Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

О роли функции рассматриваемого фермента в жизнестойкости и долголетии млекопитающих свидетельствует, например, следующее. Исходный уровень его активности сначала был изучен в печени крыс А. Е. Пегом из отдела физиологии и исследований рака Пенсильванского университета (США). А пять лет спустя советскими онкологами (А. Я. Лихачевым и другими из НИИ онкологии им. проф. Н. Н. Петрова Минздрава СССР) были опубликованы данные об активности этого фермента в печени человека. Сопоставление данных этих различных работ показывает, что способность устранить премутагенные и преканцерогенные повреждения ДНК, индуцируемые алкилирующими нитрозаминами, в клетках человека примерно в 10 раз больше соответствующей способности клеток печени крыс.

Рассмотренными процессами репарации ДНК и катализируемыми ими ферментами не исчерпывается

регуляция на самом Деле гораздо более сложных механизмов залечивания генетических ферментов. В частности, в таких механизмах принимают участие и ферменты, изменяющие структуру ДНК на уровнях ее организации, более высоких, чем первичная. Один из этих ферментов — топоизомераза, название которого подчеркивает и его предназначение — менять топологические свойства ДНК.

Топоизомераза — очень важный фермент, нужный клетке не только для репарации ДНК, но и для регуляции других функций генетического вещества, включая редупликацию генов и их транскрипцию. (Роль такого рода ферментов в репарации ДНК и изменение их активности в процессе канцерогенеза были предсказаны в СССР еще в начале 70-х годов). Но особенно интересны данные, полученные в экспериментах с культивируемыми клетками человека.

Так вот, когда сравнили топоизомеразы в клетках здоровых доноров и больных анемией Фанкони (у последних увеличена нестабильность хромосом, снижена продолжительность жизни и имеются некоторые симптомы преждевременного старения, включая такой грозный, как увеличенная предрасположенность к опухолевым заболеваниям), то оказалось: при этой болезни резко изменено внутриклеточное распределение рассматриваемого фермента. В клетках здоровых людей фермент сосредоточен в основном в их ядрах, а в клетках больных людей активность топоизомеразы в ядрах мала, но она велика в цитоплазме. Возможно, это связано с тем, что вследствие мутации того или иного гена (в частности, гена, кодирующего самую топоизомеразу), фермент, будучи синтезированным в цитоплазме, затем не может быть доставлен в ядро. Так полагают авторы, обнаружившие различия в распределении топоизомеразы между клетками здоровых и больных анемией Фанкони людей.

Но более вероятным кажется другое объяснение этого различия. В клетках больных анемией Фанкони увеличена выработка супероксидного радикала и(или) генерируемого с его участием Н₂О₂, а это и приводит к увеличенной нестабильности хромосом. Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что при добавлении в среду роста клеток этих больных супероксиддисмутазы или каталазы частота спонтанных и индуцированных хромосомных аберраций "нормализуется". В связи с такими изменениями метаболизма, очевидно, и нарушается распределение топоизомераз. Но этот фермент, как считают исследователи, причастен к точности репарации ДНК и к подготовке ДНК к редупликации, и снижение его активности, вероятно, приводит к нарушению обоих процессов.

Действительно уже относительно давно было установлено, что процесс репликации ДНК в клетках больных с нестабильностью хромосом изменен. А в последние годы обнаружена и еще одна особенность этого процесса в таких клетках: радиочувствительность синтеза ДНК в них значительно снижена. Так, если уже при относительно небольших дозах облучения (меньших, чем летальные) в нормальных клетках синтез ДНК резко тормозится, то в клетках больных с синдромом нестабильности ДНК этого не наблюдается. Но ведь облучение индуцирует в ДНК различные повреждения, которые в норме должны быть залечены, причем точность (завершенность) этого процесса проверяется с помощью топоизомераз. Лишь после этого, наверное, начинается синтез ДНК. С такими процессами, вероятно, и связана задержка синтеза ДНК в облученных клетках.

Но при снижении активности топоизомераз и наличии каких-то других дефектов в механизмах репарации и репликации ДНК клетками "тратится" меньше времени на контролирующие целостность ДНК процессы.

Таким образом, исходя из предположения об участии топоизомеразы в проверке точности (или правильнее — полноты) репарации спонтанных и радиационных повреждений ДНК можно объяснить различные молекулярно-генетические особенности клеток больных с нестабильностью хромосом.

Теперь вопрос можно поставить шире: не является ли нарушение структуры, синтеза или распределения топоизомеразы одним из молекулярных

механизмов преждевременного старения? И не являются ли возрастные изменения репликации ДНК средством такого нарушения? Дефект репликации ДНК наблюдали в фибробластах людей, страдающих синдромом Вернера или прогерией взрослых (одно из генетически детерминированных заболеваний, обозначаемых и как синдром преждевременного старения). Этот факт свидетельствует о том, что ответ на оба вопроса, наверное, должен быть положительным.

Но как же изменяется способность клеток к репарации ДНК в процессе нормального, физиологического старения? В обширной литературе на рассматриваемую нами тему очень мало работ, освещающих исследования, в которых проблему возрастных изменений репарации ДНК изучали бы на клетках человека, стареющих не in vitro, a in vivo. Хотя "модель" можно исследовать подробнее и с меньшими усилиями, чем само явление, но все же интересно знать, как происходит старение клеток в естественных условиях.

Прежде всего приведу доказательство уменьшения способности к репарации однонитевых разрывов ДНК у фибробластов взрослых людей по сравнению с эмбриональными фибр об ластами. Способность к репарации ДНК эмбриональных диплоидных фибробластов медицинских абортусов и фибробластов, полученных из кожных биопсий здоровых доноров в возрасте от 25 лет до 91 года, А. Н. Хохлов и автор этих строк (работа выполнялась при поддержке Г. Д. Бердышева из КГУ и К. Н. Гринберга из Института медицинской генетики АМН СССР) определяли методом седиментации в градиенте щелочной сахарозы, о котором я уже рассказывал. Результаты, полученные при использовании этой методики, интерпретируются достаточно определенно: повреждение ДНК (радиацией или химическими мутагенами), приводящее к замедлению скорости седиментации ДНК, означает накопление в ней разрывов или других модификаций (щелочно-лабильных связей), которые в щелочной сахарозе трансформируются в разрывы ДНК. Ускорение седиментации ДНК поврежденных клеток в процессе их инкубации при 37 °C интерпретируется как показатель способности клеток устранять повреждения ДНК: в основном однонитевые разрывы и щелочно-лабильные связи.

При отработке условий эксперимента (количество наносимых на градиент клеток, продолжительность их лизиса, скорость центрифугирования) были исключены все возможные артефакты метода. Это позволило максимально увеличить воспроизводимость результатов и установить, что хотя сразу после облучения седиментаграммы ДНК эмбриональных и "взрослых" фибробластов практически одинаковы, в процессе инкубации скорость седиментации ДНК в эмбриональных клетках возрастает несколько быстрее.

Анализ данных многих серий опытов по сравнительному исследованию ДНК эмбриональных и "взрослых" фибробластов при 37 °C показывает, что и за 30 минут, и за 1 час инкубации облученных "взрослых" клеток в их ДНК устраняется; меньше повреждений, чем за тот же промежуток времени в ДНК эмбриональных клеток,

Ранее другими авторами был проведен целый ряд исследований, посвященных изучению изменений способности к репарации различных повреждений ДНК при "старении" in vitro культивируемых диплоидных фибробластов. Эти данные показывают, что репарация индуцированных радиацией однонитевых разрывов и щелочно-лабильных связей нарушается лишь в клетках последних пассажей, когда их жизнеспособность значительно снижена и большая часть клеток в популяции теряет способность к делению.

Другой подход, использованный нами для изучения возрастных изменений репарации ДНК, состоял в сравнении интенсивностей репаративного синтеза ДНК в клетках животных (крыс) различного возраста и в фибробластах человека, культивируемых в течение длительного времени. О результатах, полученных при исследовании спонтанного репаративного синтеза ДНК в клетках головного мозга, было рассказано в предыдущей главе. То были результаты исследования интактных животных.

Но кроме того, в клетках головного мозга взрослых крыс была обнаружена способность к внеплановому синтезу ДНК, индуцированному (вероятно, репаративному) гамма-излучением. Однако когда такие же опыты были поставлены нами на 23-26-месячных крысах, то у них индуцированного излучением внепланового синтеза ДНК обнаружить не удалось. Таким образом, пока мы имеем доказательство способности к обоим репаративным синтезам ДНК — спонтанному и индуцированному — только в нервных клетках головного мозга молодых животных.