Содержание материала

Надпись на чаше

Древнюю чашу нашел он у шумного синего моря,
В древней могиле, на диком песчаном прибрежье.
Долго трудился он; долго слагал воедино
То, что гробница хранила три тысячи лет, как святыню,
И прочитал он на чаше
Древнюю повесть безмолвных могил и гробниц:
“Вечно лишь море, безбрежное море и небо.
Вечно лишь солнце, земля и ее красота,
Вечно лишь то, что связует незримою связью
Душу и сердце живых с темной душою могил”.
Иван Бунин, 1903.

  1. Папа, а что это за связь между мертвецами и живыми?
  2. Я думаю, малыш, что это — ДНК...

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - центральная молекула жизни; она содержит весь план развития и структуры будущего организма, который закодирован в огромном числе структурных фрагментов ДНК - генах. ДНК - это незаменимая часть клетки. Другие структуры, такие как РНК, белки, липиды и другие биомолекулы, могут быть в случае поломки полностью заменены на полноценные, согласно инструкциям, которые содержатся в генах. Однако замены быть не может, если повреждены (и не подлежат репарации) функционально важные участки ДНК
Нерепарируемые повреждения ДНК ведут к двум основным результатам: (1) клетка погибает, или же (2) клетка видоизменяется (мутирует), и это означает, что один или большее количество генов теряют или изменяют свои первоначальные свойства. Огромное большинство мутаций или нейтральны (никакого влияния) или вредны. Лишь крайне низкое число мутаций, если они происходят в зародышевых клетках (из которых образуются сперма, тозоиды или яйцеклетки), могут давать некоторые преимущества для выживания потомства. Вещества, которые способны повреждать ДНК и вызывать мутации, называются мутагенами. СР - наиболее распространенные мутагены. Достаточно распространены также и другие химические мутагенные факторы: Ν-нит- розо соединения, альдегиды, асбест, угольная смола и др. Большинство мутагенов являются также и канцерогенами, т.е. стимулирует развитие рака (Ames et al., 1993).
ДНК постоянно бомбардируется мутагенами, преимущественно такими как АФК или некоторые альдегиды, которые являются нормальными продуктами метаболизма, и их присутствие в организме неизбежно. Некоторые мутагены, как, например, сигаретный дым или ацетальдегид (продукт разложения алкоголя в организме), человек сам привносит в свой организм; все остальные - приходят к нам из загрязненной окружающей среды. Различные виды радиации также вызывают мутации. Повреждения, которые вызываются УФ-излучением, ограничены главным образом кожей, роговицей и сетчаткой глаза, тогда как радиация с высокой энергией, например рентгеновское излучение, может вызвать мутации и во внутренних органах.
Практически повсеместное распространение курения табака и потребления спиртных напитков, сопряженных с повышенными мутагенными эффектами, побуждает нас подробнее рассмотреть эту проблему. Уже давно известно, что курение сигарет служит главным фактором риска для возникновения язвенной болезни и рака желудка. Недавно группа исследователей из университета в Гонконге показала, что экспозиция с дымом сигарет приводила к зависящему от времени и концентрации увеличению апоптоза-программируемой клеточной гибели (подробнее об этом см. в параграфе “Генетические аспекты старения” этой главы) в слизистой оболочке желудка крысы, которое сопровождалось увеличением активности оксидазы ксантина. Увеличенный апоптоз и активность оксидазы ксантина могли быть обнаружены даже после однократной экспозиции (Wang et al., 2000). Следует подчеркнуть, что включение сложного механизма апоптоза наступает по достижении некоего критического уровня накопления мутаций в ДНК, чреватого высоким риском ракового перерождения клетки (Чумаков, 1998). Японские исследователи (Aoshiba et al., 2001) изучали влияние сигаретного дыма на альвеолярные макрофаги в связи с развитием легочных заболеваний. Эта работа имела целью определить, стимулирует ли сигаретный дым апоптоз альвеолярных макрофагов. Крысы были подвергнуты действию дыма от десяти сигарет более чем пять часов в изолированном боксе. Оказалось, что примерно 3% альвеолярных макрофагов через 24 часа после воздействия подверглись апоптозу.
Под влиянием этилового спирта активируется ось гипоталамус- гипофиз- кора надпочечников, что приводит к повышенной секреции глюкокортикоидов (Spenser et al., 1999). Хроническая чрезмерная секреция глюкокортикоидов может приводить к преждевременному и/или тяжелому старению и, в частности, к апоптозу Т- лимфоцитов (Cohen, 1992) со всеми вытекающими последствиями для развития возрастных патологий (см. гл. 15, 17 и 18).
Для организмов, по сложности близких к человеку, способность передавать генетическую информацию с высокой точностью - выдающееся достижение эволюции. Количество пар нуклеотидов (“букв”) в суммарной ДНК человека составляет приблизительно три миллиарда. Даже если поражению подвергнется только одна буква из каждого миллиона, то при удвоении генома проявится около трех тысяч ошибок. И если учесть, что при развитии организма из оплодотворенной яйцеклетки ее геном претерпевает примерно 1015 актов репликации, то возможность существования человека при такой скорости накопления ошибок представляется маловероятной. На самом деле вероятность возникновения ошибок при репликации составляет, по-видимому, всего 10-8 (Loeb, Kunkel, 1982). Такая высокая точность репликативной машины достигается в результате слаженной работы ряда независимых ферментативных процессов.
Точность репликации зависит главным образом от эффективности выбора правильного нуклеотида. Селекция осуществляется тем же ферментом, который соединяет нуклеотиды в полимерную цепь ДНК. Этот фермент, называемый ДНК - полимеразой, движется вдоль одной из цепей ДНК, синтезируя комплементарную ей дочернюю цепь из четырех свободных нуклеотидов (обычно обозначаемых, как А, Г, Ц и Т), присутствующих в клетке в виде трифосфатов (дезоксиаденозин-, дезоксигуанозин-, дезоксицитидин- и тимидинтрифосфата). ДНК-полимереза отбирает нуклеотидтрифосфат, расщепляет его до монофосфата и присоединяет к концу растущей цепи. При этом выбор комплементарного нуклеотида наиболее вероятен, поскольку энергетически это наиболее выгодно, так как комплекс ДНК-полимеразы, цепи ДНК и нуклеозидмонофосфата наиболее стабилен, когда нуклеотид в этом комплексе комплементарен матричному нуклеотиду (Modrich, 1987). Частота ошибок на этой стадии составляет примерно 10-5, эти ошибки подвергаются еще одному акту коррекции - “редакторской правке", которая осуществляется ферментным аппаратом, ассоциированным с ДНК - полимеразой. Такой фермент в начале 70-х годов был открыт Д. Брутлагом и А. Корнбергом и назван ими “редактирующей экзонуклеазой". Этот последний фермент “опознает” цепь ДНК, в которой необходимо совершить исправление по уровню метилирования старой и новой цепей (Ванюшин, 1983). Исправление происходит преимущественно в неметилированной ДНК. Оба рассмотренных механизма коррекции ошибок ДНК могут давать существенные сбои, если нарушено соотношение концентраций четырех дезоксирибонуклеозидтрифосфатов - предшественников как синтеза, так и репарации ДНК (Радман и др., 1988). Поэтому внутриклеточные концентрации этих предшественников должны быть очень тонко сбалансированы. Фермент, катализирующий в клетке биосинтез дезоксирибонуклеотидов, является рибонуклеотид редуктазой (РР)
Все описанные выше процессы исправления ошибок имеют место только при репликации генома в целом, т.е. в S-фазе клеточного цикла. Как же происходит исправление ошибок в ДНК, когда клетка находится в состоянии покоя, т.е. в интерфазе?

Несколько иной механизм исправления ошибок в ДНК используется клеткой в интерфазе клеточного цикла, т.е. в состоянии покоя. Этот механизм, названный эксцизионной репарацией, вырезает измененные участки ДНК и заменяет их нормальными участками. Он состоит из нескольких этапов. Первый из них - “узнавание” поврежденного участка ДНК и производство “надреза” в его окрестности. Эту операцию выполняет фермент эндонуклеаза. Затем другой фермент - экзонуклеаза - “выщепляет” модифицированное основание, а также значительное количество смежных с ним “здоровых” оснований. При этом в ДНК образуется “брешь”. Далее третий фермент - ДНК-полимераза заполняет эту брешь, используя в качестве матрицы вторую (неповрежденную) нить ДНК. Процесс эксцизионной репарации завершает четвертый фермент - лигаза, который связывает вновь синтезированный участок ДНК с оставшимся после выщепления концом репарируемой нити ДНК. В отличие от репликативного синтеза, который протекает только в определенный период жизни клетки, а именно в S-фазе клеточного цикла, репаративный синтез может происходить в любой момент в ответ на то или иное повреждение ДНК. Поэтому репликативный является запрограммированным (плановым), а репаративный - незапрограммированным (внеплановым) синтезом ДНК (Виленчик. 1987).

* * *
Идея о том, что накопление мутаций может быть важным механизмом старения, не нова (Ванюшин, Бердышев, 1977). Во многих исследованиях убедительно демонстрировалось, что максимальная продолжительность жизни, возможная для вида, коррелирует с эффективностью репарации ДНК и, следовательно, с частотой мутаций. В широко известной работе Р.В. Харта и Р.Б. Сетлоу (Hart, Setlow, 1974) сравнительно изучалась активность систем репарации ДНК у млекопитающих животных с различной видовой продолжительностью жизни и была установлена прямая корреляция между продолжительностью жизни и способностью клеток к репарации ДНК. Из всех исследованных млекопитающих клетки человека показали наивысшую активность систем репарации, что хорошо согласовывалось с самой высокой продолжительностью жизни людей.
В ряде исследований было показано, что частота мутаций повышается с возрастом (Виленчик, 1987) Одной из вероятных причин этого является то обстоятельство, что с течением времени системы репарации могут быть сами поражены мутациями, что ведет к потере их активности. Это - с одной стороны. С другой стороны, в организме по мере старения генерируется большее количество СР и вероятность мутаций и других повреждений ДНК повышается. В действительности, теория свободных радикалов и теория старения, базирующаяся на данных о накоплении “ошибок” в ДНК, имеют много общего, потому что ДНК является, наряду с мембранами, одной из первых “жертв” СР.
Имеются ли способы понизить уровень поражений ДНК и улучшить ее репарацию? Первым и наиболее простым шагом должна быть попытка избежать повреждений из-за влияния окружающей среды, в частности курения сигарет и чрезмерного пребывания на солнце. Те, кто имеют эти неприятные привычки, должны по крайней мере пробовать переходить на сорта табака с низким содержанием смолы, потому что смола - главный источник мутагенов в табачном дыме. Если вы хотите провести время на солнце, применяйте качественные солнцезащитные кремы. Благодаря оптическим свойствам земной атмосферы, солнечный свет несет меньше разрушительных для ДНК ультрафиолетовых (УФ) лучей утром и в конце дня, и это время является лучшим для загара.
Другим шагом для уменьшения повреждений ДНК является сохранение вашей антиоксидантной защиты в хорошей форме (см. гл. 22, 23). Самый легкий способ получить широкий спектр антиоксидантов в вашей диете это съедать большое количество фруктов и овощей. Пищевые АО-добавки, такие как витамины А, С, Е, бета-каротин, аминокислота цистеин, селен, липоевая кислота и CoQ-l0 могут обеспечить дополнительную защиту, особенно с возрастом, когда собственная антиоксидантная система дает сбои.
В настоящее время, не существует никакого практического способа усилить эффективность клеточной репарации ДНК. Эти системы довольно сложны и используют много различных ферментов. У каждого вида, система ремонта ДНК имеет специфический стандарт качества, т.е. допускается определенный диапазон ошибок. Положительной стороной неправильного или неполного ремонта ДНК является возникновение мутаций, которые оказываются движущей силой генетических изменений и благодаря этому - эволюции. Увеличение скорости мутаций заставляет виды развиваться быстрее, но при этом сокращается продолжительность жизни индивидуального организма. Обратное утверждение также будет правильным. Именно поэтому организмы с совершенной системой репарации, если такое вообще возможно, вряд ли способны возникнуть путем естественной эволюции.
Еще в 1967 г. Р. МакАртур и Е. Уилсон (МасАrtur, Wilson, 1967) постулировали существование двух типов стратегии эволюционного развития организмов: г и К. Стратегия г предполагает бурное размножение и короткую жизнь, а стратегия К - низкий темп размножения и высокую продолжительность жизни особей. В условиях резких и быстрых изменений окружающей среды высокий темп размножения и короткая жизнь (г) позволят организмам, по всей вероятности, быстрее приспособиться к такого рода изменениям. При стабильных условиях организмы, очевидно, не должны включать форсированные механизмы метаболизма и мутагенеза и могут позволить себе более низкий темп размножения и большую продолжительность жизни, т.е. избрать стратегию К. По мнению авторов, организмы (в зависимости от характера изменения условий существования) могут включать либо К → r, либо r → К переход. В контексте эволюционной логики, однако, эти переходы должны происходить случайно, а выживают те особи, которые выбрали стратегию, более соответствующую данным условиям среды.
Недавно В.П. Скулачев (1998, 1999) предложил интересную гипотезу οтносительно биохимического механизма реализации рассматриваемых переходов. Окончательной формулировке этой гипотезы способствовало неожиданное открытие А. Мура, которому удалось получить трансгенное растение табака с повышенной активностью гена митохондриального белка теплового шока с молекулярной массой 70 КД (mitochondrial heat shock protein 70, сокращенно mHsp70) (Moor, 1998; цит. по: Скулачев, 1998). Основная функция белков теплового шока состоит в исправлении (ренатурации) нарушений конформации белков, вызванных тепловой денатурацией. mHsp70 участвует в формировании нужной структуры 15 белков, синтезированных в митохондриях, а также импортирует внутрь митохондрий около 500 белков (среди них и сам mHsp70), синтезированных в цитозоле. Так вот, у растений табака, которым пересадили дополнительное количество генов mHsp70, втрое увеличилось количество митохондрий и скорость их дыхания. В.П. Скулачев предположил, что резкое увеличение количества mHsp70 ускоряет импорт и созревание митохондриальных белков, в том числе ферментов дыхания и окислительного фосфорилирования, ответственных за синтез АТФ (по данным Мура, скорость импорта белков митохондриями оказалась у трансгенного табака в три с половиной раза выше, чем в норме).
Все эти события существенно повышают синтез АТФ, что улучшает энергообеспечение клеток, а последнее, естественно, стимулирует функциональную активность многих систем, а также рост, размножение и т.п. Но мы уже знаем, что активация митохондриального дыхания сопряжена с повышенной продукцией АФК (см. параграф “Свободные радикалы”). Поэтому повышенный уровень mHsp70, вызывает, с одной стороны, улучшение энергообеспечения и, следовательно, стимуляцию роста, а с другой - способствует сокращению продолжительности жизни индивида из-за повышения продуктивности токсичных форм кислорода.
Суперпродукция mHsp70 вполне может рассматриваться как молекулярный механизм переключения живой системы с К-стратегии на r-стратегию. Это, очевидно, дает организму ряд преимуществ при приспособлении к изменившимся условиям существования, но достигается это ценой сокращения продолжительности его жизни.
Человек имеет более эффективную систему ремонта ДНК, чем большинство других видов. Сравнительно медленное старение людей, очевидно, в значительной мере связано с относительно низким уровнем мутаций в их соматических клетках. Как это ни парадоксально, довольно хорошая система репарации служит, если следовать естественному порядку вещей, препятствием на пути развития человека в более долгоживущую разновидность. Впрочем нужно помнить, что естественный порядок и так существенно нарушен почти полным отсутствием в современном человеческом обществе такого важного механизма эволюции, как естественный отбор. Остается, однако, надежда, что люди найдут способ улучшить систему репарации ДНК с помощью науки даже вопреки естественно сложившимся механизмам развития. Рассмотрим некоторые многообещающие исследования в этом направлении. Все ключевые ферменты репарации ДНК должны использовать в качестве строительных блоков специальные предшественники синтеза ДНК, называемые дезоксирибонуклеозидтрифосфатами (дРНТФ). дРНТФ синтезируется из других предшественников - рибонуклеозиддифосфатов - с помощью фермента рибонуклеотидредуктазы (РР). Если активность РР увеличена, уровень дРНТФ повышается, и система репарации ДНК начинает работать быстрее. Исследования, проведенные на мышах, показали, что вещества, способные активировать РР, могут защищать животных от высоких доз радиации, улучшая, очевидно, качество репарации ДНК (Pulatova, Sharygin, Todorov, 1999). Представляется, что подобный подход мог бы работать и на замедление обычного старения.