Cell Reports ：陈路博士等发现延长染色体端粒长度的新通路

来源：BioArt

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从太上老君的炼丹炉，到谷歌建立的抗衰老公司Calico，人类对长生不老仙丹的探求始终没有停步。人类衰老和器官衰竭在分子水平上伴随着体细胞内的端粒的变短（端粒，telomere: 染色体末端的重复DNA序列）。过短的端粒会破坏基因组的稳定性，引发（干）细胞的沉睡（senescence），导致组织和器官的功能退化。因此，有效的延长端粒的药物对治疗先天性早衰、肝肺硬化（fibrosis）、神经和骨髓衰竭等短端粒疾病【1】有重要的临床价值 [例如，雄性荷尔蒙Danazol【2】]；甚至还有临床试验 (Libella, LLC) 在试图通过延长端粒的方法去逆转人类的衰老进程。

端粒酶（telomerase）是人体，乃至单细胞酵母中，可以直接延长端粒的唯一分子机器。这个蛋白RNA复合体以非编码RNA亚基hTR为模板，由逆转录酶TERT去催化端粒的延长。端粒酶的活性对TERT和hTR的分子丰度非常的敏感：单拷贝TERT或hTR的失活突变会造成50%的端粒酶的下降，但也足以引发先天性的短端粒早衰病；表达外源的TERT和/或hTR在体外细胞系里足以引发端粒的延长，也证明了提高hTR的分子水平对延长端粒的可行性。hTR的调控主要发生于转录后的一系列的RNA biogenesis步骤，包括hTR转录后的修饰（PTM）和成熟【3】，细胞内的定位，以及和TERT的有效组装【4】，直至形成能够延长端粒的全酶（见下图）。

以短端粒为特质的早衰病变阐述了维持端粒长度的必须分子机理，但激活端粒酶而造成端粒延长的突变和实验报道并无先例。因此，系统性的研究端粒酶RNA亚基hTR的biogenesis 中的具体步骤可以弥补这个知识的空缺，从而为提高细胞内hTR丰度，和端粒伸长提供新的药物靶点。

端粒酶hTR和其它的RNA聚合酶II的产物一样，其5’端的非典型的鸟苷上在共转录过程中会获得单甲基化的修饰 (m7G)。信使mRNA的m7G帽会被帽结合蛋白CBP识别并介导，路经核孔转运至细胞质内来进行蛋白质翻译。但hTR和其他的非编码RNA [包括小核RNA(snRNA)，小核小体RNA(snoRNA)，和病毒RNA] 的m7G帽会被进一步甲基化为三甲基化鸟苷帽（m2,2,7G, TMG) 。这些RNA的细胞内转运调控与mRNA不同，其中TMG帽的修饰起了很大的作用【5】。酵母细胞里端粒酶RNA的TMG帽需要yTGS1（三甲基化鸟苷合成酶）。有意思的是，在出芽酵母和分裂酵母里分别敲除yTGS1，会导致截然相反的端粒酶RNA的水平变化，以及相反的端粒长度变化【6,7】。此外，人类细胞内hTR的TMG帽被哪个蛋白因子修饰还不清楚，而且三甲基帽对人类端粒酶和端粒长度的调控也有待进一步研究。

2020年2月5日，斯坦福大学癌症研究中心Steven E. Artandi的实验室和罗马大学Grazia D. Raffa实验室共同在Cell Reports杂志在线发表题为Loss of Human TGS1 Hypermethylase Promotes Increased Telomerase RNA and Telomere Elongation的研究论文，第一次提供证据表明在人细胞里RNA三甲基化鸟苷合成酶(TGS1) 直接修饰了端粒酶RNA (hTR) 的三甲基化帽，TGS1的缺失会导致hTR的分子丰度和端粒酶活性的等比例增加，以至于人细胞内的端粒的伸长。

文章另外提出了端粒酶RNA (hTR) 稳定性增加和端粒伸长的分子细胞机理模型：在TGS1正常工作的人细胞里，TGS1和hTR都聚集在Cajal小体里，核小体外；hTR的5’鸟苷帽子被TGS1三甲基化后， 与帽结合蛋白CBP， RNA伴娘Sm复合体的亲和力保持较低状态。当TGS1被CRISPR失活后，hTR的5’帽子三甲基化不再，只留下单甲基化的hTR成为CBP和Sm的高亲和力结合伴侣， hTR也由CBP所介导，更多的被外送出细胞核。hTR细胞内外平衡的改变直接或间接的规避了hTR被RNA exosome识别降解的效率，因此导致了更多hTR的细胞内积累，更多的hTR和TERT在细胞核里的组装。由于Cajal小体在TGS1-KO细胞的瓦解，端粒酶大多会定位至核仁内。 

作者在最后指出抑制TGS1和抑制PAPD5 (hTR 的3'端多聚腺苷酸酶）【3,8】在表型上有相似处：都是少有的能够提高hTR分子丰度和端粒酶活性，乃至端粒的伸长的分子途径。因此，TGS1的抑制为治疗由端粒酶不足引发的疾病提供新的药物靶点,并为探索延缓人类衰老提出新的思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.01.004

参考文献

1. M. Armanios, E. H. Blackburn, The telomere syndromes. Nat Rev Genet13, 693-704 (2012).

2. D. M. Townsley et al., Danazol Treatment for Telomere Diseases. The New England journal of medicine374, 1922-1931 (2016).

3. C. M. Roake et al., Disruption of Telomerase RNA Maturation Kinetics Precipitates Disease. Mol Cell74, 688-700 e683 (2019).

4. L. Chen et al., An Activity Switch in Human Telomerase Based on RNA Conformation and Shaped by TCAB1. Cell174, 218-230 e213 (2018).

5. B. Pradet-Balade et al., CRM1 controls the composition of nucleoplasmic pre-snoRNA complexes to licence them for nucleolar transport. EMBO J30, 2205-2218 (2011).

6. W. Tang, R. Kannan, M. Blanchette, P. Baumann, Telomerase RNA biogenesis involves sequential binding by Sm and Lsm complexes. Nature484, 260-264 (2012).

7. J. Franke, J. Gehlen, A. E. Ehrenhofer-Murray, Hypermethylation of yeast telomerase RNA by the snRNA and snoRNA methyltransferase Tgs1. J Cell Sci121, 3553-3560 (2008).

8. B. Boyraz et al., Posttranscriptional manipulation of TERC reverses molecular hallmarks of telomere disease. J Clin Invest126, 3377-3382 (2016).