Биологические основы старения и долголетия - Виленчик Михаил Маркович. Страница 9

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.