М. Канунго - Биохимия старения

Здесь уместно обсудить действие ионизирующей радиации на сперматогонии и виды животных с различной продолжительностью жизни. Сайнекс [114] сообщил, что приблизительная доза LD 50для сперматогониев, человека, мыши и дрозофилы составляет соответственно 50, 450, 500 и 6400 Р. Эти данные противоречат теории соматических мутаций, согласно которой клетки зародышевого пути устойчивы к мутациям, вызываемым ионизирующим излучением. Кроме того, в соответствии с этой теорией долгоживущие виды должны быть более устойчивыми к радиации, тем не менее человек, продолжительность жизни которого соответственно в 50 и 1200 раз больше, чем у мыши и дрозофилы, более чувствителен к радиации.

Уменьшение продолжительности жизни под влиянием облучения наблюдали у мыши [13, 14, 72], человека [110] и дрозофилы [3, 28, 69, 83]. Популяция дрозофилы, подвергнутая облучению дозой около 4500 рад, фактически живет дольше, чем контрольная [119]. Такой же результат получен на безмикробных мышах [127]. Симптомы, появляющиеся у облученных особей со сниженной продолжительностью жизни, отличаются от тех, которые возникают во время естественного старения без облучения. Следовательно, проникающая радиация не ускоряет процесс естественного старения, но вызывает раннюю смерть из-за повышения частоты рака или других болезней. Таким образом, укорочение жизни, вызванное ионизирующей радиацией, может представлять собой неспецифический эффект и быть следствием "радиационного синдрома", который не связан с естественным старением.

Главная трудность в оценке теории соматических мутаций состоит в отсутствии объективных способов измерения скорости накопления этих мутаций в постмитотических клетках. Единственный испробованный путь заключается в оценке смертности, которая может быть вызвана многими факторами. Кроме того, непонятно, почему клетки зародышевого пути более устойчивы к проникающей радиации. Увеличение продолжительности жизни у дрозофилы [119] и мыши [127] после воздействия излучения может быть побочным эффектом, хотя при больших дозах влияние излучения на смертность очевидно. Итак, накопление соматических мутаций не может быть причиной старения.

Следует рассмотреть другой тип изменений в хроматине, а именно повреждение структуры ДНК. Прайс и др. [94] изучали in vitro включение 3Н-тимидина в ДНК головного мозга, печени и сердца мышей различных возрастов при помощи радиоавтографии с использованием ДНК-полимеразы тимуса теленка. Более интенсивное включение наблюдали у старых мышей, что указывает на большую матричную активность ДНК. Авторы предположили, что это может быть вызвано появлением одноцепочных разрывов в ДНК, для ликвидации которых требуется дополнительный репаративный синтез. Кроме того, может иметь место утрата ферментов репарации, и тогда разрывы не восстанавливаются. Это согласуется с результатами Семиса и др. [109], которые обнаружили повышенное включение 3Н-тимидина в ДНК старых мышей. Наличие таких разрывов или повреждений ДНК в пожилом возрасте подтверждается сходными данными по чувствительности ДНК к нуклеазе S1, которая расщепляет одноцепочечные области. Четзанга и др. [16] показали, что ДНК печени старых 20-месячных мышей более чувствительна к нуклеазе S1, чем ДНК молодых (1-15 мес) мышей. Кроме того, было обнаружено, что в градиенте щелочной сахарозы ДНК головного мозга старых мышей осаждается полидисперсно в виде 4 зон, тогда как у молодых мышей осаждение монодисперсное — в виде одной зоны. Под действием нуклеазы S1 ДНК старых мышей распадается на большее число фракций с малой молекулярной массой. Предположение о деградации ДНК при старении строится также на основании данных о снижении транскрипции РНК хроматина печени в присутствии РНК-полимеразы [45].

Интенсивность внепланового репаративного синтеза ДНК в фибробластах после ультрафиолетового облучения была изучена Хартом и Сетлоу [43]. В фибробластах долгоживущих млекопитающих повреждения восстанавливались с большей скоростью, чем в фибробластах короткоживущих. Установлена линейная связь между логарифмом продолжительности жизни видов и интенсивностью включения 3Н-тимидина в их ДНК, т. е. большая продолжительность жизни может быть обусловлена более эффективной репарацией ДНК (рис. 9.3) [43]. Литтл [74] также сообщил, что репаративная способность ДНК снижена на поздних пассажах культивируемых фибробластов. Эти исследования, однако, не объясняют, почему репаративная активность ДНК снижается в пожилом возрасте или почему она больше у долгоживущих видов. Если это вызвано снижением уровня ферментов репарации, то необходимо знать причину этого снижения. Итак, имеется достаточно доказательств для утверждения, что старение не вызывается соматическими мутациями, возникающими в результате действия проникающей радиации и других экзогенных факторов.

Рис. 9.3. Зависимость между продолжительностью жизни и интенсивностью включения нуклеотида, содержащего изотоп, в ДНК фибробластов в стандартных условиях в ходе репарации после ультрафиолетового облучения [43]

Оргел [88] предложил теорию ошибок, согласно которой ошибки, появляющиеся при передаче информации на этапах транскрипции и трансляции, могут вызвать накопление дефектных белков и привести к старению. К числу ошибок относится включение неправильных нуклеотидов в мРНК во время транскрипции, что может приводить к изменению триплетных кодонов, или включение неправильных аминокислот во время трансляции, из-за чего белки частично или полностью инактивируются. Ошибки в белках, которые сами участвуют в белковом синтезе, таких, как ферменты транскрипции и трансляции, особенно усиливают процесс накопления ошибок в клетках. Эти ошибки могут саморазмножаться, вызвать экспоненциальное увеличение дефектных ферментов и белков и привести к "катастрофе ошибок", следствием которой будет старение и смерть клетки.

Накопление ошибок в ферментах, ответственных за метаболизм, может и не привести к повреждениям, так как эти ферменты имеют короткий период полужизни, вскоре деградируют и ошибка ликвидируется. Если, однако, ошибка появляется в молекуле РНК-полимеразы или аминоацил-тРНК — синтетазы, то это может быть причиной включения неправильных аминокислот во все виды белков, которые синтезирует клетка. Тогда уровень дефектных белков будет экспоненциально нарастать. Например, дефектная РНК-полимераза может способствовать появлению нескольких ошибочных нуклеотидов в мРНК различных типов, из-за чего могут появиться изменения в кодонах. Дефектная аминоацил-тРНК — синтетаза может нагрузить тРНК ошибочной аминокислотой, которая включится в белок вместо другой аминокислоты. Теория ошибок основана на предположении, что механизм передачи информации может повреждаться. Другими словами надежность, или точность, этого механизма не абсолютны и ошибки, однажды возникшие в ферментах белкового синтеза, могут распространяться.