Еще раз о значении нарушения репарации ДНК в старении клетки

Таким образом, нарушение равновесия между процессами повреждения и репарации ДНК должно быть одним из основных механизмов старения. Посмотрим теперь, насколько следствия, вытекающие из этого положения, могут объяснить различие в продолжительности жизни различных животных. (Вопрос о биологических факторах, определяющих продолжительность жизни, мы рассмотрим специально, однако сейчас мы должны сделать краткий экскурс в эту проблему, чтобы получить более четкое представление о роли повреждения репарации ДНК в старении.) Я начну с двух следствий, которые были сформулированы нами еще в 1970 г. Если изложенное выше положение верно, то очевидно, что продолжительность жизни должна быть тем больше, чем больше число копий генов, контролирующих синтез определенных РНК. и белков, и чем больше способность клеток к репарации ДНК. Оба эти следствия в последнее время подтверждены группой американских исследователей. Р. Катлер (1972) обнаружил, что число определенных генов, на которых происходит считывание мРНК, в геноме мозга человека больше, чем в геноме быка, а в геноме последнего больше, чем в геноме мозга мыши, что соответствует различиям в продолжительности жизни этих животных.

С другой стороны, Р. Харт и Р. Сетлоу (1974), исследуя способность к репарации ДНК у целого ряда животных организмов, начиная от мыши-полевки и кончая человеком, установили, что эта способность пропорциональна логарифму продолжительности жизни.

Даже из того, что тепловые повреждения ДНК являются важным механизмом старения, следует, что чем больше температура, при которой протекает жизнедеятельность, тем меньше продолжительность жизни клеток и организмов. Что касается организмов, то речь, конечно, может пока идти лишь о таких животных, температура тела которых определяется температурой окружающей среды (этих животных называют пойкилотермными). Из результатов весьма многочисленных исследований, видно, сколь закономерно уменьшается продолжительность жизни организмов по мере увеличения температуры среды.

Зависимость от температуры скорости разрыва фосфоднэфнрных связей может свидетельствовать о такой же зависимости скорости депуринизации ДНК, причем как в растворе, так и в клетке. При проведении работ, на основании которых сделаны настоящие расчеты, во многих или даже практически во всех апуриновых участках ДНК должны были образоваться разрывы фосфодиэфирных связей.

Аналогичное заключение можно сделать и относительно прямой, на которую ложатся точки, характеризующие скорость выщепления пуриновых оснований из растворенной ДНК и образование разрывов в цепи ДНК после нагревания клеток китайского хомячка. Таким образом, можно предполагать, что левая половина характеризует зависимость от температуры скорости депуринпзашш не только ДНК, выделенной из клеток, но и ДНК, находящейся в них. Можно заключить, что зависимость от температуры скорости депуринизации ДНК и старения клеток и организмов очень близки, причем настолько, что напрашивается предположение: продолжительность жизни может лимитироваться продолжительностью жизни всего лишь одной химической связи (пуринового основания с сахаром) ДНК. Дело в том, что, по определению, сформулированному в теории кинетики химических реакций, константа скорости разрушения связей, значение которой отложено по ординате, обратно пропорционально продолжительности жизни этой связи.

Разумеется, сделанное предположение является очень упрощенным. И не только потому, что корреляция обычно верна лишь для ряда объектов, существующих в определенных условиях. Существенное значение в старении могут иметь и другие повреждения ДНК. Правда, выщепление пиримидиновых оснований из ДНК должно происходить со скоростью, приблизительно в 10 раз меньшей, чем скорость выщепления пуриновых оснований. Однако другая модификация ДНК — дезаминирование цитозина может, вероятно, происходить со скоростью, сравнимой со скоростью депуризации ДНК. Этот процесс также резко зависит от температуры.

Таким образом, мы можем заключить, что характер спонтанных повреждений ДНК, протекающих и при физиологических условиях, аналогичен (хотя, конечно, и не идентичен) тепловым повреждениям ДНК. Из них достаточно надежно идентифицированным можно считать выщепление пуриновых оснований и разрыв фосфоди-эфирных связей. Если это так, то в клетках должна эффективно функционировать система репарации тепловых повреждений ДНК. Ведь частота возникновения их такова, что без ферментов, устраняющих эти повреждения, клетки не могли бы прожить и дня. Чтобы сказанное было понятнее, проведем простые расчеты. При константе скорости повреждения ДНК, равной около 10¯¹⁰с¯¹, в расчете на геном каждой клетки, в течение дня образуется около 10⁵ спонтанных повреждений ДНК. Далее примем по внимание, что в основе действия ионизирующего излучения на клетки и организм лежит повреждение ДНК. Мы можем приблизительно рассчитать: при какой дозе облучения в каждой клетке образуется 10⁵ повреждений ДНК. Эта доза равна около 20000 рентген, что в несколько десятков раз больше смертельной дозы для многих млекопитающих.

За последние годы доказательств этому было получено достаточно много: выделены и частично очищены ферменты, участвующие в репарации таких повреждений и с помощью этих ферментов в пробирке осуществлена репарация ДНК (из которой перед этим были удалены некоторые пуриновые основания); обнаружены также клетки, в которых нарушен синтез одного из репарирующих ферментов, и такие клетки оказались очень чувствительными к умеренному нагреванию более того, в ДНК таких мутантных клеток даже при нормальных условиях жизнедеятельности обнаружены повреждения ДНК, а жизнеспособность этих клеток оказалась сниженной.

Теперь становится очевидным, что система репарации тепловых повреждений ДНК должна была возникнуть уже на самых ранних этапах эволюции и иметь существенное значение в развитии всех форм жизни на Земле. Мы должны также предположить, что способность опухолевых клеток сохранять практически неограниченно долго генетическую информацию, так же как и сохранение этой информации в ряду поколений у половых клеток, тесно связаны с особенностями систем репарации тепловых повреждений ДНК этих клеток. В частности, в половых клетках эта система должна работать с исключительно большой точностью. Тепло, по-видимому, наиболее мощный внутренний «естественный» фактор, повреждающий ДНК и ускоряющий течение процессов старения.

Из внешних таких факторов наиболее интенсивным является, очевидно, ультрафиолетовое излучение. В то время как тепло повреждает в основном пуриновые основания ДНК, ультрафиолетовое излучение — пиримидиновые, и, в основном, тимины: если две молекулы тимина расположены рядом, то после поглощения одной из них кванта излучения между ними образуется ковалентная связь (тимины димеризуются). Под влиянием прямого солнечного излучения таких димеров образуется (в течение часа экспозиции) столь много, что существующая в клетках система репарации ДНК не успевает «удалять» поврежденные основания. Какое отношение имеет этот факт к старению? По-видимому, прямое, так как геронтологам известно, что ультрафиолетовое излучение является одним из основных факторов, ответственных не только за увеличение с возрастом частоты развития рака кожи, но и за другие, характерные признаки старения этого органа.

Читателя, который знает о благотворном действии ультрафиолетового излучения, эти факты могут смутить. Но противоречия между сказанным и тем, что известно о благотворном действии ультрафиолетового излучения, в частности солнечного излучения, нет. Это излучение стимулирует обменные процессы в организме, что известно уже давно, но, увы, становится ясно, что этот же фактор обладает и сильным повреждающим генетическим действием, даже в тех дозах излучения, которым человек может подвергать свои клетки. Правда, репарирующие ферменты клетки могут очистить в значительной степени клетки от этих повреждений, но в значительной степени, а не на 100%. Какая-то часть поврежденных оснований может «избежать» действия таких ферментов, и хотя это небольшая часть, при длительном, повторяющемся облучении такие повреждения могут суммироваться, их количество может достигать порогового значения или могут быть поражены уникальные гены, ответственные за жизнеспособность клетки.

Ниже при обсуждении биологических основ долголетия мы рассмотрим и другие следствия, вытекающие из положения о роли повреждения и репарации ДНК в старении, в частности при старении, ускоренном по причине наследственных генетических факторов и под влиянием ионизирующего излучения. Сейчас же, завершая обсуждения общебиологических аспектов этой проблемы, необходимо подчеркнуть, что ускорение «физиологического» процесса повреждения ДНК и торможение компенсирующих этот процесс репарирующих механизмов, по-видимому, одна из причин уменьшения жизнеспособности и гибели клетки под влиянием ли времени, болезней или действия «вредных» факторов окружающей среды.