Другие возрастные генетические изменения

Итак, мы рассмотрели возрастные нарушения вторичной структуры ДНК и их возможное биологическое значение. А изменяется ли с возрастом структура ДНК на более высоком уровне ее организации? На этот вопрос мы сегодня тоже можем ответить положительно. Во всяком случае, это определенно в отношении третичного уровня - организации ДНК в нуклеосомы.

Нуклеосома представляет собой комплекс гистонов, на который, как на катушку, наматывается ДНК определенной длины - около 150 пар. Затем идет отрезок нуклеосомной ДНК, состоящий из нескольких десятков пар оснований, далее - следующая нуклеосома и т. д.

О том, что структура генетического вещества нарушается и на уровне более высоком, чем третичный, свидетельствуют данные об изменении степени конденсированности хроматина, а также дезорганизация его структур в процессе старения клеток.

Геном млекопитающих состоит из двух отдельных частей - ядерного и митохондриального геномов. До сих пор мы не учитывали это, поскольку речь пока шла о, так сказать, массовых изменениях молекул ДНК. В ядерном геноме содержится несколько миллиардов пар оснований, тогда как в ДНК каждой митохондрии клетки млекопитающих примерно 15 тысяч. Правда, в клетке содержится около тысячи митохондрий. Но даже суммарное количество митохондриальной ДНК (мт ДНК) во много раз меньше ядерной ДНК. Поэтому-то, когда мы обсуждали вопросы биофизической нестабильности ДНК или возрастных изменений ДНК клеток и тканей, не разделенной (нефракционированной) на ядерную и мтДНК, мы для простоты изложения, как правило, "забывали" о "маленькой добавке" к ядерной ДНК. Теперь мы кратко рассмотрим роль этой дополнительной части генома.

Еще в 1973 году автор этой книги, исходя из анализа роли изменений ДНК в старении, сформулировал концепцию о возможности физического взаимодействия и обмена между генетическим веществом ядра и митохондрий. Теперь реальность такого явления и его роль в эволюции можно считать доказанными. Останавливаться на этих сложных, хотя и очень интересных, вопросах здесь мы не будем. Читатели, интересующиеся ими, могут ознакомиться с моей работой в журнале "Успехи современной биологии" (т. 99, в.2, с. 194, 1985)^*.

^* (В 1986 году было получено прямое доказательство существования мтДНК среди молекул ядерной ДНК клеток человека. Кроме того, А. Я. Литощенко (Институт геронтологии АМН СССР) сообщил об обнаруженном им новом явлении - нарушении регликации мтДНК в печени старых животных. Эти данные можно считать еще одним косвенным доказательством повреждения мтДНК при старении.)

Сейчас приведу лишь факты, доказывающие взаимодействие (и физическое и функциональное) между ядерной и мтДНК в процессе старения некоторых клеток. Такие факты интересны еще и тем, что они показывают возможность "запуска" старения по крайней мере некоторых клеток с участием всего лишь одного или нескольких генов. Причем активация таких генов может происходить в результате изменения их положения.

Вот пример. Аскомицет (сумчатый гриб) в культуре обладает ограниченной способностью к вегетативному росту, после завершения которого он отмирает. Период роста у диких линий грибка продолжается обычно около 25 дней. Однако у некоторых грибков, содержащих мутантную ядерную ДНК, рост может быть заторможен с помощью относительно небольших (не летальных) концентраций ингибиторов синтеза мтДНК или ингибиторов синтеза белка в митохондриях. И наоборот, старение молодых грибков можно значительно ускорить, если их "заразить" мтДНК, выделенной из старых грибков.

Уже из анализа этих данных можно сделать заключение о том, что старение грибка связано с изменением его мтДНК, контролируемой ядерной ДНК. Фракция ДНК, ответственная за старение аскомицета ("ДНК старения"), уже идентифицирована. Это плазмида, несущая генетическую информацию, ДНК которой содержит 2,4 тыс. пар оснований и длина которой составляет 0,75 мкм. В молодых клетках такая ДНК содержится (встроена) только в мтДНК, их старение связано с выщеплением ее из мтДНК и автономной репликацией уже в форме плазмиды. У ядерных мутантов - "долгожителей", о которых мы говорили, ядро оказывает сдерживающее влияние на эту плазмиду. И ее высвобождение из митохондриального генома и экспрессия ее генетической информации тормозятся.

Еще 10 лет назад в первом издании этой книги отмечалось, что программа старения может быть закодирована в участках ДНК, выполняющих определенные функции в молодых клетках и организмах. Однако и сейчас представляется удивительным, что "ДНК старения" грибка оказалась частью, хотя не кодирующей, а только интроном ("вставкой") жизненно важного структурного гена - цитохром с-оксидазы. Но это особый интрон в том смысле, что он одновременно является и мобильным генетическим элементом т. е. таким генетическим устройством, в структуре которого закодирована способность перемещаться из одного участка в другой, разумеется, с помощью определенных белков, "узнающих" особенности его структуры как мобильного элемента. Оказалось, что "мина старения" (этот термин был введен в первом издании этой книги) может умножаться и перемещаться!

Р. М. Райт, Д. Дж. Коммингс установили, что на конечных этапах старения грибов "плазмида старения" размножается столь интенсивно, что замещает большую часть нативной мтДНК, присутствующей в молодых клетках. Но еще раньше "ДНК старения" обнаруживается в ядерной ДНК. Это и есть доказательство физического взаимодействия между определенными участками ядерной и мтДНК. Взаимодействие это особое - своего рода дальнодействие с помощью "кванта", промежуточным состоянием которого является "плазмида старения". Но в ядре содержатся гены, контролирующие переход интегрированной "ДНК старения" в свободное состояние (плазмиду). Получается, что ядро каким-то образом направляет "ДНК старения" к себе. Не исключено, правда, что обмен мог происходить и в результате прямого взаимодействия ядерной и мтДНК, а интеграцию могли осуществлять ферменты, составляющие давно известные механизмы генетической рекомбинации.

Независимо от конкретных механизмов перемещения "ДНК старения" очевидно, что в стареющих клетках создаются как бы особенно благоприятные условия для распространения части мтДНК за пределы митохондрий и включения ее в яДНК.

Такие условия могут создаваться в процессе старения и клеток млекопитающих. Известно, что и в них происходит метаболизм мтДНК, а содержание ДНК в митохондриях старых клеток может снижаться, и, возможно, часть мтДНК также может размножаться в форме плазмиды и(или) внедряться в ядерную ДНК. Последний процесс облегчается при подготовке клетки к митозу, когда устраняется физический барьер между обеими частями генома - ядерная мембрана.

Но гены, с которыми связано старение, могут не только выходить из мтДНК, но и внедряться в нее. Это обнаружено в конце 1985 года Г. Вертрандом с соавторами при исследовании механизмов старения другого вида грибов - нейроспоры.

"ДНК старения" этого организма также имеет структуру мобильного генетического элемента, но его размер гораздо больше "ДНК старения" аскомицета и состоит из (9-10) 10³ пар оснований. Штамм нейроспоры, обретшей способность не стареть, не содержит и "ДНК старения".

В рассматриваемом случае можно предположить, каким образом внедрение такой ДНК в митохондрии нарушает функции, а со временем приводит и к гибели нейроспоры. Дело в том, что эта ДНК включается в место локализации генов, контролирующих синтез рРНК (митохондрии осуществляют синтез нескольких белков с использованием собственных рибосом). Но в результате такого изменения мтДНК ее способность к синтезу рРНК нарушается и, следовательно, возникает дефицит митохондриальных рибосом, приводящий к нарушению жизненно необходимого для нейроспоры митохондриального синтеза белка.

Механизмы внедрения "ДНК старения" нейроспоры также пока не исследованы, но известно, что такое внедрение связано с образованием в мтДНК разрывов. Итак, мы опять приходим к заключению, что нестабильность ДНК, на этот раз мтДНК - одна из причин (а в данном случае - определяющая) старения клеток.

Конечно, механизмы и характер изменения и участия в старении генов мтДНК у клеток млекопитающих могут не ограничиваться кратко рассмотренным у грибов. Кроме того, "гены старения", способные к транспозиции, возможно, могут выщепляться из ядерной ДНК и размножаться в ядре. Во всяком случае, целостность ядерного генома нарушается не только вследствие депуринизации ДНК, образования в ней разрывов и т. д.

М. Фенч и А. А. Морли в конце 1985 года обнаружили в лимфоцитах, полученных из периферической крови людей в возрасте от 0 до 82 лет, фрагменты хроматина, не связанные с основной массой хроматина ядра. Содержание таких микроядер в клетках было тем больше, чем больше был возраст доноров, от которых получали эти клетки. Частота наблюдения микроядер также возрастала после повреждения ДНК рентгеновским облучением культивируемых in vitro лимфоцитов. Это свидетельствует, что увеличенная нестабильность ДНК и является причиной образования микроядер в лимфоцитах пожилых и старых людей.

В 1985 году большая группа японских исследователей разработала специальную методику быстрого исследования кольцевых молекул в животных клетках. Эта методика позволяла следить за появлением таких молекул в ходе старения лимфоцитов грызунов в организме, легочных фибробластов человека в культуре клеток.

В нехромосомные ДНК со средним размером 1500 пар нуклеотидов наблюдали в обоих типах клеток, причем содержание копий таких ДНК и характер их распределения по размерам зависели от возраста (степени постарения) клеток. В процессе старения фибробластов здоровых доноров и людей с синдромом преждевременного старения (прогерия взрослых, или синдром Вернера) в них увеличивалось содержание внехромосомных ДНК с меньшей длиной.

Особенно интересны данные, полученные на лимфоцитах периферической крови мышат в возрасте 7-10 недель и старых мышей в возрасте более 17 месяцев. Оказалось, что при старении происходит увеличение абсолютного и относительного содержания в препаратах ДНК кольцевых внехромосомных молекул с контурной длиной 0,4-0,8 мкм. Корреляция степени такого молекулярного изменения со старением организма обнаружена и при сравнении мышей одного возраста, но различающихся по скорости старения. Похоже, что это изменение является следствием перестроек ДНК, нестабильности генов, их локальной редупликации - амплификации и выщепления из генома. Но в любом случае этот молекулярный признак можно попытаться использовать для количественной характеристики клеточного старения.

Одна из наиболее фундаментальных закономерностей старения генетического вещества (которому подчиняется и ядерная, и мтДНК, и половых и соматических клеток) состоит в том, что его повреждение не ограничивается одним каким-либо молекулярным событием. Это многоэтапный процесс, развитие которого приводит к образованию все более сложных и поэтому, вероятно, все медленнее и труднее поддающихся репарации повреждений.

Действительно образование тепловых спонтанных повреждений ДНК начинается с выщепления из ДНК пуринового или реже пиримидинового основания (см. рис. 1).

Но в апуриновых (апиримидиновых) участках резко ослабляются фосфордиэфирные связи остова спирали и в результате образуются разрывы цепей. При наличии такого типа повреждений (назовем их первичными) возрастает вероятность образования в ДНК двойных разрывов и сшивок полинуклеотидных цепей с белками (вторичные повреждения). А последние могут с большой вероятностью реализоваться в изменения структуры хромосом (Хромосомные аберрации - третичные Повреждения генетического вещества).

Теперь посмотрим, как меняется способность ДНК к репараций при повреждениях на различных уровнях. Известно, что апуриновые участки или однонитевые разрывы репарируются довольно быстро, относительно точно и полно; вторичные же - значительно медленнее, не всегда полно и, вероятно, менее точно; а хромосомные аберрации, если они возникли, обычно называются необратимыми.

Мы уделили уже много внимания возрастным изменениям структур, содержащих генетическую информацию или непосредственно участвующих в реализации этой информации. В одной из своих статей Ф. Крик заметил: молекула ДНК такова, что интересная информация о ней может быть практически неисчерпаемой. О механизмах повреждения ДНК при старении, наверное, можно сказать примерно то же.

Однако помимо процессов, происходящих в ДНК и РНК, существует множество иных интересных биологических явлений, связанных со старением. Сейчас мы рассмотрим ряд возрастных изменений негенетических структур.