Биологические основы старения и долголетия

Например, в процессе окисления органических веществ в клетке образуется перекись водорода. Обычно эти молекулы разрушаются в реакции, катализируемой ферментом каталазой; но они могут "ускользнуть" от этого фермента и прореагировать с какими-либо другими макромолекулами, в том числе — что особенно опасно для клетки — с макромолекулами генетического аппарата.

Даже обычная температура тела животных является для существования их клеток отнюдь не безопасной. Про температуру около 37 °C врачи говорят — она нормальная, биологи и физиологи — физиологическая. Но посмотрим, что происходит с молекулами при этой температуре.

О том, что некоторые ферменты при этой температуре спонтанно могут терять свою активность (инактивироваться), известно давно. Последствиям этой тепловой нестабильности белков серьезного значения не придавали, поскольку инактивированные молекулы белка в клетке могут быть заменены новыми. Но ведь генетическая информация таким образом не заменяется, хотя при определенных условиях имеющиеся искажения ее могут быть устранены.

В делящихся клетках она передается дочерним клеткам в результате процесса удвоения ДНК, ее редупликации. В неделящихся клетках, таких, как нейроны или мышечные клетки взрослых животных, редупликативного синтеза ДНК не происходит. Поэтому такие клетки должны функционировать в организме в течение всей его жизни с одним и тем же набором молекул ДНК. По крайней мере в течение первой ее половины должна сохраняться и генетическая информация женских половых клеток. Ведь гибель любой из этих клеток не может быть компенсирована делением оставшихся. Следовательно, в организме человека одна и та же ДНК находится во многих клетках при температуре 37° в течение многих десятков лет.

Теперь мы можем сформулировать вопрос, который, как это уже становится очевидным, является принципиальным для понимания молекулярно-генетических механизмов старения: с какой скоростью происходит тепловое повреждение (деградация) ДНК в клетке при 37°? Ответа на этот вопрос в первом издании этой книги мы дать не могли — к моменту ее написания еще не существовало достаточно точных методов определения скорости тепловой деградации ДНК при температурах, резко не отличающихся от физиологических.

В промежутке времени между двумя изданиями этой книги нам, а затем нескольким другим группам исследователей удалось разработать методики и с их помощью измерить скорость тепловой деградации ДНК в клетках человека и других млекопитающих при температурах, не намного превышающих 37 °C.

Но сначала оценим приблизительно эту скорость из результатов опытов по тепловому повреждению (деструкции) ДНК в растворе. Установлено, что при такой деструкции "слабым местом" в ДНК является связь оснований с сахаром — так называемая гликозильная связь с ним пуринового основания. При нагревании растворов ДНК наблюдается прежде всего выщепление из ДНК пуриновых оснований — происходит процесс депуринизации ДНК. Это схематически показано на рис. 1.

После того как основание выщепилось из ДНК, связь фосфатной группы с сахаром (фосфодиэфирная связь) в участке депуринизации становится довольно неустойчивой, и она быстро подвергается разрушению вследствие присоединения молекулы воды (т. е. происходит гидролитический разрыв полинуклеотидной цепи).

Итак, в ДНК "спонтанно" протекают два основных повреждающих ее процесса — депуринизация и образование разрывов полинуклеотидной цепи. Скорости протекания обоих процессов зависят не только от температуры, но и от концентрации водородных ионов (рН) и ионов других солей (ионной силы раствора). Если хранить ДНК в водном растворе при значениях ионной силы и рН, близким к тем, при которых ДНК существует в клетке, то скорость депуринизации ДНК при "физиологической" температуре 37° будет столь мала, что ее трудно измерить с большой точностью современными методами количественного анализа пуриновых оснований. Однако можно еще определить скорость депуринизации ДНК и при других различных температурах и построить график зависимости константы скорости депуринизации от температуры. Этот график в так называемых Аррениусовых координатах имеет вид прямой (линия 1, рис. 5, где показана такая зависимость от температуры, линия 2 — скорости депуринизации лиофилизованной ДНК).

Рис. 5. Зависимость от температуры константы скорости депуринизации ДНК in vitro и образования суммы апуриновых участков и разрывов ДНК in vivo: I — выщепление аденина (·) и гуанина (x) из ДНК тимуса теленка в Na-цитратном буфере при значении ионной силы несколько большей физиологической и рН 6,8 и депуринизация ДНК бактерий (точка 1) или ДНК фага Т7 (точка 2) при значениях ионной силы и рН, близких к физиологическим условиям; точки 3 и 4 — образование тепловых повреждений ДНК in vivo соответственно, в клетках грызунов и в культивируемых фибробластах человека; II — выщепление аденина (Δ) или гуанина (+) из лиофильно высушенной ДНК тимуса теленка

Известные физико-химические свойства ДНК таковы, что кривую можно продолжить (экстраполировать) до значений абсциссы, соответствующей температуре 37°. Рассчитанная нами таким методом константа скорости депуринизации близка к значению 11^-10 в секунду. Это означает, что из ДНК при физиологических условиях (т. е. при значениях температуры, рН и ионной силы, близких к таковым в клетках) каждую секунду в расчете на 10¹⁰ оснований должно теряться примерно одно основание.

Подробный теоретический анализ данных, касающихся организации ДНК в клетке и условий ее существования там, позволяет заключить, что выщепление пуриновых оснований из ДНК клетки происходит со скоростью, довольно близкой к той, которую мы рассчитали. Но даже если эта скорость в 10 раз меньше рассчитанной, заключение о вероятном значении в старении депуринизации ДНК при физиологической температуре остается тем же. Приходится только удивляться, каким образом клетки могут длительно существовать при температуре 37°.

Ответить на этот, казалось бы, весьма далекий от проблем "классической" геронтологии вопрос — значит, понять один из основных защитных молекулярных механизмов, выработанных, очевидно, уже на самых ранних этапах эволюции клеток и организмов для поддержания их жизнеспособности. А следовательно, найти подход для поиска факторов, увеличивающих устойчивость организма к старению.

Конечно, особенно интересны количественные данные теплового повреждения ДНК в клетке (in vivo). Определить скорость такого повреждения ДНК при 37 °C до последнего времени было невозможно, так как при этой температуре наряду с возникновением тепловых повреждений ДНК протекает и обратный процесс — залечивания (репарации) этих повреждений (подробнее об этом процессе будет рассказано чуть позже).

Когда же попытались определить повреждения ДНК в клетках млекопитающих при температурах, превышающих 37 °C, но меньше тех, при которых происходит разрушение клеток, никаких повреждений ДНК не зарегистрировали. Их обнаруживали лишь в случае прогревания клеток грызунов при 65 °C. (Константа скорости образования повреждений ДНК при этой температуре была нами рассчитана, и ей соответствует точка 3 на рис. 5.) Таким образом, к началу 80-х годов среди биологов утвердилось мнение, что при температуре меньше 45 °C тепловые повреждения ДНК в клетках млекопитающих если и индуцируется, то в количествах, которые невозможно зарегистрировать.

Однако с помощью усовершенствованного А. Н. Хохловым и мной седиментационного метода анализа ДНК в культивируемых фибробластах человека нам удалось измерить количество повреждений ДНК, индуцируемых в процессе прогревания этих клеток при 44 °C. В эксперименте учитывались два существенных момента. Во-первых, в течение опыта клетки сохраняли жизнеспособность, т. е. можно было считать, что определяется процесс повреждения ДНК в живых клетках. И во-вторых, при температуре 44 °C происходит существенное ингибирование процесса репарации ДНК, а это означает, что при такой температуре аккумулируются тепловые повреждения ДНК.