Биологические основы старения и долголетия - Виленчик Михаил Маркович. Страница 20

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.