Биологические основы старения и долголетия
Шрифт:
К настоящему времени исследован большой ряд клеток из различных органов человека и животных (мыши, крысы, собаки, крупный рогатый скот), а также растительные и бактериальные клетки. Данные всех этих исследований, во-первых, подтверждают теоретически выведенное нами положение: неустойчивость первичной структуры ДНК — общебиологическая закономерность.
Во-вторых, они приводят к заключению о существовании другой общебиологической закономерности (как необязательном следствии первой) — со временем спонтанные повреждения могут накапливаться в клетках. Второе заключение, очевидно, следует пока считать предположительным. И спускаясь к еще менее доказанному предположению, отмечу вероятное существование такой кинетики возрастных изменений ДНК, что определенные повреждения ДНК, как было сказано, в значительном количестве накапливаются
Почему это происходит? Ведь скорость возникновения повреждений ДНК со временем, скорее, возрастает, а не уменьшается (например, вследствие увеличения активности ДНКазы или концентрации эндогенных Н2О2, перекисей липидов и других генотоксических метаболитов). На феноменологическом уровне такой парадокс можно было бы объяснить тем, что клетка может накопить лишь такое число повреждений, которое совместимо с сохранением ее жизнедеятельности. Если это число превысит критическое, клетка гибнет. Но мы ведь определяли повреждения ДНК только в жизнеспособных клетках. Учитывая гетерохронность (неравномерность развития во времени) процесса старения даже на клеточном уровне и считая, что такая гетерохронность сохраняется и на уровне ДНК, можно предположить, что замедление скорости накопления повреждений ДНК в пожилом возрасте — кажущееся: гибель клеток с числом повреждений ДНК, близким к критическому, будет уменьшать число повреждений ДНК, регистрируемых в популяции клеток.
Однако возможно, скорость накопления повреждений ДНК в геноме клеток пожилых и старых организмов действительно уменьшается, несмотря на увеличение концентрации эндогенных генотоксически агентов и уменьшение способности клеток к репарации ДНК (о чем подробнее будет рассказано позднее). До сих пор мы не принимали во внимание то важное обстоятельство, что ДНК находится в ядре клетки в упакованном состоянии. Ведь линейный размер ядра клетки млекопитающих составляет несколько мкм, а длина молекул ДНК хромосом, как принято сейчас считать, состоящих из одной молекулы, в десятки тысяч раз больше. Но чем плотнее упакована ДНК, тем, очевидно, она менее доступна для ДНКаз и даже для низкомолекулярных генотоксических факторов. Следовательно, если в процессе старения упаковка отдельных участков ДНК станет более плотной, то скорость не только репарации, но и образования повреждений ДНК действительно уменьшится.
Таким образом, мы подошли к вопросу о том, как изменяется в процессе старения не только первичная структура ДНК, но и организация ДНК в более высокие структуры. Разная степень упаковки ДНК характеризует уже высшие структуры ДНК. Следующий же за первичной является вторичная структура ДНК. Итак, вопрос состоит в том, происходит ли изменение с возрастом вторичной структуры ДНК? Возможны два типа изменений конформации двойной спирали ДНК: она может расплетаться (с образованием денатурированных или однонитевых участков) или не расплетаться, а только изменять свою форму (конформацию).
15-20 лет назад проводилось много исследований, целью которых было определение денатурационных изменений ДНК при старении. Для этого выделяли ДНК из тканей организмов различного возраста, а затем изучали в растворе так называемые кривые плавления ДНК, т. е. выявляли изменения способности ДНК поглощать кванты ультрафиолетового излучения (в максимуме поглощения ДНК) с увеличением температуры раствора. Денатурированная ДНК обладает примерно на 1/3 большей такой способностью, чем нативная (целостная) ДНК. Поэтому, сравнивая кривые плавления "молодой" и "старой" ДНК, можно было судить об изменении количества денатурированных участков в двойной спирали или, наоборот, о степени ее нативности. В ряде работ было сообщено о том, что при старении мышей или крыс в ДНК различных их органов происходит накопление денатурированных участков.
Мы тоже ставили подобные опыты, но не нашли существенных изменений. И после анализа физико-химических свойств ДНК и доступных методик ее выделения пришли к заключению: даже если в ДНК с возрастом и накапливаются денатурированные участки, обнаружить это явление современными методами физико-химического анализа невозможно.
Дело в том, что в процессе выделения ДНК
Относительно недавно разработан принципиально иной способ оценки количества денатурированной ДНК — иммунохимический. Он основан на способности лимфоцитов синтезировать антитела к денатурированной ДНК. Такие антитела были определены в сыворотке крови людей трех возрастных групп: детей (10–11 лет); взрослых молодых (19–22) и пожилых людей (65–68 лет). Неожиданно оказалось, что люди всех возрастных групп содержат необычно большое количество антител к однонитевой ДНК, но особенно много таких антител было у людей первой и третьей групп. У них содержание антител примерно в 2 раза больше, чем у взрослых молодых людей.
Эти данные, кроме того, что они подтверждают грустные замечания великих поэтов ("старость — есть второе детство" или "хладея, мы движемся к началу своему"), интересны еще и потому, что приводят к принципиально новому заключению о физиологической роли денатурированных участков ДНК и(или) антител к ним.
Если исходить из традиционной точки зрения (которую для простоты изложения мы рассматривали до сих пор), то нарушения во вторичной структуре ДНК должны возникать лишь случайно и накопление их с возрастом должно происходить постепенно. Но тогда количество денатурированных участков ДНК (и следовательно, концентрация антител к ним) в сыворотке взрослых людей должно было бы быть больше, чем в сыворотке детей. Наблюдается же обратная закономерность. Правда, в своих рассуждениях мы предполагали, что количество антител в сыворотке крови определяется в основном количеством денатурированной ДНК в клетках. Но это может быть и не так. Например, частичная денатурация ДНК может происходить и в сыворотке. А главное, количество синтезируемых антител может и не изменяться параллельно с изменением количества такой ДНК.
Таким образом, анализ возможных изменении с возрастом количества денатурированной ДНК не привел нас к однозначному заключению о характере этих изменений. Но при этом неожиданно приоткрылась, возможно, важная функция такой ДНК и(или) антител к ней. Однако, как уже отмечалось, нативная ДНК может не только денатурировать, но и менять свою конформацию, оставаясь двойной спиралью.
Метод кругового дихроизма (КД) чувствителен к изменениям структуры ДНК такого рода, поэтому В. М. Лобачев, Т. М. Третьяк, А. М. Кузин и автор этих строк его использовали для ответа на вопрос: изменяется ли конформация двойной спирали ДНК в процессе старения? ДНК, выделенная из печени и мозга очень старых крыс (возраст 38 месяцев), имеет спектры, практически идентичные спектрам КД тех же ДНК, облученных ионизирующей радиацией (рис. 9). Оптические активности положительной и отрицательной полос спектров КД ДНК, выделенной из тканей старых животных, или ДНК, облученной в дозе 200 гр, были снижены примерно на 20 % по сравнению с ДНК молодых животных, и это различие было статистически достоверно.
Рис. 9. Спектры кругового дихроизма (КД) ДНК, выделенной из тканей молодых и старых крыс, в сравнении с КД ДНК тимуса теленка.
А. 1. ДНК мозга молодых (возраст 3 мес.) крыс. 2. ДНК мозга старых (возраст 38 мес.) крыс. 3. Облученная ДНК мозга молодых крыс (доза — 1000 ГР).
Б. 1. ДНК печени молодых крыс. 2. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 200 Гр). 3. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 300 Гр). 4. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 1000 Гр).