Биологические основы старения и долголетия

Глава III Механизмы старения и гибели клеток

И так, теперь мы знаем, что возрастные изменения различных клеток определяются в основном внутренними причинами, хотя об изменении кровоснабжения органов, а также о действии на организм неблагоприятных внешних факторов тоже надо помнить. Что касается последнего обстоятельства, то мы его специально рассмотрим в главе VI. А сейчас для простоты анализа представим, что организм находится в идеальных условиях существования, что старение определяется в основном одним фактором — временем. Различные типы клеток "ощущают" на себе этот фактор по-разному. Одни — независимо от клеточных делений, хотя бы потому, что такие клетки потеряли способность к делению еще до формирования организма. Другие, наоборот, "помнят" о времени по числу совершенных ими клеточных делений в течение почти всей жизни организма.

Теперь мы рассмотрим молекулярные возрастные изменения клеток и постараемся выделить из них наиболее существенные. К числу таких относятся, вероятно, изменения не только ДНК, но и всего белоксинтезирующего аппарата в целом.

Клетки поджелудочной железы и мышц старых людей и животных продолжают синтезировать соответственно инсулин и миозин, но никогда наоборот. Твердого доказательства существенного изменения в процессе старения специфического для данной клетки "спектра" синтезируемых белков не было получено при исследовании и других органов.

Но такое нарушение, возможно, происходит у раковых клеток, частота возникновения которых возрастает при старении организма. Следовательно, как правило, клетка сохраняет свое дифференцированное состояние (остается "сама собой") до конца своей жизни; и если оно нарушается, то, очевидно, клетка перестает быть нормальной (она превращается в раковую клетку) или гибнет.

Действительно в последние годы обнаружено, что канцерогенез сопровождается и, вероятно, определяется активацией в трансформируемых клетках протоонкогенов. Показано, также, что, во-первых, некоторые из этих протоонкогенов активны только на ранних стадиях развития, и, во-вторых, что дерепрессия протоонкогенов в клетках взрослых организмов может быть связана с их мутацией.

То, что возможности белоксинтезирующего аппарата старых клеток снижены, следует из данных об уменьшении концентрации в них рибосом. Кроме того, синтез белка, проводимый "в пробирке" на рибосомах, выделенных из клеток старых животных, протекает гораздо менее интенсивно, чем на рибосомах, выделенных из клеток молодых животных.

Рассмотрим несколько фактов, поясняющих роль в механизмах старения изменений синтеза белка на уровне трансляции и изменения структуры белка после его синтеза (посттрансляционной модификации).

Так, снижение интенсивности синтеза белка, вероятно, является одним из механизмов старения дрозофилы. Это снижение, в свою очередь, определяется тем, что замедляется процесс роста (элонгации) пептидной цепи, вследствие снижения активности (точнее, синтеза) одного из факторов элонгации. Установлено (Г. С. Вебстер, С. Л. Вебстер, 1985, США), что снижение интенсивности синтеза этого белка связано также с ускорением распада кодирующей его мРНК.

Результаты исследования белоксинтезирующей способности препаратов различных фракций рибосом из тканей молодых и старых мышей показывают, что снижение при старении скорости синтеза белка на уровне трансляции обусловлено внутририбосомными изменениями.

Снижение синтеза белка при старении особенно сильно сказывается на функции головного мозга. Две группы исследователей обнаружили в 1984 году значительное снижение синтеза белка в тканях мозга при старческом склерозе мозга (болезни Альцгеймера). Причем одна группа из Гарвардского университета (США) изучала синтез белка в препаратах, полученных из мозга умерших людей, а другая группа (французских исследователей) определяла метаболическую активность ткани мозга в прижизненных исследованиях.

Связь между снижением функции определенных структур мозга и снижением интенсивности синтеза в них белка была прослежена также в опытах на крысах в лаборатории Л.Соколова (1985, США) и в лаборатории метаболизма мозга отдела охраны здоровья человека в Бетесде. Согласно данным этой лаборатории, опубликованным в 1985 году, особенно значительно снижается синтез белка в старости в структурах, связанных со зрительными и слуховыми функциями (соответственно зрительная кора, верхние бугры; латеральное коленчатое тело; слуховые ядра, нижние бугры и т. д.).

В нескольких лабораториях, в частности в лаборатории Е. С. Северина (Институт молекулярной биологии АН СССР) сделан ряд открытий о ключевой роли протеинкиназ (протеинфосфотрансфераз) в регуляции метаболизма клетки и различных ее функций. Эти ферменты, как видно из их названия, катализирующие процесс фосфорилирования белков, разделяют на два класса: зависимые от циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) и не зависимые от нее. По данным последних лет, в печени стареющих крыс (исследован возраст до 30 месяцев) активность обоих ферментов понижается. Изменяется даже структура этих ферментов. Так, молекулярная масса казеинкиназы печени 30-месячных крыс больше, чем печени крыс в возрасте 18 месяцев и менее.

Белки всех организмов построены лишь из одной формы аминокислот — L-формы. Однако это твердо установленное правило в процессе старения нарушается. Так, при анализе аминокислот в белом веществе головного мозга трупов людей в возрасте от 30 до 80 лет обнаружено возрастающее с годами содержание D-аспарагиновой кислоты, причем в такой степени, что это может приводить к изменению функции головного мозга.

Синтез различных классов РНК может нарушаться потому, что повреждаются соответствующие матрицы — ДНК. Это особенно относится к тем участкам ДНК, которые служат матрицей для синтеза рРНК. Процесс повреждения таких матриц столь интенсивен, что удалось обнаружить даже уменьшение содержания в клетках головного мозга и сердца старых животных генов, кодирующих рРНК. Такое уменьшение, очевидно, является одной из важных причин снижения при старении способности клетки увеличивать интенсивность синтеза белка в условиях, когда требуется повысить функциональную активность. А это, в свою очередь, является одной из причин снижения "запаса прочности" различных функций у старых организмов (см. предыдущую главу).

Общей для всех стареющих клеток причиной снижения способности к синтезу РНК является повреждение ДНК и образование между нею и ядерными белками прочных комплексов или даже соединений. Этот молекулярный процесс, который мы называем старческой, или инволюционной, репрессией генома (чтобы отличить его от репрессии генома, происходящей при дифференцировке клеток), оказывается, очевидно, центральным событием в старении по крайней мере неделящихся клеток. Нарушение их функций и гибель, в свою очередь, являются определяющими в старении всего организма.

Выше мы рассмотрели подробно только один, хотя и существенный фактор повреждения ДНК в клетке — тепло. Но в процессе метаболизма образуются такие вещества, как кислородные радикалы, перекись водорода, перекиси липидов, формальдегид и целый ряд других веществ, которые активно реагируют с ДНК и тем самым разрушают ее. Кроме того, в клетке (и, как правило, в ее ядре) присутствует фермент дезоксирибонуклеаза, катализирующий деградацию ДНК.

Даже жизненно необходимые молекулы кислорода — потенциальный источник повреждения ДНК. Остановимся подробнее на характеристике кислородзависящего процесса повреждения генома.

Прежде всего уточним термин "кислородзависящее повреждение". Для этого вспомним, что окисление органических молекул кислородом в клетках происходит путем катализируемого ферментами переноса электронов (отрываемых от окисляемых молекул) на молекулу О₂. Для полного восстановления молекулы О₂ до 2Н₂О необходимо присоединение к О₂ 4 электронов, так как каждый атом кислорода может присоединить 2 электрона. Однако ферменты переносят электроны на молекулы кислорода по одному. Поэтому в процессе биологического окисления образуются и полувосстановленные формы кислорода, обладающие большой реакционной способностью. Некоторые из таких молекул могут "ускользать" от ферментов, осуществляющих полное восстановление О₂.

Простейшая из таких форм — молекула кислорода, присоединившая 1 электрон и поэтому находящаяся в свободно-радикальном состоянии. Такой анион-радикал называют супероксидным радикалом и обозначают . Например, процесс окисления гипоксантина в ксантин, катализируемый ксантиноксидазой, протекает через восстановление последней и ее реакцией с О₂, в результате чего и образуется .

Известны и другие окислительные реакции (например, аутоокисление катехоламинов), в процессе которых образуется . Такие радикалы участвуют даже в синтезе важных внутриклеточных метаболитов — простагландинов и в осуществлении макрофагами их фагоцитарной функции.

Вырабатывая большие количества , макрофаги убивают поглощаемые ими микроорганизмы, защищая от них организм. Это свидетельствует о том, что минимальная концентрация является не только неизбежным следствием нормальной жизнедеятельности, но и условием ее поддержания. Но отсюда же видно, и сколь опасны для самой клетки супероксидные радикалы, если в процессе эволюции они были использованы как механизм разрушения других клеток (микробов). Поэтому был выработан и механизм самозащиты, клетки от "своих" радикалов. Его осуществляет фермент супероксиддисмутаза, обезвреживающая .

Но в процессе реакции, катализируемой ею,

образуются молекулы перекиси водорода и кислород в синглетном состоянии — также очень активная форма кислорода. Кроме того, в реакции между и Н₂О₂, катализируемой ионами железа, образуется химически еще более активная молекула — радикал ОН·.

Все активные формы кислорода: , ^IО₂, ОН· и Н₂О₂ при взаимодействии со структурами клетки повреждают их. Это происходит вследствие переокисления липидов, инактивации белков или повреждения нуклеиновых кислот. Из всех таких реакций важнейшей является повреждение ДНК.

Такое предположение автором этой книги было сделано в 1970 году в другой книге "Молекулярные механизмы старения". Я вспоминаю об этом, потому что гипотезы относительно образования активных форм кислорода и их биологической роли были сформулированы на основании анализа молекулярных механизмов старения. И с начала же 70-х годов количество исследований биологической роли активных форм кислорода стало резко возрастать прежде всего в связи с открытием суперокисиддисмутазы. Существование такого фермента было ясным указанием на то, что супероксидные радикалы образуются в клетке, а их устранение с помощью этого фермента — один из внутриклеточных защитных механизмов.

К заключению о том, что радикал ОН· имеет биологическое значение, мы пришли также на основании анализа молекулярных механизмов летального действия на клетки ионизирующих излучений. Такой анализ показал, что около 50 % "летальных радиационных ударов" обусловлено реакциями, инициируемыми ОН·. Но из данных радиобиологии также следовало, что летальный удар — это повреждение ДНК клетки. Таким образом, исходя из обоих заключений можно было вывести, что по крайней мере радикалы ОН·, индуцируемые излучением, поражают ДНК клетки. Наверное, и образуемые в процессе нормального метаболизма ОН· также представляют для генома реальную опасность. Правда, уж раз мы вспомнили о механизмах радиационного поражения и роли в этих механизмах ОН·, то отметим и то, что эта роль проявляется также и через реакции переокисления липидов с участием ОН·. Но перекиси липидов также повреждают генетический аппарат, и поскольку это один из основных потенциальных эндогенных генотоксических факторов, то по изменению с возрастом содержания их в тканях и сыворотке крови можно судить об изменении степени, так сказать, внутренней угрозы ДНК — при старении. Концентрацию перекисей липидов можно определить довольно простым методом — по реакции с тиобарбитуровой кислотой.

Масоко Хагихара и его сотрудники из института биохимии Нагойского университета обследовали с помощью такого метода две группы (по 60 человек) людей, одну из которых составляли мужчины и женщины моложе 40 лет, а другую — старше 40 лет. В сыворотке крови второй группы содержание перекисей липидов было на 12 % больше, чем в сыворотке крови людей первой группы. Еще более значительным (на 20–25 %) было повышение после 40 лет содержания перекисей липидов во фракциях липопротеидов низкой плотности.

А о роли активных форм кислорода в старении животных организмов свидетельствует недавно обнаруженный факт продления жизни дрозофил путем ограничения их летательной активности, а следовательно, и потребления кислорода. Группа исследователей из США (Р. С. Зохаль с соавторами, 1984) изучили также влияние физической активности дрозофил на активность в их тканях супероксиддисмутазы, катал азы, а также неорганических перекисей и глутатиона. Концентрации последних двух веществ у мух с высоким показателем летательной активности были выше, чем у дрозофил с низкой активностью.

Что касается количественной оценки повреждений ДНК, вызываемых различными эндогенными генотоксическими факторами, то сделать ее трудно из-за того, что их роль и в радиационном, и в спонтанном повреждении ДНК должна резко зависеть от типа клеток и их функционального состояния. Более того, генетический контроль процессов, с протеканием которых связано образование активных форм кислорода и других эндогенных генотоксических факторов, может нарушаться. Как следует из материала, изложенного выше, это должно приводить к увеличению нестабильности ДНК, частоты хромосомных абберраций и увеличению радиочувствительности.

Такая гипотеза была сформулирована и кратко обоснована в статье автора этой книги, опубликованной в 1979 году в журнале "Успехи современной биологии". Практически в ней было предсказано, что существуют генетические заболевания, для которых характерны названные симптомы и в основе которых лежит увеличение количества активных форм кислорода, приводящее к увеличению спонтанной нестабильности ДНК. В последнее время получено доказательство, что такие заболевания действительно встречаются, хотя, к счастью, и редко.

В клетках, вероятно, существует равновесие между активностью супероксиддисмутазы и образованием активных форм кислорода. При старении это соотношение может измениться вследствие не только увеличения продукции супероксида, но и уменьшения активности супероксиддисмутазы, что действительно наблюдается, по крайней мере в некоторых органах.

Все рассмотренные нами до сих пор эндогенные генотоксические факторы были неферментативной природы. Но потенциальную опасность для генома клеток представляют ее собственные ферменты.

Основное значение из ферментов такого рода имеют, вероятно, ДНКазы, вызывающие в ДНК разрывы полинуклеотидных цепей.

Идея о том, что ДНКазы не только участвуют в спонтанной деградации ДНК, но что их активация или усиление их синтеза — механизм "программированного" разрушения клеток в процессе старения или морфогенеза, наверное, впервые была сформулирована в докладе-лекции, прочитанной мною в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов в 1972 году. Тогда эта функция ДНКаз была названа механизмом "самоубийства" клетки, (подробнее об этом ферменте будет рассказано в главе IV).

Хотя пока мы обращаем основное внимание на эндогенные генотоксические факторы, а экзогенные (внешние) будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экогеронтологии, о роли одного физического фактора в спонтанной нестабильности ДНК некоторых клеток человека сказать уместно и здесь. Речь идет об УФ-излучении солнечного света и о клетках участков кожи, не защищенных одеждой или волосяным покровом.

Для таких клеток роль естественного УФ-излучения в нестабильности их генетического вещества сравнима с ролью тепла в его спонтанной нестабильности. Так, сопоставляя результаты расчетов интенсивности достигающего клеток кожи человека УФ-излучения солнечного света в Южных широтах Северного полушария с зависимостью количества образуемых димеров пиримидиновых оснований от дозы УФ-облучения, определенной экспериментально на культивируемых клетках человека, можно заключить: в ДНК каждой клетки человека с белой кожей, в течение часа пребывающего на ярком солнце, образуется примерно 5·10⁴ повреждений, представляющих собой пиримидиновые димеры (т. е. ковалентно сшитые друг с другом пиримидиновые основания, расположенные рядом в одной из полинуклеотидных цепей). Большая часть из них удаляется (вырезается) из ДНК с помощью эксцизионной системы ее репарации.

Но возвратимся к проблеме спонтанных повреждении ДНК. Очевидно, что для понимания молекулярных механизмов старения принципиальное значение имеет вопрос о том, как изменяются с возрастом два рассмотренных фундаментальных, диалектически противоположных процесса возникновение спонтанных повреждений и их репарация. Результаты нескольких исследований (подробнее о них будет рассказано в главе IV) позволяют полагать, что эффективность процесса репарации в старых клетках может быть меньше, чем в молодых. Кроме того, есть основания считать, что нарушение слаженности в работе ансамбля репарирующих ферментов приводит не к залечиванию, а наоборот, к интенсивному повреждению ДНК. Ведь мы видели (см. рис. 6), что на определенном этапе должно происходить своевременное переключение процесса репарации с этапа выщепления оснований на этап синтеза ДНК — заполнения имеющейся в ней бреши. Если же такое переключение почему-то задерживается (например, в клетке понижена концентрация ДНК-полимер азы), и в этом случае экзонуклеаза не может "вовремя остановиться", то процесс деградации ДНК должен стать не физиологическим, а патологическим — процесс репарации "переходит" в свою противоположность, т. е. развивается повреждение генома.

Таким образом, накопление повреждений в геноме стареющих клеток происходит не только вследствие нарушения равновесия между процессами возникновения спонтанных повреждений ДНК и их репарации, но и потому, что уменьшается репарируемость повреждений.

Для того чтобы повреждение могло быть репарировано, оно должно быть доступно для действия репарирующих ферментов. Но ДНК в хроматине ядра находится в упакованном состоянии. Возникающие в некоторых участках генома повреждения ДНК с трудом могут быть "найдены" ферментами репарации. Это особенно относится к тем участкам генома, которые обычно неактивны, синтез РНК на которых не происходит. Если облучить клетку ультрафиолетовым излучением и определить скорость репарации повреждений ДНК, индуцированных этим излучением, то оказывается, что именно в таких участках повреждения ДНК остаются длительное время невосстановленными. Казалось бы, поскольку эти гены функционально неактивны, то и накопление в них повреждений безразлично для клетки. Однако так обстоит дело только до определенной поры. Если клетка вступает в фазу деления, то на таких "испорченных" матрицах будет синтезироваться ДНК с неправильной последовательностью оснований или ДНК, вовсе не содержащая оснований в участке, комплементарном "испорченной матрице". Если в результате повреждений ДНК произойдет нарушение синтеза и распределения между дочерними клетками той пары хромосом, в состав которой такая ДНК входит, клетки могут погибнуть.

Повреждения, возникающие в функционально инертных генах, должны "проявиться" также в тех случаях, когда возникает потребность в их активации, например при гормональной и субстратной индукции синтеза белка и при синтезе антител в ответ на поступление в организм чужеродных антигенов. Во всех этих случаях синтезируемые на "испорченных" матрицах ДНК могут быть функционально неактивными или направлять синтез мутантных белков. Следовательно, рассмотренный процесс накопления повреждений ДНК в тех генах, которые вследствие относительно прочной связи с белками репрессированы (временно или постоянно) и малодоступны для репарации, очевидно, является важной причиной снижения способности старых клеток к индукции синтеза ферментов и антител. Но ведь ранее мы пришли к заключению, что такого рода возрастные изменения определяют уменьшение функциональной способности различных органов, являются характерным признаком старения всего организма. Значит, теперь мы можем определить уровни старения и связи между ними — от молекул до организма.

Существует еще одно обстоятельство, которое делает весьма опасным длительное сохранение в клетках повреждений ДНК. Участки ДНК, содержащие изменения в структуре, вызванные различными повреждающими воздействиями (будь то тепло, ионизирующее или ультрафиолетовые излучения или химические вещества), обладают повышенным "сродством" не только к ферментам, участвующим в репарации этих повреждений, но и к другим белкам. Причем в последнем случае может образоваться химическая, связь (сшивка) между модифицированным участком ДНК и белком (см. рис. 1). После этого клетке труднее провести репарацию ДНК. Более того, такая сшивка ДНК — белок может быть нерепарируемой вообще, что означает необратимое нарушение или, скорее, выключение функции гена.

Ведь независимо от того, в каком синтезе участвует этот ген — в синтезе ДНК или РНК, для обоих этих процессов необходимо, чтобы ферменты, их катализирующие (соответственно ДНК- и РНК-полимераза), продвигались, "скользили" вдоль матрицы. Когда ферменты достигнут участков ДНК, содержащих сшивки ДНК с белком, весьма вероятно, что их продвижение будет остановлено, и, следовательно, редупликация гена, или его транскрипция, окажется незавершенной. Рассмотренный механизм выключения функции гена мы и называем инволюционной репрессией.

В предыдущем издании этой книги автор мог привести лишь один результат изучения изменений ДНК клеток в процессе их старения. Как же продвинулось исследование этого вопроса за прошедшие 11 лет?

Прежде всего обратим внимание на то, что в результате того или иного воздействия на ДНК в ней могут возникать самые различные повреждения, причем в самых различных количествах. Естественно, это очень затрудняет изучение изменений ДНК при старении. Ведь большинство типов повреждений, очевидно, даже к старческому возрасту накапливается в геноме в очень малых относительных количествах (по сравнению с чувствительностью даже самых совершенных методов анализа структуры ДНК). Поэтому, чтобы определить характер повреждений ДНК, возникающих и накапливаемых в геноме клеток при их старении, необходимо теоретически предвидеть наиболее существенные из этих типов повреждений. Об одном способе такого предвидения мы уже рассказали — он состоит в анализе биофизических свойств ДНК и механизмов ее спонтанной (тепловой) нестабильности.

Другой путь — проанализировать характер повреждений ДНК, индуцируемых ионизирующим излучением или химическими веществами, и попытаться определить общие механизмы возникновения этих повреждений. Если есть теоретические основания полагать, что такие механизмы "работают" и в неповрежденной клетке, то можно ожидать, что и в процессе старения с относительно большой вероятностью можно обнаружить накопление повреждений ДНК сходного типа.

Один из наиболее изученных продуктов, образуемых в ДНК после облучения клеток ионизирующей радиацией или в результате воздействия на нее химическими мутагенами, — это гликоль тимина или тимидина. Такие продукты образуются в результате окислительной деструкции ДНК. Но различные вещества (ОН·, , Н₂О₂ и т. д.), способные индуцировать процесс окислительной деструкции ДНК, образуются и в процессе нормального метаболизма. Следовательно, можно было ожидать, что такие продукты возникают и в ДНК необлученной клетки. Косвенно об этом свидетельствует выделение этих продуктов с мочой. Так, по данным, полученным методом хроматографии, ежесуточно каждый человек выделяет с мочой в среднем около 32 нМ этих продуктов. У экспериментальных крыс выделение гликоля тимина или тимидина в 15 раз более интенсивно, чем у человека (если пересчитать количество этих продуктов на 1 кг массы тела).

Максимальная (видовая) продолжительность жизни человека, по мнению многих исследователей, составляет примерно 100 лет. У лабораторных крыс она варьирует в зависимости от линии и достигает 4 лет. Иными словами, человек примерно в 25 раз долговечнее, чем крыса. Таким образом, между интенсивностью выделения гликоля тимина и продолжительностью жизни, возможно, существует обратно пропорциональная зависимость.

Модифицированные нуклеотиды или основания сначала выделяются во внутриклеточное пространство в процессе репарации ДНК с помощью ферментов, вырезающих поврежденные участки ДНК. Лишь затем они или продукты их метаболизма выводятся сначала из клетки, а потом и из организма. Но отсюда следует, что, чем больше выводится этих продуктов с мочой, тем больше их образуется и из ДНК клетки. Стало быть, открывается возможность на основании анализа продуктов метаболизма ДНК в моче делать хотя бы косвенные заключения об интенсивности химической модификации ДНК в клетках и роли таких модификаций в развитии различных болезней (особенно опухолей) и в старении.

Теперь я расскажу подробнее о результатах исследований, проведенных нами на культивируемых клетках человека. Повреждения ДНК клеток человека были исследованы при старении этих клеток в организме (in vivo), а также вне организма (in vitro). Кроме того, такие повреждения ДНК были сопоставлены с повреждениями ДНК, возникающими при не очень интенсивном прогревании клеток или облучении их ионизирующим излучением. Рассказывая о наших данных, я познакомлю любознательного читателя с некоторыми особенностями изучения повреждений ДНК "щадящим" методом.

Один из основных методов анализа ДНК, использованных нами при исследовании этих вопросов, — метод седиментации ДНК в градиенте щелочной сахарозы. Этот метод уже упоминался (см. с. 27). Мы сразу перейдем к рассмотрению полученных вместе с А. Н. Хохловым данных, делая пояснения методики при изложении результатов.

На рис. 8 представлены седиментограммы ДНК эмбриональных фибробластов и фибробластов, полученных из кожи 91-летнего донора. На графике указано, какой процент ДНК от общей массы ДНК (содержавшейся в клетках, нанесенных на градиент) был в той или иной из фракций (частей), на которые разделяли содержимое центрифужной пробирки после окончания центрифугирования. 1-я фракция соответствовала дну пробирки, 15-я — верху градиента. Это означает, что высокомолекулярные фракции ДНК — первые, низкомолекулярные — последние номера фракций. И следовательно, чем больше седиментограмма сдвинута вправо, тем меньше среднее значение молекулярной массы ДНК, тем больше в ней было разрывов.

Рис. 8. Профили седиментации ДНК диплоидных фибробластов медицинского абортуса (1) и фибробластов кожи 91-летней женщины (2). Цифры на рисунке — средние значения молекулярных масс ДНК соответствующих клеток

На графике приведены также значения средневесовых молекулярных масс, рассчитанных с помощью ДНК фага λb₂. Молекулярная масса этой ДНК известна, а положение ее в градиенте, использованном при исследовании клеток человека, позволяло рассчитать массу их ДНК.

Очевидно, нелишней будет такая подробность. Штаммы эмбриональных фибробластов были получены из Института медицинской генетики АМН СССР. Предварительно они были исследованы там К. Н. Гринбергом, и хромосомных изменений в них не было найдено, т. е. это были нормальные клетки, хотя получены они были из тканей при аборте. Культуры "взрослых" и "старых" фибробластов получены безболезненным и безвредным методом биопсии с передней поверхности кожи предплечья здоровых доноров, пожелавших, чтобы их клетки были обследованы. (Здесь я опять должен с благодарностью вспомнить о большой помощи со стороны К. Н. Гринберга и Г. Д. Бердышева.) Клетки кожи 91-летней женщины к нам попали из Института геронтологии АМН СССР (Киев), где эта пациентка находилась на обследовании (и у нее не было найдено резких патологических изменений).

Опыты с клетками каждого человека нужно было повторять многократно, поэтому приходилось все культуры пересевать. Исследовались культуры, которые еще не вступили в фазу дегенерации (вспомним, что эмбриональные диплоидные фибробласты человека совершают в культуре клеток около 50 делений, взрослые фибробласты даже меньше).

Для устранения осложнений, связанных с возможным образованием разрывов в фазе репликации ДНК, использовали только культуры клеток, находящиеся в состоянии сомкнутого монослоя, когда вследствие контактного торможения митотическая активность клеток прекращалась. Кроме того, чтобы исключить образование в ДНК таких разрывов, за 24 часа до снятия клеток со стекла среду их роста заменяли на свежую, не содержащую меченого тимидина. Далее клетки наслаивали на 5-20 %-ный градиент сахарозы, содержащий также другие вещества в определенных количествах, специально подобранные, чтобы избежать артефактов при центрифугировании ДНК.

Как видно из рис. 8, седиментограмма ДНК "старых" фибробластов сдвинута вправо по сравнению с седиментограммой ДНК эмбриональных фибробластов, а среднее значение массы первой меньше массы второй. Эти результаты можно с большой вероятностью интерпретировать как доказательство накопления с возрастом в ДНК однонитевых разрывов и щелочелабильных связей (апуриновых участков, алкилированных фосфатных групп и т. д.).

Изменения ДНК в клетках, полученных от старых людей, а также в клетках культур последних пассажей не были для нас неожиданными. Однако теоретически непредсказуемый результат был получен при сравнении ДНК диплоидных фибробластов эмбрионального происхождения и ДНК фибробластов, полученных из кожи молодых здоровых доноров (в возрасте 25–30 лет).

Эти данные позволяют утверждать, что в клетках ДНК человека начинается накопление щелочелабильных связей, когда организм еще молод. Особенностью диплоидных фибробластов является то, что их митотический потенциал уменьшается начиная с периода эмбрионального развития. И если такое уменьшение принять за общий критерий старения клеток, то получается, что диплоидные фибробласты начинают "стареть", вероятно, еще до того, как закончился период эмбрионального развития организма. Возможно, тогда же начинается и накопление спонтанно возникающих повреждений ДНК.

В 1984 году группа французских ученых из Института исследований рака (А. Мациейра-Коэлхо с сотрудниками) подтвердила наши (А. Н. Хохлова и автора этих строк) данные, опубликованные в 1978 году. Речь идет о появлении низкомолекулярной ДНК в культурах фибробластов человека, если эти фибробласты исчерпали свой митотический потенциал (т. е. исследовали культуры, находившиеся на последних пассажах). Как и мы, французские коллеги исключили возможность образования такой ДНК в процессе лизиса клеток (вследствие действия на ДНК щелочи, детергента или клеточных ферментов). Они также обнаружили существенные изменения хроматина у "старых" фибробластов. Но что особенно интересно, если клетки в течение длительного времени обрабатывали гидрокортизоном, то по крайней мере у ядрышка старение структуры хроматина значительно задерживалось. Это может быть молекулярным механизмом задержки старения, поскольку уже относительно давно известно, что под влиянием гидрокортизона митотический потенциал фибробластов, продолжительность жизни их культур in vitro существенно возрастают.

Недавно для исследования тонких изменений структуры хроматина в фибробластах человека использовали специальный анализатор его изображений, полученных на электронных микрофотографиях с помощью телевизионного сканирующего устройства. Таким образом, можно было судить о плотности нитей хроматина, их длине и ширине. Группа того же крупнейшего в мире специалиста по культивированию клеток и их старению in vitro А. Мациейра-Коэлхо, проводившая эти исследования, пришла к заключению, что наблюденные ими изменения хроматина отражают деградацию ДНК в процессе старения клеток in vitro, т. е. согласуются с изменениями ДНК, которые мы, а затем они (а также ученые в США и Японии) наблюдали с помощью методов центрифугирования и других физико-химических методов.

Данные зарубежных исследователей находятся в согласии и с другими нашими данными — о накоплении повреждений ДНК при старении клеток в организме. Правда, изучались не полностью идентичные клетки. Мы исследовали фибробласты, взятые из тканей эмбрионов-абортусов и из кожи здоровых взрослых людей различного возраста; группа А. Мациейра-Коэлхо исследовала клетки доноров разного возраста, хранившиеся в замороженном состоянии в клеточном банке Национального института старения США. Авторы обнаружили прямую корреляцию между возрастом людей — доноров исследованных клеток и выраженностью изменений хроматина в этих клетках (которые, как отмечалось, они рассматривают как показатель деструкции ДНК).

Мы подробно говорим о возрастных изменениях ДНК, поскольку они имеют существенное значение не только для понимания молекулярных механизмов старения, но и важны практически.

Правда, пока использовать эти данные на практике не удается, это дело будущего, хотя значимость их становится все более очевидной в связи с теперь уже актуальной и в онкологии, и в гигиене проблемой индивидуальной чувствительности людей к канцерогенным агентам, загрязняющим окружающую среду. Кстати, все сказанное здесь может служить и доказательством взаимосвязи молекулярно-клеточных аспектов проблем биологии долголетия и экологии.

Как подчеркивается в аннотации к книге известного советского ученого Г. Н. Кассиля "Внутренняя среда организма" (М., Наука, 1978, 1983), одна из ведущих проблем современной биологии — учение о гомеостазе или динамическом постоянстве внутренней среды и основных физиологических функций организма генома и животных. В советской физиологии и геронтологии сложилась прочная и плодотворная традиция рассматривать старение как нарушение гомеостаза. Автор старался продолжить и развить эту традицию, распространив понятие гомеостаза и на молекулярно-клеточный уровень. При таком подходе обнаруживается, что даже ДНК является лишь динамически постоянной структурой, а поддерживаемое в клетке равновесие (динамическое) между возникновением повреждений ДНК и их залечиванием (репарацией) в старости может нарушаться.

Кроме молекулярных систем репарации ДНК, имеются и другие молекулярные системы защиты и регуляции. Эти системы работают и на внутриклеточном уровне, и на тканевом, и на уровне целостного организма. Мы сосредоточили внимание на первых, хотя будем касаться и более высоких уровней защиты и регуляции. Читателю, который хотел бы познакомиться подробнее с проблемой роли нарушения гомеостаза в старении, автор рекомендует прочитать упомянутую выше очень интересно написанную книгу Г. Н. Кассиля "Внутренняя среда организма", а также труды других ведущих отечественных физиологов и биохимиков, изучающих проблемы старения (И. А. Аршавский, Г. Д. Бердышев, Б. В. Ванюшин, В. М. Дильман, А. И. Зотин, В. Н. Никитин, Д. Ф. Чеботарев, В. В. Фролькис).

Целый ряд исследований возрастных изменений ДНК был проведен в опытах на клетках мышей, крыс или собак. О результатах, полученных методом седиментации в градиенте щелочной сахарозы, уже было вкратце сказано. Здесь поясню, что накопление повреждений ДНК наблюдали, начиная с возраста мышей, который был далек от старческого. Этот результат, в согласии с тем, что мы наблюдали на клетках человека, показывает: физические изменения генетического вещества начинают накапливаться до того, как значительно нарушится его функция, и до того, как начнет снижаться жизнеспособность организма и возрастать вероятность развития тяжелых заболеваний. Но есть веские основания полагать, что накопленные повреждения ДНК подготавливают почву для развития таких изменений для старения в целом.

Приведем пока только один из фактов, свидетельствующих о биологической роли образования и накопления в ДНК щелочно-лабильных участков. Напомню, что такого типа повреждения, как мы рассчитали теоретически, с большой частотой должны возникать спонтанно. Эта частота возрастает после действия на клетки тепла или ионизирующего излучения, а под влиянием времени такого типа повреждения накапливаются в различных клетках млекопитающих.

Рональд Харт с сотрудниками из отдела радиологии медицинского центра в Колумбийском университете исследовали количество щелочелабильных связей в мозге, печени и почках мышей двух семейств, хотя и близких таксономически, но различающихся по продолжительности жизни в 2,5 раза. В обоих случаях наблюдали накопление однонитевых разрывов и щелочелабильных связей в ДНК печени и почек стареющих мышей, причем в печени скорость возрастного накопления повреждений ДНК была больше. Скорость накопления повреждений ДНК и в печени, и в почках короткоживущего вида была больше, чем в ДНК тех же органов относительно долгоживущего вида (точнее, эти скорости были обратно пропорциональны величине продолжительности жизни). Таким образом, можно полагать, что существует определенный предел количества накапливаемых с возрастом повреждений ДНК, и в органах короткоживущих животных этот предел достигается быстрее, чем, в частности, и определяется более короткое время их жизни.

К настоящему времени исследован большой ряд клеток из различных органов человека и животных (мыши, крысы, собаки, крупный рогатый скот), а также растительные и бактериальные клетки. Данные всех этих исследований, во-первых, подтверждают теоретически выведенное нами положение: неустойчивость первичной структуры ДНК — общебиологическая закономерность.

Во-вторых, они приводят к заключению о существовании другой общебиологической закономерности (как необязательном следствии первой) — со временем спонтанные повреждения могут накапливаться в клетках. Второе заключение, очевидно, следует пока считать предположительным. И спускаясь к еще менее доказанному предположению, отмечу вероятное существование такой кинетики возрастных изменений ДНК, что определенные повреждения ДНК, как было сказано, в значительном количестве накапливаются уже в клетках молодого организма. Добавлю еще, что есть данные, свидетельствующие о замедлении в пожилом и старческом возрасте скорости накопления таких повреждений ДНК.

Почему это происходит? Ведь скорость возникновения повреждений ДНК со временем, скорее, возрастает, а не уменьшается (например, вследствие увеличения активности ДНКазы или концентрации эндогенных Н₂О₂, перекисей липидов и других генотоксических метаболитов). На феноменологическом уровне такой парадокс можно было бы объяснить тем, что клетка может накопить лишь такое число повреждений, которое совместимо с сохранением ее жизнедеятельности. Если это число превысит критическое, клетка гибнет. Но мы ведь определяли повреждения ДНК только в жизнеспособных клетках. Учитывая гетерохронность (неравномерность развития во времени) процесса старения даже на клеточном уровне и считая, что такая гетерохронность сохраняется и на уровне ДНК, можно предположить, что замедление скорости накопления повреждений ДНК в пожилом возрасте — кажущееся: гибель клеток с числом повреждений ДНК, близким к критическому, будет уменьшать число повреждений ДНК, регистрируемых в популяции клеток.

Однако возможно, скорость накопления повреждений ДНК в геноме клеток пожилых и старых организмов действительно уменьшается, несмотря на увеличение концентрации эндогенных генотоксически агентов и уменьшение способности клеток к репарации ДНК (о чем подробнее будет рассказано позднее). До сих пор мы не принимали во внимание то важное обстоятельство, что ДНК находится в ядре клетки в упакованном состоянии. Ведь линейный размер ядра клетки млекопитающих составляет несколько мкм, а длина молекул ДНК хромосом, как принято сейчас считать, состоящих из одной молекулы, в десятки тысяч раз больше. Но чем плотнее упакована ДНК, тем, очевидно, она менее доступна для ДНКаз и даже для низкомолекулярных генотоксических факторов. Следовательно, если в процессе старения упаковка отдельных участков ДНК станет более плотной, то скорость не только репарации, но и образования повреждений ДНК действительно уменьшится.

Таким образом, мы подошли к вопросу о том, как изменяется в процессе старения не только первичная структура ДНК, но и организация ДНК в более высокие структуры. Разная степень упаковки ДНК характеризует уже высшие структуры ДНК. Следующий же за первичной является вторичная структура ДНК. Итак, вопрос состоит в том, происходит ли изменение с возрастом вторичной структуры ДНК? Возможны два типа изменений конформации двойной спирали ДНК: она может расплетаться (с образованием денатурированных или однонитевых участков) или не расплетаться, а только изменять свою форму (конформацию).

15-20 лет назад проводилось много исследований, целью которых было определение денатурационных изменений ДНК при старении. Для этого выделяли ДНК из тканей организмов различного возраста, а затем изучали в растворе так называемые кривые плавления ДНК, т. е. выявляли изменения способности ДНК поглощать кванты ультрафиолетового излучения (в максимуме поглощения ДНК) с увеличением температуры раствора. Денатурированная ДНК обладает примерно на ¹/₃ большей такой способностью, чем нативная (целостная) ДНК. Поэтому, сравнивая кривые плавления "молодой" и "старой" ДНК, можно было судить об изменении количества денатурированных участков в двойной спирали или, наоборот, о степени ее нативности. В ряде работ было сообщено о том, что при старении мышей или крыс в ДНК различных их органов происходит накопление денатурированных участков.

Мы тоже ставили подобные опыты, но не нашли существенных изменений. И после анализа физико-химических свойств ДНК и доступных методик ее выделения пришли к заключению: даже если в ДНК с возрастом и накапливаются денатурированные участки, обнаружить это явление современными методами физико-химического анализа невозможно.

Дело в том, что в процессе выделения ДНК и ее очистки от белков она неизбежно должна повреждаться, а места повреждения, в свою очередь, должны быть причиной образования в ДНК денатурированных участков. Но на таком фоне невозможно определить "тонкие" возрастные изменения (а мы полагали, что они действительно тонкие, ведь если бы изменения ДНК были резкими, то клетка неизбежно погибла бы, и от ее ДНК должны были бы остаться лишь низкомолекулярные компоненты).

Относительно недавно разработан принципиально иной способ оценки количества денатурированной ДНК — иммунохимический. Он основан на способности лимфоцитов синтезировать антитела к денатурированной ДНК. Такие антитела были определены в сыворотке крови людей трех возрастных групп: детей (10–11 лет); взрослых молодых (19–22) и пожилых людей (65–68 лет). Неожиданно оказалось, что люди всех возрастных групп содержат необычно большое количество антител к однонитевой ДНК, но особенно много таких антител было у людей первой и третьей групп. У них содержание антител примерно в 2 раза больше, чем у взрослых молодых людей.

Эти данные, кроме того, что они подтверждают грустные замечания великих поэтов ("старость — есть второе детство" или "хладея, мы движемся к началу своему"), интересны еще и потому, что приводят к принципиально новому заключению о физиологической роли денатурированных участков ДНК и(или) антител к ним.

Если исходить из традиционной точки зрения (которую для простоты изложения мы рассматривали до сих пор), то нарушения во вторичной структуре ДНК должны возникать лишь случайно и накопление их с возрастом должно происходить постепенно. Но тогда количество денатурированных участков ДНК (и следовательно, концентрация антител к ним) в сыворотке взрослых людей должно было бы быть больше, чем в сыворотке детей. Наблюдается же обратная закономерность. Правда, в своих рассуждениях мы предполагали, что количество антител в сыворотке крови определяется в основном количеством денатурированной ДНК в клетках. Но это может быть и не так. Например, частичная денатурация ДНК может происходить и в сыворотке. А главное, количество синтезируемых антител может и не изменяться параллельно с изменением количества такой ДНК.

Таким образом, анализ возможных изменении с возрастом количества денатурированной ДНК не привел нас к однозначному заключению о характере этих изменений. Но при этом неожиданно приоткрылась, возможно, важная функция такой ДНК и(или) антител к ней. Однако, как уже отмечалось, нативная ДНК может не только денатурировать, но и менять свою конформацию, оставаясь двойной спиралью.

Метод кругового дихроизма (КД) чувствителен к изменениям структуры ДНК такого рода, поэтому В. М. Лобачев, Т. М. Третьяк, А. М. Кузин и автор этих строк его использовали для ответа на вопрос: изменяется ли конформация двойной спирали ДНК в процессе старения? ДНК, выделенная из печени и мозга очень старых крыс (возраст 38 месяцев), имеет спектры, практически идентичные спектрам КД тех же ДНК, облученных ионизирующей радиацией (рис. 9). Оптические активности положительной и отрицательной полос спектров КД ДНК, выделенной из тканей старых животных, или ДНК, облученной в дозе 200 гр, были снижены примерно на 20 % по сравнению с ДНК молодых животных, и это различие было статистически достоверно.

Рис. 9. Спектры кругового дихроизма (КД) ДНК, выделенной из тканей молодых и старых крыс, в сравнении с КД ДНК тимуса теленка.

_{А. 1. ДНК мозга молодых (возраст 3 мес.) крыс. 2. ДНК мозга старых (возраст 38 мес.) крыс. 3. Облученная ДНК мозга молодых крыс (доза — 1000 ГР).}

_{Б. 1. ДНК печени молодых крыс. 2. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 200 Гр). 3. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 300 Гр). 4. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 1000 Гр).}

_{В. 1. ДНК тимуса теленка. 2. ДНК печени старых крыс. 3. Облученная ДНК печени старых крыс (доза 1000 Гр). (Из работы М. М. Виленчика, Т. М. Третьяк, В. М. Лобачева, А. М. Кузина, Доклады АН СССР, 1981.)}

Анализ обнаруженных изменений показал, что наблюденные изменения спектров КД ДНК при старении или после гамма-облучения ДНК не определяются образованием однонитевых разрывов в ДНК; их нельзя также полностью объяснить денатурационными изменениями. Эти изменения спектров КД можно объяснить переходом модифицированных участков ДНК из "обычной" (канонической) В-формы в иную конформацию. Подчеркнем еще раз, что эти конформационные изменения отличаются от ранее изученных денатурационных изменений ДНК.

В то время, когда мы получили первые данные о возрастных изменениях спектров КД, был опубликован ряд работ, в которых было показано, что двуспиральные синтетические полинуклеотиды с определенной последовательностью оснований могут находиться в левоспиральной конфигурации (названной Z-формой), причем спектр КД таких полинуклеотидов оказывается инвертированным (обратным по знаку). Таким образом, к предположению о существовании таких особых форм ДНК разные группы исследователей пришли независимо, исходя из результатов изучения изменений ДНК при старении и анализа физических свойств полинуклеотидов с определенной последовательностью оснований.

Такие последовательности встречаются и в природной ДНК, в частности в ДНК млекопитающих. Вероятно, эти последовательности in vivo со временем также могут переходить в левоспиральные участки, и количество таких участков может возрастать по нескольким причинам. Во-первых, вследствие метилирования оснований, облегчающих переход отдельных участков ДНК из канонической В-конформации в левоспиральную Z-конформацию. Во-вторых, вследствие локального изменения (увеличения) ионной силы в отдельных участках хроматина или накопления в них определенных веществ, также облегчающих такой переход. В-третьих, образованию, а главное "фиксации" изменений конформации определенных участков ДНК in vivo должно способствовать образование в этих участках повреждений первичной структуры, о которых речь шла ранее, а также ковалентных сшивок ДНК — белок и особенно сшивок ДНК — белок-ДНК.

Однако в клетке, вероятно, существуют белки, способные переводить ДНК из левоспиральной в обычную — В-конформацию. И поскольку предполагалось образование левоспиральных участков ДНК после облучения и были основания считать такое образование одним из механизмов повреждающего действия излучения на клетки, то теоретически был получен ответ и на вопрос: в каких именно клетках белки, "репарирующие" левоспиральные участки, нужно искать в первую очередь. Ясно, что в тех, которые очень устойчивы к излучению, в частности, потому, что содержат относительно большое количество "Z-репарирующих белков".

Это предположение было опубликовано в 1981 году, а в конце 1985 года поступило сообщение о том, что в одном из видов бактерий М. Radiodurans, выделенном лет двадцать назад из котлов ядерных реакторов и, следовательно, обладающем исключительно высокой радиоустойчивостью (отсюда и его латинское название), содержатся белки, под влиянием которых ДНК из Z-конформации может возвращаться в обычную В-конформацию.

Раз уж мы коснулись проблемы биологической роли участков ДНК, находящихся в левоспиральной конформации, то отметим, что химические канцерогены также могут индуцировать в B→Z переход. А такие переходы имеют значение в канцерогенезе. Но если это так, то происходящие при старении или после облучения изменения конформации ДНК также могут иметь значение соответственно в спонтанном и радиационном канцерогенезах. Во всяком случае, логичен вопрос: не являются ли B→Z переходы "почвой", подготавливающей развитие рака в пожилом и старческом возрасте? И далее — не обладают ли антиканцерогенными свойствами белки, осуществляющие обратный Z→B переход, т. е. не могут ли они задерживать развитие спонтанного, или химического, или радиационного канцерогенеза? Сформулированные вопросы, как говорится, не только академические: они представляют интерес и в практическом плане. И вполне поддаются исследованию с помощью современных методов, хотя такие исследования должны включать и сложные методики.

Образование "дополнительных" участков ДНК, находящихся в Z-конформации, представляет потенциальную канцерогенную опасность прежде всего потому, что при этом должна нарушиться регуляция функций генома. Имеются данные о роли таких конформации в регуляции активности генов и, возможно, в дифференцировке клетки. А ведь нарушение регуляции генов и состояния дифференцировки клетки многие биологи считают основой канцерогенеза.

Заключение о накоплении при старении клеток участков их ДНК, находящихся в необычных конформациях, не противоречит предположению об их репарируемости. Часть ДНК так плотно упакована в хроматине, что ее измененные участки просто могут быть недоступны для репарирующих ферментов. А если репарирующие ферменты способны находить и репарировать измененные участки ДНК, то по тем или иным причинам осуществляется "залечивание" не всех из них (т. е. могут быть кинетические и термодинамические ограничения).

Именно исходя из этого еще в 1970 году автором была сформулирована концепция о неизбежном ускользании части спонтанных повреждений ДНК от репарации и об их неизбежном накоплении в процессе старения. (Независимо в радиобиологию был введен термин "неполнота репарации", также означающий, что репарация осуществляется не со 100 %-ной эффективностью.)

Переход ДНК из B- в Z-конформацию облегчается при ее метилировании. Поэтому одно из объяснений наших данных о накоплении "Z-ДНК" состояло в том, что в процессе старения возрастает метилируемость отдельных участков. Такое предположение подкреплялось расчетами скорости "непрограммированного" метилирования ДНК, но противоречило сложившемуся мнению о том, что содержание 5-метил-цитозина в ДНК при старении уменьшается (В. Ф. Ванюшин с сотрудниками в МГУ и Г. Д. Бердышев с сотрудниками в КГУ). Однако недавно обнаружено, что содержание 5-метилцитозина в ДНК нематод возрастает при старении. Таким образом, изменения характера метилируемости ДНК с возрастом, вероятно, зависят от вида и, возможно, типа клеток. Ведь органо- и цитоспецифические возрастные молекулярные изменения наблюдали неоднократно, в частности, на уровне мембран. Наверное, такие закономерности существуют и на уровне ДНК.

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)[1].

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.

Одна из основных функций клетки состоит в обеспечении энергией всех протекающих в ней биосинтетических процессов. Активный транспорт веществ, выполнение различного рода специализированных функций, например сокращение мышц, передача нервного импульса и т. д., обеспечиваются энергией при участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — универсального донора энергии в клетки. Синтез же АТФ в клетке сопряжен с окислением кислородом различных метаболитов в митохондриях (этот процесс синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием) или в результате гликоза, протекающего вне митохондрий и без участия кислорода.

Исследованию изменений концентрации АТФ в процессе старения клетки было посвящено очень много работ. Результаты этих работ приводят к заключению, что при старении экспериментальных животных в ряде их органов может происходить значительное снижение содержания богатых энергией соединений. Хотя из этого правила есть исключения, но и при нагрузке организма выработка таких соединений, т. е. эффективность адаптации и регуляции энергообеспечения функций, в старости также, как правило, снижается.

Таким образом, один из подходов к увеличению функциональной способности клеток и органов, к торможению преждевременного старения может состоять в увеличении содержания в клетке АТФ. Добиться этого, не нарушая регуляции тех или иных путей метаболизма, очень непросто. Кстати, не надо пытаться достигнуть этого, потребляя препараты АТФ, в частности, потому что молекулы АТФ поступают в клетку с очень и очень малой скоростью. Но увеличить содержание АТФ в клетке можно непрямым путем.

М. Н. Кондрашовой и ее сотрудникам (лаборатория функциональной биофизики митохондрий Института биофизики АН СССР) удалось найти средства (это одна из солей янтарной кислоты и адреналин в очень небольших концентрациях), с помощью которых они "нормализовали" содержание АТФ в печени старых крыс. Хотя возможности коррекции биохимических изменений при старении мы в этих главах специально не рассматриваем, я привел эти данные, потому что в названной работе наблюдали не только увеличение содержания АТФ, но и другие изменения параметров "энергетического статуса" клеток печени старых животных, приближающие их по этим параметрам к клеткам молодых животных.

Одновременно подобного рода исследования помогают в определении "критических" звеньев в метаболизме и механизмов возрастных изменений "энергетических станций" клетки-митохондрии. В изучение этих изменений внесли существенный вклад отечественные биологи, особенно М. Н. Кондрашова, Е. И. Маевский, Ю. Г. Каминский и Е. А. Косенко в Институте биологической физики АН СССР; А. И. Зотин с сотрудниками в Институте биологии развития АН СССР; Л. Н. Богацкая и А. Я. Литошенко с сотрудниками в Институте геронтологии АМН СССР; В. В. Лемешко в Харьковском государственном университете.

В клетках не только экспериментальных животных, но и человека обнаружены возрастные изменения митохондрий. Например, результаты электронно-микроскопического исследования лимфоцитов людей различного возраста свидетельствуют о существенном изменении митохондрий в процессе старения. Так, при сравнении митохондрий лимфоцитов людей в возрасте до 50 лет (1-я группа), 60–69 лет (2-я); 70–79 (3-я); 80–89 (4-я) и старше 90 лет (5-я) число лиц с поврежденными митохондриями составляло 9, 55, 66, 64 и 50 % соответственно. В течение 6-летнего (лонгитудинального) обследования людей первых из этих 4 возрастных групп наблюдали увеличение процента лиц, в препаратах лимфоцитов которых обнаруживали поврежденные митохондрии (это возрастание составляло 9, 15, 20, 9 % соответственно, в 1-4-й группах). Повреждение митохондрий состояло в их набухании, разрушении крист, образовании миелиноподобных структур и появлении гигантских митохондрий.

В 1985 году было обнаружено, что старение диплоидных фибробластов человека in vitro сопровождается увеличением продукции в них молочной кислоты, обусловленным активацией гликолиза. Причем такая активация предшествует другим биологическим, а также морфологическим изменениям при старении. Поэтому возможно, что усиление гликолиза и увеличение выработки молочной кислоты являются одними из существенных механизмов старения клеток.

Увеличение активности гликолиза, в процессе которого образуется молочная кислота, должно увеличить в цитоплазме или даже в ядре концентрацию водородных ионов. При этом снижение рН в старой клетке может иметь для нее несколько тяжелых последствий. Одним из них является уменьшение стабильности генома. Ведь как мы уже знаем, эта стабильность нарушается вследствие депуринизации ДНК — процесса, катализируемого водородными ионами (следовательно, его скорость резко возрастает с уменьшением рН).

Уменьшение способности мышц старых животных поддерживать энергетический баланс, вероятно, определяется комплексом механизмов как внутриклеточных (уменьшение в мышцах количества митохондрий, интенсивности аэробного ресинтеза АТФ и внемитохондриального фосфорилирования), так и внеклеточных (уменьшение функциональных способностей системы кровоснабжения мышцы). Увеличение содержания лактата в "старых" мышцах обычно объясняют относительным увеличением анаэробного энергообеспечения при нагрузке. Возможно, однако, что в старости лактат и выводится из тканей менее эффективно.

Таким образом, нарушения биоэнергетических процессов при старении, которые мы кратко рассмотрели, связаны не только с изменением энергообеспечения клеток. Они могут приводить, в частности, к нарушению стабильности генома. Но это с одной стороны. С другой — снижение этой стабильности может нарушить регуляцию окислительных процессов.

В своей книге "Радиобиологические эффекты и окружающая среда" (Москва, 1983) автор этих строк описал гипотетическую программу гибели клеток, включаемую по крайней мере в лимфоцитах, если в них равновесие между процессами повреждения и репарации ДНК резко нарушено (например, под влиянием облучения или ингибиторов репарации ДНК). Тогда в клетке резко снизится концентрация никотин-амидадениндинуклеотида (НАД), который используется в процессе синтеза поли(АДФ-рибозы), активируемом в случае образования в ДНК значительного числа повреждений. Но ряд ферментов — НАД-зависимые, поэтому нарушение целостности ДНК, даже вне связи с нарушением ее способности контролировать синтез белков, может приводить к нарушению метаболизма, в том числе биоэнергетических процессов, и в связи с этим — к снижению содержания АТФ в клетке.

В последние годы получены факты, подтверждающие это теоретическое предсказание. Есть также основание полагать, что описанный механизм саморазрушения клеток встроен не только в лимфоцитах, но и в других клетках (например, в нервных), ошибки в работе генетического аппарата которых (а они неизбежны, если ДНК этих клеток сильно повреждена) могут иметь тяжелые последствия для организма (иммунологические нарушения в результате потери лимфоцитами способности различать "свои" и "чужие" белки или нарушение нервной регуляции функций). Поскольку повреждение ДНК клетки увеличивает вероятность ее злокачественной трансформации, то включение рассмотренного механизма клеточной гибели эквивалентно защите организма от потенциально трансформированных делящихся клеток. Таким образом, малигнизация может быть связана с мутацией клетки, приводящей к таким изменениям метаболизма НАД и поли(АДФ-рибозы) или стабильности генома, при которых выключается предполагаемая программа гибели клетки.

Начальные (пусковые) механизмы возрастных изменений биоэнергетических процессов в клетке многообразны. Однако в основном они связаны с нарушением регуляции синтеза и функции ДНК и ферментов, катализирующих эти процессы. Но значение имеют и возрастные изменения мембран, "упорядочивающих" метаболизм. Ведь и окислительное фосфорилирование, и гликолитический путь метаболизма протекают при участии мембранных структур: в первом случае — митохондрий, во втором — эндоплазматического ретикулума.

Проводимый в настоящей главе даже краткий анализ данных об изменении мембран при старении показывает, сколь быстро устанавливалась связь между фундаментальными биологическими исследованиями и изучением механизмов старения в течение последнего десятилетия. Действительно лишь в эти годы были получены основные результаты о свойствах специальных белков-рецепторов, многие из которых встроены в цитоплазматические мембраны. Одни из этих белков воспринимают ("рецептируют") определенные гормоны, другие — белковые факторы роста, а третьи — вещества, участвующие в передаче нервного импульса (нейропередатчики или нейротрансмиттеры, т. е. соединения, благодаря которым возбуждение от одного нейрона передается к другому). Это значит, что регуляция различных функций организма эндокринной и нервной системой осуществляется с участием рецепторов.

Но среди многих биологов и физиологов, изучавших природу старения, уже давно укрепилось мнение о важной роли нейроэндокринных возрастных изменений в старении целостного организма. Вероятно, поэтому почти одновременно с открытием тех или иных рецепторов, как правило, начинали изучать и возрастные изменения этих рецепторов. За прошедшее десятилетие результатов таких исследований опубликовано много не только в биогеронтологической, но и в другой специальной литературе: по мембранологии, нейроэндокринологии, фармакологии, молекулярной кардиологии и т. д. О ряде этих исследований будет рассказано в настоящем разделе главы.

А сейчас одно небольшое пояснение. Дело в том, что, кроме рецепторов, расположенных на поверхности клетки и связывающих нейротрансмиттеры или гормоны, существуют и более глубоко расположенные (цитоплазматические) рецепторы, которые реагируют с относительно легко проникающими через мембрану, например, стероидными половыми гормонами. Затем комплекс рецептор — гормон транспортируется в ядро, где он вызывает активацию определенных генов, следствием чего является индукция синтеза определенных белков, а следовательно, и специфическое изменение метаболизма в определенной ткани — "мишени гормона", имеющей соответствующие рецепторы.

Связывание определенной молекулы (лиганда) с мембранными рецепторами также приводит к "запрограммированным" изменениям: проницаемости мембраны, концентрации циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) или ионов Са²⁺ и т. д. Происходит это закономерно, потому что рецепторы встроены в мембрану таким образом, что они находятся в контакте с другими определенными макромолекулами, и в случае связывания рецептора "со своим" лигандом изменяется структура не только рецепторa, но и структура и активность других (но определенных) макромолекул, "чувствительных" к рецептору или к изменению концентрации цАМФ или Са²⁺. После такого введения продолжим рассказ о роли мембран в старении.

Функция мембран не ограничена лишь их очевидным свойством — регуляцией путем переноса ионов и других низкомолекулярных веществ. В регуляции биосинтеза ДНК и РНК, переносе последней из ядра в цитоплазму существенное значение имеет ядерная мембрана; биосинтез многих белков протекает на полисомах, "организуемых" мембранами эндоплазматической сети; биосинтез липидов регулируется ферментами, упорядоченными на митохондриальных мембранах. Распад же различных биомакромолекул, их гидролиз осуществляются также в определенных мембранных структурах — лизосомах. Именно благодаря тому, что многие гидролазы ограничены, "упрятаны" в этих структурах, обеспечивается относительная надежность функционирования макромолекул в клетке. Таким образом, все основные биохимические процессы в клетке регулируются мембранами, а функции мембран основаны на их способности контролировать и координировать диффузию и активный перенос субстратов (т. е. перенос вещества против градиента концентрации) в клетку и из нее, от одной органеллы к другой, служить площадкой, на которой происходит специфическая ориентация макромолекул и образование между ними специфических комплексов и формирование органелл (например, полисом), воспринимать внеклеточные сигналы с помощью встроенных в мембраны рецепторов, специфически взаимодействующих с определенными (сигнальными) молекулами, благодаря перечисленным свойствам поддерживать и регулировать определенную форму клеток, рост и состояние их митотической активности. Ядерная мембрана "старых" клеток имеет значительно измененную структуру, что хорошо видно в электронном микроскопе: она образует складки и впячивания внутрь ядра, иногда наблюдается нарушение целостности ее структуры. Эти изменения должны нарушить специфичность взаимодействия ядра с цитоплазмой, уменьшить селективность процессов переноса вещества из ядра в цитоплазму и наоборот. Нарушение переноса должно касаться не только низкомолекулярных веществ, но и передвижения (транслокации) в обоих направлениях биомакромолекул (главным образом РНК из ядра в цитоплазму и ядерных белков из цитоплазмы в ядро).

При старении клеток печени изменяется химический состав цитоплазматических мембран, а точнее, изменяется соотношение различных белков и активность ферментов, входящих в их состав.

Мы уже знаем, что нарушение способности к делению — один из важных признаков старения клеток. Молекулярные механизмы этого нарушения могут быть многообразны и, вероятно, так или иначе связаны с изменением структуры и функции генетического аппарата. На основании только что сказанного можно предположить, что другой клеточной структурой, изменение которой может быть критическим для нарушения в процессе старения способности клетки к делению, является цитоплазматическая мембрана.

Так, ухудшение реакции старых клеток на действие митогенных факторов — одна из основных причин снижения их пролиферативной активности и, вероятно, жизнеспособности, Известно также, что фибробласты кожи новорожденных более чувствительны, чем фибробласты взрослых доноров, к стимулирующему рост действию таких факторов роста, как эпидермальный или тромбоцитарный, а также инсулин. Не только фибробласты кожи, но и кератиноциты новорожденных делятся in vitro более интенсивно, чем кератиноциты взрослых людей, и первые более чувствительны, чем вторые, к стимулирующему рост действию фактора роста кератиноцитов и эпидермального фактора роста (ЭФР). Таким образом, есть основание полагать, что снижение пролиферативной активности и фибробластов и кератиноцитов, происходящее при их старении, связано с возрастным снижением реакции этих клеток на факторы роста, присутствующие в среде роста.

В заживлении ран существенное значение, вероятно, имеет также стимуляция деления фибробластов под влиянием ЭФР. Поэтому весьма важны данные Р. Д. Фихлинса с сотрудниками из Вистарского института анатомии и биологии в Филадельфии о том, что при старении in vitro диплоидных фибробластов человека их реактивность, способность к стимуляции синтеза ДНК под влиянием ЭФР снижаются. Исследования рецепторов к этому фактору, выделенных из фибробластов различных пассажей, показали, что при старении клеток эти рецепторы теряли способность фосфорилировать тирозины белков.

Приведенные данные находятся в соответствии с результатами исследований Юкиаки Курода из Национального института генетики Японии. Он обнаружил, что добавление ЭФР к культурам "молодых" фибробластов человека ускоряет их деление, причем начинают делиться даже клетки, ранее переставшие делиться. Но стимулировать деление клеток старых культур путем добавления к ним факторов роста не удалось.

Что касается неделящихся клеток, то особое значение в старении, по-видимому, имеет изменение их мембран в области контактов (синапсов). Известно, что нарушение структуры и функции этих мембран может снижать скорость и точность передачи информации в нервной системе, что наблюдали в процессе старения и животных, и человека. Последний абзац, взятый из первого издания этой книги, теперь также можно продолжить приведением конкретных фактов, подтверждающих сформулированное в нем предположение об особой чувствительности синаптических мембран к старению и свидетельствующих, сколь бурно, развиваются исследования в рассматриваемой области знаний. При сравнении нервных окончаний крыс в возрасте 5–7 или 23–25 месяцев обнаружены существенные различия их синаптических мембран. Авторы этой работы полагают, что в результате таких изменений нарушается не только функция нервных окончаний, но и жизнеспособность самой нервной клетки, так как при этом в ней увеличивается содержание ионизованного кальция, а это может стать причиной возрастной (спонтанной) гибели нейронов. Подобно тому как в нарушении регуляции митотической активности делящихся клеток имеет значение изменение ее рецепторов, так и уменьшение числа или модификация структуры рецепторов нервных клеток может быть одним из определяющих факторов старения этих клеток.

Значительное количество информации получено относительно следующих видов рецепторов нейромедиаторов: β-адренергических, холинергических и дофаминовых. Обнаружено, что при старении уменьшается число рецепторов по крайней мере в некоторых отделах головного мозга человека и грызунов. Уменьшение количества рецепторов нейромедиатора ацетилхолина (холинергических рецепторов) в коре и гиппокампе пожилых людей может быть биологической основой снижения их способности к запоминанию. Следовательно, возрастные изменения рецепторов можно скоррелировать с функциональными нарушениями. Уменьшение рецепторов для нейромедиаторов связывают с утратой синаптических контактов, отростков или нейронов, причем потеря рецепторов может быть как следствием разрушения этих структур, так, возможно, и причиной такого разрушения, поскольку в некоторых медиаторных системах возрастная потеря рецепторов предшествует возрастным анатомическим изменениям.

Уменьшение при старении чувствительности мембран клеток головного мозга к нейромедиаторам также объясняют уменьшением содержания в них соответствующих рецепторов. В частности, значительно снижается количество дофаминовых рецепторов, связанных с аденилатциклазой. Содержание периферических дофаминовых рецепторов такого типа (например, в почечной артерии кроликов) при старении также значительно уменьшается.

В клетках мозга, вероятно, снижено не только число, но и скорость синтеза адренорецепторов. Так, скорость появления новых мест связывания лигандов, взаимодействующих с такими рецепторами, в гипоталамусе и коре мозга 24-месячных крыс значительно меньше, чем в тех же органах 3-месячных животных. Эти данные были получены Луисом Гринбергом с соавторами из отдела фармакологии медицинского колледжа в Пенсильвании и в Институте психиатрии в Филадельфии. А Георг Рот и Джаклин Генри из лаборатории молекулярных и клеточных исследований Балтиморского геронтологического центра (США) обнаружили снижение на 30 % скорости синтеза дофаминовых рецепторов в стриатуме (полосатом теле) головного мозга 24-25-месячных крыс по сравнению с 3-6-месячными.

В Национальном институте старения в Балтиморе были исследованы молекулярные механизмы снижения при старении способности тканей адекватно реагировать на гормоны и нейромедиаторы. Оказалось, что это снижение может быть обусловлено изменением количества и, возможно, структуры и функции определенных рецепторов. Так, в одной из структур головного мозга (полосатом теле) обнаружено снижение количества дофаминовых рецепторов. В гипофизе же снижается число рецепторов к эстрогенам А у рецепторов, расположенных в слюнной железе и специфически реагирующих с катехоламинами, при старении уменьшается эта реакционная способность. Следующие после взаимодействия рецептора со "своим" биологически активным веществом реакции также могут нарушаться при старении. Такое нарушение обнаружено в гипофизе при исследовании реакций, инициируемых взаимодействием эстрогенов со своими рецепторами.

Получены также данные, подтверждающие предположение о том, что снижение способности матки у старых крыс реагировать на воздействие эстрогена является следствием потери рецепторов или ослабления их активности. Таким образом, обнаруживается общая закономерность старения — снижение концентрации рецепторов нейромедиаторов и гормонов (мембранных или находящихся в цитоплазме) в различных клетках. Однако из этого правила имеются исключения. Одно из них обнаружилось при анализе данных работы Малана Кольга с сотрудниками из отдела фармакологии в университете Охио (США). Из такого анализа следует, что мочевой пузырь самцов старых крыс (возраст 29 месяцев) более чувствителен к холинергическим стимулам, и это обусловлено увеличением в клетках мочевого пузыря по сравнению с аналогичными клетками 7-месячных крыс количества мускариновых холинергических рецепторов.

Особенно резкие изменения функции мембран можно наблюдать при старении клеток крови эритроцитов, которые живут в организме недолго (например, в организме человека — несколько месяцев).

В последние годы при исследовании старения и этих клеток обнаружено изменение их рецепторов. Количество инсулиновых рецепторов на эритроцитах определяли радиохимическим методом по связыванию с ними инсулина, меченного йодом-125. Оказалось, что фракция самых молодых клеток содержит наибольшее количество рецепторов. В процессе созревания ретикулоцитов концентрация рецепторов в них уменьшалась очень быстро. По мере же старения зрелых эритроцитов количество рецепторов уменьшалось экспоненциально с полупериодом около 40 дней.

Исходя из термодинамики можно предвидеть спонтанное образование прочных комплексов или даже ковалентных сшивок между мембранными белками, причем такой процесс ускоряется под влиянием перекисей липидов мембран. Поскольку количество последних при старении возрастает, то, вероятно, с возрастом увеличивается и скорость спонтанного "сшивания" мембранных белков, особенно если скорость метаболизма таких белков замедлена. Все это приводит к предположению, что при старении различных клеток в их мембранах, в первую очередь — в мембранах неделящихся клеток, возрастает часть (фракция) высокомолекулярных белков, образуемых в результате сшивания мембранных белков.

А. Бовелли с сотрудниками обнаружили в 1984 году, что в ходе старения эритроцитов на их поверхности появляются ассоциаты белков, скрепленные дисульфидными мостиками и локализованные в мембране. Такие ассоциаты, вероятно, образуются в результате протеолиза и окисления других мембранных или даже цитоплазматических белков. При добавлении к "молодым" эритроцитам АТФ или глутатиона (одного из природных антиоксидантов) в физиологических концентрациях процесс образования в мембране ковалентно сшитых комплексов белков резко ингибируется. Этот факт представляет даже практический интерес. Ведь при хранении крови требуется в максимальной степени сберечь эритроциты, не дать им "постареть". Значит, с этой целью можно попытаться использовать также физиологические концентрации АТФ и(или) глутатиона. Есть основания полагать, что такие вещества окажут благотворное действие и на организм — реципиент донорской крови. Но конечно, эти теоретические предположения должны быть дополнены проверкой их справедливости на различных животных, включая обезьян.

Когда сравнили белки мембранных структур синаптосом коры головного мозга крыс в возрасте 2, 12 и 24 месяцев, то оказалось, что отношение общего количества белка с молекулярной массой, превышающей 5-10⁵, к белкам с массой, меньшей этой величины, у молодых животных составляет 1:3, у взрослых — 1:2,1, у старых — 1:1,3. Относительное увеличение высокомолекулярных фракций белков с возрастом, вероятно, имело существенное значение в снижении функциональных способностей головного мозга, так как центрофеноксин, который по некоторым параметрам тормозит старение мозга и улучшает его функцию у старых животных, будучи введенным старым крысам, "омолаживал" белковый состав мембран синаптосом их головного мозга.

То, что мы сейчас обсуждали, касалось цитоплазматических мембран, отделяющих клетку от окружающей ее внешней среды. Но ведь для нормального функционирования клетки не меньшее значение имеют и мембраны, "пронизывающие" клетку, разделяющие ее на отдельные органеллы, "отсеки" и т. д. Это, в частности, мембраны эндоплазматической сети, на которых происходит синтез многих белков и которые служат стенками каналов, пронизывающих клетку.

С недостаточно активной функцией лизосом связано и накопление в клетках "шлаков", метаболически стабильных комплексов — об их природе и роли в старении будет рассказано позднее.

Теперь рассмотрим физико-химические механизмы старения мембран, знание которых позволит нам глубже понять и биологическую роль самого феномена старения этих структур. Такие механизмы исследовали в основном двумя путями. Один из них состоял в сравнении химического состава высокоочищенных препаратов определенных мембран, выделенных из клеток животных различного возраста.

Таким образом было обнаружено, в частности, что процесс старения изменяет липидный состав митохондриальных мембран. В качестве примера рассмотрим сравнительные данные о жирокислотном составе, содержании холестерина и фосфолипидов в мембранах митохондрий сердца молодых (4 месяца) и старых (33 месяца) крыс-самцов. Оказывается, что в мембранах старых животных значительно увеличено содержание холестерина и процент сфингомиелина и кардиолипина. Среди жирных кислот при этом увеличивалась доля пальмитиновой кислоты, а в кардиолипине — доля длинноцепочечных жирных кислот. При старении у большинства фосфолипидов индекс ненасыщенности уменьшался (у кардиолипина он повышался). Такие изменения мембран должны приводить к изменению их вязкости (точнее, микровязкости), "текучести" митохондриальных мембран, что, в свою очередь, может нарушить способность митохондрий сердца обеспечивать его энергией, а это в конечном счете может приводить к нарушениям сердечной деятельности, наблюдаемым в старческом возрасте.

Понятия "микровязкость" или "текучесть" мембран введены биофизиками, использующими "метки или зонды" — органические молекулы, во-первых, способные флуоресцировать или обладающие парамагнитными свойствами и, во-вторых, способные связываться с липидной или белковой компонентой мембран. В этом случае флуоресцентным методом или методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) можно определить подвижность метки (зонда) при различных температурах, а эта подвижность и ее изменение с изменением температуры по очевидным физическим причинам как раз и определяется подвижностью или микровязкостью тех молекул, к которым пришиты метки (зонды).

С помощью таких методов и было определено, что подвижность ацильных цепей (текучесть липидов) мембран уменьшается при старении клеток. Такие данные были получены, в частности, советскими биофизиками А. Б. Капитановым и В. Г. Ладыгиной во 2-м Медицинском институте. К сходному выводу пришли известные зарубежные исследователи мембран М. Шиницкий и Я. Скорник. Они заключили на основании анализа имеющейся информации по изменению физико-химических свойств мембран при старении, что начальная фаза старения мембран характеризуется существенным изменением состава и физических свойств липидного бислоя, в частности увеличением микровязкости.

В совместной работе В. К. Кольтовер из Института химической физики АН СССР, Р. А. Гуськова из МГУ и автор этих строк методом ЭПР и с помощью спинового зонда, вводимого в липидный бислой мембран микросом, сравнивали физические свойства мембран, выделенных из печени молодых (2–5 месяцев) крыс и старых (22-месячных). Резких возрастных изменений мембран, исследованных при 37 °C, мы не обнаружили. Однако сравнение температурных зависимостей "параметра упорядоченности" спинового зонда в них показывает, что структура мембран в процессе старения все же нарушается. Это нарушение может быть связано с изменением степени метилирования их фосфолипидов. Данные, свидетельствующие об этом, интересны и тем, что они показывают возможность обратить вспять определенные (хотя и не все) процессы старения на молекулярном уровне с помощью физиологически активных веществ.

Так, в стриатуме — одном из участков головного мозга крыс — обнаружено увеличение микровязкости липидов мембран при старении, сопровождаемое снижением включения метальных групп в фосфатидилхолин. Длительное же введение старым крысам S-аденозилметионина, являющегося донором метальных групп, снижало микровязкость мембран стриатума до значений, характерных для мембран молодых животных. Количество β-адренергических специфических участков связывания (рецепторов, количество которых при старении в стриатуме уменьшается) после кормления S-аденозилметионином также возвращалось к норме. Однако активность аденилатциалазы при этом оставалась по-прежнему сниженной.

Приведенные данные позволяют связать только что нами рассмотренные данные об изменении с возрастом физических и химических свойств липидного бислоя мембран с заключением о нарушении в процессе старения рецепторной функции мембран. Ведь молекулы белков-рецепторов встраиваются в липидный бислой и функционируют в его окружении или, может быть, точнее — при его участии. Следовательно, если его химический состав и физические свойства становятся не оптимальными, будут затруднены и включение рецепторов в мембрану (и следовательно, уменьшение их количества, действительно наблюдаемого при старении), и нарушение их функции, особенно регуляции их функции, например, при функциональных нагрузках. Это заключение согласуется с интересными данными об изменении липидного состава плазматических мембран клеток мозга и сердца и активности ферментов, входящих в состав этих мембран, полученными Л. Н. Богацкой с соавторами (Институт геронтологии АМН СССР).

К числу молекулярно-клеточных наиболее четких и хорошо изученных изменений, характеризующих процесс старения, можно отнести накопление в клетках особого пигмента — липофусцина. Увеличение его содержания в клетках различных органов столь симптоматично для старения, что он получил даже название пигмента старения. Точнее, нужно говорить о пигментах-липофусцинах, так как в клетках различных органов (даже в клетках одного типа, но разного возраста) этот пигмент по некоторым свойствам неидентичен. Однако во всех исследованных случаях липофусцины содержат различные (модифицированные) продукты переокисления и полимеризации липидов и липопротеидов.

Можно полагать, что накопление липофусцина при старении снижает функциональный потенциал нервных клеток, а также их способность противостоять вредным воздействиям окружающей среды (таким, как токсины, вирусы, соединения алюминия, попадающие в мозг). Такие внешние воздействия усугубляют "спонтанные" внутриклеточные и сосудистые изменения мозга при старении.

Кроме липофусцина, с возрастом в клетках могут накапливаться и другие молекулы и их комплексы. Результаты исследований, проведенных с использованием предшественников белков и липидов, меченных радиоактивными атомами, приводят к заключению, что часть этих молекул сохраняется в организме в течение промежутков времени, сравнимых с продолжительностью жизни животных. Особенно велика функция медленно обменивающихся белков в мозге, сердце и скелетных мышцах, т. е. в тех органах, специализированные клетки которых не делятся во взрослом организме.

Но ведь условия, существующие даже в нормально метаболизирующих клетках, неизбежно должны приводить к физическому и химическому изменению этих белков: их частичному разрушению теплом, перекисями липидов и т. д., следствием чего должно быть образование ковалентных сшивок между этими белками и другими молекулами клетки. Такие комплексы, подобно липофусцину, очевидно, не могут быть легко удалены из клетки или полностью разрушены, они становятся "шлаками" и постепенно засоряют клетку.

Кроме этого пути образования инертных и в функциональном, и химическом, и термодинамическом отношениях комплексов макромолекул, последние возникают еще и в клетке, а также в результате реакций стабильных и обменивающихся макромолекул с низкомолекулярными веществами, образующими перекрестные связи. Такие агенты обладают несколькими реакционноспособными центрами и поэтому могут реагировать с несколькими макромолекулами. В результате между ними образуются сшивки. Этот процесс аналогичен вулканизации каучука, когда добавление к нему соединений, содержащих серу, приводит к сшиванию молекул каучука между собой и его затвердению. Вещества же, которые могут осуществлять перекрестное связывание макромолекул, возникают в клетке постоянно: это и промежуточные продукты окисления, и металлы и т. д.

Последствия образования инертных комплексов в клетке отнюдь не исчерпываются тем, что такие комплексы мешают распределению веществ в клетке, засоряют ее. Если эти комплексы возникнут в геноме, если образуются перекрестные связи между геном и белком, то функция гена будет частично или полностью нарушена. И может быть, часть сшивок необратима, поскольку сшивки ДНК — белок являются труднорепарируемыми генетическими изменениями. Но известно, что образование даже одной ковалентной связи между белком и уникальным геном может существенно нарушить жизнедеятельность клетки. Следовательно, такие повреждения могут быть по крайней мере одним из важных звеньев молекулярного механизма или, точнее, механизмов старения.

Уже есть основания и для более точной характеристики этих повреждений. В частности, факты и теоретические соображения позволяют считать, что в образовании сшивок с ДНК принимают участие медленно обменивающиеся основные ядерные белки — гистоны, прежде всего те, которые содержат большое количество лизина (аминогруппы этой аминокислоты относительно легко образуют перекрестные связи). До сих пор мы рассматривали механизмы образования и роль в старении и гибели клеток накопления в них относительно стабильных комплексов макромолекул. Но в состав тканей, кроме клеток, входит и межклеточное вещество, роль которого не только механическая. Оно участвует в транспорте различных веществ между клетками, а также между ними и кровью или другими тканевыми жидкостями. Основной компонент межклеточного вещества — коллаген, количество которого с возрастом увеличивается. Таким образом, в процессе старения в организме становится относительно меньше клеток и больше межклеточного вещества. При этом коллаген со временем подвергается и качественным изменениям. Их возникновение определяется и тем, что коллаген — еще одна (кроме ДНК) макромолекула, практически полностью не обновляющаяся после завершения синтеза. И именно эти макромолекулы (и только они!) состоят из цепей, спирально закрученных друг на друга. Правда, ДНК — это двуцепочечная спираль, коллаген — трицепочечная.

Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, существенно отличается от выделенного из тех же органов молодых. Эти возрастные изменения разнообразны, однако большинство из них являются следствием одних и тех же молекулярных событий — образования между цепями коллагена ковалентных сшивок, например, между их аминокислотами — лизином и тирозином. Из биохимических изменений коллагена при старении наиболее общими для всех млекопитающих теперь считают следующие: увеличение в нем содержания оксипролина и оксилизина (и соответственно уменьшение содержания пролина и лизина); увеличение скорости неэнзиматического гликозилирования, несмотря на уменьшение скорости общего метаболизма молекул коллагена.

С такими изменениями, вероятно, связаны и функциональные, и структурные изменения коллагена, в частности понижение эластичности его волокон при старении. Первичные молекулярные механизмы этих изменений могут быть различными и включают как процессы, протекающие в межклеточном веществе (уменьшение в нем содержания Н₂О, изменение содержания в коллагене других молекул, определяющих правильное расположение молекул коллагена), так и изменения на уровне клеток соединительной ткани (уменьшение их количества, изменение иммунологического статуса при старении).

Наряду со специфическими существуют общие молекулярные механизмы старения клеток и межклеточного вещества, т. е. механизмы, осуществляющие деструкцию организма на различных его уровнях. К числу таких механизмов в первую очередь нужно отнести образование свободных радикалов, Н₂О₂ и перекисей органических соединений.

Следовательно, известные факты ускорения старения коллагена кожи у экспериментальных животных, облученных ионизирующей радиацией, также, скорее всего, связаны с действием на него активных форм кислорода и перекисей липидов или со снижением антиоксидантной системы защиты от них. Ведь такие изменения действительно наблюдают в облученных клетках тканей, и они ответственны за многие радиобиологические эффекты.

Таким образом, основные принципы старения клеток и межклеточного вещества оказываются одинаковыми. В обоих случаях они обусловлены образованием сшивок между макромолекулами, как правило, не подверженных метаболизму. Причем механизмы сшивания макромолекул также аналогичны. Процесс обычно начинается (инициируется) истинно спонтанным, тепловым разрушением макромолекул или окислением их низкомолекулярными метаболитами (в основном активными формами кислорода и перекисями). Вероятно, в механизм сшивки различных макромолекул (ДНК и гистонов; молекул коллагена, макромолекул, входящих в состав эластина) существенный вклад вносят реакции с участием аминогрупп аминокислоты лизина.