斯坦福大学开发的一种新型纳米技术可能有助于更好地理解人类细胞的生死过程。
斯坦福研究人员在11月18日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上描述了新创建的合成DNA圆环——称为"纳米环"——如何帮助研究人员更多地了解细胞老化过程。
"从长远来看，我们有一个梦想，那就是让实验室细胞活得更久，"斯坦福大学化学教授、PNAS研究的合著者埃里克·库尔(Eric Kool)说。"我们几年前就想到了这个天马行空的想法，从那以后我们一直在为此努力。"
所有细胞都携带染色体——由双链DNA组成的大分子，其末端由称为端粒的单链序列封顶。在这项研究中，研究团队成功地在试管中使用合成纳米环延长了端粒。
"端粒是告诉细胞在死亡前还能分裂多久的时钟，"库尔指出。"共识是端粒的长度有助于决定细胞群能存活多久，所以如果你能让端粒变长，你就能对细胞寿命产生真正的生物效应。这些结果表明，有朝一日我们可能能够通过这种方法让细胞活得更久。"
细胞死亡
人类端粒由称为"碱基对"的化学簇组成，这些化学簇以TTAGGG的特定序列连接在一起。该序列在端粒的长度上重复数千次。但在细胞正常生命周期中每次分裂时，其端粒都会缩短约100个碱基对，直到所有细胞分裂最终停止。
"突然间，细胞中有一个开关说，'是时候停止分裂了，'"库尔解释道。"它的工作原理还不完全清楚，但很明显，一旦端粒达到3,000到5,000个碱基对的关键短长度，它们就会进入衰老并死亡。"
在自然界中，染色体可以通过端粒酶延长，端粒酶将新的TTAGGG序列添加到端粒的末端。但由于端粒酶在实验室中难以生产，库尔和他的同事决定创建模仿天然酶的合成纳米环。
每个纳米环由DNA碱基对组成，其排列序列与端粒互补。当置于试管中时，纳米环通过反复添加新的TTAGGG序列自动延长端粒。
"纳米环非常简单，令人惊叹，"库尔观察到。"每个纳米环就像一个模板，说'复制更多该序列'。在试管中，我们从非常短的端粒开始，最终得到在显微镜下用荧光标记容易看到的长端粒。这表明有朝一日我们可能能够使细胞无限期地存活和无限期地分裂，因此它们本质上变得焕然一新，仿佛更年轻。"
老化与癌症
库尔指出，大多数细胞的寿命有限，这是正常老化过程的一部分。
"生物体老化与细胞老化之间的联系不太明确，但很可能存在联系，"他指出。"另一方面，端粒长度决定单个细胞存活时间是很清楚的。"
库尔说，在某些疾病中，如早衰症(progeria)和肝硬化，患者的细胞具有异常短的端粒。癌症是另一种与端粒大小密切相关的疾病。
"为了让一个细胞变成癌细胞，它必须做的一件事就是开启使端粒变长的端粒酶基因，"他说。"身体已经决定，保持生物体存活的最佳方法是关闭端粒酶，因为否则你很容易发生突变和癌症。"
由于研究人员需要研究寿命长的细胞，许多实验室依赖于肿瘤来源的细胞，这些细胞持续分裂，因此是永生的。库尔预测，纳米环技术有朝一日可以提供一种替代方法，让研究人员在实验中使用健康细胞而不是癌细胞。
"如果你能以方便的方式研究正常细胞，这将对生物医学研究是一个巨大的福音，"他指出。"你可以去商店购买肝细胞、胰腺细胞和皮肤细胞，并让它们无限期存活——如果你能找到一种方法每隔几周刷新它们的端粒。这是我们这个项目的梦想：找到一种刷新端粒的方法，但不永久开启端粒酶，这可能会增加患癌症的可能性。"
移植医学
库尔认为纳米环技术可能在移植科学和器官发生中证明有用。
"也许有一天研究人员可以培育出新的肝脏、新的胰腺细胞、为烧伤患者提供新皮肤，"他说。"我们不必等待新的捐赠者死亡，可以在实验室中培育正常组织。如果你能取正常细胞并培育它们，也许我们就不需要干细胞；我们就不必卷入干细胞来源的争议。"
库尔和他的同事也开始研究单链端粒的结构，这些结构与染色体其余部分发现的双链DNA明显不同。
PNAS研究的主要作者是乌尔夫·M·林德斯特罗姆(Ulf M. Lindstrom)，他是斯坦福大学化学系前博士后研究员，现任职于瑞典隆德大学。其他斯坦福合著者包括前斯坦福本科生拉维·A·钱德拉塞卡兰(Ravi A. Chandrasekaran)，现任职于加州大学伯克利分校；斯坦福研究生卢西安·奥拜(Lucian Orbai)、桑德拉·A·赫尔奎斯特(Sandra A. Helquist)和格雷戈里·P·米勒(Gregory P. Miller)；以及加州大学圣塔芭芭拉分校物理系的埃明·奥鲁杰夫(Emin Oroudjev)和海伦·G·汉斯马(Helen G. Hansma)。该研究得到了美国国家科学基金会和瑞典研究理事会的资助。
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