Биологические основы старения и долголетия - Виленчик Михаил Маркович - Страница 25

Именно исходя из этого еще в 1970 году автором была сформулирована концепция о неизбежном ускользании части спонтанных повреждений ДНК от репарации и об их неизбежном накоплении в процессе старения. (Независимо в радиобиологию был введен термин "неполнота репарации", также означающий, что репарация осуществляется не со 100 %-ной эффективностью.)

Переход ДНК из B- в Z-конформацию облегчается при ее метилировании. Поэтому одно из объяснений наших данных о накоплении "Z-ДНК" состояло в том, что в процессе старения возрастает метилируемость отдельных участков. Такое предположение подкреплялось расчетами скорости "непрограммированного" метилирования ДНК, но противоречило сложившемуся мнению о том, что содержание 5-метил-цитозина в ДНК при старении уменьшается (В. Ф. Ванюшин с сотрудниками в МГУ и Г. Д. Бердышев с сотрудниками в КГУ). Однако недавно обнаружено, что содержание 5-метилцитозина в ДНК нематод возрастает при старении. Таким образом, изменения характера метилируемости ДНК с возрастом, вероятно, зависят от вида и, возможно, типа клеток. Ведь органо- и цитоспецифические возрастные молекулярные изменения наблюдали неоднократно, в частности, на уровне мембран. Наверное, такие закономерности существуют и на уровне ДНК.

Итак, мы рассмотрели возрастные нарушения вторичной структуры ДНК и их возможное биологическое значение. А изменяется ли с возрастом структура ДНК на более высоком уровне ее организации? На этот вопрос мы сегодня тоже можем ответить положительно. Во всяком случае, это определенно в отношении третичного уровня — организации ДНК в нуклеосомы.

Нуклеосома представляет собой комплекс гистонов, на который, как на катушку, наматывается ДНК определенной длины — около 150 пар. Затем идет отрезок нуклеосомной ДНК, состоящий из нескольких десятков пар оснований, далее — следующая нуклеосома и т. д.

О том, что структура генетического вещества нарушается и на уровне более высоком, чем третичный, свидетельствуют данные об изменении степени конденсированности хроматина, а также дезорганизация его структур в процессе старения клеток.

Геном млекопитающих состоит из двух отдельных частей — ядерного и митохондриального геномов. До сих пор мы не учитывали это, поскольку речь пока шла о, так сказать, массовых изменениях молекул ДНК. В ядерном геноме содержится несколько миллиардов пар оснований, тогда как в ДНК каждой митохондрии клетки млекопитающих примерно 15 тысяч. Правда, в клетке содержится около тысячи митохондрий. Но даже суммарное количество митохондриальной ДНК (мт ДНК) во много раз меньше ядерной ДНК. Поэтому-то, когда мы обсуждали вопросы биофизической нестабильности ДНК или возрастных изменений ДНК клеток и тканей, не разделенной (нефракционированной) на ядерную и мтДНК, мы для простоты изложения, как правило, "забывали" о "маленькой добавке" к ядерной ДНК. Теперь мы кратко рассмотрим роль этой дополнительной части генома.

Еще в 1973 году автор этой книги, исходя из анализа роли изменений ДНК в старении, сформулировал концепцию о возможности физического взаимодействия и обмена между генетическим веществом ядра и митохондрий. Теперь реальность такого явления и его роль в эволюции можно считать доказанными. Останавливаться на этих сложных, хотя и очень интересных, вопросах здесь мы не будем. Читатели, интересующиеся ими, могут ознакомиться с моей работой в журнале "Успехи современной биологии" (т. 99, в.2, с. 194, 1985)[1].

Сейчас приведу лишь факты, доказывающие взаимодействие (и физическое и функциональное) между ядерной и мтДНК в процессе старения некоторых клеток. Такие факты интересны еще и тем, что они показывают возможность "запуска" старения по крайней мере некоторых клеток с участием всего лишь одного или нескольких генов. Причем активация таких генов может происходить в результате изменения их положения.

Вот пример. Аскомицет (сумчатый гриб) в культуре обладает ограниченной способностью к вегетативному росту, после завершения которого он отмирает. Период роста у диких линий грибка продолжается обычно около 25 дней. Однако у некоторых грибков, содержащих мутантную ядерную ДНК, рост может быть заторможен с помощью относительно небольших (не летальных) концентраций ингибиторов синтеза мтДНК или ингибиторов синтеза белка в митохондриях. И наоборот, старение молодых грибков можно значительно ускорить, если их "заразить" мтДНК, выделенной из старых грибков.

Уже из анализа этих данных можно сделать заключение о том, что старение грибка связано с изменением его мтДНК, контролируемой ядерной ДНК. Фракция ДНК, ответственная за старение аскомицета ("ДНК старения"), уже идентифицирована. Это плазмида, несущая генетическую информацию, ДНК которой содержит 2,4 тыс. пар оснований и длина которой составляет 0,75 мкм. В молодых клетках такая ДНК содержится (встроена) только в мтДНК, их старение связано с выщеплением ее из мтДНК и автономной репликацией уже в форме плазмиды. У ядерных мутантов — "долгожителей", о которых мы говорили, ядро оказывает сдерживающее влияние на эту плазмиду. И ее высвобождение из митохондриального генома и экспрессия ее генетической информации тормозятся.

Еще 10 лет назад в первом издании этой книги отмечалось, что программа старения может быть закодирована в участках ДНК, выполняющих определенные функции в молодых клетках и организмах. Однако и сейчас представляется удивительным, что "ДНК старения" грибка оказалась частью, хотя не кодирующей, а только интроном ("вставкой") жизненно важного структурного гена — цитохром с-оксидазы. Но это особый интрон в том смысле, что он одновременно является и мобильным генетическим элементом т. е. таким генетическим устройством, в структуре которого закодирована способность перемещаться из одного участка в другой, разумеется, с помощью определенных белков, "узнающих" особенности его структуры как мобильного элемента. Оказалось, что "мина старения" (этот термин был введен в первом издании этой книги) может умножаться и перемещаться!

Р. М. Райт, Д. Дж. Коммингс установили, что на конечных этапах старения грибов "плазмида старения" размножается столь интенсивно, что замещает большую часть нативной мтДНК, присутствующей в молодых клетках. Но еще раньше "ДНК старения" обнаруживается в ядерной ДНК. Это и есть доказательство физического взаимодействия между определенными участками ядерной и мтДНК. Взаимодействие это особое — своего рода дальнодействие с помощью "кванта", промежуточным состоянием которого является "плазмида старения". Но в ядре содержатся гены, контролирующие переход интегрированной "ДНК старения" в свободное состояние (плазмиду). Получается, что ядро каким-то образом направляет "ДНК старения" к себе. Не исключено, правда, что обмен мог происходить и в результате прямого взаимодействия ядерной и мтДНК, а интеграцию могли осуществлять ферменты, составляющие давно известные механизмы генетической рекомбинации.

Независимо от конкретных механизмов перемещения "ДНК старения" очевидно, что в стареющих клетках создаются как бы особенно благоприятные условия для распространения части мтДНК за пределы митохондрий и включения ее в яДНК.

Такие условия могут создаваться в процессе старения и клеток млекопитающих. Известно, что и в них происходит метаболизм мтДНК, а содержание ДНК в митохондриях старых клеток может снижаться, и, возможно, часть мтДНК также может размножаться в форме плазмиды и(или) внедряться в ядерную ДНК. Последний процесс облегчается при подготовке клетки к митозу, когда устраняется физический барьер между обеими частями генома — ядерная мембрана.

Но гены, с которыми связано старение, могут не только выходить из мтДНК, но и внедряться в нее. Это обнаружено в конце 1985 года Г. Вертрандом с соавторами при исследовании механизмов старения другого вида грибов — нейроспоры.