Возрастные изменения генетического аппарата клеток. «Печать возраста» на макромолекулярной структуре

«Печать возраста» на макромолекулярной структуре дезоксирибонуклеопротеида и хроматина

Уже ранее проведенные исследования выявили некоторые особенности в составе ДНП и хроматина ядер клеток печени, мозга и эритроцитов куриных эмбрионов, цыплят и взрослых кур.

Отношение гистонов к ДНК в нем почти не изменялось, но содержание РНК и общего белка с возрастом отчетливо снижалось (Dingman, Sporn, 1964).

В исследованиях Пытила и Шермана (Puthila, Sherman, 1968) было найдено, что хроматин из печени, почек и тимуса белых крыс обедняется с возрастом РНК и негистоновыми белками.

Тпл хроматина и тимуса 1—2-месячных телят была отчетливо выше, чем у 20-летних коров.

Для хроматина мозга мышей было показано его обогащение к старости белками. Для хроматина (ДНП) печени белых крыс установлено падение с возрастом отношений негистоновые белки/ДНК и РНК/ДНК при небольшом подъеме в старости отношения гистоны/ДНК. Эти изменения «сдерживаются» в хроматине животных с экспериментально продленной жизнью (Никитин, 1971, 1972).

Близкие к этому данные, но с более резко выявленной «печатью возраста» на ДНП печени, крыс, получены Бердышевым и Желябовской (Бердышев, Желябовская, 1972- Желябовская, Бердышев, 1972). При этом прочность связывания гистонов и негистоновых белков в ДНП-комплексе к старости значительно нарастала. Матричная активность хроматина в синтезе РНК при участии экзогенной РНК-полимеразы к старости (30 мес) существенно снижалась.

Тпл ДНК значительно повышалась в позднем онтогенезе. Достоверное снижение с возрастом соотношения РНК/ДНК в хроматине печени белых крыс было установлено Басанец (1976). Ей, однако, не удалось подтвердить возрастного обеднения хроматина негистоновыми белками, а в отношении прочности связывания гистонов с ДНП она нашла, что только фракция богатых аргинином белков (фракция НЗ) все сильнее связывается по мере старения с ДНК хроматина.

Куртц и сотр. (Kurtz et al., 1974) установили наличие 15 пиков на производных кривых плавления (Тпл) ДНП тканей мозга мышей. Ими были установлены возрастные особенности в распределении ДНК хроматина между фракциями с различной температурой плавления. Парадоксальным образом оказалось, что по величине гиперхромизма хроматин новорожденных близок к хроматину старых животных и отличен от хроматина взрослых мышей. Федорова и сотр. (1976) провели исследования белкового состава хроматина печени и мозга курицы на разных стадиях онтогенеза.

Применялся иммунохимический метод двойной диффузии в геле, позволяющий регистрировать антигенноактивные компоненты в составе хроматина. Были установлены резкие различия по иммунохимическим свойствам между хроматином разных стадий развития животных. При таком методическом подходе выявляются глубокие различия хроматина тканей взрослых организмов, животных ранних стадий онтогенеза, а также хроматина в момент закладки органов у эмбриона.

Возрастные изменения фракций негистоновых белков

В постнатальном онтогенезе состав и некоторые свойства молекул гистоновых и, в меньшей мере, негистоновых белков почти не изменяются или изменяются очень мало. После формирования набора фракций гистоновых белков в раннем эмбриогенезе биохимическая структура всех основных фракций гистонов в постэмбриогенезе не изменяется (Гинейтис и др., 1971- Клименко, 1975а, 19756).

Вместе с тем особенностью возрастных изменений фракций негистоновых белков оказалось то, что у молодых (1-месячных) белых крыс в ядрах имеется 39 фракций, а у старых — только 36. Однако молекулярная структура и электрофоретическая подвижность общих для всех возрастов 36 фракций негистоновых белков в течение всей постнатальной жизни не изменяются.

Не меняется с возрастом и отношение сульфгидрильных к дисульфидным группам в суммарных гистонах хроматина ядер белых крыс- вместе с тем общее содержание тиоловых групп максимально в средних возрастах (Клименко, Стефанович, 1976). Дальнейшие исследования показали, что возраст сказывается на составе фракций гистоновых и негистоновых белков, их обновляемости и скорости ацетилирования и метилирования.

Можно говорить о том, что каждому возрасту присущ свой спектр белковых фракций хроматина. Так, Клименко (19756) установил, что некоторые электрофоретические фракции гистонов хроматина печени крыс количественно изменяются с возрастом. В еще большей степени выражены возрастные изменения в обновляемости (скорости внедрения меченых предшественников) во фракциях гистонов хроматина (Клименко и др., 1975).

Оказалось, что интенсивность включения меченых предшественников (применялся гидролизат белков хлореллы, меченный по 14С) во все фракции гистонов нарастает с возрастом, однако фракция НЗА уже в 3 мес достигает максимальной метаболируемости, фракция Н1В достигает этого в 12 мес, а фракция НЗ достигает максимума скорости внедрения меченых предшественников у старых животных (24 мес). Очень различны и абсолютные уровни включения меченых предшественников во все фракции гистонов.

Еще отчетливее «печать возраста» сказывается на скорости ацетилирования и метилирования гистонов и негистоновых белков хроматина печени белых крыс. Оба эти процесса рассматриваются как пути управления регулирующим влиянием белков на функциональную активность хроматина (Клименко и др., 1976- Малышев, 1977).

В случае ацетилирования, несмотря на разную абсолютную скорость включения ацетатной метки в белки, все они проявляют единую возрастную закономерность — усиление внедрения с возрастом. В отличие от этого метилирование только в раннем онтогенезе однозначно и скачкообразно нарастает в белках хроматина, «почерк» возрастных изменений метилирования в зрелости и старости для различных белков неодинаков.

В состав хроматина эукариот входят фосфолипиды. В исследованиях Поповой и сотр. (1977) было установлено, что в первой половине онтогенеза состав фракций фосфолипидов почти не изменяется. Однако во вторую половину онтогенеза белых крыс (к 24-месячному возрасту) содержание всех фракций фосфолипидов в хроматине значительно падает (табл. 19).
Таблица 19. Возрастные изменения фосфолипидного состава хроматина печени белых крыс (Никитин и др., 1976)

Возраст, мес	Фосфолипиды, мкг липидов/мкг ДНК
	сфингомиелин	лецитин	этаноламино-фосфатид	лизолецитин
1 3 12 24	0.0503 0.0503 0.0500 0.0275	0.0860 0.0815 0.0863 0.0550	0.0520 0.0520 0.0520 0.0275	0.0498 0.0393 0.0450 0.0258

У крыс с экспериментально продленной жизнью эти возрастные изменения фосфолипидов выражены гораздо слабее. Открытие нуклеосомного строения хроматина позволило на новом уровне исследовать проблему возрастного изменения его структуры (Gaubatz et al., 1979а, 1979b).

Переваривание хроматина печени, мозга, сердца мышей в возраста от 30 до 1100 дней микрококковой нуклеазой и ДНК-азой показало, что нуклеосомная структура не изменяется при старении. Скорость и величина нуклеазного переваривания, размер повторов ДНК, гистоновый октомер остаются одинаковыми во всех возрастных периодах мышей.

Лишь в хроматине мозга старых мышей интернуклеосомные участки ДНК становились менее доступными для нуклеаз, чем таковые у молодых. Однако авторы не исключают существования более мелких возрастных изменений в хроматине, не выявляемых примененными ими методами исследования. Количество дисульфидных связей в белках хроматина мозга и печени крыс в возрасте от 3 до 33 мес не увеличивается, хотя количество цистеина в негистоновых белках хроматина возрастает (Carter, 1979).

Своеобразные отличия установлены для возрастных изменений активности ведущих ферментов распада нуклеиновых кислот — кислой и нейтральной ДНК-аз — в ядрах и хроматине клеток печени крыс. В то время как в ядрах активность нейтральной ДНК-азы лишь немного падает в онтогенезе, а кислой — резко возрастает в старости, активность обеих нуклеаз, связанных с хроматином, с возрастом практически не меняется (Шевцова, 1975).

Таким образом, несмотря на существенный разброс результатов исследований, уже сейчас накоплен достаточный материал, показывающий наличие «печати возраста» на структуре макромолекул хроматина и белоксинтезирующего аппарата клеток.

Наличие этих результатов позволило Катлеру (Cutler, 1976) выдвинуть гипотезу о накоплении в хроматине прочных связей ДНК—белок как основном пусковом механизме старения. Возрастные повреждения молекулярных компонентов структуры хроматина несомненно должны проявляться на уровне метафазных хромосом. Имеющиеся исследования подтверждают этот вывод.