Помоги проекту - поделись книгой:
Но для организма, по-видимому, страшнее другое: уменьшение числа нейронов и снижение эффективности функционирования оставшихся клеток приводит к тому, что устойчивость организма к этим шумам уменьшается.
Ведь "постоянство внутренней среды организма — условие свободной и независимой жизни". Эти слова, написанные Клодом Берналом в 1878 году, и сегодня вспоминают физиологи старшего поколения, читавшие труды своего знаменитого французского коллеги.
Особенно большой устойчивостью отличаются температура тела, содержание (соотношение) жизненно важных элементов и физико-химические свойства крови (рН, осмотическое давление). Однако это постоянство все же не абсолютно: как любые другие процессы в природе, биохимические и физиологические процессы подвержены спонтанным изменениям (флуктуациям). На эти "фоновые" колебания наслаиваются изменения, индуцируемые непрерывными раздражениями, которым подвергается организм человека или которым его подвергает сам. человек (изменение температуры, влажности и атмосферного давления воздуха, прием горячей ванны или холодного душа, "солнечные ванны"). Даже состав крови — этой постоянной внутренней среды организма неизбежно подвержен кратковременным, а иногда даже затяжным колебаниям. Все это становится причиной изменений биохимических или физиологических процессов.
Но изменение ведущих физиологических функций центральной нервной системы, кровообращения, дыхания индуцируется, как правило, лишь на относительно короткое время. В организме "заложены" многие средства, с помощью которых эти изменения с той или иной скоростью устраняются. Это физиологические средства охраны постоянства внутренней среды. Существуют и молекулярные механизмы поддержания относительного динамического постоянства (гомеостаза) физиологических функций и обмена веществ.
Гибель нейронов и других клеток, участвующих в нейрогуморальной регуляции, не только снижает эффективность этой регуляции, но и делает организм, как правило, более чувствительным к эндогенным (спонтанным) флуктуациям и индуцируемым внешними воздействиями изменениям внутренней среды.
Колебания физико-химических и физиологических параметров, которые для молодого организма были бы совершенно безвредны, в старости могут быть причиной развития патологических процессов и смерти. Это схематически изображено на рис. 4.
Рис. 4.
Свойства организма, протекающие в нем процессы прямо или косвенно зависят от генетической информации, которая закодирована в последовательности оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) половых клеток. После оплодотворения, т. е. соединения мужской и женской половых клеток в одну клетку — зиготу, начинается реализация генетической программы развития посредством деления и дифференцировки зиготы, ее дочерних и последующих клеток. В результате образуются различные органы, формируется целостный организм.
Образование клеток определенного типа, формирование из них органов и начало функционирования организма происходят по определенной программе. Эта программа определяется главным образом генетической информацией, содержащейся в ДНК. Именно различиями в этой информации объясняют не только особенности строения и функции того или иного организма, но и особенности его развития, общую продолжительность, соотношение различных фаз развития и т. д. Но если развитие организма определяется генетической информацией, то нельзя ли то же самое сказать и о возрастных изменениях, приводящих организм к старению и смерти?
Причины завершения жизни однолетних растений и некоторых животных, например горбуши, аналогичны тем, которые характеризуют их развитие. Иначе говоря, гибель этих организмов, очевидно, также является следствием реализации генетической информации, она как бы запрограммирована. О механизмах реализации генетической информации кратко будет рассказано дальше, а сейчас лишь подчеркнем: те из них, которые "работают" в процессе развития, отнюдь не идентичны тем, которые определяют программированную гибель. Механизм последней может быть подобен процессу разрушения машины вследствие взрыва в ней мины, имеющей часовой механизм, который является деталью, необходимой для работы самой машины.
Теперь твердо доказано: среди генов, составляющих геном человека или других животных организмов, есть такие, которые аналогичны по своей структуре генам онкогенных вирусов (ретровирусов), "ответственных" за способность этих вирусов вызывать превращение (трансформацию) нормальных клеток в раковые. Под влиянием физических или химических канцерогенных агентов окружающей среды или "спонтанно" — при старении клеток и организма — такие "встроенные" в геном человека гены могут изменяться (мутировать) и активироваться. С этим может быть связано развитие раковых заболеваний, от которых погибает значительная часть людей пожилого и преклонного возраста.
Но большая часть организмов завершает свою жизнь по другим механизмам. Уже на ранних стадиях развития организма в нем происходят процессы, которые не закодированы в генах половых клеток. Ведь что такое реализация генетической информации? Это синтез под контролем определенных генов специфических белков, главным образом ферментов, катализирующих или непосредственно осуществляющих различные процессы. Однако в клетках протекают и такие реакции, которые непосредственно не катализируются ферментами. Эти реакции начинаются (инициируются) вследствие теплового разрушения молекул или реакции последних с продуктами метаболизма клетки. Такие реакции мы назовем боковыми, поскольку они являются следствием выхода метаболитов из запрограммированного цикла превращений.
Например, в процессе окисления органических веществ в клетке образуется перекись водорода. Обычно эти молекулы разрушаются в реакции, катализируемой ферментом каталазой; но они могут "ускользнуть" от этого фермента и прореагировать с какими-либо другими макромолекулами, в том числе — что особенно опасно для клетки — с макромолекулами генетического аппарата.
Даже обычная температура тела животных является для существования их клеток отнюдь не безопасной. Про температуру около 37 °C врачи говорят — она нормальная, биологи и физиологи — физиологическая. Но посмотрим, что происходит с молекулами при этой температуре.
О том, что некоторые ферменты при этой температуре спонтанно могут терять свою активность (инактивироваться), известно давно. Последствиям этой тепловой нестабильности белков серьезного значения не придавали, поскольку инактивированные молекулы белка в клетке могут быть заменены новыми. Но ведь генетическая информация таким образом не заменяется, хотя при определенных условиях имеющиеся искажения ее могут быть устранены.
В делящихся клетках она передается дочерним клеткам в результате процесса удвоения ДНК, ее редупликации. В неделящихся клетках, таких, как нейроны или мышечные клетки взрослых животных, редупликативного синтеза ДНК не происходит. Поэтому такие клетки должны функционировать в организме в течение всей его жизни с одним и тем же набором молекул ДНК. По крайней мере в течение первой ее половины должна сохраняться и генетическая информация женских половых клеток. Ведь гибель любой из этих клеток не может быть компенсирована делением оставшихся. Следовательно, в организме человека одна и та же ДНК находится во многих клетках при температуре 37° в течение многих десятков лет.
Теперь мы можем сформулировать вопрос, который, как это уже становится очевидным, является принципиальным для понимания молекулярно-генетических механизмов старения: с какой скоростью происходит тепловое повреждение (деградация) ДНК в клетке при 37°? Ответа на этот вопрос в первом издании этой книги мы дать не могли — к моменту ее написания еще не существовало достаточно точных методов определения скорости тепловой деградации ДНК при температурах, резко не отличающихся от физиологических.
В промежутке времени между двумя изданиями этой книги нам, а затем нескольким другим группам исследователей удалось разработать методики и с их помощью измерить скорость тепловой деградации ДНК в клетках человека и других млекопитающих при температурах, не намного превышающих 37 °C.
Но сначала оценим приблизительно эту скорость из результатов опытов по тепловому повреждению (деструкции) ДНК в растворе. Установлено, что при такой деструкции "слабым местом" в ДНК является связь оснований с сахаром — так называемая гликозильная связь с ним пуринового основания. При нагревании растворов ДНК наблюдается прежде всего выщепление из ДНК пуриновых оснований — происходит процесс депуринизации ДНК. Это схематически показано на рис. 1.
После того как основание выщепилось из ДНК, связь фосфатной группы с сахаром (фосфодиэфирная связь) в участке депуринизации становится довольно неустойчивой, и она быстро подвергается разрушению вследствие присоединения молекулы воды (т. е. происходит гидролитический разрыв полинуклеотидной цепи).
Итак, в ДНК "спонтанно" протекают два основных повреждающих ее процесса — депуринизация и образование разрывов полинуклеотидной цепи. Скорости протекания обоих процессов зависят не только от температуры, но и от концентрации водородных ионов (рН) и ионов других солей (ионной силы раствора). Если хранить ДНК в водном растворе при значениях ионной силы и рН, близким к тем, при которых ДНК существует в клетке, то скорость депуринизации ДНК при "физиологической" температуре 37° будет столь мала, что ее трудно измерить с большой точностью современными методами количественного анализа пуриновых оснований. Однако можно еще определить скорость депуринизации ДНК и при других различных температурах и построить график зависимости константы скорости депуринизации от температуры. Этот график в так называемых Аррениусовых координатах имеет вид прямой (линия 1, рис. 5, где показана такая зависимость от температуры, линия 2 — скорости депуринизации лиофилизованной ДНК).
Рис. 5.
Известные физико-химические свойства ДНК таковы, что кривую можно продолжить (экстраполировать) до значений абсциссы, соответствующей температуре 37°. Рассчитанная нами таким методом константа скорости депуринизации близка к значению 11-10 в секунду. Это означает, что из ДНК при физиологических условиях (т. е. при значениях температуры, рН и ионной силы, близких к таковым в клетках) каждую секунду в расчете на 1010 оснований должно теряться примерно одно основание.
Подробный теоретический анализ данных, касающихся организации ДНК в клетке и условий ее существования там, позволяет заключить, что выщепление пуриновых оснований из ДНК клетки происходит со скоростью, довольно близкой к той, которую мы рассчитали. Но даже если эта скорость в 10 раз меньше рассчитанной, заключение о вероятном значении в старении депуринизации ДНК при физиологической температуре остается тем же. Приходится только удивляться, каким образом клетки могут длительно существовать при температуре 37°.
Ответить на этот, казалось бы, весьма далекий от проблем "классической" геронтологии вопрос — значит, понять один из основных защитных молекулярных механизмов, выработанных, очевидно, уже на самых ранних этапах эволюции клеток и организмов для поддержания их жизнеспособности. А следовательно, найти подход для поиска факторов, увеличивающих устойчивость организма к старению.
Конечно, особенно интересны количественные данные теплового повреждения ДНК в клетке (in vivo). Определить скорость такого повреждения ДНК при 37 °C до последнего времени было невозможно, так как при этой температуре наряду с возникновением тепловых повреждений ДНК протекает и обратный процесс — залечивания (репарации) этих повреждений (подробнее об этом процессе будет рассказано чуть позже).
Когда же попытались определить повреждения ДНК в клетках млекопитающих при температурах, превышающих 37 °C, но меньше тех, при которых происходит разрушение клеток, никаких повреждений ДНК не зарегистрировали. Их обнаруживали лишь в случае прогревания клеток грызунов при 65 °C. (Константа скорости образования повреждений ДНК при этой температуре была нами рассчитана, и ей соответствует точка 3 на рис. 5.) Таким образом, к началу 80-х годов среди биологов утвердилось мнение, что при температуре меньше 45 °C тепловые повреждения ДНК в клетках млекопитающих если и индуцируется, то в количествах, которые невозможно зарегистрировать.
Однако с помощью усовершенствованного А. Н. Хохловым и мной седиментационного метода анализа ДНК в культивируемых фибробластах человека нам удалось измерить количество повреждений ДНК, индуцируемых в процессе прогревания этих клеток при 44 °C. В эксперименте учитывались два существенных момента. Во-первых, в течение опыта клетки сохраняли жизнеспособность, т. е. можно было считать, что определяется процесс повреждения ДНК в живых клетках. И во-вторых, при температуре 44 °C происходит существенное ингибирование процесса репарации ДНК, а это означает, что при такой температуре аккумулируются тепловые повреждения ДНК.
Рассчитанной на основании полученных нами данных константе скорости образования тепловых повреждений ДНК соответствует точка 4 на рис. 5.
Спустя несколько лет после опубликования этих данных ряд исследователей в США также зарегистрировали повреждения ДНК в клетках млекопитающих, прогретых при температурах меньше 45 °C.
Несмотря на сложность анализа и в то же время его неполноту, можно с большой вероятностью утверждать: константа скорости теплового разрушения структуры ДНК лежит в пределах менее одного порядка, а именно в пределах 6·10-11 с-1 до 3·10-10 с-1.
Другие пути оценок скоростей спонтанного разрыва связей пуринов с сахарными остатками в ДНК, основанные на анализе механизмов разрывов этих связей, также приводят к значениям их констант при 37 °C, лежащих в этом диапазоне. В том же диапазоне лежат и рассчитанные нами константы скоростей "спонтанного" разрыва полинуклеотидных цепей ДНК при физиологических условиях.
Но каков биологический смысл этих констант? Каким образом их знание приближает нас к пониманию механизмов старения? Без дополнительного количественного анализа ответить на эти вопросы невозможно.
Примерно каждую секунду в геноме каждой клетки человека спонтанно возникает одно повреждение ДНК. Чтобы "воспринять" приведенные константы, оценить значимость, казалось бы, ничтожно малых скоростей спонтанного возникновения в ДНК апуриновых участков и разрывов, рассчитаем число таких повреждений, возникающих в течение часа в геноме клетки человека и сравним эту величину с числом повреждений ДНК, индуцируемых в той же клетке ионизирующим излучением в дозе, вызывающей гибель значительной части облученных клеток. Такое сравнение ценно, и вот почему. Во-первых, основную "массу" повреждений ДНК, индуцируемых ионизирующим излучением, составляют также разрывы полинуклеотидных цепей или участки ДНК, из которых выщеплены пуриновые или пиримидиновые основания. Во-вторых, из многочисленных данных радиобиологии следует, что такого рода повреждения ДНК или их комбинации (в частности, образование из двух однонитевых разрывов, локализованных в комплементарных цепях вблизи друг друга, "полного" (двойного) разрыва двойной спирали ДНК) ответственны за биологические эффекты излучений. И в-третьих, содержание ДНК в нормальной клетке человека существенно не отличается от содержания в нормальных клетках других млекопитающих. Таким образом, наша количественная оценка скорости возникновения тепловых повреждений ДНК в клетках человека и ее значения будет справедлива и для клеток различных млекопитающих.
В геноме каждой клетки возникает одно повреждение ДНК в секунду. Согласно данным различных работ ДНК в каждой диплоидной клетке человека содержится около 7·109 пар оснований. Примерно столько же пар оснований содержится в ДНК соматической клетки других видов плацентарных млекопитающих. Таким образом, в расчете на ДНК диплоидной клетки человека скорость депуринизации можно принять соответствующей выщеплению в течение часа 2500 пуриновых оснований.
Поскольку процесс образования спонтанных однонитевых разрывов, как правило, лимитируется на этапе депуринизации ДНК, то, следовательно, скорость образования спонтанных однонитевых разрывов должна быть такого же порядка, что и скорость депуринизации ДНК. Подчеркнем однако, что сказанное верно лишь в отношении тепловых разрывов ДНК.
Но часть разрывов ДНК возникает в клетке вследствие реакции с ДНК эндогенных метаболитов радикалов ОН· и O2, а также Н2О2, перекисей липидов ионов металлов с переменной валентностью. Кроме того, часть "спонтанных" разрывов ДНК обусловлена "ошибками" в работе ферментов (ДНКаз) и их "незапрограммированным" взаимодействием с ДНК. Таким образом, в зависимости от типа клеток и их физиологического состояния общая частота возникновения "спонтанных" разрывов в ДНК клеток человека, вероятно, в той или иной степени превышает значение 2·103 в час.
Количество повреждений ДНК такого типа, спонтанно возникающих в животных клетках в течение часа, примерно равно числу повреждений ДНК, индуцируемых в этих же клетках облучением их рентгеновским или γ-излучением в дозе 2,5–5 Гр (или 250–500 рад). Но при такой дозе облучения значительная часть клеток млекопитающих гибнет, а в организме этих животных обнаруживают изменения физиологических процессов.
Что касается скоростей возникновения других классов спонтанных повреждений ДНК in vivo, то определить их гораздо труднее. Межцепочечные сшивки в ДНК образуются в местах ее депуринизации, вероятно, с частотой в 10-2-10-3 от частоты депуринизации. Иными словами, в течение суток в геноме каждой диплоидной клетки человека образуется порядка 60-600 сшивок между обеими цепями ДНК. Скорость выщепления пиримидиновых оснований в расчете на геном диплоидной клетки человека, вероятно, примерно в 20 раз меньше скорости выщепления пуриновых оснований. Во всяком случае, соотношение скоростей выщепления пиримидиновых и пуриновых оснований из ДНК, находящейся в растворе, примерно таково. Следовательно, число пиримидиновых оснований, спонтанно выщепляемых из ДНК диплоидной клетки человека, может составлять около 3·103 за сутки. Это количество весьма существенное.
Сравнение на основании данных константы скорости спонтанного дезаминированного цитозина в растворе при рН 7 и при относительно высокой температуре с расчетным значением константы скорости депуринизации ДНК при той же температуре и том же рН показывает, что скорость спонтанного дезаминирования цитозина может быть даже больше, чем скорость депуринизации. Но последняя согласно приведенным выше расчетам соответствует выщеплению из ДНК в течение суток (в расчете на геном диплоидной клетки млекопитающих) порядка сотни тысяч аденина или гуанина. Следовательно, возможно, что скорость дезаминирования цитозина в ДНК составляет порядка 105 в течение суток в расчете на геном клетки млекопитающих. Если это так, рассматриваемое спонтанное изменение ДНК также нужно считать биологически очень существенным, учитывая резкое изменение матричных свойств цитозина после его дезаминирования.
В начале 80-х годов автор этой книги сформулировал предположение о том, что в клетке может протекать не программированный (спонтанный) процесс алкилирования ДНК в основном через реакцию ее с физиологическим донором метальных групп — S-аденозилметионином. Оценки показали, что в результате такой реакции только число метальных групп, спонтанно присоединенных к ДНК, составляет в расчете на геном клетки млекопитающих несколько сот в час.
В последние годы были проведены и экспериментальные исследования частоты непрограммированного метилирования ДНК, т. е. переноса на нее метальных групп с S-аденозилметионина. Из этих данных следует, что число метальных групп, спонтанно присоединяемых лишь по шестому атому кислорода гуанина в ДНК, составляет порядка 100 в час.
Теперь суммируем результаты проведенных оценок частоты возникновения различных спонтанных повреждений ДНК в клетках млекопитающих при физиологических условиях их существования. В течение часа выщепляется примерно 2500 пуриновых и 120 пиримидиновых оснований; индуцируется около 2000 однонитевых разрывов; дезаминируется значительное число цитозинов и метилируется, вероятно, не менее 100 гуанинов. Таким образом, общая скорость возникновения рассмотренных нами спонтанных повреждений ДНК составляет примерно 5·103 в час.
Это очень большое число повреждений ДНК, если принять во внимание биологическую роль ДНК. Ведь если в геноме клетки образуется за секунду по крайней мере одно повреждение ДНК, то за время жизни делящейся клетки (между двумя ее делениями в организме человека и многих других животных обычно проходит по меньшей мере 24 часа) в ней должно возникнуть 105 таких повреждений, а за время жизни нейронов в мозге человека (приблизительно 70 лет) — около 2,5·109 повреждений. Это соответствует выщеплению из генома большей части всех пуриновых оснований.
Частота повреждений ДНК, индуцируемых в каждой клетке организма млекопитающих за 1 час под влиянием фона ионизирующих излучений, составляет примерно 5·10-3. (Оценка сделана экстраполяцией зависимости от дозы числа индуцируемых повреждений ДНК различного типа к фоновым дозам.) Таким образом, скорость возникновения спонтанных повреждений ДНК примерно в 106 раз (а может быть, и в еще большее число раз — мы оценили "вклад" отнюдь не всех механизмов спонтанного повреждения ДНК) превышает скорость возникновения повреждений ДНК, индуцируемых фоновым излучением.
Это заключение может показаться парадоксальным. Ведь генетики, в том числе выдающиеся (например, академик Н. П. Дубинин), считают, что фон излучений вносит хотя и не очень большой, но все же измеримый вклад в частоту спонтанных мутаций у млекопитающих. Как же разрешить этот парадокс?
Сегодня известно: почти все спонтанные повреждения ДНК залечиваются. Большинство из индуцированных ионизированным излучением повреждений ДНК также репарируется. Однако скорости репарации спонтанных и индуцированных повреждений ДНК могут быть различными. Это станет понятным после того, как мы рассмотрим системы репарации повреждений ДНК. Но сразу же подчеркнем малую исследованность этих систем. Это связано прежде всего с двумя обстоятельствами. Первое можно охарактеризовать вкратце — исследовать процессы репарации спонтанных повреждений трудно из-за ограничений чувствительности традиционных методов исследования. Что касается второго обстоятельства, то для его понимания нужно сделать краткий экскурс в проблему стабильности (или, как теперь становится очевидным, нестабильности) ДНК.
До последнего времени среди молекулярных биологов, биохимиков и особенно генетиков преобладающим являлось мнение о стабильности ДНК. Например, знаменитым Уотсоном в его руководстве по молекулярной биологии подчеркнуто: "Количество ДНК в хромосомах постоянно… В пользу генетической роли ДНК свидетельствовала и ее метаболическая стабильность. В отличие от многих других клеточных молекул ДНК стабильна: атомы, однажды включенные в ее состав, не покидают молекулу".
Однако еще в 1970 году в монографии "Молекулярные механизмы старения" автор этой книги сформулировал концепцию, одно из основных положений которой состояло в том, что в клетках с относительно большой частотой возникают спонтанные изменения генома. Кстати, это заключение было сделано на основании не только анализа свойств ДНК и метаболизма клетки, но и сравнения механизмов старения с механизмами радиобиологических эффектов. Что касается последних, то к тому времени уже были получены факты, позволяющие полагать, что они по крайней мере частично определяются повреждениями ДНК. На основании такого анализа было заключено, что ДНК в клетке должна подвергаться весьма интенсивному повреждению, особенно окислительной деструкции химически активными внутриклеточными метаболитами.
Исходя из этой концепции, а также основываясь на закономерностях, свидетельствующих о роли повреждений ДНК в старении, в лекции, прочитанной в 1972 году в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов, нами было сформулировано следующее следствие: в ряду различных видов млекопитающих существует прямая корреляция между способностью клеток определенного организма к репарации ДНК и видовой продолжительностью жизни.
Несколько лет спустя (в 1974 году) американские радиобиологи Р. В. Харт и Р. Б. Сэтлоу обнаружили такую корреляцию при исследовании репаративного синтеза ДНК, индуцированного УФ излучением в клетках 10 плацентарных млекопитающих, различающихся по видовой продолжительности жизни примерно в 50 раз (от полевки, живущей менее 2 лет, до человека, видовая продолжительность жизни которого составляет около 100 лет).
Однако в этой и последующих работах, в которых также наблюдали корреляцию между продолжительностью жизни организмов и способностью их клеток к репарации ДНК, исследовали репарацию не спонтанных, а индуцированных излучениями повреждений ДНК. И пришли к выводу: часть спонтанных повреждений ДНК устраняется с помощью тех же ферментов, которые участвуют и в репарации повреждений ДНК, индуцируемых УФ или ионизирующим излучением, или химическими мутагенами.
Одна из наиболее изученных систем репарации, защищающих клетки от таких (генотоксических и мутагенных) агентов, состоит из ряда ферментов, залечивающих повреждения в ДНК путем вырезания измененных ее участков и замены их нормальными. Вспомним: хирург, прежде чем зашить концы ран, проводит их хирургическую обработку — удаляет поврежденные участки ткани, "освежает" рану. Процесс репарации начинается с выщепления измененных частей ДНК, например модифицированных оснований. Эта стадия репарации осуществляется также в несколько этапов (рис. 6).
Рис. 6.
1. Индукция повреждения (реакция одного из оснований ДНК с ОН· или Н2О2 или другим эндогенным генотоксическим метаболитом; тепловое повреждение или попадание в ДНК квантов УФ, рентгеновского или другого вида ионизирующего излучения). 2. Узнавание повреждения и образование в ДНК разрыва. 3. Выщепление (вырезание) здорового участка ДНК, прилежащего к поврежденному. 4. Репаративный синтез ДНК. 5. Сшивание концов ДНК. В скобках указаны ферменты, катализирующие соответствующий этап репарации ДНК
Первый из них — "узнавание" повреждения в ДНК и образование вблизи него "надреза" (мы продолжаем проводить аналогию процесса репарации с работой хирурга). Такую операцию осуществляет фермент эндонуклеаза, разрушающий модифицированную нить ДНК. Затем подключается другой фермент — экзонуклеаза, который выщепляет модифицированное основание, а вместе с ним обычно и значительное количество "здоровых" оснований. В результате в ДНК образуется брешь. Поскольку же вторая нить остается целой, то, используя ее как матрицу, третий фермент — ДНК — полимераза заполняет эту брешь. Процесс репарации завершает четвертый фермент — лигаза. Этот фермент связывает вновь синтезированный участок ДНК с тем концом, который остался после процесса выщепления.
Рассмотренный пример наглядно показывает: в процессе репарации происходит синтез ДНК. Этот синтез связан не с делением клетки, а с восстановлением ДНК, поэтому его называют репаративным. Интенсивность его легко определить, добавляя в среду, где находятся клетки, меченый тимидин — вещество, которое входит в состав только ДНК. Теперь, чтобы ответить на вопрос о том, происходил ли "ремонт" ДНК, т. е. замещение отдельных ее оснований, достаточно установить, является ли ДНК клетки, не приступающей к делению, радиоактивной.
С помощью такого сравнительно простого приема нами и было получено доказательство того, что репарация ДНК происходит не только в том случае, когда клетки повреждаются физическими или химическими агентами, т. е. в необычных условиях, но и в таких условиях, которые можно считать нормальными, физиологическими. Поэтому такой процесс получил название спонтанного репаративного синтеза ДНК.
Кстати, вывод, который неизбежно следует из факта протекания спонтанного репаративного синтеза, состоит в том, что ДНК клетки в процессе нормального метаболизма повреждается. Следовательно, биологическая стабильность генома, его надежность обеспечиваются и "волшебной палочкой квантовой химии", т. е. стабильностью ее химических связей (Э. Шредингер), и системой репарации ДНК, функционирующей в клетке.
Только что рассмотренную систему репарации ДНК (по причинам, теперь, наверное, понятным читателю) называют вырезающей или эксцизионной (от англ. exision — вырезать). Одна из принципиальных особенностей репаративного синтеза ДНК, протекающего при такой репарации, состоит в том, что он осуществляется в различные фазы клеточного цикла. "Обычный" же синтез ДНК, в результате которого происходит удвоение количества ДНК и поэтому называемый редупликативным (обычно говорят "репликативный"), протекает лишь в определенную фазу жизни клетки. Таким образом, редупликативный синтез ДНК является запрограммированным, протекающим в S-фазу клеточного цикла, а репаративный — незапрограммированным, или внеплановым.
Система эксцизионной репарации ДНК и механизм ее редупликации резко отличаются по чувствительности к оксимочевине. Репаративный синтез не ингибируется под влиянием концентраций этого вещества в дозах, при которых редупликативный синтез ингибируется почти полностью. Такое различие было найдено не только в культуре клеток, но и в тканях взрослых крыс и мышей. В мозге этих животных митотическая активность глиальных клеток резко уменьшается, а нейроны взрослых животных вообще лишены способности делиться. Поэтому мы полагали, что интенсивность синтеза, связанного с делением глиальных клеток, и внепланового синтеза — величины одного порядка. Но если это так, то внеплановый синтез ДНК в мозге взрослых животных можно было определить по его резистентности к оксимочевине. Таким образом, суть проведенного нами вместе с Т. М. Третьяк эксперимента состояла в том, что животным вводили оксимочевину с таким расчетом, чтобы в течение нескольких часов примерно на 95 % ингибировать редупликативный синтез ДНК (концентрации были подобраны на основании исследования синтеза ДНК в печени подопытных крыс, а также в модельной системе на культивируемых фибробластах человека). Сравнение интенсивности редупликативного синтеза в клетках головного мозга крыс первых дней жизни и взрослых животных заставляет предположить, что наряду с репарацией спонтанных повреждений ДНК в них протекает, вероятно, и другой процесс, также не связанный с делением клеток.
Наиболее вероятное объяснение полученных нами данных состоит в том, что включение меченого тимидина в ДНК мозга взрослых крыс в значительной степени определяется репаративным (внеплановым) синтезом ДНК, который индуцируется спонтанными генетическими повреждениями. Это заключение подкрепляется результатами исследования включения 3Н-тимидина в ДНК "нейрональных" и "глиальных" фракций ядер двухлетних крыс. Было найдено, что удельная активность ДНК нейрональных ядер в расчете на 1 мкг ДНК лишь в 2 раза меньше удельной активности ДНК ядер глиальных клеток. Включение тимидина в ДНК глиальных ядер определяется в значительной степени тем, что в части глиальных ядер протекает и редупликативный синтез ДНК. Ведь известно, что деление глиальных клеток в мозге крыс и других млекопитающих происходит в течение всей жизни. Что же касается включения тимидина в нейрональные ядра, то оно, очевидно, определяется в основном репаративным синтезом ДНК.
Однако при исследовании динамики содержания меченого тимидина в ДНК головного мозга крыс были получены данные, которые невозможно объяснить лишь исходя из предположения, что внеплановый синтез ДНК связан только с репарацией спонтанных повреждений ДНК.
Эти данные показывают, что наряду с репаративным синтезом ДНК, необходимым для устранения спонтанных повреждений ДНК, в головном мозге протекают и другие формы "внепланового" синтеза ДНК. Одна из этих форм может включать обратную транскрипцию, т. е. процесс синтеза ДНК на матрице РНК, катализируемый обратной транскриптазой. Другая форма синтеза может состоять в перестройке определенных генов клеток головного мозга крыс, аналогичной перестройке иммуноглобулиновых генов В-лимфоцита при его дифференцировке. В этом процессе может участвовать часть тех ферментов, которые катализируют процесс репарации спонтанных повреждений ДНК.
Как известно, существует два типа памяти, определяемых функциями центральной нервной системы и иммунологической системы. Возможно, что это формальное сходство двух систем имеет в своей основе один и тот же молекулярный механизм — перестройку определенных генов (соединение их константных и вариабельных участков и мутацию в "горячих" точках последних) в процессе дифференцировки не только лимфоцита, но и нервной клетки. Обнаруживается также поразительное сходство в механизмах активации нервной клетки и лимфоцита и на уровне мембран.
Существует группа наследственных болезней, при которых увеличена частота хромосомных нарушений (аберраций), определяемых в клетках крови. При ряде таких болезней нарушена и способность клеток к репарации ДНК. И при многих из этих синдромов определяют нарушение функций иммунологической и центральной нервной системы. Обнаружение таких закономерностей еще в середине 70-х годов позволило автору этой книги предположить, что ферменты, катализирующие репарацию спонтанных повреждений ДНК, участвуют в дифференцировке лимфоцитов и нервных клеток.
Выше мы пришли к заключению, что одно из наиболее частых типов спонтанных повреждений ДНК — образование в ней апуриновых участков. Но известно, что один из ферментов, катализирующих процесс репарации апуриновых ДНК, — апуриновая ДНКаза, которая обнаружена в различных растительных и животных клетках. А при исследовании активности этого фермента в фибробластах больных людей, страдающих наследственным заболеванием — пигментной ксеродермой, снижение этой активности было найдено лишь у тех групп больных, у которых имелись нейрологические симптомы этого заболевания. Поскольку это заболевание наследственное, то, следовательно, генетический дефект по апуриновой ДНКазе должен быть и в нервных клетках больных с нейрологическим синдромом.
Апуриновые-апиримидиновые эндодезоксирибонуклеазы — семейство ферментов, участвующих в репарации не только спонтанно возникающих апуриновых и апиримидиновых участков, но и таких же участков, образованных в результате выщепления из ДНК модифицированных оснований под влиянием ферментов, получивших название ДНК-гликозилаз (так как эти ферменты разрывают гликозильную связь между основанием и сахарным остатком). Есть основания полагать, что в клетках головного мозга млекопитающих содержатся и гликозилазы, и апуриновые (апиримидиновые) эндонуклеазы. Активность последних мы обнаружили в клетках головного мозга крыс различного возраста.
Доказательство протекания репаративного синтеза ДНК в клетках человека мы получили при исследовании опухолевых клеток линии HeLa, а при определенных условиях и в нормальных клетках (фибробластах) человека. Как был буквально увиден репаративный синтез ДНК в культивируемых клетках, стоит рассказать.
Дело в том, что еще в 70-х годах репаративный синтез ДНК в клетках млекопитающих искали несколько групп ученых, известных своими пионерскими работами по репарации радиационных повреждений ДНК (Р. Б. Пайнтер с сотрудниками, Г. Смит и Р. Б. Ханавалат). Они не обнаружили такого синтеза, и благодаря их высокому авторитету интерес к спонтанному репаративному синтезу ДНК ослаб. Эти же отрицательные результаты в некоторых обзорных молекулярно-биологических работах цитировали и как доказательство стабильности ДНК. (Вспомним, что протекание или отсутствие репаративного синтеза — это показатель наличия или отсутствия повреждений ДНК.) Парадоксально, что упомянутые исследователи являются радиобиологами, а радиобиологи приняли гипотезу о нестабильности ДНК раньше всех, рассуждая так: раз существует репарация радиационных повреждений ДНК, то должна же она "что-то делать" и в необлученных клетках.
Но как же все-таки мы сумели "увидеть" репаративный синтез ДНК в необлученных культивируемых клетках человека? Эти клетки культивировали с меченым тимидином в течение двух часов, а затем его удаляли и радиоавтографическим методом исследовали меченые ядра клеток, находящихся на различных стадиях клеточного цикла. Нас особенно интересовали клетки в стадии телофазы.
Простой расчет показал, что если меченый тимидин в ДНК этих клеток имеется, то он мог попасть туда лишь в результате внепланового синтеза ДНК. Действительно, как хорошо известно, редупликативный синтез ДНК протекает лишь в S-фазе клеточного цикла, а между этой фазой и телофазой у диплоидных фибробластов проходит больше двух часов. Иными словами, наблюдая под микроскопом "телофазные" клетки с мечеными ядрами, мы могли заключить, что тимидин включился в ДНК этих клеток после завершения S-фазы, т. е. в результате внепланового и, очевидно, репаративного синтеза.
В последние годы другие авторы также пришли к заключению о протекании в различных клетках млекопитающих спонтанного репаративного синтеза ДНК.
Как уже отмечалось, система репарации апуриновых участков ДНК включает апуриновую эндонуклеазу, "узнающую" в ДНК апуриновый участок. Это начальное звено эксцизионной системы репарации апуриновых участков. Другие этапы репарации катализируются обычными экзонуклеазами ДНК, полимеразами и лигазами, составляющими эксцизионную систему репарации ДНК. Веским аргументом в пользу этого предположения может служить тот факт, что апуриновую эндонуклеазу нашли практически во всех биологических системах, в которых ее искали: бактериальных и растительных клетках, клетках различных тканей крыс, теленка и человека. Причем в клетках человека активность этого фермента, вероятно, особенно велика в связи с относительно большой (среди других млекопитающих) продолжительностью жизни.
До недавнего времени полагали, что единственный механизм репарации апуриновых участков — эксцизионный. Однако в 1977 году автор этой книги обосновал предположение о существовании нового механизма репарации апуриновых участков. В книге "Закономерности молекулярно-генетического действия химических канцерогенов" (Москва, Наука, 1977) исходя из таких закономерностей был предсказан фермент, катализирующий прямое включение пуриновых оснований в апуриновые участки. Сделано это было на основании анализа механизмов репарации апуриновых ДНК, образованных после повреждения ДНК химическими канцерогенами. Было заключено, что после разрыва гликозильной связи (между модифицированным канцерогеном, пуриновым основанием и сахарным остатком) может протекать одноэтапный процесс присоединения к сахарному остатку нормального основания. В 1979 году мы получили косвенное доказательство существования в диплоидных фибробластах человека и клетках линий HeLa такого фермента, названного нами репуриназой.
В 1979 году фермент, обладающий свойствами репуриназы, был обнаружен группой американских авторов и назван ими инсертазой. Он был исследован ими тоже в фибробластах человека и клетках линии HeLa.
Мы уделили большое внимание механизмам репарации спонтанных повреждений ДНК, поскольку, только имея представление об этих механизмах, можно понять кардинальное положение, вытекающее из всего вышеизложенного по проблеме нестабильности ДНК. Вместо классического представления (или догмы классической генетики и молекулярной биологии), что гены и составляющие их молекулы ДНК являются физически стабильными структурами, в которых лишь с очень редкой частотой происходят изменения — мутации (и то в основном лишь в процессе их редупликации), теперь приходится признать иное: ДНК и гены лишь динамически или биологически постоянны. Это означает, что в них с относительно большой частотой возникают повреждения ДНК и примерно с такой же (но, очевидно, не точно такой же!) частотой они залечиваются.
Уже то, что скорости этих противоположных процессов хотя и близки, но, судя по всему, не равны, подчеркивает фундаментальное значение пересмотра представлений о стабильности ДНК для понимания механизмов старения и долголетия.
Однако важно еще вот что. Большая роль изменений ДНК в старении клеток и целостного организма признается теперь большинством биогеронтологов и наиболее выдающимися клиницистами-геронтологами. Но как до сих пор представляют эту роль многие биогеронтологи, судя по их обзорно-теоретическим статьям? Исходя из, так сказать, классических представлений о роли мутаций в старении.
Чтобы убедиться в том, что такие представления нужно изменить, сравним частоту спонтанных мутаций с частотой повреждений генов, возникающих лишь вследствие тепловой нестабильности ДНК. Эта последняя согласно приведенной выше оценке равна около 3·103 в час, или почти 105 в сутки, или около 5·108 за 20 лет. Частота же спонтанных мутаций составляет, как правило, порядка 10-5 в расчете на одно клеточное деление для соматической клетки и в расчете на одно поколение для мутаций в половых клетках. Число генов в клетках человека и других млекопитающих считается равным порядка 105 (обычно генетики называют цифру 5·104). Следовательно, в процессе деления соматической клетки или в процессе репродукции организмов, возникает в среднем одна или, быть может, несколько мутаций.
Поделиться книгой: