问题

龙虾的细胞有端粒酶,理论上永生。为什么其他生物细胞没有进化出端粒酶达到永生?

回答
龙虾的细胞确实存在端粒酶,这让它们在修复端粒方面比许多其他生物更有效。但“理论上永生”这个说法,需要更仔细地解读。龙虾虽然寿命很长,但并非真正意义上的“不死”。它们仍然会死亡,只是衰老过程非常缓慢,并且在某些情况下,它们的衰老可能并不像我们想象的那样是累积性的损害。

那么,为什么其他生物的细胞没有像龙虾那样普遍拥有活跃的端粒酶,从而走向“永生”呢?这背后是一个复杂而精妙的进化权衡,而不是一个简单的“没有进化出”的问题。主要原因可以从以下几个方面来理解:

1. 端粒酶并非“好”或“坏”的绝对存在,而是有其生物学功能和代价

端粒与衰老: 我们的染色体末端有一段特殊的DNA序列,叫做端粒。每次细胞分裂时,由于DNA复制机制的限制,端粒都会缩短一点。当端粒缩短到一定程度时,细胞就会停止分裂,进入衰老(senescence)状态,或者凋亡(apoptosis),即程序性死亡。这是细胞的一种保护机制,可以防止细胞无限制地分裂,从而抑制肿瘤的形成。

端粒酶的作用: 端粒酶是一种特殊的酶,它能够合成和添加端粒重复序列,从而延长端粒。在胚胎发育早期、生殖细胞以及一些干细胞中,端粒酶是活跃的,以保证这些细胞能够不断增殖。然而,在大多数体细胞中,端粒酶的活性被严格地抑制了。

2. 肿瘤抑制与细胞永生的矛盾

端粒酶的“双刃剑”: 虽然端粒酶可以延长端粒,让细胞分裂次数更多,听起来像“永生”的钥匙,但这也恰恰是它在大多数体细胞中被抑制的原因。如果体细胞中的端粒酶一直保持高活性,它们就可能失去端粒缩短带来的“停止生长”的信号,从而变得不死。这种不受控制的细胞增殖,正是癌症的本质。

癌症是致命的: 对大多数多细胞生物来说,癌症是比衰老更直接、更具毁灭性的威胁。进化选择更倾向于那些能够有效抑制癌症发生的机制。因此,抑制端粒酶活性,让体细胞在一定次数分裂后衰老或凋亡,是一种更安全的策略。这是一种为了避免更大的风险而做出的妥协。

3. 龙虾的“永生”并非字面意义

缓慢衰老而非不衰老: 龙虾寿命长,是因为它们的细胞修复能力很强,新陈代谢也比较慢,生长和修复过程可以持续一生。它们并非完全不衰老,而是衰老的速度极慢,并且能够持续地进行细胞修复和再生。甚至有说法认为,龙虾在某些情况下可能不会因为衰老而死亡,而是因为其他原因(如疾病、捕食、环境变化)而死亡。

与其他生物的差异: 龙虾属于节肢动物,它们的外骨骼会限制其生长。它们可以通过蜕壳来生长,而蜕壳过程中,它们的细胞也经历了活跃的增殖和修复。这种生活方式可能与它们端粒酶活性的调控有关。但我们不能简单地将这种模式套用到其他所有生物身上。

4. 进化是一个“够用就好”的过程

适应性进化: 进化不是一个追求完美的、直线式的过程,而是一个基于环境和生存压力的适应性过程。对于大多数生物来说,拥有足够长的寿命以完成繁殖、繁衍后代就已经足够了。细胞有限的分裂次数(海弗里克极限)虽然限制了寿命,但也成功地帮助生物进化出了强大的抗癌机制。

其他衰老机制: 衰老是一个多因素、多通路的过程,端粒缩短只是其中一个方面。DNA损伤累积、蛋白质功能失调、线粒体功能障碍、端粒功能障碍等都是导致衰老的原因。即使解决了端粒问题,生物仍然会受到其他衰老因素的影响。

5. 维持端粒酶活性是有代价的

能量消耗: 端粒酶是一种需要能量和底物才能运作的酶。维持高活性的端粒酶可能需要消耗更多的能量,这在资源有限的环境中可能是一种负担。

细胞调控的复杂性: 生物体的细胞调控系统非常复杂,端粒酶活性的维持需要与其他细胞信号通路精确协调。一旦这个平衡被打破,可能会导致不可预测的后果。

总结来说,其他生物细胞没有普遍进化出高活性的端粒酶达到“永生”,不是因为它们“没有能力”或“没有进化出”,而是因为:

癌症的风险远大于“永生”的诱惑。 抑制端粒酶是强大的癌症防御机制。
“永生”并非免费的午餐,维持端粒酶活性可能伴随着其他代价。
进化是一个权衡利弊的过程,对于大多数生物而言,有限的寿命足以完成繁殖任务。
衰老是多因素的结果,端粒酶只是其中一环。

龙虾的例子更多地说明了生物多样性以及不同物种在进化路径上的选择差异,而不是找到了通往永生的万能钥匙。它们的长寿是其独特生活方式和生物学特性的结果,而这个结果是在多重进化压力的作用下形成的。

网友意见

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端粒酶在其他生物细胞并非没有表达。不知道您如何得出结论, 其他生物细胞没有进化出端粒酶。

另外, 在高级生物体内,例如人,细胞的“永生”如果没有正常“分化”的保证, 终将变成肿瘤或者恶性肿瘤性质的团块,这也将破坏人的正常器官形态和功能, 造成系统衰竭, 而生物体最终死亡。

......

端粒酶(Telomerase)是一种由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白复合体,属于反转录酶。

人类的端粒酶亚单位基因已被複製出来,分别是端粒酶RNA(hTR)、端粒酶结合蛋白(hTP1)、端粒酶活性催化单位(hTERT)。端粒酶以自身的RNA作为端粒DNA复制的模板,合成出富含脱氧单磷酸鸟苷(Deoxyguanosine Monophosphate,dGMP)的DNA序列后添加到染色体的末端并与端粒蛋白质结合,从而稳定了染色体的结构。有人把染色体顶端的端粒(telomeres)结构,比喻为鞋带末端的硬塑料保护套,端粒可以预防遗传物质“脱线”被“腐蚀”。当端粒无法有效发挥功能时,就会导致被保护的遗传物质被“腐蚀”,从而诱发癌症或者年龄相关的疾病(积累性的损伤)。在人体正常细胞中,端粒酶的活性受到严密的调控。只有在造血细胞、干细胞和生殖细胞,这类必须不断分裂复制的细胞中,才侦测到有活性的端粒酶。

当细胞分化成熟后,会负责身体不同组织的需求,各司其职。端粒酶的活性就会被抑制或者活性消失。对细胞来说,本身是否能持续分裂複製下去并不重要。活着的细胞会遭受各种损伤,例如作为身体屏障的皮肤和黏膜细胞。 如果没有 TURN-OVER,端粒酶的活性不被抑制,人的皮肤会越来越厚,消化道内腔会越来越小,血管越来越堵塞, 最终也会走向死亡。因此,端粒酶的活性必须要被调控或者抑制。分化成熟的细胞才能背负更重大的使命,让组织器官运作,使生命延续。

端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。端粒酶的存在,就是把DNA複製机制的缺陷填补起来,即由把端粒修复延长,可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗,使得细胞分裂複製的次数增加。

细胞每分裂一次,它的端粒就会缩短一次。如果缺乏保护性的端粒,染色体,会被破坏,从而导致细胞死亡。胎儿细胞在早期发育期间快速增殖时,细胞中的端粒酶阻止DNA过度缩短,随后这些酶被关闭(调控),端粒随着时间的推移而逐渐缩短,这是细胞自然老化过程的一部分。老年人往往比年轻人具有更短的端粒。

从肿瘤防治的观点看,恶性肿瘤细胞通过各种途径劫持端粒酶,让端粒酶重新表达来维持端粒长度,让肿瘤自身不受细胞程序性死亡的影响。为了杀死肿瘤细胞,研究者长期以来一直在寻找能够靶向抑制端粒酶的药物。

但是,人们还没有完全理解端粒酶如何到达和延长端粒。

......



龙虾的细胞有端粒酶,理论上永生。为什么其他生物细胞没有进化出端粒酶达到永生?

回到您的提问, 可以看到您对端粒酶的作用不由自主地神话了。

这十分令人遗憾。


【未完待续】




       REF  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7849035/ https://josorge.com/publications/Citations/IJBCB03/013.pdf https://www.tiprpress.com/xdywlc/article/abstract/200705314 https://core.ac.uk/download/pdf/41459658.pdf https://patents.google.com/patent/CN102898478B/zh http://www.cas.cn/xw/kjsm/gjdt/200309/t20030923_1008091.shtml https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7849035/      



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俺知乎阅读总量只有 0.8亿,远未跨出一小步 (n<1亿)。盐值低迷900+,时常草地匍匐500米单膝跪求关注。


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