Михаил Виленчик - Биологические основы старения и долголетия

В начале 80-х годов автор этой книги сформулировал предположение о том, что в клетке может протекать не программированный (спонтанный) процесс алкилирования ДНК в основном через реакцию ее с физиологическим донором метальных групп — S-аденозилметионином. Оценки показали, что в результате такой реакции только число метальных групп, спонтанно присоединенных к ДНК, составляет в расчете на геном клетки млекопитающих несколько сот в час.

В последние годы были проведены и экспериментальные исследования частоты непрограммированного метилирования ДНК, т. е. переноса на нее метальных групп с S-аденозилметионина. Из этих данных следует, что число метальных групп, спонтанно присоединяемых лишь по шестому атому кислорода гуанина в ДНК, составляет порядка 100 в час.

Теперь суммируем результаты проведенных оценок частоты возникновения различных спонтанных повреждений ДНК в клетках млекопитающих при физиологических условиях их существования. В течение часа выщепляется примерно 2500 пуриновых и 120 пиримидиновых оснований; индуцируется около 2000 однонитевых разрывов; дезаминируется значительное число цитозинов и метилируется, вероятно, не менее 100 гуанинов. Таким образом, общая скорость возникновения рассмотренных нами спонтанных повреждений ДНК составляет примерно 5·10 3в час.

Это очень большое число повреждений ДНК, если принять во внимание биологическую роль ДНК. Ведь если в геноме клетки образуется за секунду по крайней мере одно повреждение ДНК, то за время жизни делящейся клетки (между двумя ее делениями в организме человека и многих других животных обычно проходит по меньшей мере 24 часа) в ней должно возникнуть 10 5таких повреждений, а за время жизни нейронов в мозге человека (приблизительно 70 лет) — около 2,5·10 9повреждений. Это соответствует выщеплению из генома большей части всех пуриновых оснований.

Частота повреждений ДНК, индуцируемых в каждой клетке организма млекопитающих за 1 час под влиянием фона ионизирующих излучений, составляет примерно 5·10 -3. (Оценка сделана экстраполяцией зависимости от дозы числа индуцируемых повреждений ДНК различного типа к фоновым дозам.) Таким образом, скорость возникновения спонтанных повреждений ДНК примерно в 10 6раз (а может быть, и в еще большее число раз — мы оценили "вклад" отнюдь не всех механизмов спонтанного повреждения ДНК) превышает скорость возникновения повреждений ДНК, индуцируемых фоновым излучением.

Это заключение может показаться парадоксальным. Ведь генетики, в том числе выдающиеся (например, академик Н. П. Дубинин), считают, что фон излучений вносит хотя и не очень большой, но все же измеримый вклад в частоту спонтанных мутаций у млекопитающих. Как же разрешить этот парадокс?

Сегодня известно: почти все спонтанные повреждения ДНК залечиваются. Большинство из индуцированных ионизированным излучением повреждений ДНК также репарируется. Однако скорости репарации спонтанных и индуцированных повреждений ДНК могут быть различными. Это станет понятным после того, как мы рассмотрим системы репарации повреждений ДНК. Но сразу же подчеркнем малую исследованность этих систем. Это связано прежде всего с двумя обстоятельствами. Первое можно охарактеризовать вкратце — исследовать процессы репарации спонтанных повреждений трудно из-за ограничений чувствительности традиционных методов исследования. Что касается второго обстоятельства, то для его понимания нужно сделать краткий экскурс в проблему стабильности (или, как теперь становится очевидным, нестабильности) ДНК.

До последнего времени среди молекулярных биологов, биохимиков и особенно генетиков преобладающим являлось мнение о стабильности ДНК. Например, знаменитым Уотсоном в его руководстве по молекулярной биологии подчеркнуто: "Количество ДНК в хромосомах постоянно… В пользу генетической роли ДНК свидетельствовала и ее метаболическая стабильность. В отличие от многих других клеточных молекул ДНК стабильна: атомы, однажды включенные в ее состав, не покидают молекулу".

Однако еще в 1970 году в монографии "Молекулярные механизмы старения" автор этой книги сформулировал концепцию, одно из основных положений которой состояло в том, что в клетках с относительно большой частотой возникают спонтанные изменения генома. Кстати, это заключение было сделано на основании не только анализа свойств ДНК и метаболизма клетки, но и сравнения механизмов старения с механизмами радиобиологических эффектов. Что касается последних, то к тому времени уже были получены факты, позволяющие полагать, что они по крайней мере частично определяются повреждениями ДНК. На основании такого анализа было заключено, что ДНК в клетке должна подвергаться весьма интенсивному повреждению, особенно окислительной деструкции химически активными внутриклеточными метаболитами.

Исходя из этой концепции, а также основываясь на закономерностях, свидетельствующих о роли повреждений ДНК в старении, в лекции, прочитанной в 1972 году в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов, нами было сформулировано следующее следствие: в ряду различных видов млекопитающих существует прямая корреляция между способностью клеток определенного организма к репарации ДНК и видовой продолжительностью жизни.

Несколько лет спустя (в 1974 году) американские радиобиологи Р. В. Харт и Р. Б. Сэтлоу обнаружили такую корреляцию при исследовании репаративного синтеза ДНК, индуцированного УФ излучением в клетках 10 плацентарных млекопитающих, различающихся по видовой продолжительности жизни примерно в 50 раз (от полевки, живущей менее 2 лет, до человека, видовая продолжительность жизни которого составляет около 100 лет).

Однако в этой и последующих работах, в которых также наблюдали корреляцию между продолжительностью жизни организмов и способностью их клеток к репарации ДНК, исследовали репарацию не спонтанных, а индуцированных излучениями повреждений ДНК. И пришли к выводу: часть спонтанных повреждений ДНК устраняется с помощью тех же ферментов, которые участвуют и в репарации повреждений ДНК, индуцируемых УФ или ионизирующим излучением, или химическими мутагенами.

Одна из наиболее изученных систем репарации, защищающих клетки от таких (генотоксических и мутагенных) агентов, состоит из ряда ферментов, залечивающих повреждения в ДНК путем вырезания измененных ее участков и замены их нормальными. Вспомним: хирург, прежде чем зашить концы ран, проводит их хирургическую обработку — удаляет поврежденные участки ткани, "освежает" рану. Процесс репарации начинается с выщепления измененных частей ДНК, например модифицированных оснований. Эта стадия репарации осуществляется также в несколько этапов (рис. 6).