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为探究人类端粒长度调控机制及相关疾病发病机理，研究人员开展 “核苷酸补救效率对人类端粒长度的代谢限制” 研究。结果发现核苷酸补救效率双向控制端粒酶活性和端粒长度，或为端粒相关疾病治疗提供新策略。
在人体细胞中，染色体末端由一种名为端粒的特殊结构保护着，它就像鞋带末端的塑料头，防止染色体 “磨损”。随着细胞不断分裂，端粒会逐渐缩短，当端粒短到一定程度时，细胞就会进入衰老或死亡状态。端粒长度异常与许多致命疾病相关，比如较短的端粒与寿命缩短有关，会导致如端粒生物学障碍（TBDs）这类致命的退行性疾病；而较长的端粒则会增加患各种恶性肿瘤的风险 。尽管端粒长度如此重要，但目前人们对于细胞中限制人类端粒长度的机制却尚未完全明确。
为了解开这一谜团，来自波士顿儿童医院（Boston Children’s Hospital）、达纳 - 法伯癌症研究所（Dana-Farber Cancer Institute）、哈佛干细胞研究所（Harvard Stem Cell Institute）等机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解端粒长度调控机制带来了新的曙光。
研究人员在研究过程中采用了多种关键技术方法。在细胞实验方面，使用了多种细胞系，包括 293 T 细胞、K562 细胞以及来自 TBD 患者的成纤维细胞等。通过构建表达载体转染细胞，运用 CRISPR/Cas9 技术进行基因编辑，改变细胞的基因表达。同时，利用 TRACE（Telomerase Rapid Assessment in the Cellular Environment） 检测方法，在细胞核内天然染色体末端快速检测细胞扰动对端粒酶活性的影响；采用终端限制片段（TRF）Southern blot 技术分析端粒长度变化。
下面让我们详细看看研究人员都取得了哪些重要成果：
- TRACE—— 一种快速的基于人类细胞的端粒酶检测方法：目前研究端粒酶逆转录的方法存在不足，现有的检测方法要么耗时久，要么可能掩盖端粒酶调控的关键方面。为解决这一问题，研究人员建立了 TRACE 检测方法。在实验中，他们将编码核心端粒酶成分 TERC 和 TERT 的载体转染到端粒酶缺失且端粒较短的 293 T 细胞中，使端粒酶过表达。结果显示，在这种超生理端粒酶活性的情况下，通过 TRF Southern blot 能在不到 48 小时内检测到端粒酶介导的端粒延长，且该检测方法对小分子和基因操作的反应良好，可快速读出端粒酶活性的变化。
- 嘌呤核苷抑制端粒酶：研究人员利用 TRACE 检测方法评估核苷酸代谢对端粒酶逆转录酶活性的影响。他们给细胞补充不同的脱氧核苷（dNs）和核糖核苷（rNs），发现嘧啶能剂量依赖性地激活端粒酶，而嘌呤核苷补充则会抑制端粒酶，其中鸟嘌呤核苷（如鸟苷和脱氧鸟苷（dG））的抑制作用更强。并且，dG 对端粒酶活性的抑制呈现出剂量依赖性的非线性关系，100 μM 的 dG 比 500 μM 的抑制作用更强。
- PNP 是鸟苷和脱氧鸟苷抑制端粒酶所必需的：为探究鸟苷和 dG 抑制端粒酶的机制，研究人员进行了一系列实验。他们发现不能被 DCK 直接磷酸化的 dG 类似物 2,5 - 二脱氧鸟苷（2,5ddG）也能抑制端粒酶活性，说明 DCK 对 dG 的磷酸化不是 dG 抑制端粒酶的原因。进一步研究发现，嘌呤核苷磷酸化酶（PNP）抑制剂能挽救鸟嘌呤核苷补充导致的端粒酶抑制，而鸟嘌呤本身能强烈抑制端粒酶活性，且这种抑制作用不能被 PNP 抑制剂逆转，表明鸟嘌呤是导致端粒酶抑制的关键物质。
- 鸟嘌呤核糖核苷酸抑制人类细胞端粒延长：研究人员继续探究鸟嘌呤代谢产物对端粒酶的影响。他们发现鸟嘌呤经次黄嘌呤 - 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）转化为鸟苷一磷酸（GMP）的过程与端粒酶抑制有关。通过基因编辑技术敲除 HPRT1 基因后，鸟苷、dG 和鸟嘌呤对端粒酶活性的抑制作用消失。此外，补充胸苷（dT）可完全挽救鸟嘌呤介导的端粒酶抑制，说明鸟嘌呤补充导致 GMP 积累，进而消耗端粒酶逆转录所需的 dNTP，最终缩短端粒长度。
- DCK 低效挽救 dG 促进端粒酶激活：研究人员发现高剂量的 dG 能促进端粒酶激活，这与 dG 通常抑制端粒酶的现象相悖。通过一系列实验，他们证实高剂量的 dG 可被 DCK 挽救形成脱氧鸟苷核苷酸，从而导致端粒酶激活，而 DCK 对 dG 的磷酸化效率较低限制了这种激活作用。过表达 DCK 可使 dG 在低剂量下就能促进端粒酶激活，且这种激活作用不受细胞周期和 DNA 损伤反应的影响。
- SAMHD1 限制挽救的 dG 核苷酸对端粒酶的激活：dNTP 酶 SAMHD1 可限制细胞内脱氧核糖核苷酸三磷酸水平，包括 dGTP，是端粒长度的负调节因子。研究发现，在缺乏 SAMHD1 的细胞中，dG 能强烈激活端粒酶，而抑制 DCK 或加入与 dG 竞争 DCK 底物的 dC，可限制这种激活作用，说明 SAMHD1 限制了 DCK 挽救 dG 核苷酸后对端粒酶的激活，进一步支持了净 dGTP 积累促进端粒酶活性的模型。
- 核苷补救效率限制端粒酶活性和端粒长度：由于 DCK 对 dG 的磷酸化效率较低，研究人员尝试通过改变细胞代谢来提高脱氧核苷补救效率。他们表达具有广泛底物特异性且对 dG 活性更高的果蝇脱氧核苷激酶（Dm - dNK），结果发现过表达 Dm - dNK 可促进端粒酶激活，即使不添加外源核苷也能使细胞的端粒酶活性升高，添加 dG 后激活作用更明显。在长期培养实验中，过表达 Dm - dNK 能使 293 T 细胞和 K562 细胞的端粒显著延长。
- 操纵脱氧核苷补救促进 TBD 患者细胞端粒延长：TBDs 由端粒酶核心成分和其他端粒维持基因的低表达突变引起。研究人员发现，在 TBD 患者来源的成纤维细胞中过表达 Dm - dNK，可显著增加端粒长度。此外，使用 PNP 抑制剂 ulodesine 联合 dG 处理，也能促进 TBD 患者细胞的端粒延长，且这种处理不会引起细胞生长、细胞周期和 DNA 损伤反应的明显变化。
综合上述研究结果，研究人员揭示了核苷酸补救效率对人类端粒长度的双向调控作用，提出了人类端粒长度调控的更新模型。该模型表明，除了传统认为的端粒酶表达、丰度和招募等因素外，dNTP 底物水平的控制在端粒长度调控中起着关键作用 。这一发现为理解端粒长度在健康和疾病状态下的调控机制提供了新的视角，也为开发针对 TBDs 等端粒相关疾病的治疗策略提供了潜在的靶点和方向。同时，研究结果还提示，在肿瘤治疗中，靶向核苷酸代谢可能通过影响端粒酶活性发挥作用，为肿瘤治疗研究开辟了新的思路。
