Изменения функций хроматина при старении. Возрастные изменения синтеза дезоксирибонуклеиновой кислоты

Возрастные изменения синтеза дезоксирибонуклеиновой кислоты

Репарация ДНК тесно связана с процессами синтеза ДНК, причем эта связь основывается на единстве ферментативных систем, участвующих в репликации ДНК, рекомбинации, репарации и других процессах.

Имеются данные, свидетельствующие о возрастном изменении активности ДНК-полимеразы животных.

Так, с возрастом изменяется активность ДНК-полимеразы ядер мозга крыс.

Уровень ДНК-полимеразы в ядрах крыс увеличивается во время первых 2 нед после рождения и затем резко уменьшается до 10 нед, составляя только одну треть от уровня активности фермента у новорожденных. Интересно отметить, что содержание ДНК в мозге коррелирует с активностью ДНК-полимеразы.

Ферментативная активность в печени в отличие от таковой в мозге повышается непрерывно от рождения до 12 нед жизни животного. У молодых крыс фермент находится почти исключительно в растворимой форме, а у взрослых крыс — в связанной форме, которая неактивна до тех пор, пока не переходит в раствор (Chiu, Sung, 1973). Было установлено, что активность ДНК-полимеразы коррелирует с периодами быстрого роста и клеточного обмена.

У москитов максимальная активность ДНК-полимеразы отмечалась в ларвальный и пупальный периоды, резко снижалась у молодых (моложе 10 дней) и едва обнаруживалась у взрослых (10—48 дней) особей (Mastropaolo, 1973). Бартон и Янг (Barton, Jang, 1973) исследовали активность ДНК-полимеразы в селезенке взрослых (4 мес) и старых (30 мес) мышей.

Активность высокомолекулярной ДНК-полимеразы была близка у животных разного возраста, а низкомолекулярной ДНК-полимеразы — в 2— 5 раз ниже в селезенке старых мышей. При старении намечается тенденция к прогрессирующему угнетению репликативного синтеза ДНК и митозов.

Отмечается значительное снижение интенсивности включения меченого тимидина во многие ткани старых животных, например в кортикальные клетки почек, переднюю и промежуточную доли гипофиза млекопитающих (Crane, Lomes, 1967) и почти во все органы насекомых.

Активность ДНК-полимеразы в различных тканях насекомых и яичниках крыс снижается по мере роста животных и особенно в первые дни развития. Боллюм и ван Поттер (цит. по: Ванюшин, Бердышев, 1977) наблюдали низкое включение 3Н-тимидина в двунитчатую матричную ДНК в системе, содержащей надосадочную фракцию гомогенатов печени старых крыс.

Уменьшение ДНК-полимеразной активности у старых крыс можно было бы объяснить накоплением с возрастом ингибиторов ДНК-полимеразы. Однако, если бы ингибиторы ДНК-полимеразы действительно накапливались в тканях с увеличением возраста животных, активность ДНК-полимеразы также была бы меньше, чем активность гомогенатов тканей молодых животных- на самом же деле она больше.



Исходя из теории старения как результата катастрофы ошибок синтеза Оргела (Orgel, 1963), можно предполагать, что уменьшение скорости синтеза ДНК в стареющих клетках может происходить за счет ошибок действия ферментов синтеза ДНК.

Дефектная ДНК-полимераза, во-первых, может осуществлять неправильную репликацию генома, а во-вторых, присоединившись к матрице, она может надолго блокировать ее репликацию, пока не заменится на нормальный фермент. Искаженные молекулы ДНК-полимераз могут, таким образом, обладать активностью гена-мутатора. Ошибки репликации могут необратимо накапливаться и служить причиной гибели клетки.

Разумеется, синтез ДНК зависит не только от собственно ферментов репликации, но и от обеспеченности нуклеотидными предшественниками ДНК, от энергообеспеченности клетки, от состояния мест инициации на мембранах, от их структуры и от многих других факторов.

Тем не менее низкий уровень синтеза ДНК может быть важным фактором клеточной смерти. Так, можно думать, что завершение синтеза некоторых репликонов может быть условием (сигналом) для того, чтобы включились другие важные процессы клеточного цикла. При снижении же скорости синтеза ДНК эти регуляторные механизмы клетки могут нарушаться.



Предполагают, что в клетке может существовать некая особая метаболическая фракция ДНК, которая содержит копии активных, работающих в клетке генов. Поврежденные под влиянием мутаций молекулы этой ДНК должны быть заменены вновь синтезированными. С уменьшением скорости синтеза ДНК при старении количество искаженных копий метаболически активной ДНК будет увеличиваться, и тогда, когда не останется «критического» количества нормальных молекул, наступает гибель.

Обычно приводят следующие доказательства в пользу гипотезы катастрофы ошибок синтеза Оргеля:

1) накопление с возрастом измененных молекул белков, в частности ферментов (Gershon, Gershon, 1973- Rothstein, 1979);
2) включение аналогов кислот в белки, а азотистых оснований в РНК снижает продолжительность жизни дрозофилы (Harrison, Holliday, 1967) и фибробластов в культуре ткани (Holliday, Tarrant, 1972).

Мариотти и Рушито (Mariotti, Ruscitto, 1977) пришли к выводу о том, что точность и эффективность белкового синтеза в старости снижаются, что хорошо согласуется с теорией Оргела и других авторов, постулировавших увеличение с возрастом животных стохастических повреждений генетического аппарата клеток (соматических мутаций, ошибок трансляции, транскрипции и репарации ДНК).

Однако этим выводам противоречат результаты исследований на домашнем сверчке Бернса и Коленаса (Burns, Kaulenas, 1979), которые не нашли физико-химических изменений у белков стареющих насекомых. Старение сверчков они объясняют не стохастическими ошибками, а закономерными изменениями генетической регуляции. Противоречия между гипотезой Оргела и генно-регуляторными теориями легко разрешаются, если мы примем во внимание действующую природу процессов старения.

Согласно эколого-генетической теории старения (Бердышев, 1977), возрастное повреждение генетического аппарата клеток вызывается как случайными, стохастическими факторами Оргела, так и запрограммированными событиями.

Этигенетически детерминированные факторы могут также повреждать ДНК-полимеразу и другие ферменты репликации (например путем контролируемого циклическими нуклеотидами протеинкиназного фосфорилирования), как и стохастические.

При старении снижается скорость индуцируемого синтеза ДНК.

Так, после введения изопротеренола у крыс происходит тканеспецифический индуцированный синтез ДНК, наступает деление некоторых клеток слюнной железы. Показано, что время индукции синтеза ДНК увеличивается прямо пропорционально возрасту крыс (с 2 до 24 мес). Предполагают, что эти изменения связаны с обменом РНК и белка (Adelman, 1975).

Представление о возрастных изменениях способности клеток к репликации и митозу можно получить на основании опытов по индукции синтеза ДНК и клеточного деления у старых и молодых животных. Такое исследование можно проводить в экспериментах двух видов: в условиях гипертрофии и регенерации органов, а также под действием стимулирующих агентов.

Синтез ДНК и скорость фосфорилирования гистоновых фракций H1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 изучали в печени контрольных (интактных) и гепатэктомированных самцов крыс линии Wistar в возрасте от 5 до 27 мес. У контрольных животных с возрастом в печени прогрессивно уменьшается синтез ДНК. Различия в норме фосфорилирования между молодыми и старыми интактными крысами не обнаруживалось, так как потребление 32Р было ниже чувствительности метода.

В регенерирующей печени старых крыс обнаруживались депрессия синтеза ДНК и нормы фосфорилирования гистонов H1. В отношении других гистоновых фракций статистические различия отсутствовали. Наблюдаемые возрастные изменения объясняются более компактной структурой нуклеопротеинового комплекса, обнаруженной у старых животных (Plantanelli, Fabris, 1975) . Увеличение времени, необходимого для инициации синтеза ДНК и клеточного деления, отмечается также в регенерирующей печени старых крыс после частичной гепатэктомии (Оболенская, 1976).

Нарушение репликации и нормального протекания митозов в процессе старения может обусловливаться изменениями как активности ферментов, катализирующих эти процессы, так и изменениями структуры ДНП — упрочением связей между ДНК и белком. В настоящее время имеется ряд работ, указывающих на образование прочных связей между ДНК и белком в ДНП старых организмов (Ванюшин, Бердышев, 1977).