Science:决定寿命的“端粒长度”研究获重要突破,人体不同组织的端粒长度存在差异

2020
09/14

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科研圈 / Bio生物世界
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端粒是人类衰老和疾病的重要生物标志物,研究者常采用血液调查端粒与健康间的关系,血细胞是否能可靠代表人体其它组织的情况呢?

来源 芝加哥大学医学院

翻译 阿金

审校 戚译引

长期以来,端粒长度一直被视作人类衰老和疾病的重要生物标志物,但大部分关于端粒长度和健康之间关系的研究只调查了一种类型的组织:血液

这一局限引发了下列问题:当研究人员研究衰老、疾病和生活方式因素对端粒长度的影响时,血细胞能否可靠地代表人体其他组织的情况呢?

9 月 11 日,一项发表在 Science 杂志上的新研究对此做出了回答。该研究分析了 23 种不同人体组织类型中的端粒长度,这些组织来自近 1000 名人类遗体捐赠者。

结果表明,全血中的端粒长度能够代表大部分其他组织中的端粒长度,进一步支持了现有研究中关于端粒长度、血统和衰老之间的关系

端粒是 DNA 的非编码重复序列,位于染色体末端,发挥如“安全帽”般的保护作用,防止基因组的损坏。细胞每分裂一次,染色体就要被复制一次,给每一个新细胞提供一份新拷贝。但是,发挥复制功能的酶无法完全抵达染色体末端,所以在每一次复制过程中,染色体末端就会损失一点点。端粒会提供少量的额外染色体作为缓冲,保护重要的遗传信息不被丢失。

正常的衰老过程与端粒缩短相关,而端粒缩短还与死亡率和衰老相关疾病有关。但是,端粒缩短、衰老和疾病三者之间的关系仍不完全明晰,一部分是因为科学家没有完全理解不同组织类型中端粒变化的方式。

“大部分有关人类端粒长度的研究都集中于那些容易从活体受试者身上采集到的组织类型,比如全血或者唾液。”该研究的第一作者 Kathryn Demanelis 博士说,“我们想要看看,全血细胞中发现的端粒长度和其他组织中的端粒长度是否完全吻合。”Demanelis 是芝加哥大学公共卫生科学系的博士后。

在研究中,科学家利用了基因型-组织表达(Genotype-Tissue Expression,简称 GTEx)项目的优势,该项目是一大型公共资源收集项目,从上百名人类受试者中收集了许多不同的组织样本。

“GTEx 研究最初的设计目的是探索遗传性基因变异如何调控不同组织内的基因活性,同时各组织又如何出现差异。”该研究的通讯作者、芝加哥大学公共卫生科学和人类遗传学副教授 Brandon Pierce 博士说,“我们认为 GTEx 组织库是个好机会,能让我们获取平时无法轻易研究的组织类型,调查一种重要的生物标志物——端粒长度,并开始提出更加深层次的问题,比如端粒长度和诸如肺癌等疾病之间的关系,以及随着年龄的增长,端粒如何在不同类型的组织内缩短。”

研究人员使用一种新方法来测量端粒长度,其成本与传统方法相当,但具备“更高的通量和更好的精确度”,研究的共同作者 Muhammad Kibriya 博士介绍,他是芝加哥大学人口和精准健康研究所的研究副教授。通过分析来自将近 1000 名人类受试者遗体中 20 多种组织类型的 6000 多份组织样本,Kibriya 说:“我们成功在样本集中发现,端粒长度在组织与组织间存在差异,且具有统计学意义。”

这使得研究人员能够将各种组织中的端粒长度,譬如皮肤、大脑、肺部、结肠和肾脏,与血细胞中测量到的端粒长度进行比较。

他们发现,在所研究的 23 种组织中,15 种组织的端粒长度与全血细胞中的端粒长度呈明显的正相关性,由此证明,使用容易获得的全血细胞端粒长度能够代表更难获得的组织中的端粒长度,比如大脑和肾脏

“我们还检查了所有这些组织类型,回答了血细胞端粒研究中反复探讨的问题。”Pierce 说,“有些模式普遍存在于不同组织中,比如衰老的组织中端粒更短,拥有非洲血统的人的端粒更长,但有些模式则不是,比如女性的端粒更长。我们还观察到吸烟者只有个别组织中有更短的端粒。”

这有助于澄清以往研究中相互矛盾的结果,有的研究显示单个性状和端粒长度之间存在关联,有的则显示没有关联。

上述结果将帮助研究人员理解端粒长度的哪些方面始终由基因遗传所致,而哪些可能受到生活方式、环境接触或者个体一生中表观遗传变化的影响。这反而让科学家更容易研究并理解衰老和疾病过程中特定生物标志物的作用。

“作为流行病学家,我们经常通过研究血液样本来尝试回答问题,所以我们必须注意这些生物标志物如何可能因不同的组织类型而异。”Pierce 说,“这是一个很大的局限。但我们知道,在所有组织中,遗传的基因组序列都是相同的,所以,如果我们能够理解某些特定遗传变异如何影响特定组织类型内的生物标志物,比如端粒长度,就可以更加轻松地研究各种人群中的这些生物标志物。我们还能够利用遗传性基因变异来预测组织特异性生物标志物。”

未来的项目将会进一步探索 GTEx 样本,研究所有不同组织类型中各式各样的生物标志物。“本次研究第一次提供资源,以更好地理解端粒在不同组织内的长度情况,将有助于其他研究人员把他们的数据与我们的结果进行比较。”Demanelis 说,“在未来,我们将会研究其他标志物,比如不同组织类型中的 DNA 甲基化和体细胞突变,试图理解它们与端粒长度和衰老之间的关系。”

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/369/6509/eaaz6876

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关键词:
端粒,端粒长度,血液,寿命,衰老,染色体

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