酸性肿瘤微环境下端粒酶延伸端粒的分子机制研究

To gain immortal proliferation capacity, ~85% human cancer cells maintain their telomere length through activation of telomerase. Because human normal somatic cells don’t express telomerase, telomerase is considered as a specific anti-cancer target. An understanding of telomerase action in cancer cells thus has important implication for both basic biology and clinical application. Our previous works found that under normal physiological condition (pH=7.4) telomerase add ~60nt to every telomere end in cells (Cell, 2009), and that telomerase action is “processive”(Mol Cell. 2011). However, because of “Warburg effect”, acidic pH is an actual microenvironment for tumor growth. Unanswered question in telomere biology concerns how telomerase maintains telomere length under acidic pH. Our new data show that under acidic pH (pH=6.8) telomerase preferentially extend the shortest telomeres, indicating fundamental difference in telomerase extension between physiological and acidic pH. This project will investigate the mechanism underlying telomere extension by telomerase under acidic pH, including expression regulation of telomerase, telomerase assembly and trafficking, the machinery that determines the preferential extension of the shortest telomeres by telomerase and the effect of telomere binding proteins on telomerase action.

约85%的人体癌细胞通过端粒酶延伸端粒，从而获得持续的增生能力。由于端粒酶在正常的人体细胞中不表达，是特异性的抗癌靶标。研究癌细胞中端粒酶延伸端粒的分子机制具有重要的基础及应用价值。在前期的工作中我们发现：在正常生理条件下（pH=7.4），端粒酶添加~60nt TTAGGG序列到细胞每一条端粒的末端（Cell，2009）；端粒酶的延伸机制为“进行性延伸”（Mol Cell， 2011）。然而，“Warburg effect”产生的弱酸性环境是肿瘤生长的微环境，在该条件下端粒酶如何延伸端粒是领域内尚未回答的重要问题。 我们最新的研究表明，在弱酸性环境下（pH=6.8），端粒酶只延伸那些较短的端粒，预示着端粒酶作用机制的重大改变。本课题将系统研究弱酸性条件下端粒酶延伸端粒的分子机制，包括端粒酶的表达调控、端粒酶的组装及运输、端粒酶选择性延伸的分子机制、端粒结合蛋白对端粒酶延伸的影响等。

人类肿瘤细胞表达端粒酶，用于延伸端粒，维持细胞无限分裂的能力。快速增殖的肿瘤细胞生长在偏酸性的肿瘤微环境中，在此条件下端粒酶如何维持端粒的长度是尚未解决的重要科学问题。在该项目的支持下，我们从酸性pH如何影响端粒酶及端粒结合蛋白的表达、端粒酶的组装及运输、端粒酶延伸端粒的方式等方面开展研究。发现酸性肿瘤微环境下端粒酶表达量下降，端粒结合蛋白TRF1、TRF2、TIN2的表达量下降，导致较短的端粒上缺乏端粒结合蛋白，端粒酶转运体Cajal body的数量下降，端粒酶只被运送到那些较短的端粒上，端粒酶通过分步式（Distributive）的方式延伸端粒，短端粒选择性得以延伸，引起细胞内端粒长度的均一化。在此基础上我们提出了端粒酶延伸端粒的“protein counting mechanism”：结合在端粒上的端粒结合蛋白的数量及端粒酶的数量共同决定了端粒延伸的方式。除此之外，我们还研究了端粒酶非依赖的端粒延伸机制（ALT），我们发现端粒复制障碍可以激活端粒之间的同源重组，而同源重组能延伸细胞端粒。基于这一理论，我们筛选得到了一个能特异性抑制端粒同源重组的化学小分子。体内体外的试验表明该小分子能特异性诱导ALT肿瘤细胞端粒缩短及细胞死亡，表现出较好的转化应用前景。