變、核型改變、具有致瘤性;另外,有些細(xì)胞的生長失去接觸性抑制,成為轉(zhuǎn)化細(xì)胞。而TERT介導(dǎo)的永生化細(xì)胞是正常細(xì)胞,而非轉(zhuǎn)化細(xì)胞。研究表明,它們具有正常生長率、核型,呈現(xiàn)接觸抑制和錨著依賴性,不具有致癌性和軟瓊脂克隆形成能力等[4]。其次,TERT介導(dǎo)的永生化細(xì)胞已通過了M1期和M2期,同生殖干細(xì)胞一樣,是真正意義上的永生化。
hTERT-永生化細(xì)胞兼具原代細(xì)胞的原始特性,以及傳代細(xì)胞系的連續(xù)培養(yǎng)能力。在獲得兩種類型細(xì)胞優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),避免了它們的缺陷。表1中,對(duì)常見的四種細(xì)胞類型的特性進(jìn)行了簡要比較。
表1 四種細(xì)胞類型的特征比較
2.2 端粒酶在人類細(xì)胞永生化中的應(yīng)用 1998年,Bodnar等[5]首先將外源性hTERT導(dǎo)入人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞和包皮成纖維細(xì)胞獲得成功。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),此類細(xì)胞可持續(xù)增殖,至少達(dá)未轉(zhuǎn)染細(xì)胞PDs的2~3倍。Wieser等的研究結(jié)果表明,外源表達(dá)hTERT即足以使腎近端小管上皮細(xì)胞永生化,永生化細(xì)胞的各項(xiàng)表型與原代細(xì)胞一致,經(jīng)過連續(xù)90次群體倍增后,轉(zhuǎn)化細(xì)胞依然保持良好的遺傳穩(wěn)定性[6]。美國Clontech與Geron公司合作推出第一種商品化的永生化正常細(xì)胞系hTERTRPE1,其較正常細(xì)胞增殖快,平均每周達(dá)5-6 PDs,其傳代多于150代,其中有3個(gè)克隆多于300代[7]。
全球最大的生物材料資源中心美國典型培養(yǎng)物保藏中心(ATCC)也致力于人類細(xì)胞的hTERT永生化細(xì)胞系的構(gòu)建。目前已構(gòu)建了10余種hTERT永生化細(xì)胞系,并實(shí)現(xiàn)了商品化。同時(shí),ATCC還發(fā)布了hTERT永生化細(xì)胞系的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),包括TRAP試驗(yàn)檢測(cè)hTERT活性、核型分析、免疫化學(xué)和細(xì)胞特定標(biāo)志的流式細(xì)胞術(shù)等,以保證細(xì)胞質(zhì)量始終處于良好的可控狀態(tài)。
國內(nèi)研究者也在hTERT永生化人類細(xì)胞系方面進(jìn)行了一些研究。如呂麗萍[8]將編碼hTERT的基因轉(zhuǎn)入成人肝細(xì)胞,篩選出了經(jīng) hTERT修飾后的成人肝細(xì)胞,細(xì)胞株可連續(xù)傳代培養(yǎng)。與原代成人肝細(xì)胞相比,轉(zhuǎn)化細(xì)胞對(duì)HBV的易感性未見明顯改變。
2.3 端粒酶在哺乳動(dòng)物細(xì)胞永生化中的應(yīng)用 來源于靶宿主組織的原代動(dòng)物細(xì)胞,是病毒增殖的最理想工具。盡管極少的原代細(xì)胞可自發(fā)永生化,但是其基因型不穩(wěn)定,甚至與原代細(xì)胞表型存在較大差異。例如有研究者采用SV40病毒,使豬肺泡巨噬細(xì)胞(PAM)永生化,但永生化細(xì)胞不支持豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)的復(fù)制[9]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),這些細(xì)胞均不能表達(dá)PRRSV進(jìn)入細(xì)胞的受體 pCD163[10]。這一研究也進(jìn)一步證實(shí)了病毒轉(zhuǎn)化細(xì)胞,可能會(huì)導(dǎo)致原代細(xì)胞表型的改變。
因此,研究者們轉(zhuǎn)而采用表達(dá)hTERT轉(zhuǎn)化的方法,使原代細(xì)胞永生化。如針對(duì)采用病毒永生化PAM 出現(xiàn)的問題,Sagonga等[11]將 hTERT cDNA 轉(zhuǎn)染PAM細(xì)胞,穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞能組成型表達(dá)hTERT蛋白,使細(xì)胞永生化。該P(yáng)AM永生化細(xì)胞未影響細(xì)胞表面CD163受體的表達(dá)水平。因此,這一新型細(xì)胞系有利于PRRSV病毒的分離和增殖,并可作為病毒致病性和免疫功能研究的有效工具。
除了PAM外,其它豬的原代細(xì)胞,也有成功采用hTERT獲得永生化的報(bào)道。例如Sabine等采用hTERT基因轉(zhuǎn)染技術(shù),獲得了永生化的豬輸卵管上皮細(xì)胞系TERT-OPEC,該細(xì)胞具有端粒酶活性,并與上皮細(xì)胞標(biāo)志物角蛋白具有免疫反應(yīng)[12]。
潘小平等[13]將含hTERT真核表達(dá)的載體轉(zhuǎn)染到原代豬肝細(xì)胞,經(jīng)G418篩選,獲得耐藥性的豬肝細(xì)胞克隆并傳代3代。原代細(xì)胞和轉(zhuǎn)化細(xì)胞培養(yǎng)上清中分泌白蛋白和尿素氮在前3天無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P >0.05)。此后,有研究者[14]將編碼 pCI-neo-h(huán)TERT真核表達(dá)質(zhì)粒導(dǎo)入原代培養(yǎng)的豬小腸上皮細(xì)胞,得到抗G418陽性細(xì)胞群,并傳至80代。
Pamela等[15]發(fā)現(xiàn)對(duì)于驢、普通斑馬和細(xì)紋斑馬等3種馬屬動(dòng)物,僅表達(dá)外源hTERT尚不足以使其原代成纖維細(xì)胞永生化。但是,若同時(shí)表達(dá)hTERT和hTERC,則可檢測(cè)到端粒酶活性以及端粒的延長,并能使3種動(dòng)物的原代成纖維細(xì)胞細(xì)胞永生化。
現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,將hTERT轉(zhuǎn)入牛的體細(xì)胞和胚胎細(xì)胞,能延長其端粒長度,并增強(qiáng)端粒酶活性。對(duì)于牛源原代細(xì)胞,有報(bào)道稱僅轉(zhuǎn)化hTERT,就能使牛毛細(xì)管內(nèi)皮(BCE)細(xì)胞通過衰老期,獲得永生化。令人費(fèi)解的是,盡管轉(zhuǎn)化細(xì)胞可檢測(cè)出很高的端粒酶活性,但這些穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的細(xì)胞,端粒的長度卻隨著細(xì)胞傳代而逐漸縮短[16]。后來,Wiebke等將hTERC和hTERT表達(dá)質(zhì)粒,分別注射至牛囊胚細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)外源表達(dá)hTERC能增加牛囊胚細(xì)胞的端粒酶活性和端粒長度;而且共表達(dá)hTERT和hTERC組,與單獨(dú)表達(dá)hTERC組相比,端粒的長度沒有增加[17]。以上結(jié)果表明,TERC是牛囊胚細(xì)胞端粒酶活性的限速因素之一。
對(duì)于山羊的原代細(xì)胞,國內(nèi)也有一些成功的報(bào)道。例如楊艷將hTERT基因?qū)肷窖蚵殉查g質(zhì)原代細(xì)胞,建立了永生化山羊卵巢間質(zhì)細(xì)胞系。轉(zhuǎn)染細(xì)胞系無致瘤性轉(zhuǎn)化,同時(shí)保持了正常細(xì)胞的生物學(xué)特性[18]。隨后,趙曉娥等[19]用將 hTERT 基因轉(zhuǎn)染到山羊胎兒成纖維細(xì)胞中,結(jié)果外源性hTERT基因可以延長胎兒成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)的壽命,降低細(xì)胞凋亡率。
此外,在永生化鼠類細(xì)胞方面,目前已有大量成功的報(bào)道。最近,對(duì)于鼠的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[20]和造骨細(xì)胞[21]等原代細(xì)胞的永生化又取得了成功。
2.4 端粒酶在禽類動(dòng)物細(xì)胞永生化中的應(yīng)用hTERT在永生化禽類原代細(xì)胞方面,很少有成功的報(bào)道。最早的報(bào)道是Georgios等(2005)將hTERT轉(zhuǎn)染雞胚成纖維細(xì)胞(CEF),在轉(zhuǎn)染的CEF中檢測(cè)到hTERT表達(dá),卻沒有檢測(cè)到端粒酶活性或穩(wěn)定的端粒長度,并且轉(zhuǎn)染的CEF與正常CEF經(jīng)歷同樣世代后開始衰老凋亡[22]。
隨后,有研究者對(duì)這一問題進(jìn)行了更深入的研究,他們構(gòu)建了多種chTR的表達(dá)載體,轉(zhuǎn)染CEF細(xì)胞。結(jié)果可以檢測(cè)到chTR的表達(dá),并伴隨著內(nèi)源chTERT的表達(dá)。但是在這些轉(zhuǎn)染的CEF細(xì)胞中端粒酶活性未持續(xù)存在[23]。這一結(jié)果提示,CEF細(xì)胞中可能缺少某些端粒保護(hù)蛋白的支持。
國內(nèi)也有一些相關(guān)的研究報(bào)道。如孫瑩等檢測(cè)了雞胚成纖維細(xì)胞(CEF)和馬立克氏淋巴瘤細(xì)胞系(MDCC-MSB1)的端粒酶活性,發(fā)現(xiàn)chTERT是端粒酶活性的主要限速步驟之一,也可能是導(dǎo)致馬立克氏病淋巴瘤的重要因素[24]。還有研究人員構(gòu)建了hTERT基因真核表達(dá)載體并轉(zhuǎn)染CEF,轉(zhuǎn)染后可觀察到綠色熒光[25]。但是,這一研究在近三年來均未見后續(xù)報(bào)道,因此,不能確定是否會(huì)如上文中Georgios等報(bào)道的那樣,在轉(zhuǎn)染的CEF中檢測(cè)到hTERT表達(dá),卻沒有檢測(cè)到端粒酶活性或穩(wěn)定的端粒長度。
雖然目前還未見采用hTERT成功永生化CEF的報(bào)道,但是,在雞的羽髓干細(xì)胞卻有成功的先例。徐玉林將hTERT轉(zhuǎn)染羽髓干細(xì)胞獲得穩(wěn)定傳代的細(xì)胞,檢測(cè)到端粒酶的活性。永生化細(xì)胞具有較強(qiáng)的生命活力,并仍然保留正常的生物學(xué)特性[26]。
Crea等于2006年首次報(bào)道了hTERT對(duì)永生化細(xì)胞體外培養(yǎng)特性的影響,過量表達(dá)hTERT的永生化中國倉鼠卵巢細(xì)胞系CHO K1在批次培養(yǎng)中的細(xì)胞凋亡明顯減少、活細(xì)胞密度顯著提高、培養(yǎng)時(shí)間明顯延長[27]。這一研究結(jié)果為組成型過量表達(dá)hTERT能有效地改善永生化細(xì)胞的生長特性、提高細(xì)胞培養(yǎng)效率提供了肯定的依據(jù)。
劉紅等研究發(fā)現(xiàn),hTERT組成型過量表達(dá)可降低Vero細(xì)胞的貼附生長依賴性和對(duì)血清的依賴程度,是有應(yīng)用潛力的改良哺乳動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)性狀的技術(shù)途徑[28]。
hTERT-永生化技術(shù),還可用于細(xì)胞系基因功能研究。例如,有研究者將野生型和間隙連接蛋白基因43(Cx43)缺失型鼠的造骨細(xì)胞系,采用hTERT-永生化后進(jìn)行研究,明確了Cx43在早期分化和礦化階段的作用[29]。
從目前的研究結(jié)果來看,細(xì)胞永生化過程中端粒的維持并非全部依賴于端粒酶的激活,約有30%的永生化人細(xì)胞系并不表達(dá)端粒酶。在一段時(shí)期內(nèi),研究者們一直試圖解釋這部分細(xì)胞在不表達(dá)端粒酶活性的情況下,如何保持甚至是延長端粒的長度,并提出了多種假說。2012年science雜志上發(fā)表了一篇論文,對(duì)此進(jìn)行了解釋,指出10-15%的人類癌細(xì)胞并不表達(dá)端粒酶的活性,而是利用端粒替代延長(ALT)機(jī)制,該機(jī)制不同于通常采用的通過端粒酶延長端粒的機(jī)制[30]。
盡管雞的端粒酶活性重建取得了一定進(jìn)展,但是目前尚未見到利用chTR和chTERT建立雞的永生化細(xì)胞的報(bào)道,有些問題仍有待進(jìn)一步探索和研究。相信隨著研究的不斷深入,鳥類的端粒生物學(xué)將被完整地闡明,將為人類最終闡明衰老和癌癥等疾病的發(fā)生機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
另外,并非所有類型的細(xì)胞都能通過這種方法建立永生化細(xì)胞系,甚至對(duì)于同一種細(xì)胞,不同的研究得到不同的結(jié)果。細(xì)胞永生化雖是目前細(xì)胞生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,但有許多問題尚未解決,如細(xì)胞的衰老機(jī)制、一些細(xì)胞循環(huán)的分子機(jī)理以及對(duì)不同的細(xì)胞采用何種永生方法等方面還有待研究。這些問題的闡明,有利于了解細(xì)胞增殖與衰老的分子機(jī)制,為治療腫瘤、控制腫瘤細(xì)胞增殖以及器官移植奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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