Помоги проекту - поделись книгой:
В результате связывания нейромедиатора — катехоламина "со своим" β-адренорецептором также происходит активация аденилатциклазы и, следовательно, также возрастает содержание цАМФ в клетке. Это, в свою очередь, активирует процесс цАМФ-зависимого фосфорилирования ферментов и структурных белков. Но как будет показано в главе III, содержание β-адренорецепторов в различных клетках стареющего организма, как правило, уменьшается.
Приведенные примеры ясно свидетельствуют о том, что "потенциал", "запас прочности" функций различных органов старого организма и в связи с этим его способность адаптироваться к изменению внешних условий, устойчивость к таким изменениям резко снижены. Теперь становится очевидным, сколь важно для понимания механизмов старения получить ответ на вопрос: от чего зависит, чем определяется "запас прочности" той или иной функции организма? Ведь от ответа на него будут зависеть и наши представления об основных путях борьбы с преждевременным старением. Если научиться увеличивать "запас прочности" функций всех органов человека или по крайней мере тех, которые "дряхлеют" раньше остальных, то тем самым можно не только задержать развитие преждевременного старения, но и обратить его вспять, не только предупредить преждевременную смерть человека, "прибавить годы к жизни", но и сделать более продуктивной и интересной жизнь пожилых людей, "прибавить жизни к годам".
Теперь мы уже знаем, что один из молекулярных механизмов снижения адаптационной способности организма при старении может состоять в изменении количества рецепторов в центральной нервной системе. С возрастом может уменьшаться количество дофамин- и β-адренергических рецепторов в головном мозге различных млекопитающих. При этом, как следует из опытов на крысах, способность адаптироваться к различным стимулам на уровне дофаминергических рецепторов в старости сохраняется, тогда как уменьшение β-адренергических рецепторов снижает адаптационную способность организма. Для снижения этой способности, возможно, имеет значение изменение не только количества, но и качества рецепторов (их структуры и сродства к молекулам, специфически взаимодействующим с этими рецепторами), а также физико-химического окружения (т. е. свойств липидного бислоя мембран, в которые могут быть встроены рецепторы).
Концентрация цАМФ и активность аденилатциклазы, катализирующей синтез этого регулятора многих биохимических процессов, имеют существенное значение для функциональной способности целого ряда исследованных клеток и органов. Активность аденилатциклазы регулируется целым рядом биологически активных факторов, в частности нейромедиаторами. А их эффекты, в свою очередь, зависят от соответствующих рецепторов, количество которых может уменьшаться при старении. В результате активность аденилатциклазы и, следовательно, цАМФ под влиянием различных стимулов у старых животных нарастает медленнее, чем у молодых.
Этот теоретический (исходя из анализа механизмов старения) вывод соответствует результатам исследования, проведенного Джохапаном Стессманом с соавторами (Иерусалим, 1984 год) на 10 молодых здоровых добровольцах (средний возраст 27 лет) и 10 пожилых людях (средний возраст 77 лет). Добровольцам вводили сальбутамол, специфически взаимодействующий с одним из типов рецепторов к нейромедиаторам, от которых зависит активность аденилатциклазы. Под влиянием этого вещества концентрация цАМФ у молодых людей увеличилась в 3 раза, а у пожилых лишь в 1,5 раза. Следовательно, функциональная способность органов, активность которых обеспечивается также соответствующей концентрацией в клетках цАМФ, при старении может быть снижена и вследствие снижения количества или нарушения структуры и функции β-рецепторов.
Кроме того, характер изменения давления и частоты пульса (также регулируемых через β-рецепторы в тканях сердечно-сосудистой системы) у молодых и пожилых людей изменялись после введения им сальбутамола по-разному: у первых систолическое давление и частота пульса возрастали, а диастолическое давление уменьшалось, тогда как у пожилых людей эти показатели оставались прежними.
В клетках почки продукцию выработки цАМФ можно стимулировать при определенных условиях вазопрессином. Эксперименты показывают: в клетках старых мышей (возраст 35 месяцев) максимальная реакция стимуляции выработки цАМФ гораздо меньше, чем в клетках молодых мышей, а при этом вазопрессина, необходимого для получения максимальной реакции у старых мышей, требуется гораздо больше. Хотя если исследовать клетки без активации в них синтеза цАМФ, то оказывается, что его количество не зависит от возраста мышей в достаточно широком диапазоне возрастов, т. е. оно практически одинаково у молодых животных (6 месяцев) и у старых (35 месяцев).
Отмеченное в рассмотренном примере ослабление синтеза цАМФ при действии вазопрессина может иметь прямое отношение к снижению концентрационной способности почек при старении. Теперь мы можем провести параллель между функциональной способностью органа и "запасом прочности" его молекулярных механизмов, активируемых физиологическим стимулом.
Изменение скорости протекания различных биохимических процессов в организме людей преклонного возраста, в частности нарушение микросомальной системы метаболизма чужеродных веществ, заставляет соблюдать большую осторожность при выборе и применении целого ряда лекарственных препаратов, особенно таких, как β-адреноблокаторы, сердечные гликозиды, диуретики, антикоагулянты, барбитураты, гормональные препараты, сульфаниламиды и антибиотики.
Можно отделить общие молекулярные механизмы старения (такие процессы, как повреждение генов, снижение активности и, возможно, точности работы белоксинтезирующего аппарата), лежащие в основе снижения функциональной способности всех или большинства клеток и тканей, от специфических для определенных тканей и органов механизмов. О молекулярно-клеточных процессах старения и их механизмах мы будем неоднократно говорить. Здесь приведем лишь один пример.
Одним из наиболее уязвимых к старению органов является матка. Ее старение также можно связать с нарушением молекулярных механизмов гормональной регуляции этого органа. Вот впечатляющий пример. После того как молодым овариэктомированным крысам (возраст 6–8 месяцев) внутрибрюшинно ввели 3 мг (в расчете на 100 г массы животных) женского полового гормона 17 β-эстрадиола, активность РНК-полимеразы (фермента, катализирующего синтез ПНК) в ядрах матки возрастала и достигала максимума (85 %) через 12 часов. У старых же овариэктомированных самок крыс (возраст 24 месяца) максимум активности был достоверно ниже, и наблюдали его лишь через 18 часов после введения гормона. Кроме того, через 6 часов после введения того же гормона активность РНК-полимеразы у молодых крыс возрастала по сравнению со старыми примерно в 10 раз.
Из примера явствует, что в процессе старения матки в ядрах клеток происходит существенное снижение чувствительности процесса активации синтеза РНК под влиянием гормона. Эти молекулярные изменения могут уменьшать функциональную способность органа (ведь синтез РНК определяет синтез белков, а последние — функции органа, в том числе и функции матки).
Конечно, механизмов поддержания жизнеспособности организма может быть множество.
К числу наиболее важных отнесем молекулярные системы поддержания надежности функционирования генов, центральную нервную систему и систему иммунологической защиты. Причины сбоя этих механизмов при старении в значительной своей части ясны. Таким образом, уже известны критические звенья, влияя на которые можно надеяться задержать преждевременное старение или по крайней мере уменьшить вероятность одряхления.
Рассмотренными здесь системами не ограничивается число критических параметров организма, по которым можно судить о его жизнеспособности в пожилом возрасте. Например, результаты биохимического анализа сыворотки японцев старше 65 лет, госпитализированных по поводу различных заболеваний, связанных со старением, показывают: чем выше концентрация в сыворотке кальция, тем больше у больного шансов выйти из клиники выздоровевшим.
Итак, после прекращения развития организма "запас прочности" его органов и их функциональной активности начинает постепенно снижаться. Это может быть связано и с тем, что количество функциональных единиц органов и митотическая активность обновляющихся органов уменьшаются. Например, уменьшается количество нефронов в почках, нейронов в головном мозге, альвеол в легких и в поджелудочной железе, сосудистых клубочков в различных органах, сосочков эпидермиса в коже. Митотическая активность эпителия кожи и кишечника, интенсивность деления клеток других обновляющихся тканей также уменьшаются в процессе старения организма.
Мы уже говорили о влиянии на жизнеспособность организма гибели нервных клеток. Для снижения функциональной способности различных органов имеет значение гибель и другого типа клеток. Так, функциональная способность легких у женщин в 90-летнем возрасте резко уменьшена по сравнению с функциональной способностью легких молодых (до 35 лет) женщин. Причем согласно данным авторов, установивших этот факт, он объясняется прогрессирующим уменьшением числа клеток.
Исследование клеток иммунологической системы позволяет проследить изменение не только количества и активности того или иного элемента биологической системы при старении, но и соотношения их. Например, при исследовании лимфоцитов периферической крови, полученной от пожилых людей, выяснилось: относительное содержание субпопуляций лимфоцитов у них изменено по сравнению с популяцией лимфоцитов, полученных от молодых людей. Дисбаланс содержания Т-лимфоцитов у пожилых людей связан с изменением соотношения субпопуляций лимфоцитов этого класса. Но известно, что в иммунном ответе существенное значение имеет сбалансированное взаимодействие различных субпопуляций лимфоцитов.
Можно полагать, что снижение с возрастом способности клеток к делению (а это один из основных функциональных признаков старения клетки) находится в причинно-следственной связи со снижением жизнеспособности всего организма.
По химическому составу, структуре и ультраструктуре (наблюдаемых соответственно в световом и электронном микроскопах) клетки различных организмов и органов могут различаться весьма значительно, и вот в связи с чем. Кроме функций, необходимых для "самосохранения", клетки выполняют и специализированные функции, необходимые для жизнедеятельности всего организма. Клетки желез внутренней секреции выделяют в кровь секрет, мышечные клетки участвуют в акте сокращения мышц, нервные — в синтезе белков, необходимых для генерации и передачи нервных импульсов, и т. д. В основе этих различий лежит синтез клетками специфических белков, участвующих в выполнении специализированных функций. Так, клетки поджелудочной железы синтезируют инсулин, щитовидной железы — тироксин, нервные клетки — белки, синтезирующие передатчики нервных импульсов (нейромедиаторы), мышечные клетки — миозин, миоглобин и актин, фибробласты — коллаген и т. д. Следовательно, нарушение синтеза таких белков при старении должно приводить к нарушению их способности выполнять специализированные функции, к снижению функциональной активности органов, в состав которых они входят. Действительно в процессе старения человека и животных, например, клетки поджелудочной и щитовидной желез, клетки мышц и соединительной ткани синтезируют с меньшей интенсивностью соответственно инсулин, тироксин, миозин и коллаген.
Способность почек "отфильтровывать" кровь от ненужных или даже вредных веществ с возрастом также уменьшается. В выполнении клетками почек этой их основной (специализированной) функции участвует и специальный белок — аденозинтрифосфатаза, стимулируемая ионами натрия и калия. Ее активность в клетках почек в процессе старения может снижаться. Такой же фермент наряду с другим — лактатдегидрогеназой — необходим для работы мышц. Так вот, способность мышц к сокращению при старении и человека и всех изученных животных снижается, и уменьшается активность упомянутых ферментов.
Пока процесс старения не зашел еще слишком далеко и снижение интенсивности синтеза специализированных белков относительно невелико, активность функции в обычных условиях может и не быть снижена. Но представим себе ситуацию, при которой под влиянием "нагрузки" глюкозой в организме возникла потребность в увеличении количества инсулина, или в результате стрессового воздействия кора надпочечников должна выработать увеличенное количество кортикостероидов. Клетки молодых организмов справляются с этой задачей гораздо более эффективно, чем клетки старых организмов. Таким образом, одной из биохимических основ снижения "запаса прочности" физиологических функций может быть снижение способности клеток органов, выполняющих эти функции к синтезу специализированных белков.
Можно сделать даже более широкое обобщение: один из важных физиологических (а может быть, и психологических) признаков старения организма — снижение его адаптационных возможностей, его способности приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды — обусловлен снижением способности клеток к синтезу специализированных белков. Известно, что в животных клетках, так же как и в бактериальных, протекают процессы так называемой индукции синтеза белка.
Например, если корм животного содержит относительный избыток какой-либо аминокислоты или в его организм поступают чужеродные токсические вещества (называемые ксенобиотиками), то в печени активируется синтез ферментов, участвующих в метаболизме этой аминокислоты, или ксенобиотиков. Иначе говоря, в клетках увеличивается концентрация ферментов, для которых такие вещества, являются субстратами. Поэтому рассмотренный процесс и называется субстратной индукцией ферментов. А упомянутый выше процесс синтеза в коре надпочечника кортикостероидов под влиянием гормона гипофиза — пример гормональной индукции синтеза белка.
Близким к этому же классу процессов можно считать и синтез противобактериальных и других антител клетками системы иммунологической защиты организма. При старении по крайней мере некоторых животных способность клеток к синтезу белков во всех перечисленных случаях снижается. Изложенное приводит и к практически значимому предположению: молекулярной основой меньшей устойчивости старого организма к нарушению режима питания, к действию на него токсических веществ и других стрессовых факторов, уязвимости к инфекционным заболеваниям — основой всех этих "физиологических симптомов" старения может быть снижение способности клеток к усиленному синтезу специализированных белков, в частности снижение способности к субстратной и гормональной индукциям синтеза белка.
Однако реакция организма на критические ситуации и адаптация к более слабым изменениям окружающей среды отнюдь не сводятся к синтезу специализированных белков.
Реакция организма на изменения условий окружающей среды включает также определенное усиление деления клеток обновляющихся тканей. Например, клетки, участвующие в синтезе антител, начинают интенсивно делиться вследствие поступления в организм микроорганизмов или чужеродных веществ (антигенов).
Более наглядный пример роли делящихся клеток в реакции на патологический стресс — заживление раны после нанесения повреждения, например раны кожи или печени. Во всех этих случаях увеличение интенсивности деления клеток старого организма обычно меньше, чем клеток молодого организма. Это означает, что при старении ослабляется способность увеличивать интенсивность деления определенных клеток, когда это необходимо организму.
Но в последние годы установлено, что стимуляция деления, например, при заживлении ран, опосредована синтезом специальных белков — ростовых факторов и других белков, специфически взаимодействующих с первыми и поэтому называемых рецепторами факторов роста. Можно полагать, что снижение митотической активности — "глухота" к митогенам, приобретаемая клетками в процессе старения, частично обусловлено снижением способности к синтезу названных белков. Таким образом, снижение при старении "запаса прочности" функций таких органов, как головной мозг, сердце, поперечно-полосатые мышцы, кожа и т. д., а затем и снижение их функциональной активности обусловлено, по крайней мере частично, нарушением синтеза специализированных белков, их организацией в определенные структуры, а также уменьшением митотической активности обновляющихся тканей.
Но афоризм, сформулированный французскими геронтологами: "Человек имеет возраст своих сосудов", конечно, тоже нельзя забывать. В некоторых случаях так называемого патологического старения изменения сосудов действительно могут определять скорость старения организма, а эти изменения во всех случаях далеко зашедшей старости — существенная причина старения и гибели клеток некоторых органов. Однако старение животных клеток, очевидно, не обусловлено только тем, что их питание с возрастом становится все хуже. Нарушение функций клеток — это внутреннее свойство, проявляющееся даже при нормальных условиях их жизнедеятельности. В чем же природа этого свойства? Что определяет жизнеспособность клетки и какие структуры ее "поражаются" при старении?
Глава III
Механизмы старения и гибели клеток
Теперь мы рассмотрим молекулярные возрастные изменения клеток и постараемся выделить из них наиболее существенные. К числу таких относятся, вероятно, изменения не только ДНК, но и всего белоксинтезирующего аппарата в целом.
Клетки поджелудочной железы и мышц старых людей и животных продолжают синтезировать соответственно инсулин и миозин, но никогда наоборот. Твердого доказательства существенного изменения в процессе старения специфического для данной клетки "спектра" синтезируемых белков не было получено при исследовании и других органов.
Но такое нарушение, возможно, происходит у раковых клеток, частота возникновения которых возрастает при старении организма. Следовательно, как правило, клетка сохраняет свое дифференцированное состояние (остается "сама собой") до конца своей жизни; и если оно нарушается, то, очевидно, клетка перестает быть нормальной (она превращается в раковую клетку) или гибнет.
Действительно в последние годы обнаружено, что канцерогенез сопровождается и, вероятно, определяется активацией в трансформируемых клетках протоонкогенов. Показано, также, что, во-первых, некоторые из этих протоонкогенов активны только на ранних стадиях развития, и, во-вторых, что дерепрессия протоонкогенов в клетках взрослых организмов может быть связана с их мутацией.
То, что возможности белоксинтезирующего аппарата старых клеток снижены, следует из данных об уменьшении концентрации в них рибосом. Кроме того, синтез белка, проводимый "в пробирке" на рибосомах, выделенных из клеток старых животных, протекает гораздо менее интенсивно, чем на рибосомах, выделенных из клеток молодых животных.
Рассмотрим несколько фактов, поясняющих роль в механизмах старения изменений синтеза белка на уровне трансляции и изменения структуры белка после его синтеза (посттрансляционной модификации).
Так, снижение интенсивности синтеза белка, вероятно, является одним из механизмов старения дрозофилы. Это снижение, в свою очередь, определяется тем, что замедляется процесс роста (элонгации) пептидной цепи, вследствие снижения активности (точнее, синтеза) одного из факторов элонгации. Установлено (Г. С. Вебстер, С. Л. Вебстер, 1985, США), что снижение интенсивности синтеза этого белка связано также с ускорением распада кодирующей его мРНК.
Результаты исследования белоксинтезирующей способности препаратов различных фракций рибосом из тканей молодых и старых мышей показывают, что снижение при старении скорости синтеза белка на уровне трансляции обусловлено внутририбосомными изменениями.
Снижение синтеза белка при старении особенно сильно сказывается на функции головного мозга. Две группы исследователей обнаружили в 1984 году значительное снижение синтеза белка в тканях мозга при старческом склерозе мозга (болезни Альцгеймера). Причем одна группа из Гарвардского университета (США) изучала синтез белка в препаратах, полученных из мозга умерших людей, а другая группа (французских исследователей) определяла метаболическую активность ткани мозга в прижизненных исследованиях.
Связь между снижением функции определенных структур мозга и снижением интенсивности синтеза в них белка была прослежена также в опытах на крысах в лаборатории Л.Соколова (1985, США) и в лаборатории метаболизма мозга отдела охраны здоровья человека в Бетесде. Согласно данным этой лаборатории, опубликованным в 1985 году, особенно значительно снижается синтез белка в старости в структурах, связанных со зрительными и слуховыми функциями (соответственно зрительная кора, верхние бугры; латеральное коленчатое тело; слуховые ядра, нижние бугры и т. д.).
В нескольких лабораториях, в частности в лаборатории Е. С. Северина (Институт молекулярной биологии АН СССР) сделан ряд открытий о ключевой роли протеинкиназ (протеинфосфотрансфераз) в регуляции метаболизма клетки и различных ее функций. Эти ферменты, как видно из их названия, катализирующие процесс фосфорилирования белков, разделяют на два класса: зависимые от циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) и не зависимые от нее. По данным последних лет, в печени стареющих крыс (исследован возраст до 30 месяцев) активность обоих ферментов понижается. Изменяется даже структура этих ферментов. Так, молекулярная масса казеинкиназы печени 30-месячных крыс больше, чем печени крыс в возрасте 18 месяцев и менее.
Белки всех организмов построены лишь из одной формы аминокислот — L-формы. Однако это твердо установленное правило в процессе старения нарушается. Так, при анализе аминокислот в белом веществе головного мозга трупов людей в возрасте от 30 до 80 лет обнаружено возрастающее с годами содержание D-аспарагиновой кислоты, причем в такой степени, что это может приводить к изменению функции головного мозга.
Синтез различных классов РНК может нарушаться потому, что повреждаются соответствующие матрицы — ДНК. Это особенно относится к тем участкам ДНК, которые служат матрицей для синтеза рРНК. Процесс повреждения таких матриц столь интенсивен, что удалось обнаружить даже уменьшение содержания в клетках головного мозга и сердца старых животных генов, кодирующих рРНК. Такое уменьшение, очевидно, является одной из важных причин снижения при старении способности клетки увеличивать интенсивность синтеза белка в условиях, когда требуется повысить функциональную активность. А это, в свою очередь, является одной из причин снижения "запаса прочности" различных функций у старых организмов (см. предыдущую главу).
Общей для всех стареющих клеток причиной снижения способности к синтезу РНК является повреждение ДНК и образование между нею и ядерными белками прочных комплексов или даже соединений. Этот молекулярный процесс, который мы называем старческой, или инволюционной, репрессией генома (чтобы отличить его от репрессии генома, происходящей при дифференцировке клеток), оказывается, очевидно, центральным событием в старении по крайней мере неделящихся клеток. Нарушение их функций и гибель, в свою очередь, являются определяющими в старении всего организма.
Выше мы рассмотрели подробно только один, хотя и существенный фактор повреждения ДНК в клетке — тепло. Но в процессе метаболизма образуются такие вещества, как кислородные радикалы, перекись водорода, перекиси липидов, формальдегид и целый ряд других веществ, которые активно реагируют с ДНК и тем самым разрушают ее. Кроме того, в клетке (и, как правило, в ее ядре) присутствует фермент дезоксирибонуклеаза, катализирующий деградацию ДНК.
Даже жизненно необходимые молекулы кислорода — потенциальный источник повреждения ДНК. Остановимся подробнее на характеристике кислородзависящего процесса повреждения генома.
Прежде всего уточним термин "кислородзависящее повреждение". Для этого вспомним, что окисление органических молекул кислородом в клетках происходит путем катализируемого ферментами переноса электронов (отрываемых от окисляемых молекул) на молекулу О2. Для полного восстановления молекулы О2 до 2Н2О необходимо присоединение к О2 4 электронов, так как каждый атом кислорода может присоединить 2 электрона. Однако ферменты переносят электроны на молекулы кислорода по одному. Поэтому в процессе биологического окисления образуются и полувосстановленные формы кислорода, обладающие большой реакционной способностью. Некоторые из таких молекул могут "ускользать" от ферментов, осуществляющих полное восстановление О2.
Простейшая из таких форм — молекула кислорода, присоединившая 1 электрон и поэтому находящаяся в свободно-радикальном состоянии. Такой анион-радикал называют супероксидным радикалом и обозначают
Известны и другие окислительные реакции (например, аутоокисление катехоламинов), в процессе которых образуется
Вырабатывая большие количества
Но в процессе реакции, катализируемой ею,
образуются молекулы перекиси водорода и кислород в синглетном состоянии — также очень активная форма кислорода. Кроме того, в реакции между
Все активные формы кислорода:
Такое предположение автором этой книги было сделано в 1970 году в другой книге "Молекулярные механизмы старения". Я вспоминаю об этом, потому что гипотезы относительно образования активных форм кислорода и их биологической роли были сформулированы на основании анализа молекулярных механизмов старения. И с начала же 70-х годов количество исследований биологической роли активных форм кислорода стало резко возрастать прежде всего в связи с открытием суперокисиддисмутазы. Существование такого фермента было ясным указанием на то, что супероксидные радикалы образуются в клетке, а их устранение с помощью этого фермента — один из внутриклеточных защитных механизмов.
К заключению о том, что радикал ОН· имеет биологическое значение, мы пришли также на основании анализа молекулярных механизмов летального действия на клетки ионизирующих излучений. Такой анализ показал, что около 50 % "летальных радиационных ударов" обусловлено реакциями, инициируемыми ОН·. Но из данных радиобиологии также следовало, что летальный удар — это повреждение ДНК клетки. Таким образом, исходя из обоих заключений можно было вывести, что по крайней мере радикалы ОН·, индуцируемые излучением, поражают ДНК клетки. Наверное, и образуемые в процессе нормального метаболизма ОН· также представляют для генома реальную опасность. Правда, уж раз мы вспомнили о механизмах радиационного поражения и роли в этих механизмах ОН·, то отметим и то, что эта роль проявляется также и через реакции переокисления липидов с участием ОН·. Но перекиси липидов также повреждают генетический аппарат, и поскольку это один из основных потенциальных эндогенных генотоксических факторов, то по изменению с возрастом содержания их в тканях и сыворотке крови можно судить об изменении степени, так сказать, внутренней угрозы ДНК — при старении. Концентрацию перекисей липидов можно определить довольно простым методом — по реакции с тиобарбитуровой кислотой.
Масоко Хагихара и его сотрудники из института биохимии Нагойского университета обследовали с помощью такого метода две группы (по 60 человек) людей, одну из которых составляли мужчины и женщины моложе 40 лет, а другую — старше 40 лет. В сыворотке крови второй группы содержание перекисей липидов было на 12 % больше, чем в сыворотке крови людей первой группы. Еще более значительным (на 20–25 %) было повышение после 40 лет содержания перекисей липидов во фракциях липопротеидов низкой плотности.
А о роли активных форм кислорода в старении животных организмов свидетельствует недавно обнаруженный факт продления жизни дрозофил путем ограничения их летательной активности, а следовательно, и потребления кислорода. Группа исследователей из США (Р. С. Зохаль с соавторами, 1984) изучили также влияние физической активности дрозофил на активность в их тканях супероксиддисмутазы, катал азы, а также неорганических перекисей и глутатиона. Концентрации последних двух веществ у мух с высоким показателем летательной активности были выше, чем у дрозофил с низкой активностью.
Что касается количественной оценки повреждений ДНК, вызываемых различными эндогенными генотоксическими факторами, то сделать ее трудно из-за того, что их роль и в радиационном, и в спонтанном повреждении ДНК должна резко зависеть от типа клеток и их функционального состояния. Более того, генетический контроль процессов, с протеканием которых связано образование активных форм кислорода и других эндогенных генотоксических факторов, может нарушаться. Как следует из материала, изложенного выше, это должно приводить к увеличению нестабильности ДНК, частоты хромосомных абберраций и увеличению радиочувствительности.
Такая гипотеза была сформулирована и кратко обоснована в статье автора этой книги, опубликованной в 1979 году в журнале "Успехи современной биологии". Практически в ней было предсказано, что существуют генетические заболевания, для которых характерны названные симптомы и в основе которых лежит увеличение количества активных форм кислорода, приводящее к увеличению спонтанной нестабильности ДНК. В последнее время получено доказательство, что такие заболевания действительно встречаются, хотя, к счастью, и редко.
В клетках, вероятно, существует равновесие между активностью супероксиддисмутазы и образованием активных форм кислорода. При старении это соотношение может измениться вследствие не только увеличения продукции супероксида, но и уменьшения активности супероксиддисмутазы, что действительно наблюдается, по крайней мере в некоторых органах.
Все рассмотренные нами до сих пор эндогенные генотоксические факторы были неферментативной природы. Но потенциальную опасность для генома клеток представляют ее собственные ферменты.
Основное значение из ферментов такого рода имеют, вероятно, ДНКазы, вызывающие в ДНК разрывы полинуклеотидных цепей.
Идея о том, что ДНКазы не только участвуют в спонтанной деградации ДНК, но что их активация или усиление их синтеза — механизм "программированного" разрушения клеток в процессе старения или морфогенеза, наверное, впервые была сформулирована в докладе-лекции, прочитанной мною в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов в 1972 году. Тогда эта функция ДНКаз была названа механизмом "самоубийства" клетки, (подробнее об этом ферменте будет рассказано в главе IV).
Хотя пока мы обращаем основное внимание на эндогенные генотоксические факторы, а экзогенные (внешние) будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экогеронтологии, о роли одного физического фактора в спонтанной нестабильности ДНК некоторых клеток человека сказать уместно и здесь. Речь идет об УФ-излучении солнечного света и о клетках участков кожи, не защищенных одеждой или волосяным покровом.
Для таких клеток роль естественного УФ-излучения в нестабильности их генетического вещества сравнима с ролью тепла в его спонтанной нестабильности. Так, сопоставляя результаты расчетов интенсивности достигающего клеток кожи человека УФ-излучения солнечного света в Южных широтах Северного полушария с зависимостью количества образуемых димеров пиримидиновых оснований от дозы УФ-облучения, определенной экспериментально на культивируемых клетках человека, можно заключить: в ДНК каждой клетки человека с белой кожей, в течение часа пребывающего на ярком солнце, образуется примерно 5·104 повреждений, представляющих собой пиримидиновые димеры (т. е. ковалентно сшитые друг с другом пиримидиновые основания, расположенные рядом в одной из полинуклеотидных цепей). Большая часть из них удаляется (вырезается) из ДНК с помощью эксцизионной системы ее репарации.
Но возвратимся к проблеме спонтанных повреждении ДНК. Очевидно, что для понимания молекулярных механизмов старения принципиальное значение имеет вопрос о том, как изменяются с возрастом два рассмотренных фундаментальных, диалектически противоположных процесса возникновение спонтанных повреждений и их репарация. Результаты нескольких исследований (подробнее о них будет рассказано в главе IV) позволяют полагать, что эффективность процесса репарации в старых клетках может быть меньше, чем в молодых. Кроме того, есть основания считать, что нарушение слаженности в работе ансамбля репарирующих ферментов приводит не к залечиванию, а наоборот, к интенсивному повреждению ДНК. Ведь мы видели (см. рис. 6), что на определенном этапе должно происходить своевременное переключение процесса репарации с этапа выщепления оснований на этап синтеза ДНК — заполнения имеющейся в ней бреши. Если же такое переключение почему-то задерживается (например, в клетке понижена концентрация ДНК-полимер азы), и в этом случае экзонуклеаза не может "вовремя остановиться", то процесс деградации ДНК должен стать не физиологическим, а патологическим — процесс репарации "переходит" в свою противоположность, т. е. развивается повреждение генома.
Таким образом, накопление повреждений в геноме стареющих клеток происходит не только вследствие нарушения равновесия между процессами возникновения спонтанных повреждений ДНК и их репарации, но и потому, что уменьшается репарируемость повреждений.
Для того чтобы повреждение могло быть репарировано, оно должно быть доступно для действия репарирующих ферментов. Но ДНК в хроматине ядра находится в упакованном состоянии. Возникающие в некоторых участках генома повреждения ДНК с трудом могут быть "найдены" ферментами репарации. Это особенно относится к тем участкам генома, которые обычно неактивны, синтез РНК на которых не происходит. Если облучить клетку ультрафиолетовым излучением и определить скорость репарации повреждений ДНК, индуцированных этим излучением, то оказывается, что именно в таких участках повреждения ДНК остаются длительное время невосстановленными. Казалось бы, поскольку эти гены функционально неактивны, то и накопление в них повреждений безразлично для клетки. Однако так обстоит дело только до определенной поры. Если клетка вступает в фазу деления, то на таких "испорченных" матрицах будет синтезироваться ДНК с неправильной последовательностью оснований или ДНК, вовсе не содержащая оснований в участке, комплементарном "испорченной матрице". Если в результате повреждений ДНК произойдет нарушение синтеза и распределения между дочерними клетками той пары хромосом, в состав которой такая ДНК входит, клетки могут погибнуть.
Повреждения, возникающие в функционально инертных генах, должны "проявиться" также в тех случаях, когда возникает потребность в их активации, например при гормональной и субстратной индукции синтеза белка и при синтезе антител в ответ на поступление в организм чужеродных антигенов. Во всех этих случаях синтезируемые на "испорченных" матрицах ДНК могут быть функционально неактивными или направлять синтез мутантных белков. Следовательно, рассмотренный процесс накопления повреждений ДНК в тех генах, которые вследствие относительно прочной связи с белками репрессированы (временно или постоянно) и малодоступны для репарации, очевидно, является важной причиной снижения способности старых клеток к индукции синтеза ферментов и антител. Но ведь ранее мы пришли к заключению, что такого рода возрастные изменения определяют уменьшение функциональной способности различных органов, являются характерным признаком старения всего организма. Значит, теперь мы можем определить уровни старения и связи между ними — от молекул до организма.
Существует еще одно обстоятельство, которое делает весьма опасным длительное сохранение в клетках повреждений ДНК. Участки ДНК, содержащие изменения в структуре, вызванные различными повреждающими воздействиями (будь то тепло, ионизирующее или ультрафиолетовые излучения или химические вещества), обладают повышенным "сродством" не только к ферментам, участвующим в репарации этих повреждений, но и к другим белкам. Причем в последнем случае может образоваться химическая, связь (сшивка) между модифицированным участком ДНК и белком (см. рис. 1). После этого клетке труднее провести репарацию ДНК. Более того, такая сшивка ДНК — белок может быть нерепарируемой вообще, что означает необратимое нарушение или, скорее, выключение функции гена.
Поделиться книгой: