Изменения функций хроматина при старении. Изменение трансляции

Видео: Микрогосударства и микронации: лекция Алистера Боннетта

Изменение трансляции при старении

Результаты исследований по изучению изменений трансляции рассмотрены во многих обзорах.

Общий вывод этих работ — снижение скорости синтеза суммарного белка во всех тканях стареющего организма, которое сопровождается или является причиной старения клеток.

Этот вывод был подтвержден последующими исследованиями на разных тканях стареющих животных.

Сообщение об увеличении или постоянстве скорости включения метки в стареющих тканях может быть объяснено различием условий эксперимента: разницей в разбавлении метки внутриклеточным фондом свободных предшественников, недостаточной однородностью возраста подопытных животных, различием органов и тканей, а также видов животных, использованных для исследования.

К подобным выводам пришли Гири и Флорини (Geary, Florini, 1972), которые изучали включение 3Н-лейцина в сердце молодых (1 и 2.8 мес), зрелых (8 или 9 мес) и старых (25 и 27 мес) мышей. Они нашли, что абсолютная скорость синтеза белков увеличивается от низкого уровня у молодых животных до максимума у зрелых и затем падает на 42% у старых крыс.

Авторы считают, что эти данные свидетельствуют о возрастном снижении скорости синтеза белков мышечных волокон сердца при старении. Темп возрастного снижения трансляции неодинаков у различных органов и тканей. В мозге мышей наблюдается значительное (около 90%) падение протеосинтеза через 18 дней после рождения (Lerner, Johnson, 1970). Шривастава и Шодхэри (Srivastava, Chaudhary, 1969) сообщили о 3-разовом уменьшении включения 14С-лейцина скелетными мышцами между 16-м и 320-м днями после рождения.

Величина скорости возрастного снижения синтеза белков скелетными мышцами лежит между соответствующими величинами для мозга и печени мышей. Граховец (Hrachovec, 1968, 1969) считает, что такие различия между органами и тканями могут объясняться различиями в скорости роста. Обширное исследование темпов возрастных изменений синтеза РНК и белков в разных органах крыс предприняли Канунго и сотр. (Kanungo et al., 1970).

Авторы изучали включение 14С-урацила и 14С-лейцина у самцов крыс 11-, 40- и 89-недельного возраста. Синтез РНК повышался к 40 неделям и снижался к 89-недельному возрасту в печени, почках, селезенке, сердце, мозге и семенниках- в мышцах наблюдалось уменьшение включения 14С-урацила к 40-недельному возрасту и повышение к 89-недельному, значительно превышающее исходный уровень. Включение метки в белки с возрастом крыс увеличивается в сердце и селезенке.

В белки мозга и скелетных мышц это включение повышается к 40-й неделе и затем уменьшается. Общий фонд предшественников РНК в сердце, скелетных мышцах, почках и семенниках увеличивается с возрастом и достигает наивысшего уровня у 89-недельных крыс, в печени и селезенке не изменяется после 40 недель, в мозге же наименьший фонд отмечен у 40-недельных животных.

Наибольшее содержание белка в сердце скелетных мышцах, мозге, селезенке и семенниках отмечено у 40-недельных крыс, а в печени и почках у 89- и 11-недельных животных соответственно. Максимальное отношение РНК/белок у 89-недельных крыс во всех органах, кроме мозга и сердца. Возможная причина органной специфичности возрастных изменений синтеза белков, по мнению Канунго и соавторов, заключается в различной потребности в этих белках и изоферментах у животных различного возраста, как показано на примере лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и малатдегидрогеназы (МДГ).

Внутри одних и тех же органов, тканей и клеток разные белки обмениваются с разной скоростью. Большинство же исследователей определяют суммарную скорость включения метки. Шривастава и Шодхэри (Srivastavai Ghaudhary, 1969) нашли что синтез белков в разных клеточных фракциях скелетных мышц мышей между 16-м и 320-м днями постанального развития понижался неодинаково (в 2 раза в микросомальной фракции, в 21 раз в митохондриальной, в 3.3 раза в ядерно-миофибриллярной, в 3.4 раза в надосадочной фракциях).

Синтезируемые клетками белки можно условно разделить на 2 группы:

а) секреторные, с помощью которых совершается регуляция на уровне тканей органов и организма;
б) интрацеллюлярные, используемые для внутренних нужд клетки.



Ове и сотр. (Ove et al., 1972) изучали синтез и деградацию ферритина как представителя внутриклеточных белков печени, альбумина как секретируемого печенью белка и суммарного белка печени у молодых и старых самок крыс. Оказалось, что с возрастом происходит 2-кратное увеличение концентрации ферритина, видимо, вследствие снижения скорости деградации, так как его синтез уменьшается.

Синтез альбумина, наоборот, увеличивается с возрастом, причем старые животные не отвечают увеличением его синтеза на кровопускание, как молодые. Общий уровень синтеза в печени падает у старых крыс. Бошен и сотр. (Beauchene et al., 1970) также наблюдали увеличение с возрастом синтеза некоторых белков печени, особенно альбумина.

При исследовании возрастных изменений функциональной способности рибосом оказалось (Красницкая и др., 1976), что в модельных системах эндогенный синтез белка рибосомальными препаратами печени крыс (кроме детергентных рибосом) значительно падал после месячного возраста и затем во всех видах препаратов почти не изменялся.

В отличие от этого синтетическая активность препарата «детергентных хромосом», освобожденных обработкой дезоксихолатом натрия от обрывков клеточных мембран, выявляла тенденцию к максимуму в 3 мес, при снижении после годовалого возраста к старости. Эти изменения близки к изменениям скорости синтеза предшественников мРНК изолированными ядрами клеток печени, где трехмесячный максимум хорошо выражен и вполне достоверен.

Комолли и сотр. (Comolli et al., 1979) изучили изменение активности фактора диссоциации рибосом 80S на субъединицы 60S и 40S в клетках печени крыс. Оказалось, что с возрастом активность этого фактора падает, он все больше переходит из рибосом в цитозоль клеток, скорость диссоциации рибосом уменьшается. Все это является одной из причин возрастного снижения синтеза белка.

По данным Шмидта и Бакера (Schmidt, Baker, 1979), раствор поваренной соли 0.5 моль/л извлекает из рибосом старых дрозофил в 5 раз больше белков, чем из молодых, т. е. с возрастом прочность рибосомального комплекса снижается. Авторы пришли к выводу, что ответственны за это не белки, а скорее рРНК.

По данным Мюллера и сотр. (Muller et al., 1979), одной из причин возрастного снижения синтеза белков авидина и яичного альбумина в яйцеводе перепелов может быть более быстрое разрушение поли-А-фрагмента мРНК специальной РНК-азой, активность которой резко активируется при старении (Arendes, 1979). Другой причиной может быть накопление в ДНК старых перепелов остаточных белков, количество которых у прекративших кладку яиц, птиц возрастает почти в 2 раза. Нарушение процессинга ядерной РНК в старости, связанное с дефектом транспорта и обмена полиаденилированной про-мРНК у крыс, обнаружили Яннарелл и сотр. (Yannarell et al., 1977).



Одним из моментов, объясняющих в известной степени расхождения в результатах исследований динамики возрастных изменений матричной активности белоксинтезирующих систем клетки в условиях in vivo и in vitro, являются изменения влияний на функциональную способность этих систем специфических факторов, присущих нуклео- и цитоплазме (цитозолю).

В этом отношении ценны данные исследований Билка и сотр. (Bielka et al., 1976), выявивших, что в то время как очищенные рибосомы печени и почек крыс в условиях бесклеточных систем с полиуридилом и 3Н-фен-тРНК как субстратом не выявляли возрастной разности в скорости синтеза белков, активация этого синтеза цитозолем печени, почек и семенников резко падала с возрастом.

Исследования последних лет приводят к выводу, что возрастные изменения белоксинтезирующего аппарата клеток, при общей тенденции к снижению его функциональной активности, оказываются значительно сложнее этой казавшейся безраздельно превалирующей закономерности. В характеристике старости приобретают особое значение нарастающая дисгармония интенсивности обновления отдельных звеньев белоксинтезирующего аппарата клетки и пока трудно расшифровываемые изменения внутриклеточных условий, определяющих эффективность и характер функционирования этого аппарата.

Механизмы возрастных изменений трансляции у животных связаны с изменением многих факторов — системы аминоацилирования тРНК, рибосомного и полисомного аппарата, белковых факторов трансляции, эндогенных ингибиторов белкового синтеза и т. д. Особенно важную роль здесь играют органические катионы — полиамины путресцин, спермидин, спермин (Бердышев, Карпенчук, 1977).

Остановимся более подробно на механизмах, связанных с возрастным изменением обмена тРНК. В литературе имеется ряд работ о структурно-функциональных изменениях тРНК с возрастом животных. Ли и Ингрем (Lee, Ingram, 1967) исследовали тРНК эмбрионов и взрослых цыплят. Используя хроматографию на метилированном альбумине с кизельгуром (МАК) и фреонколонках, они показали, что метионил-тРНК 4-дневных эмбрионов и взрослых цыплят имеет качественные и количественные различия.

На МАК-колонке было показано появление добавочного пика в профиле эволюции метионил-тРНК у взрослых цыплят. Сопоставление хроматографических профилей для трех индивидуальных тРНК на ряде ранних стадий развития зародыша морского ежа было проведено Спедфордом (Spadford, 1973).

При этом оказалось, что на этапе гаструляции появляется новая изоакцепторная компонента сериновой тРНК. Кроме того, сразу после оплодотворения изменяется специфичность одной из лейцил-тРНК-синтетаз и соотношение отдельных фракций лизил-тРНК. Шривастава (Srivastava, 1969) обнаружил, что включение фенилаланина в белок скелетных мышц мышей уменьшается с возрастом.

Это изменение сопровождается прогрессирующим уменьшением концентрации полисом и общего содержания РНК. Лин и Мак-Ки (Lin, МсКее, 1976) показали, что процент аминоацилирования и суммарная тРНК были выше в начальный период постнатального развития, чем у взрослых крыс. Сходные данные получены также и на растительных организмах.

Ряд авторов высказывает предположение о том, что снижение белкового синтеза может быть связано с изменением рН ферментов. Однако большинство работ противоречит этим предположениям. При исследовании концентрации рН-5 ферментов в мозге крыс различного возраста было показано, что существует корреляция между возрастом и количеством выделяемого рН-5 фермента.

В то же время необходимо отметить, что уровень активности суммарного рН-5 фермента не может в полной мере отражать активности индивидуальных аминоацил-тРНК-синтетаз, так как в процессе развития изменяется соотношение скоростей синтеза отдельных белков и, следовательно, в этом случае должна изменяться и интенсивность активации отдельных аминокислот. Результаты некоторых исследований свидетельствуют об этом.

Так, например, Деревянко (1970) показала, что рН-5 фракция печени 3-месячных крыс обладает высокой способностью активировать пролиновую и глутаминовую кислоты по сравнению с месячными животными, однако к старости глутамин-тРНК-синтетазная активность понижается до уровня, свойственного крысам в возрасте одного месяца, а пролин-тРНК-синтетазная активность остается без изменений.

Демидов и Ельская (1980), Демидов и соавт. (1980) исследовали возрастные особенности набора суммарной тРНК, специфичной к глутаминовой кислоте, лейцину, фенилаланину, глицину, аланину, триптофану, выделенных из печени 3—5-дневных, одно-, двух- и пятилетних кроликов.

Было показано, что уровень аминоацилирования тРНК из печени 3—5-дневных и пятилетних кроликов в 1.5—3 раза ниже, чем у одно- и двухлетних кроликов (кроме аланиновой тРНК). В суммарном препарате тРНК найдена разница между содержанием индивидуальных тРНК одинаковой аминокислотной специфичности для каждого из изучаемых возрастов.

О многообразных механизмах возрастного снижения синтеза белка свидетельствует работа Явич (1976). В опытах на крысах в возрасте 3—4 мес и 23—24 мес она нашла, что при старении в миокарде в результате уменьшения концентрации рибосом и тРНК происходит снижение абсолютной скорости синтеза белка, замедляется распад белков миофибрилл, падает скорость синтеза и распада РНК. Сниженная при старении скорость кругооборота РНК и белков в сердечной мышце создает предпосылки для накапливания в ее клетках неполноценных молекул.

Изучение возрастных изменений многих других генетических процессов только начинается. Так, оказалось, что скорость деградации измененных при старении белков у старых нематод меньше, чем у молодых (Reznick, Gershon, 1979). По данным Акифьева и сотр. (1978), старение клеток сопровождается нарушением так называемого процесса коррекции в половых клетках — исправления дефектов в тех генах, которые с гаметами передаются следующим поколениям. Каким образом изменяются при старении процессы генетической рекомбинации, амплификации, магнификации, обратной транскрипции и многие другие, еще не известно.

Однако то, что уже известно, позволяет сделать вывод: в постморфогенетический период, в частности в зрелом и старческом возрасте, параллельно многочисленным повреждениям структуры генетического аппарата клеток происходит многообразное нарушение его функций.

Накапливаются данные о том, что при старении повреждаются почти все изученные до сих пор молекулярно-генетические функции — репарация и репликация ДНК, прямая транскрипция, трансляция и процессинг РНК, распад белков. Еще не ясно, являются ли они пусковыми механизмами старения или представляют собой следствие нарушения функций более высоких регуляторных систем организма и клетки (нервной, эндокринной, мембранно-клеточной и других) или их взаимодействия.

Поскольку любая функция клетки является результатом взаимодействия по крайней мере 4 регуляторных систем клетки и организма — генной, мембранно-клеточной, нервной и эндокринной (Нагорный и др., 1963- Бердышев и др., 1980), любое нарушение в одной из этих систем или их взаимодействия вызовет старение или гибель клетки, увеличит скорость старения организма.

В последние годы накапливаются результаты, которые показывают, что пусковые механизмы старения связаны с повреждением генной регуляторной системы клетки. Развиваемые с их учетом теории — затухающего самообновления протоплазмы (Нагорный и др., 1963- Никитин, 1971), эколого-генетическая (Бердышев, 1968, 1977), генно-регуляторная (Фролькис, 1970) и другие — указывают на возрастные повреждения структуры и функции генетического аппарата клеток как на основную биохимическую причину старения клеток и организмов. Хотя нет еще полного доказательства этих генетических теорий, однако значительный, все время увеличивающийся экспериментальный материал поддеpживaeт эти концепции.