Биохимия старения - Канунго М. С.. Страница 7
Журналы
Advances in Gerontological Research, Vol. 1–4 (B. L. Strehler, Ed.), Academic Press, New York and London.
Experimental Gerontology, Pergamon Press, Oxford.
Geriatrics, Lancet Publications, New York.
Gerontology, S. Karger, Basel, Switzerland.
Journal of Gerontology, Gerontological Society of America, Washington, D. C.
Mechanisms of Ageing and Development, Elsevier-Sequoia, The Netherlands.
Глава 2. Хроматин: структура и функции
Вся биологическая информация в живых организмах заключена в генетическом материале, т. е. в ДНК. Поэтому любое повреждение структуры и нарушение функций генетического материала может привести к изменениям структуры и функций организма. В процессе развития многоклеточных организмов в генетическом материале наблюдаются функциональные изменения двух типов. Во-первых, несмотря на то что все клетки образуются из единственной зиготы, на ранних стадиях развития происходит их дифференцировка, вследствие чего определенные клетки производят специфические белки, которые не продуцируются другими клетками. Вот несколько примеров такой специфичности: гемоглобин образуется в эритроцитах, иммуноглобулины — в лимфоцитах, инсулин — в β-клетках островков Лангерганса, казеин — в молочной железе и т. п. Эти белки закодированы в специфических генах, которые присутствуют в клетках всех типов. Однако в результате дифференцировки эти гены активны только в специфических клетках и неактивны в других. В противоположность этому гены гистонов, негистоновых хромосомных белков, ферментов гликолиза и т. п. активны во всех видах клеток, благодаря чему эти белки имеются во всех клетках.
Во-вторых, хотя на ранних стадиях развития репликация ДНК, а затем деление клеток происходят во всех клетках, после некоторого периода увеличения числа клеток и развития организма на определенных стадиях дифференцировки в клетках некоторых типов синтез ДНК и деление клеток прекращаются. В качестве примера можно привести нейроны, а также клетки скелетной и сердечной мышцы позвоночных, которые перестают делиться вскоре после рождения, т. е. становятся постмитотическими. Некоторые из них по окончании периода развития стареют и умирают, но большая часть продолжает функционировать в течение всей жизни. Так, в клетках костного мозга, эпителия и т. п. синтез ДНК и деление продолжаются на протяжении всей жизни, т. е. эти клетки остаются премитотическими.
Каково же значение этих двух функциональных изменений в ДНК для организма и для процесса старения? Все многоклеточные организмы начинают стареть после достижения половой зрелости. Являются ли причиной старения дифференцировка и (или) постмитотическая природа клеток? Будет ли предотвращено старение, если остановить одно или оба изменения ДНК? Являются ли эти функциональные изменения ДНК необратимыми? Известно, что ДНК в клетках не находится в изолированном состоянии. Она связана в комплекс с белками двух типов: гистонами и негистоновыми хромосомными белками (НГБ), которые вместе с ДНК образуют надмолекулярный комплекс, называемый хроматином и представляющий собой генетический аппарат эукариотов. Три компонента присутствуют в комплексе приблизительно в равных пропорциях. Здесь же обнаружена и РНК, однако полагают, что она является продуктом транскрипции ДНК, а не структурным компонентом. Функция ДНК известна, роль же белков в функционировании хроматина определена недостаточно. Изменяются ли они в течение жизни? Для того чтобы выяснить, вносят ли вклад в процесс старения изменения в одном или нескольких компонентах хроматина, необходимо установить его химический состав и структуру. Структура и функции хроматина описаны в нескольких обзорах [12, 57, 74, 112, 116, 199,354].
Гистоны — белки с малой молекулярной массой — обнаружены в хроматине всех эукариотов. Их впервые открыли в 1943 г. Стедман и Стедман [330]. Эти белки имеют основной характер и положительно заряжены при физиологических значениях рН, поскольку они богаты лизиновыми и аргининовыми остатками. Они не содержат триптофана и присутствуют в клетках в отношении 1:1 с ДНК. Имеется пять основных типов гистонов: Н1, H2A, H2B, Н3 и Н4, которые различаются по величине соотношения лизина и аргинина. Их легко разделить с помощью электрофореза в полиакриламидном геле (рис. 2.1). Некоторые характеристики гистонов из тимуса теленка приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Параметры гистонов из тимуса теленка
Рис. 2.1. Электрофореграмма гистонов в полиакриламидном геле
Важное свойство всех гистонов состоит в том, что их положительно заряженные лизиновые и аргининовые остатки образуют кластеры в особых областях полипептидной цепи. Этим и объясняется наличие во вторичной структуре гистонов вытянутых β-структур. Очевидно, эти положительно заряженные β-структуры связываются с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК сильнее, чем с другими группами. Нейтрализация положительных зарядов в гистонах должна приводить к их отделению от ДНК. Из табл. 2.1 видно, что гистоны H2A, H2B, Н3 и Н4, находящиеся внутри нуклеосом, имеют больше вытянутых β-структур, чем гистон Н1, расположенный между нуклеосомами.
Прокариоты не имеют гистонов. Появление гистонов совпало с возникновением ясно выраженных ядер, хромосом и процесса дифференцировки. Гистоны подавляют синтез РНК [167] и ДНК [142] in vitro. При полном или частичном удалении гистонов из хроматина сильно увеличивается его матричная активность. Однако маловероятно, чтобы гистоны контролировали или регулировали транскрипцию генов, так как: а) имеется только пять основных видов гистонов, тогда как геном эукариотов содержит несколько тысяч генов; б) количество гистонов обычно постоянно в клетках всех типов и во всех периодах жизни; в) количество гистонов одинаково в метаболически активных и метаболически неактивных клетках. Следовательно, можно предположить, что гистоны включены в структуру и организацию хроматина и действуют как общие репрессоры его активности.
Гистон Н1
Гистон Н1 очень богат лизином — около 25 % входящих в его состав аминокислотных остатков составляет лизин. Он отделяется от ДНК гораздо легче других гистонов. Этому гистону свойствен полиморфизм, т. е. в одной ткани может быть несколько видов гистона Н1 с различными последовательностями аминокислот. В тимусе и печени крыс обнаружены пять изогистонов Н1. Относительное содержание изогистонов Н1 в разных тканях одного и того же организма различно [58, 114, 189, 190] и изменяется в течение клеточного цикла [160]. Показано, что различные подфракции гистона Н1 морского ежа синтезируются на разных стадиях развития яйца. В некоторых яйцах одна фракция гистона Н1 заменяется на другую во время перехода от бластулы к гаструле; в других это изменение происходит во время вылупления. Разные фракции гистона Н1 из тимуса кролика дают различные спектры кругового дихроизма с ДНК фага Т7 [370]. Отсюда следует, что различные подфракции гистона Н1 имеют различные функции [8, 307].
При изучении последовательности аминокислот подфракций гистона Н1 было показано, что в отличие от остальных четырех гистонов он имеет основной концевой COOH-участок. Концевая NH2-область (1-40) также имеет основной характер (24–39). В концевой NH2-области изогистонов Н1 найдено большое число аминокислотных замен. Эти замены, по-видимому, определяют функциональные различия изогистонов Н1 во взаимодействии с НГБ и эффекторами, а также в связывании с ДНК. Концевая NH2-область представляет собой неупорядоченную спираль. Центральный участок [(39±4)-(116±4)] кроме большого числа аминокислот кислотного характера и двух ароматических аминокислот содержит неполярные аминокислоты. Этот участок способен к образованию вторичной глобулярной структуры. Он в основном инвариантен и весьма консервативен, т. е. все гистоны Н1 различных организмов имеют в этой области практически одну и ту же последовательность аминокислот. По-видимому, она играет существенную роль в структуре хроматина.