Михаил Виленчик - Биологические основы старения и долголетия

Таким образом, если продолжать аналогию клетки с биохимической фабрикой, то нельзя не увидеть одну существенную отличительную особенность: программа работы этой фабрики постоянно разрушается продуктами ее собственного производства. И нормально функционировать такая фабрика (например, в течение сроков, сопоставимых со временем, затрачиваемым на ее создание) может лишь в том случае, если в ней имеются "сверхпрограмма" и средства восстановления всех программ работы фабрики.

В клетке действительно имеются механизмы и даже системы механизмов для ремонта поврежденных генетических структур. Схема работы наиболее изученного — эксцизионного механизма репарации представлена на рис. 6. Один из интереснейших механизмов репарации ДНК, открытых в последние годы, — устранение из ДНК гуанинов, алкилированных по 6-му кислородному атому. Особенность этой системы репарации ДНК состоит в ее адаптивности, т. е. ее активность во многих клетках увеличивается в условиях, когда возрастает число повреждений, устраняемых ею. Поскольку такие повреждения с относительно большой частотой приводят к мутации и трансформации клеток, то рассматриваемую систему репарации ДНК считают антимутагенной и антиканцерогенной. В процессе такой репарации "лишняя" метильная группа гуанина двойной спирали ДНК переносится на цистеиновый остаток фермента — акцепторного белка. Происходит полное восстановление исходной структуры остатка гуанина в ДНК, но сам фермент инактивируется (см. также с. 203).

В начале 80-х годов автор этих строк теоретически предсказал, что образование О 6-метилгуанина в ДНК может происходить вследствие реакции ДНК с нормальным метаболитом, необходимым всем клеткам для осуществления различных физиологических функций — S-аденозилметионином. Иными словами, определенное количество повреждений ДНК рассматриваемого типа неизбежно образуется и при физиологических условиях. С этим обстоятельством, вероятно, и связана способность клеток развивать реакцию, так сказать, самоадаптации (т. е. реакцию защиты ДНК от спонтанного физиологического повреждения ДНК "своими" необходимыми клетке метаболитами).

О роли функции рассматриваемого фермента в жизнестойкости и долголетии млекопитающих свидетельствует, например, следующее. Исходный уровень его активности сначала был изучен в печени крыс А. Е. Пегом из отдела физиологии и исследований рака Пенсильванского университета (США). А пять лет спустя советскими онкологами (А. Я. Лихачевым и другими из НИИ онкологии им. проф. Н. Н. Петрова Минздрава СССР) были опубликованы данные об активности этого фермента в печени человека. Сопоставление данных этих различных работ показывает, что способность устранить премутагенные и преканцерогенные повреждения ДНК, индуцируемые алкилирующими нитрозаминами, в клетках человека примерно в 10 раз больше соответствующей способности клеток печени крыс.

Рассмотренными процессами репарации ДНК и катализируемыми ими ферментами не исчерпывается регуляция на самом Деле гораздо более сложных механизмов залечивания генетических ферментов. В частности, в таких механизмах принимают участие и ферменты, изменяющие структуру ДНК на уровнях ее организации, более высоких, чем первичная. Один из этих ферментов — топоизомераза, название которого подчеркивает и его предназначение — менять топологические свойства ДНК.

Топоизомераза — очень важный фермент, нужный клетке не только для репарации ДНК, но и для регуляции других функций генетического вещества, включая редупликацию генов и их транскрипцию. (Роль такого рода ферментов в репарации ДНК и изменение их активности в процессе канцерогенеза были предсказаны в СССР еще в начале 70-х годов). Но особенно интересны данные, полученные в экспериментах с культивируемыми клетками человека.

Так вот, когда сравнили топоизомеразы в клетках здоровых доноров и больных анемией Фанкони (у последних увеличена нестабильность хромосом, снижена продолжительность жизни и имеются некоторые симптомы преждевременного старения, включая такой грозный, как увеличенная предрасположенность к опухолевым заболеваниям), то оказалось: при этой болезни резко изменено внутриклеточное распределение рассматриваемого фермента. В клетках здоровых людей фермент сосредоточен в основном в их ядрах, а в клетках больных людей активность топоизомеразы в ядрах мала, но она велика в цитоплазме. Возможно, это связано с тем, что вследствие мутации того или иного гена (в частности, гена, кодирующего самую топоизомеразу), фермент, будучи синтезированным в цитоплазме, затем не может быть доставлен в ядро. Так полагают авторы, обнаружившие различия в распределении топоизомеразы между клетками здоровых и больных анемией Фанкони людей.

Но более вероятным кажется другое объяснение этого различия. В клетках больных анемией Фанкони увеличена выработка супероксидного радикала и(или) генерируемого с его участием Н 2О 2, а это и приводит к увеличенной нестабильности хромосом. Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что при добавлении в среду роста клеток этих больных супероксиддисмутазы или каталазы частота спонтанных и индуцированных хромосомных аберраций "нормализуется". В связи с такими изменениями метаболизма, очевидно, и нарушается распределение топоизомераз. Но этот фермент, как считают исследователи, причастен к точности репарации ДНК и к подготовке ДНК к редупликации, и снижение его активности, вероятно, приводит к нарушению обоих процессов.

Действительно уже относительно давно было установлено, что процесс репликации ДНК в клетках больных с нестабильностью хромосом изменен. А в последние годы обнаружена и еще одна особенность этого процесса в таких клетках: радиочувствительность синтеза ДНК в них значительно снижена. Так, если уже при относительно небольших дозах облучения (меньших, чем летальные) в нормальных клетках синтез ДНК резко тормозится, то в клетках больных с синдромом нестабильности ДНК этого не наблюдается. Но ведь облучение индуцирует в ДНК различные повреждения, которые в норме должны быть залечены, причем точность (завершенность) этого процесса проверяется с помощью топоизомераз. Лишь после этого, наверное, начинается синтез ДНК. С такими процессами, вероятно, и связана задержка синтеза ДНК в облученных клетках.

Но при снижении активности топоизомераз и наличии каких-то других дефектов в механизмах репарации и репликации ДНК клетками "тратится" меньше времени на контролирующие целостность ДНК процессы.

Таким образом, исходя из предположения об участии топоизомеразы в проверке точности (или правильнее — полноты) репарации спонтанных и радиационных повреждений ДНК можно объяснить различные молекулярно-генетические особенности клеток больных с нестабильностью хромосом.