Михаил Виленчик - Биологические основы старения и долголетия

Целый ряд исследований возрастных изменений ДНК был проведен в опытах на клетках мышей, крыс или собак. О результатах, полученных методом седиментации в градиенте щелочной сахарозы, уже было вкратце сказано. Здесь поясню, что накопление повреждений ДНК наблюдали, начиная с возраста мышей, который был далек от старческого. Этот результат, в согласии с тем, что мы наблюдали на клетках человека, показывает: физические изменения генетического вещества начинают накапливаться до того, как значительно нарушится его функция, и до того, как начнет снижаться жизнеспособность организма и возрастать вероятность развития тяжелых заболеваний. Но есть веские основания полагать, что накопленные повреждения ДНК подготавливают почву для развития таких изменений для старения в целом.

Приведем пока только один из фактов, свидетельствующих о биологической роли образования и накопления в ДНК щелочно-лабильных участков. Напомню, что такого типа повреждения, как мы рассчитали теоретически, с большой частотой должны возникать спонтанно. Эта частота возрастает после действия на клетки тепла или ионизирующего излучения, а под влиянием времени такого типа повреждения накапливаются в различных клетках млекопитающих.

Рональд Харт с сотрудниками из отдела радиологии медицинского центра в Колумбийском университете исследовали количество щелочелабильных связей в мозге, печени и почках мышей двух семейств, хотя и близких таксономически, но различающихся по продолжительности жизни в 2,5 раза. В обоих случаях наблюдали накопление однонитевых разрывов и щелочелабильных связей в ДНК печени и почек стареющих мышей, причем в печени скорость возрастного накопления повреждений ДНК была больше. Скорость накопления повреждений ДНК и в печени, и в почках короткоживущего вида была больше, чем в ДНК тех же органов относительно долгоживущего вида (точнее, эти скорости были обратно пропорциональны величине продолжительности жизни). Таким образом, можно полагать, что существует определенный предел количества накапливаемых с возрастом повреждений ДНК, и в органах короткоживущих животных этот предел достигается быстрее, чем, в частности, и определяется более короткое время их жизни.

К настоящему времени исследован большой ряд клеток из различных органов человека и животных (мыши, крысы, собаки, крупный рогатый скот), а также растительные и бактериальные клетки. Данные всех этих исследований, во-первых, подтверждают теоретически выведенное нами положение: неустойчивость первичной структуры ДНК — общебиологическая закономерность.

Во-вторых, они приводят к заключению о существовании другой общебиологической закономерности (как необязательном следствии первой) — со временем спонтанные повреждения могут накапливаться в клетках. Второе заключение, очевидно, следует пока считать предположительным. И спускаясь к еще менее доказанному предположению, отмечу вероятное существование такой кинетики возрастных изменений ДНК, что определенные повреждения ДНК, как было сказано, в значительном количестве накапливаются уже в клетках молодого организма. Добавлю еще, что есть данные, свидетельствующие о замедлении в пожилом и старческом возрасте скорости накопления таких повреждений ДНК.

Почему это происходит? Ведь скорость возникновения повреждений ДНК со временем, скорее, возрастает, а не уменьшается (например, вследствие увеличения активности ДНКазы или концентрации эндогенных Н 2О 2, перекисей липидов и других генотоксических метаболитов). На феноменологическом уровне такой парадокс можно было бы объяснить тем, что клетка может накопить лишь такое число повреждений, которое совместимо с сохранением ее жизнедеятельности. Если это число превысит критическое, клетка гибнет. Но мы ведь определяли повреждения ДНК только в жизнеспособных клетках. Учитывая гетерохронность (неравномерность развития во времени) процесса старения даже на клеточном уровне и считая, что такая гетерохронность сохраняется и на уровне ДНК, можно предположить, что замедление скорости накопления повреждений ДНК в пожилом возрасте — кажущееся: гибель клеток с числом повреждений ДНК, близким к критическому, будет уменьшать число повреждений ДНК, регистрируемых в популяции клеток.

Однако возможно, скорость накопления повреждений ДНК в геноме клеток пожилых и старых организмов действительно уменьшается, несмотря на увеличение концентрации эндогенных генотоксически агентов и уменьшение способности клеток к репарации ДНК (о чем подробнее будет рассказано позднее). До сих пор мы не принимали во внимание то важное обстоятельство, что ДНК находится в ядре клетки в упакованном состоянии. Ведь линейный размер ядра клетки млекопитающих составляет несколько мкм, а длина молекул ДНК хромосом, как принято сейчас считать, состоящих из одной молекулы, в десятки тысяч раз больше. Но чем плотнее упакована ДНК, тем, очевидно, она менее доступна для ДНКаз и даже для низкомолекулярных генотоксических факторов. Следовательно, если в процессе старения упаковка отдельных участков ДНК станет более плотной, то скорость не только репарации, но и образования повреждений ДНК действительно уменьшится.

Таким образом, мы подошли к вопросу о том, как изменяется в процессе старения не только первичная структура ДНК, но и организация ДНК в более высокие структуры. Разная степень упаковки ДНК характеризует уже высшие структуры ДНК. Следующий же за первичной является вторичная структура ДНК. Итак, вопрос состоит в том, происходит ли изменение с возрастом вторичной структуры ДНК? Возможны два типа изменений конформации двойной спирали ДНК: она может расплетаться (с образованием денатурированных или однонитевых участков) или не расплетаться, а только изменять свою форму (конформацию).

15-20 лет назад проводилось много исследований, целью которых было определение денатурационных изменений ДНК при старении. Для этого выделяли ДНК из тканей организмов различного возраста, а затем изучали в растворе так называемые кривые плавления ДНК, т. е. выявляли изменения способности ДНК поглощать кванты ультрафиолетового излучения (в максимуме поглощения ДНК) с увеличением температуры раствора. Денатурированная ДНК обладает примерно на 1/ 3большей такой способностью, чем нативная (целостная) ДНК. Поэтому, сравнивая кривые плавления "молодой" и "старой" ДНК, можно было судить об изменении количества денатурированных участков в двойной спирали или, наоборот, о степени ее нативности. В ряде работ было сообщено о том, что при старении мышей или крыс в ДНК различных их органов происходит накопление денатурированных участков.