М. Канунго - Биохимия старения

1. Имеется ряд данных, указывающих на то, что раннее, развитие есть результат последовательной активации и репрессии специфических генов.

а) Если обработать личинку Chironomus экдизоном, гормоном линьки, то гены, локализованные в различных хромосомах их слюнных желез, последовательно активируются, что заметно по образованию пуффов [18].

б) Различные цепи гемоглобина, синтез которых контролируется разными генами, при внутриутробном развитии человека образуются последовательно [134]. Гемоглобин 1-2-месячного плода представляет собой молекулы α 2ε 2. Затем появляется гемоглобин α 2γ 2, основной гемоглобин плода (foetal, HbF). Гемоглобин взрослых HbA, α 2β 2, появляется сразу после рождения. Гены α-, ε-, λ- и β-цепей активируются последовательно один за другим, но ген α-цепи остается активным с первого месяца внутриутробного развития до конца жизни. Кроме того, когда активируется ген γ-цепи, ген ε-цепи репрессируется, а, репрессия гена γ-цепи совпадает с активацией гена β-цепи во, время рождения. Другой факт, на который следует указать, состоит в том, что эти гены остаются активными в течение разных промежутков времени: ε — в течение ~2 мес, γ — в течение ~8 мес и β — всю Жизнь начиная с рождения. Факторы, ответственные за последовательное включение этих генов, неизвестны. Предполагают, что важную роль в этом процессе; играет уровень кислорода, поступающего к плоду в матке.

в) В период раннего развития морского ежа Lutechinus гистон Н1 одного типа (H1m) вырабатывается на стадии. морулы. Затем на стадии гаструлы образуется гистон другого типа, Hlg [4, 107]. Набор белков в тканях личинки Drosophila melanogaster меняется по мере ее развития [5]. Это указывает на последовательное изменение активности соответствующих генов. Все ткани личинки имеют некоторые общие белки, но каждая немногими белками все же отличается от другой.

г) Изоферменты лактатдегидрогеназы не только тканеспецифичны, они изменяются также во время развития [77, 78]. Было обнаружено [62, 115], что доля лактатдегидрогеназы М 4в сердце, головном мозгу и скелетной мышце старых (96 нед) крыс значительно снижена. Поскольку две субъединицы лактатдегидрогеназы, Н и М, кодируются разными генами, полученные данные говорят о том, что в старом возрасте ген для субъединицы М почему-то репрессируется. Аланинаминотрансфераза представляет собой димер, состоящий из субъединиц двух типов, А и В. Исследования аланинаминотрансферазы печени крыс показали, что ген А активен в раннем периоде жизни. При старении крыс ген А репрессируется, а ген В активируется, так что в старческом возрасте (100 нед) димерный фермент образуют только субъединицы В [60, 93]. Для глюкозофосфатизомеразы и алкогольдегидрогеназы дрозофилы с возрастом также наблюдается постепенное изменение изоферментных спектров (гл. 3). Полученные результаты указывают на то, что последовательная активация и репрессия генов происходит не только в период развития, но и на протяжении всей жизни.

2. В ряде работ было показано, что возрастные изменения ферментов обратимы, с возрастом активность одних ферментов снижается, других — повышается. Некоторые ферменты не подвержены возрастным изменениям (гл. 3). Уровни определенных ферментов, которые снижаются в пожилом возрасте, можно повысить введением стероидных гормонов, например холин-ацетилтрансферазы и ацетилхолинэстеразы головного мозга [54], пируваткиназы ткани сердца [15], тирозинаминотрансферазы [97] и аланинаминотрансферазы печени [92] крыс. Лаг-фаза индукции некоторых ферментов гормонами с возрастом увеличивается [1]. Это отражает уменьшение числа рецепторов или их сродства к гормонам [61]. Вместе с тем изменения в хроматине могут привести к ослаблению его связывания с комплексом гормон — рецептор, следствием чего будет ухудшение ответа на гормоны. В общем, однако, содержание некоторых ферментов можно изменить введением стероидных гормонов in vivo. Поскольку действие этих гормонов опосредовано экспрессией генов, результаты этих работ показывают, что те изменения, которые связаны с перестройкой функции генома, являются обратимыми.

3. а) Для того чтобы выяснить, изменяется ли с возрастом первичная структура белков, были изучены некоторые ферменты у молодых и старых животных. Замещение любой аминокислоты в белке указывало бы на изменение кодона соответствующего гена или на появление ошибок во время транскрипции/трансляции. Кинетические и иммунологические исследования малатдегидрогеназы [59], аргиназы [96], ацетилхолинэстеразы [84] и цитоплазматической аланинаминотрансферазы [93], выполненные Канунго и сотр., показали, что первичная структура этих ферментов у старых крыс, по-видимому, такая же, как у молодых. Сривастава [117] провел триптическое картирование актина и миозина скелетных мышц молодых, взрослых и старых крыс и никаких различий не обнаружил.

б) Работы Гершона и его сотрудников [30, 98, 99, 133] и Ротстайна и его сотрудников [106, 111] показали, что величины К м, K i, электрофоретическая подвижность и положение при изоэлектрофокусировании различных ферментов нематоды Turbatrix aceti и крыс с возрастом не меняются. Снижение удельной активности и увеличение термолабильности ферментов в старом возрасте, по-видимому, обусловлено незначительными посттрансляционными изменениями боковых групп аминокислот, но не замещениями аминокислот. Хотя определение первичной структуры белков молодых и старых животных является лучшим способом для выяснения, остаются ли последовательности аминокислот специфических белков одинаковыми в течение всей жизни, этот способ вызывает некоторые возражения. Поскольку очистка любого фермента включает этапы, на которых происходит разделение молекул белка по ряду свойств, может происходить элиминация любого измененного белка. Поэтому обычно выделяют только те белки, которые имеют одинаковую первичную структуру. Однако современный уровень знаний позволяет утверждать, что первичная структура белков и, следовательно, последовательность нуклеотидов в соответствующих генах с возрастом не меняются.

Почему же тогда изменяется с возрастом содержание ферментов, кодируемых специфическими генами? Эти изменения, ответственные за перестройку различных функций, отмечаются на протяжении всей жизни. Если структура генов не зависит от возраста, то содержание ферментов может изменяться в результате функционирования или экспрессии генов, трансляции или обмена ферментов. Транскрипция и период экспрессии генов — наиболее ранние стадии синтеза белка, нарушение которых может быть причиной изменения уровня ферментов. Гены образуют комплексы с белками двух видов, гистонами и негистоновыми хромосомными белками (НГБ), которые могут влиять на их экспрессию. Гистоны — это основные, неспецифические белки, обладающие общим репрессивным действием на функцию гена. Они подвержены различным модификациям типа фосфорилирования, ацетилирования, метилирования и ADPрибозилирования которые в разной степени влияют на их ассоциацию с ДНК. Кроме того, степень подобных модификаций снижается не только с возрастом, но и после транскрипции [64–66].