Возрастные изменения генетического аппарата клеток. Изменения хромосом

Видео: Цитология для ЕГЭ по биологии

Возрастные изменения хромосом

Первоначальное сообщение Жэкобса и сотр. (Jacobs et al., 1961), показавших изменение количества хромосом при старении человека, вызвало большой интерес к этой проблеме.

В то время как некоторые авторы не смогли обнаружить какие-либо заметные хромосомные изменения с возрастом, большинство исследователей (Homma, Nielsen, 1976- Shoemaker, 1977) подтвердили результаты Жэкобса и соавт., причем многие объясняли возрастную гиподиплоидию потерей хромосомы X (у женщин) или Y (у мужчин).

В литературе приведены многочисленные данные о повышении с возрастом частоты хромосомных нарушений.

Брукс и сотр. (Brooks et al., 1973) установили, что с возрастом в печени китайского хомячка количество хромосомных аберраций под воздействием четыреххлористого углерода при частичной гепатэктомии увеличивается.

Однако скорость возрастного накопления повреждений хромосом у различных видов животных не коррелирует с продолжительностью их жизни. По мере старения чувствительность хромосом человека и животных к действию повреждающих агентов значительно повышается (Кулишов, 1972- Бочков, 1974).

При исследовании спонтанного мутагенеза у людей старше 75—90 лет обнаружена повышенная частота хромосомных аберраций (Керкис, Раджабли, 1966). Однако это повышение незначительное — всего 3—5%. Особенно заметны хромосомные аберрации в стареющих культурах фибробластов легких человека, впервые обнаруженные Хейфликом (Hayfiick, 1968). Томпсон и Холидей (Thompson, Holliday, 1975) обнаружили, что при культивировании эмбриональных фибробластов легких человека на 50-м делении резко возрастает частота полиплоидии.

На 60-м делении, незадолго до гибели клеток, значительно возрастает частота анэуплоидии и других хромосомных аберраций. Старение клеток и хромосомные повреждения ускоряются при повышении температуры культивирования клеток (32, 34 и 40 °С).

Чен и Раддль (Chen, Ruddle, 1974) изучали хромосомные аберрации в диплоидных фибробластах WI-38 в различные сроки пассажей и в некоторых клетках выявили хромосомные перестройки (делеции короткого плеча 1-й и 4-й хромосом, транслокации 17-й хромосомы).

При увеличении возраста культур клеток количество хромосомных аберраций возрастает- количество клеток с возрастными перестройками хромосом в данной популяции может варьировать от 2 до 30%. Хотя известны многочисленные попытки объяснить старение накоплением с возрастом хромосомных аберраций (Curtis, 1956), однако причинная роль хромосомных повреждений в старении еще не доказана. Существует противоположное мнение о том, что увеличение хромосомных аберраций с возрастом является следствием, а не причиной старения.

Изменения структуры аппарата трансляции на поздних этапах онтогенеза

Рибосомальный аппарат — многокомпонентная система, которая осуществляет завершающий этап биосинтеза белка — транслирование мРНК (Ochoa, Наго, de, 1979). Постепенно накопляющиеся экспериментальные, данные подтверждают, что с возрастом эта система претерпевает довольно значительные изменения, которые могут ограничивать или даже извращать синтез белка, несмотря на наличие всех других необходимых компонентов — мРНК, аминоацил-тРНК и др.



Эти изменения белоксинтезирующего аппарата могут быть качественными и количественными, т. е., во-первых, могут происходить изменения в количестве рибосом и полирибосом, их количественное перераспределение, а во-вторых, изменения в составе компонентов рибосом.

Определенное влияние на полисомный аппарат могут оказывать и изменения энергетической обеспеченности трансляции, а также другие условия внутренней среды клетки (Бердышев, Карпенчук, 1977). Рассмотрим возрастные изменения полисом. Образование полисом является необходимой предпосылкой для эффективного синтеза белка. На разных этапах индивидуального развития интенсивность белкового синтеза коррелирует с изменениями количества полисом.

Это утверждение справедливо для организмов, стоящих на самых разных ступенях эволюционного развития, начиная от одноклеточных и кончая высшими многоклеточными организмами. Литература по этому вопросу до 1967 г. включительно суммирована в обзоре Новиковой (1970), до 1977 года — в обзорах Ванюшина и Бердышева (1977), Бердышева и Карпенчука (1977), поэтому более подробному рассмотрению будут подвергнуты лишь некоторые работы.

Уже в эмбриогенезе мы наблюдаем регуляцию белкового синтеза путем изменения количества полисом. Так, в неоплодотворенных яйцах Hyanassa обнаруживается небольшое количество полисом, после оплодотворения же включение 14С-лейцина в полисомы значительно возрастает, а на личиночной стадии количество рибосомальных частиц в 5 раз больше, чем в неоплодотворенных яйцах (Mirkes, 1972).



У высших организмов различия в характере онтогенетических изменений полисомных структур наблюдаются в разных высокодифференцированных тканях и органах в зависимости от их синтетических потребностей. Значительное (около 90%) снижение белкового синтеза в мозге мышей через 18 дней после рождения объясняют изменением рибосом и рН 5 фракций, а не недостатком мРНК или повышением РНК-азной активности (Lerner, Johnson, 1970).

При изучении полисом мозга крыс от рождения до 1 года жизни (Jamagami et al., 1966- Jamagami, Mori, 1970) была обнаружена следующая закономерность: включение 14С-фенилаланина в полисомные белки резко падало через 10 дней после рождения, причем полисомы зрелого мозга вследствие падения концентрации хуже включали метку даже при добавлении в качестве матрицы полиуридиловой кислоты.

Скорость вымывания РНК, белка и кислоторастворимого фактора из полисом зрелого мозга при высоких концентрациях солей, ЭДТА и мочевины была больше, чем из соответствующих препаратов молодых животных. Количество полисомной РНК линейно увеличивалось в первые 20 дней после рождения и затем выравнивалось. Отношение (Г+Ц)/(А+Т) полисомной РНК статистически достоверно изменялось от 1.3 в молодом мозге до 1.5 в зрелом.

Ранее авторами было показано, что отношение (Г+Ц)/(А+Т) этой РНК в нейронах гиппокампа значительно увеличивается у зрелых крыс по сравнению с молодыми. В скелетных мышцах концентрация полисом падает, коррелируя с понижением общего белкового синтеза между 16 и 320 днями после рождения (Srivastava, 1969).

Характер возрастных изменений рибосомного аппарата в клетках печени отличается от скелетных мышц, мозга, ретикулоцитов, так как печень является мощным секреторным органом. У взрослых животных повышаются содержание полисом и включение в них метки (Murthy, 1966).

У старых крыс в возрасте от 20 до 31 мес включение метки в микросомы печени закономерно падает по сравнению с тем, что наблюдается у крыс в зрелом возрасте (12 мес), хотя отношение РНК/белок одинаково для зрелых и старых крыс (Buetov, Gandhi, 1973). Электронно-микроскопическое изучение эндоплазматической сети печени стариков показывает обеднение рибосомам (Сато и др., 1972).

Во фракции неочищенных микросом поджелудочной железы старых (9 лет) собак отношение РНК/белок уменьшается по сравнению с таковым у молодых животных (1 и 5.3 года), так же как отношение РНК шероховатых микросом/РНК гладких (Saladino et al., 1971).

С возрастом скорость разрушения и образования рибосом как будто не меняется. При исследовании обмена метки 14С-оротовой кислоты у молодых (12 мес) и старых (24 мес) самцов в печени, селезенке, почках, легких и слизистой кишечника не было обнаружено возрастных изменений в скорости деградации рибосомных частиц, которая описывалась простой экспонентой (Menzies et al., 1972).

Однако была найдена определенная органная специфичность в скорости обмена метки в рибосомах. Период полужизни рибосом в днях составлял: в печени — 5.89, в легких — 8.98. Бейкер и Шмидт (Baker, Schmidt, 1976) наблюдали возрастное снижение количества рибосом 80S (на 23%) у плодовой мухи Drosophila melanogaster. У старых мух выявлено значительное изменение прочности РНК-белкового комплекса рибосом, выявляемое при помощи диссоциации белков из частиц 80S растворами КС1 возрастающей концентрации.

Однако анализ белков рибосом двумерным электрофорезом в полиакриламидном геле (56 основных и 11 кислых белков) не выявил различий у 4- и 30-дневных дрозофил. Тем не менее изменение с возрастом прочности связи между белками и РНК рибосом свидетельствует о нарушении структуры рибосом при старении.

Из рассмотренных работ можно сделать вывод, что при старении изменяются почти все изученные до сих пор генетические структуры: в меньшей степени ДНК и в большей — ДНП, хроматин, рибосомный аппарат клетки. Многие возрастные изменения структуры генетического аппарата не изучены.

Так, например, неизвестно, как изменяются структура ядерного белкового комплекса, строение информомер, информосом, многих ферментов генетических процессов (ДНК- и РНК-полимеразы, полинуклеотидлигазы и т. д.), митохондриальной и пластидной ДНК и т. п.

Изучить эти изменения — одна из важных задач современной геронтологии. Несомненно одно: изменение структуры генетического аппарата клеток при старении вызывает значительное, а порою и резкое нарушение функций клетки и организма, существенно снижающее их жизнедеятельность.