Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Теперь вспомним, что макрофаги убивают бактерии посредством действия на них активных форм кислорода: супероксидного радикала и образуемых при его участии радикала ОН· и Н₂О₂ (также содержащих кислород в полувосстановленной форме). Этот класс веществ, конечно, резко отличается от ДНКаз. Но у них есть и общее свойство — все они являются эндогенными генотоксическими факторами, используемыми одними клетками для разрушения других.

У строгого читателя может возникнуть вопрос: а какое отношение рассказ о механизмах разрушения одних клеток другими имеет к старению? Прежде чем ответить, напомню, что способность определенных клеток пожирать и убивать другие клетки была открыта И. И. Мечниковым — великим русским биологом, первым из отечественных ученых

получившим Нобелевскую премию по биологии и медицине. Так вот, И. И. Мечников этим своим открытием не только заложил основы учения о клеточном иммунитете (важнейшей области современной биологии и медицины), но и сформулировал фактически первую гипотезу о механизмах старения человека. И. И. Мечников предположил, что макрофаги могут "пожирать" также клетки собственных органов, например (и это он считал особенно существенным в механизмах старения человека) незаменимые (неделящиеся) клетки в процессе старения органов. Гипотеза И. И. Мечникова, конечно, теперь имеет прежде всего исторический интерес. Однако она же может стать основой для более совершенных гипотез, учитывающих роль иммунологических механизмов (или в более широком смысле — межклеточных взаимодействий) в старении организма.

Ведь получается, что защитные устройства сами участвуют в механизмах старения. Более того, если принять во внимание, что активные формы кислорода и ДНКазы не только "орудия агрессии" клеток, но и мощные эндогенные генотоксические факторы, т. е. что они механизмы "спонтанного" повреждения ДНК, определяющего старение, то станет очевидной взаимосвязь механизмов защиты организма (или агрессии, если рассматривать межклеточные отношения) и старения. Судя по всему, системы транспорта электронов в древних клетках и весь их метаболизм формировались и с учетом их защиты от других клеток или (что примерно то же самое для клеток) с учетом необходимости их агрессивного поведения.

На более поздних этапах эволюции, когда сформировались высшие организмы, эта функция перестала быть столь существенной, и теперь молекулярные средства защиты и нападения стали и механизмами старения и клеток, и всего организма. Более того, именно эти механизмы могут быть основной причиной гибели клеток и организма при действии на него экстремальных факторов.

Действительно анализ многочисленных фактов показывает, что под влиянием различных физических и химических факторов и даже вирусов в клетках происходит возрастание активных форм кислорода (иногда говорят об окислительном стрессе) и(или) ДНКаз. Особенно подробно изучена роль последних в механизмах гибели лимфоцитов после облучения организма ионизирующими излучениями. И здесь надо отметить выдающийся вклад радиобиологов, особенно отечественных (Н. В. Ермолаева, А. М. Кузин, В. К. Мазурик, Н. И. Рябченко, С. Р. Уманский, Г. Е. Фрадкин, К. П. Хансон, И. В. Филиппович) и чехословацких (М. Скалка с соавторами). Именно благодаря их работам концепция программированной гибели клеток и кардинальной роли ДНКаз(ы) в этой гибели получила начиная с середины 70-х годов мощное развитие. Полагают, что в радиочувствительных клетках (лимфоцитах) в результате облучения ДНКазы (во всяком случае, одна из них, стимулируемая Са²⁺) активируются и вызывают разрушение ДНК этих клеток.

Еще одна и, возможно, самая яркая грань взаимосвязи механизмов повреждения и защиты на одном и том же уровне — ДНК обнаруживается, если принять во внимание, что ДНКазы участвуют и в индукции, и в репарации повреждений ДНК.

Двойные разрывы ДНК могут возникнуть по крайней мере двумя путями: через одновременное образование двух однонитевых разрывов, каждый из которых локализован в одной из комплементарных цепей в пределах участка ДНК длиной около 10 нуклеотидов, или через последовательное образование сначала одного разрыва, а затем, если первый не успел репарироваться, — другого.

Исходя из оценок частот образования однонитевых разрывов, сделанных в предыдущей главе, можно заключить, что без участия ферментов оба пути спонтанного образования двунитевых разрывов реализуются исключительно редко. Очень вероятно, что механизм образования двунитевых разрывов в ДНК включает действие ДНКазы на интактную ДНК в участках (в пределах 10 нуклеотидов), расположенных напротив участка комплементарной цепи, содержащей

однонитевый разрыв (и следовательно, в локально денатурированном участке двойной спирали ДНК). Действительно в различных клетках животных и человека найдены эндонуклеазы, которые специфичны по отношению к однонитчатой ДНК, т. е. "узнающие" места расплетения ДНК, которые могут образоваться в месте образовавши в ДНК однонитевого разрыва или локального расплетения нативной ДНК вследствие флуктуации в распределении тепловой энергии.

Обычно полагают, что нахождение эндонуклеазами мест частичной денатурации ДНК — это и есть механизм узнавания различных повреждений ДНК этими ферментами, катализирующими первый этап репарации ДНК — инцизию. Следовательно, эти же ферменты могут расщеплять ДНК и в участках локального расплетения двойной спирали — вследствие флуктуации в распределении тепловой энергии. Но кроме того, если эти ферменты ошибутся и индуцируют разрыв в противоположной цепи, содержащей частично расплетенный участок после образования однонитевого разрыва, то это приведет и к образованию двунитевого разрыва.

Таким образом, два противоположных процесса (развитие первичных спонтанных повреждений ДНК и начальные этапы их репарации) катализируются одним и тем же классом ферментов — ДНКазами. И только специфические эндонуклеазы могут сделать выбор между двумя этими процессами (и то не всегда точно).

Что касается экзонуклеаз, то, вероятно, одни и те же ферменты могут катализировать и репарацию ДНК, и ее деградацию. И следовательно, только изучая последующие молекулярные события, можно решить, каково биологическое значение энзиматической деградации ДНК. Более того, биологическое значение деградации даже целых генов может быть двояким: или их повреждение, или освобождение генома от ненужных "использованных" генов.

Возвращаясь к проблеме изменения процессов репарации при старении, мы теперь видим, что пока изучены лишь немногие из ее аспектов. Я подчеркиваю это, потому что обилие фактов по этой проблеме создало иллюзию ее полной изученности даже у специалистов. Так, на симпозиуме по генетике старения, состоявшемся в ноябре 1984 года, один из очень известных наших биогеронтологов заключил свой доклад предположением, что, наверное, теперь мы уже почти все знаем о механизмах репарации и об их изменении при старении. Однако на самом деле ситуацию можно охарактеризовать следующим образом: многие звенья механизмов регуляции репарации ДНК и причины их изменения при старении достаточно детально не исследованы, а о некоторых свойствах репарации ДНК мы можем только догадываться. Но одно заключение все же можно сделать: способность клеток к репарации повреждений ДНК, вызванных облучением, особенно облучением УФ-лучами, в процессе старения, как правило, снижается.

Антиоксидантные системы самозащиты клетки

В защите генетического вещества как от эндогенных генотоксических факторов, так и от внешних факторов, способных разрушать его, существенное значение имеют антиоксиданты или, точнее, система антиоксидантов, состоящих из органических веществ различных классов, а также нескольких ферментов. Начнем, пожалуй, с самого интересного и важного из них.

а) Ферментативная система защиты

Ранее была разъяснена роль супероксидного радикала (

) и образуемых в реакциях с его участием Н₂О₂ и гидроксильного радикала (ОН·) в повреждении и ДНК, и мембран. В настоящее время многие ученые подчеркивают опасность, которую для жизненно важных структур клетки представляют эти вещества, постоянно образуемые в процессе нормального метаболизма и инициируемые ими реакции. Но такое представление возникло еще в конце 60-х годов. Тогда автор этой книги пришел к заключению о возникновении кислородных радикалов in vivo и о роли последних в старении (книга "Молекулярные механизмы старения", М., Наука, 1970). Я вспоминаю об этом сейчас, чтобы лишний раз отметить: исходя из анализа механизмов старения можно делать предсказания общебиологического характера.