从《EVA》中细胞分裂极限浅谈端粒及其在抗肿瘤中的应用

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引言：无论是古代中国亦或是在其他国家长生不老一直是人们所追求的目标，由此衍生出的炼丹术，炼金术也曾经风靡一时，而随着科技的进步越来越多关于人类为何衰老的假说也不断出现，而今天我们就一起从《EVA》的角度来聊聊其中一种假说--端粒假说并看看它在抗肿瘤领域的应用吧。
《新世纪福音战士》无论是在日本还是中国都有着非常大的影响，可以说在90年代日本经济持续低迷以及受到宫崎勤事件的影响御宅族普遍被人们歧视的环境下可以说每一个日本人都能在《EVA》中找到自己的缩影。而女主绫波零，明日香也成为了“大众女神”。同时其主题曲《残酷な天使のテーゼ》也成为了这么多年来日本KTV的流行金曲（附带提一句笔者非常喜欢这首曲子233）

而在《新世界福音战士》TV版的十八个使徒中最吸引我的则是第十一使徒--イロウル，这是因为它无论是形态亦或是攻击方式都与其他使徒有很大的区别，它呈现细菌状，拥有很强的学习和进化能力，入侵了EVA的模拟体，并模仿NERV主电脑三贤人系统（MAGI System）的结构，把自己的外观改变成了复杂的电子回路，以电脑病毒的方式对Magi进行入侵和控制，目的是促使Nerv自爆。而针对这一特点赤木律子博士则通过进化程序诱骗，导致进化过度而死亡。这也是唯一一个没有与EVA直接接触的使徒。而在这一话中冬月教授提到进化的极限即为死亡，而最终确实是通过此成功消灭了使徒。而在之后的剧情中也提到一个细胞最多也只能分裂40-50次便会走向死亡。那么究竟是什么原因造成了这样呢，那么我们便一起来聊聊端粒假说吧。
1 端粒及端粒酶

1.1端粒

众所周知细胞的死亡一般分为凋亡和坏死两类，而细胞是如何诱导自己走向凋亡是科学家们一直想要知道的。随着研究的深入，科学家们提出了几种不同类型的假说，其中最为出名的就是端粒假说和自由基假说。尤其是端粒假说的提出在科学界引发了一场热议。

早在上个世纪30年代Muller和Meclintock就发现了位于染色体末端存在一种特殊的物质，而它本身并不作为遗传物质，后来这种物质被命名为端粒。从此端粒便走进了科学家的视野里。时间一转眼到了1978年Calvin Harley及其研究团队根据观察猜测在细胞中，细胞每分裂一次位于染色体顶端的端粒就会缩短一次，而当端粒缩短至极限时，细胞就将无法再次分裂。这时候细胞也就到了生物界公认的极限并开始诱发凋亡。因此端粒被生物学家们认为是“生命的漏斗”。

通过观察科学家们发现每当DNA发生一次半保留复制后染色体将会丢失30～200个碱基对，而这些碱基对都来自于处在染色体末端的端粒上。由此人们认为端粒具有保护染色体的作用，而当端粒位置的碱基对在大部分遗失后，细胞遗传物质便会受到破坏，进而细胞便会走向凋亡。这一猜想与观察结果完全吻合，因此凭借这一发现三位美国科学家Elizabeth Blackburn、Carol Greider、Jack Szostak共同获得了2009年的诺贝尔生理学或医学奖。

与此同时，越来越多与细胞凋亡有关的基因进入科学家的视野，它们的原理与端粒类似。而人们不但希望能够找到诱使细胞凋亡的机理，更希望能够找到延长细胞分裂次数的方法，目前许多国家的研究组正在从事相关课题的研究。
1.2 端粒酶

正如前面所说端粒在细胞遗传物质半保留复制时会逐渐缩短，当其无法再缩短时细胞就会走向死亡。但是科学家们发现有一种能够在细胞进行有丝分裂时使端粒延长的酶，科学家将其称为端粒酶。研究表明，在正常细胞内端粒酶并不具有活性，因此一个细胞的分裂极限为50-70次，而随着细胞分裂次数的增加人也会逐渐衰老，这个极限被称为海弗利克极限。（这也就是《EVA》中提到的细胞分裂极限）而当端粒酶具有活性时，由于端粒被无限延长，因此细胞便可以拥有无限的寿命。这一现象与癌细胞的无限增殖极度类似，故一经发现便引起了科学家们的高度重视。目前人们在胚胎干细胞中发现了端粒酶的表达，这也解释了，为什么胚胎干细胞能够在短时间内大量分裂并分化形成胚胎。然而在成人中，端粒酶只在表皮细胞、激活的T细胞和B细胞以及某些干细胞中高度表达，同时有科学家认为在男性精细胞中也存在端粒酶的表达，但目前并没有相关证据能够证明。除此以外在绝大多数情况下，体细胞并不会表达端粒酶。

不过这些都只是目前端粒假说的内容，部分科学家依然对此表示质疑，有文献报道，某些哺乳动物的端粒长度与寿命呈正相关但其寿命依然受其他方面的影响。因此端粒及端粒酶对哺乳动物寿命的影响依然存在很多疑点，例如在大鼠脑细胞中，端粒并不会随年龄的增长而变短[28]。同样的在人体骨骼肌中的端粒长度在23至74岁时保持不变。而对端粒假说最有威胁的质疑是来自于Titia de Lange，他的实验证明在 p53 突变的背景下，随着端粒酶的失效，细胞中端粒会逐渐缩短甚至消失，但与此同时一部分细胞会突然四倍化，之后便会形成肿瘤这一过程证明了细胞的无限扩增并不一定是由于端粒及端粒酶的作用。

尽管存在很多未能解释的疑团，但端粒及端粒酶在抗肿瘤方面依然做出了巨大的贡献。而通过G-四链体小分子配体来抑制端粒酶的表达进而阻止癌细胞的无限增殖依旧是人们研究抗肿瘤的方法之一

到这里相信各位读者对端粒假说有了一定的认识，那么接下来的部分我们将着重从端粒及端粒酶在抗肿瘤治疗中的作用来聊一聊。
2 G-四链体DNA

看到这个标题可能很多读者会产生一些疑惑，不是说要来介绍癌症治疗，怎么扯到了这个没听过的名词上呢？您别急下面我慢慢跟您来聊。

进入21世纪后，分子生物学得到了极大的发展，人们发现在许多DNA负责调控的区域（启动子，终止子等）中含有大量鸟嘌呤序列(在所有基因中约有43％的启动子含有大量鸟嘌呤序列)，而这些鸟嘌呤在一定的条件下可以结合生成G-四链体结构。

不止如此，目前文献已报道G-四链体在端粒和许多重要的基因，例如c-myc（可以导致细胞无限增殖）、vascular endothelial growth factor（可以促进血管形成）、B-cell lymphoma-2（可以控制细胞凋亡）中都大量存在。对此科学家进行了很长时间的研究，其结果表明，G-四链体的形成或裂解可能会引起体内出现细胞凋亡、细胞无限增殖等情况，并且会影响肿瘤的形成，正是由于在DNA的调控区域出现大量G-四链体，所以他被认为是控制基因转录的“总开关”。

在抗肿瘤方面它被视为发展新的癌症分子靶向治疗药物的重要靶点之一。而其之所以能够靶向治疗癌症正是因为G-四链体DNA与小分子配体结合后可以作用于癌细胞使其端粒酶不再具有活性，正如前面介绍的那样，癌细胞的端粒之所以能够无限延长，与端粒酶的活性有着密不可分的关系，一旦端粒酶不再具有活性，那么癌细胞也就不能无限增殖进而能够起到杀死癌细胞的作用。这也就是在这部分我们重点来谈G-四链体DNA的原因。
2.1 DNA双螺旋结构

早在1869年F.Miescher及研究团队就从某种脓细胞中提取出一类酸性物质，F.Miescher称其为核质，但遗憾的是F.Miescher只是将其视为普通化学物质，因而并没有对它进行更深入的研究。

随着时间的推移，1944年Griffith在进行细菌相互转化的试验中发现脱氧核糖核酸（DNA）才是人们寻找已久的遗传物质，随后Ashbury通过XRD观察到DNA分子是由多聚核苷酸的长链排列组成，但是由于当时技术的问题Ashbury所公布的DNA图片极不清楚，因此所反映DNA图像并不被科学界公认。而到了1950年英国科学家Wilkins改进了Ashbury的测定方法，他在一个相对较高的温度下观察了DNA的XRD图，从而解决了之前DNA的XRD图清晰度不高的问题缺陷，并且意识到DNA可能存在螺旋形结构。尽管Wilkins后来进行了更深入的研究，但他一直无法更进一步的了解DNA的真实构型。直到Franklin这位具有创新性思维的物理化学家以助手的身份加入到Wilkins的研究小组。她凭借独特及大胆的想法，对很多传统实验方法进行了改进和创新，通过改良方案，从各个方面认识物质的不同形态，并且观测了在不同温度下DNA的XRD图。并把这些各种不同的结构进行结合，由此得到的DNA的XRD图越来越清晰，越来越接近真实DNA的结构。

到了1951年，美国科学家Watson在导师的要求下参加一场在意大利举行的学术会议。就在这场会议上Watson对Wilkins和Franklin关于DNA的XRD图的分析报告产生了浓厚的兴趣。这场会议对Watson之后的研究产生了深远的影响。Watson在博士毕业后被导师推荐到了远在英国的卡文迪什实验室，在这里他与Crick相遇并一起对DNA结构进行深入的研究。虽然受到之前Wilkins和Franklin报告的启发，但DNA究竟是一种怎样的螺旋结构.Watson和Crick并没有任何头绪。

直到1953年2月14日，在当天Watson与Wilkin的讨论中，Wilkin拿出了一张于1951年11月时获得的非常清晰的XRD照片。这张照片一下就吸引了Watson，他当即猜测DNA是一种双链螺旋结构。而就在两周后的2月28日Watson和Crick便用模型成功摆出了正确的DNA双螺旋结构。随后《自然》杂志便在4月25日发表了Watson与Crick的DNA双螺旋结构假说的文章，与此同时Wilkin和Franklin的两篇文章也支持了Watson和Crick的假说。后来更多科学家也从不同方面证明了DNA双螺旋结构。而Watson、Crick及Wilkin也因此共同获得了1962年的诺贝尔生理及医学奖。
2.2 G-四链体的结构

1910 年，Bang 等科学家首先阐述了当体系内鸟嘌呤浓度达到一定条件下可以形成胶体的现象，这一发现引起了科学家们的广泛猜测，普遍认为富含鸟嘌呤的DNA序列在特定条件下有可能会形成多聚二级结构 ，而Gellert等人通过XRD证明，鸟嘌呤在一定条件下可以组成四链体结构。

在1989年Sundquist及其研究团队发现在四膜虫的遗传物质的端粒尾部端鸟嘌呤DNA可以形成二聚体结构，并且该类二聚体在溶液中能够以相当稳定的配合物形式存在。而之后的实验表明这种二聚体是由端粒中3＇末端剩余序列( TTGGGGTTGGGG) 引导而产生的，而之后科学家们发现位于这种二聚体中两个发夹环间的氢键可以将之前形成的二聚体连接成更高级的结构（四链体结构），综上所述足可证明在端粒上存在稳定的G-四链体结构。正因为如此人们开始越来越热衷于研究G-四链体DNA。

到目前为止，科学家们已经成功绘制出G-四链体的构型其四个平面分别由四个鸟嘌呤核苷酸组合而成，而邻位的两个鸟嘌呤则由氢键相互结合。而带有一个正电荷的粒子位于其结构正中的间隙内，用以中和四个鸟嘌呤内氧原子的静电斥力以达到电中性，进而维持了G-四链体结构的稳定性。

2.3 G-四链体在环境应答领域的研究进展

正如前面所介绍，一般G-四链体均由4个鸟嘌呤结合而成。但在近日，有文献报道了一种具有一个空位的G-四链体结构。而其空位可以在环境中吸收鸟嘌呤衍生物（比如生理浓度的GTP）填充。研究人员发现这种G-四链体具有显著的稳定性。进一步的实验表明，这种G-四链体可以对鸟嘌呤衍生物的浓度变化做出应答，从而影响到DNA聚合酶，进一步直接影响到DNA的合成。同时科学家们发现这类结构在原核生物以及真核生物的基因中都有少量的分布，这提示这种特殊的结构可以在细胞中形成，同时人们猜测这与基因表达调控有关。但其具体作用及原理有待进一步研究。
聊到这里相信各位读者对G-四链体DNA能够有了初步的认识，那么在最后的部分我们将重点聊一聊G-四链体DNA在抗肿瘤治疗中的应用吧。
3 G-四链体在抗肿瘤中的应用

进入21世纪以来癌症的发病率逐年提升，癌症俨然成为了人类健康的杀手。而目前在临床上并没有一套能够彻底消灭癌细胞的方法，尽管科学家们对癌细胞永生不灭的机理至今没有头绪，但是随着科技的发展，越来越多的猜想及治疗方案的出现让人类一步步接近真相，例如ISL1（胰岛因子1）被人们发现在癌细胞中大量异常表达以及利用中国传统医学中的砒霜治疗白血病（血癌）的提出等都为科学家们进一步的研究开拓了方向，而在这一部分我们将重点来聊一聊G-四链体与天然中药单体作用在抗肿瘤中的研究。需要注意的是在医学上我们将肿瘤分为良性及恶性两类，而恶性肿瘤就是我们常说的癌症
3.1 以G-四链体为靶点的小分子化合物

部分文献表明很多天然中草药（例如紫草、木莲等）都有着清热、解毒的功效，同时这些中草药中的有效单体成分芦荟大黄素、茜草素、厚朴酚、厚朴酚等小分子化合物在细胞水平上均具有一定抗肿瘤活性。为了明确这些小分子化合物能否与G-四链体相结合，达到抗肿瘤的作用。一些研究通过选择具有平面结构的天然中草药有效单体成分为研究对象。而这些研究表明在c-myc 2345序列形成的平行结构的G-四链体可以作为靶点与上述天然中草药配体结合。其中芦荟大黄素、茜草素等会通过π-π堆积与c-myc 2345 序列的G-四链体平面结合，而在此过程中上述小分子化合物会与G-四链体结合形成配合物，其中芦荟大黄素与G-四链体的比例为1：1而茜草素则为1：2。而木莲中的有效单体成分厚朴酚并不能靶向结合c-myc 2345上的G-四链体进而达到抗肿瘤的作用，但厚朴酚的同分异构体和厚朴酚则能通过3’端π-π堆积和沟槽结合模式与c-myc 2345的G-四链体有效结合。
3.2 G-四链体小分子配体在抗肿瘤治疗中的不足及改进措施

虽然G-四链体小分子配体在抗肿瘤方面有着非常好的前景，但是这种治疗方法依然存在一些不足之处，主要是由于G-四链体结构具有多形性造成的。到目前为止，科学家们并没有发现哪种小分子配体能够与G-四链体100％结合形成配体。但幸运的是，有证据表明G-四链体小分子配体能够高效作用于GGGGCC区域并且进行表达。与此同时很多金属配合物也非常适合作为G-四链体的配体，这些都为G-四链体小分子配体抗肿瘤提供了新的解决方案。

同时正如之前端粒部分中所说，端粒假说至今并没有被科学界证实与肿瘤的发生有必然的联系，因此G-四链体小分子配体在临床上究竟能否成功治愈肿瘤至今还是一个未解之谜，所以目前在抗肿瘤治疗中，医学工作者还是优先倾向于传统的放射疗法。因此G-四链体小分子配体想要走向临床还有很长的路要走。
4 总  结

G-四链体当下已经被各国科学家广泛证实能够作为癌细胞端粒酶抑制剂，其靶向引导的治疗作为一种新型的抗肿瘤方案在未来会有广阔的发展前景。

虽然G-四链体DNA与作为配体的中草药结合在治疗肿瘤中的作用直到目前都没有被研究透彻，并且绝大多数治疗方案仅停留在理论研究阶段，同时，G-四链体的多形性让人们感觉到了其结构的复杂, 但这并非意味着其没有共同特点及普遍规律。如上所述,某一G-四链体的形成取决于特定的条件及其他诱导化合物的存在。

但是我们相信随着科学的发展，人们会对G-四链体与配体的结合有了更深一步的了解，这些问题都将会迎刃而解。并且科学家们能够将相关理论研究发展到临床应用方向，由此抗肿瘤治疗也能上升到一个新的高度，同时随着有机合成化学及药学的发展，我们也相信越来越多的能够安全，可靠的抗肿瘤药物能够出现在我们面前。

到此这篇文章所要跟各位读者分享的内容也就全部谈完了，通过这篇文章相信各位读者能够对《EVA》以及其他动漫、游戏等作品中出现及涉及的端粒假说等相关知识能够有初步的了解，同时也希望对您茶余饭后的谈资有所帮助，最后如果您发现任何知识性错误或者对本篇文章有任何疑问或建议希望您能不惜赐教。在下先行谢过。
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