Зміни функцій хроматину при старінні

З віком можуть змінюватися не тільки структура генома і білоксинтезуючого апарату клітин, але і повноцінність їх функцій.

Сучасний стан питання про «друку віку» на функціональної здатності клітин ми спробуємо розглянути в цій статті.

Вікові зміни матричної активності хроматину

Вікова песимізація молекулярної структури генетичного апарату ядер клітин знаходить своє цитологічне вираз в атрофії, Каріолізис і пікнозом ядер, анеуплоідіі і полиплоидии соматичних клітин, їх патологічному «цепочечном» розмноженні в м`язових волокнах старіючого організму.

На молекулярному рівні це виражається в порушенні матричного синтезу РНК на ДНК (прямий транскрипції), реплікації і репарації ДНК хроматину, зміні синтезу білка. Разом з тим до цього часу отримані далеко ще не однозначні результати як в дослідженнях вікових особливостей матричної активності хроматину, так і інших генетичних процесів.

У тому випадку, коли дослідження велися в умовах in vivo, в ряді робіт (але не у всіх) вдавалося встановити зниження з віком матричної активності хроматину. Так, значно більше інтенсивне включення мічених тритієм азотистих основ в РНК тканин мозку 10-денних щурів у порівнянні з таким процесом у дорослих знайшли Гарофф і співр. (Guroff et al., 1968).

Близькі до цього дані отримав для ДНК коркового речовини мозку щурів Адамі (Adams, 1966). Шерешевський (1965) виявила значне зниження з віком матричної активності хроматину тканини печінки білих щурів в умовах in vivo. Менш виражене вікове падіння матричної активності хроматину ряду органів встановив для мишей Мейнуорінг (Mainwarring, 1968, 1969).

За даними Бердишева і співр. (1976), в хроматині печінки щурів відбувається досить виражене зниження матричної активності хроматину. Однак в роботі Саміса і співр. (Samis et al., 1968) не вдалося встановити вікові зміни в здатності ізольованого хроматину печінки білих щурів служити матрицею в синтезі РНК. При цьому концентрації хроматину змінювалися в 15-кратних межах, а РНК-полімерази - в 20-кратних.

Чи не несла на собі «Друку віку» і швидкість включення міченого 14С-урацилу в РНК в ДНК-спрямовується белоксинтезирующей бесклеточной системі з екстрактів Е. coli в присутності ДНП печінки молодих, зрілих і старих білих щурів (Блок, 1974а, 1974б).

У тій же системі синтез білка бактеріальними рибосомами в присутності хроматину печінки старих щурів був вище, ніж у присутності хроматину молодих, що, можливо, пов`язано з синтезом в старості більшого відсотка долгоживущей мРНК. Зміна при старінні спектра синтезованих на ДНК РНК було показано Катлером (Cutler, 1972) і Мурадяну (1977).

Було встановлено, що рівень синтезу РНК ізольованими ядрами клітин печінки білих щурів в середовищі з низькою іонною силою і Mg2 + (т. Е. В умовах прояву активності рибосомальної РНК-полімерази) з віком знижувався, а в середовищі з високою іонною силою і Мn2 + (т . е. в умовах прояву активності матричної РНК-полімерази) зниження від зрілості до старості не спостерігалося, при достовірному максимумі активності у трирічних тварин.

Звідси можна зробити висновок, що в старості падає синтез рРНК і в значній мірі зберігається синтез мРНК (Блок, 1974а, 19746). В умовах in vivo синтез різних фракцій РНК в тканинах печінки білих щурів виявляє більш виражене вікове падіння (Тупчієнко, 1972). Це падіння нерівномірно виражено в різних фракціях РНК.

Особливо значно падає з віком швидкість новоутворення лабільною мРНК (Д-РНК), т. Е. Тієї частини інформаційної РНК, яка «обслуговує» потреби самого ядра (хроматину) клітини, зокрема є учасником дозрівання і транспорту мРНК. У тому ж напрямку виконано дослідження Бертольдом і Лімом (Berthold, Lim, 1976).

Вони виявили, що в мозку у 3-денних щурят значна частина новосинтезованих міченої РНК переноситься з ядра в цитоплазму, тоді як у дорослих (150-денних) щурів відбувалося інтенсивне внутрішньоядерні оновлення РНК. Основна частина процесингу попередника рибосомальної РНК у молодих тварин тісно пов`язана з транспортом РНК в цитоплазму, в той час як у дорослих щурів процесинг попередника на рибосомальної РНК 28S і 18S протікав в ядрах значно інтенсивніше.

Змінюються з віком і швидкість синтезу, і активність А- і Б-форм РНК-полімерази ядер клітин печінки білих щурів (Зільберман, Паскевич, 1976). Виявилося, що РНК-полімераза А (ЯДЕРЦЕВОГО), - відповідальна за синтез рРНК, швидше синтезується в ядрах клітин печінки в ранній зрілості (3-місячний вік) з подальшим падінням до старості- РНК-полімераза Б (нуклеоплазматіческая), відповідальна за синтез мРНК , досягає максимальної швидкості синтезування теж в 3-місячному віці, але потім зберігає цей високий рівень до старості.

Активність очищених форм РНК-полімерази змінюється з віком неодінаково- РНК-полімераза А досягає максимальної активності в ранній зрілості з подальшим падінням до старості- активність РНК-полімерази Б з віком не змінюється. Це збігається з даними в дослідженні Блок і співр. (1974а, 19746): до старості падає синтез рРНК, але мало змінюється інтенсивність синтезу мРНК.

Репарація і старіння

Всупереч удаваним відмінностей сучасних теорій старіння багато з них грунтуються на припущенні про те, що вікова модифікація генетичного матеріалу - суттєвий фактор старіння. Багато видів вікових змін структури генетичного апарату клітин можуть бути вираженням вікового накопичення нерепарірующіхся пошкоджень ДНК.

На думку Барнета (Burnet, 1978), в основі процесів старіння лежить накопичення з віком мутаційних порушень систем репарації та реплікації ДНК. Вперше ідею про важливу роль порушення репарації ДНК у розвитку процесів старіння висловив в 1967 р Александер (Alexander, 1967). Він вважає, що процес диференціації, при якому клітини стають постмітотіческіх, пов`язаний з ослабленням репаративних систем.

З віком кількість пошкоджень ДНК накопичується, але спочатку це не впливає на високоспеціалізовану функцію клітин. Незабаром ступінь фрагментації ДНК стає відчутною, слабшає синтез РНК, і клітини гинуть. У даному разі це може бути одним з механізмів запрограмованої загибелі клітин. Ця концепція була широко розвинена Виленчик і співр. (1979).

Цікаву модель старіння, засновану на диференціальної репарації, запропонував Ілдінг (Ielding, 1974). Згідно Ілдінгу, репарація ушкоджень, що викликають мутації, може здійснюватися лише в тих ділянках ДНК, які залучені в активні процеси транскрипції і. фізично доступні для ферментів, в тому числі репараційних.

Це явище автор називає диференціальної репарацією, якої, на його думку, належить істотна роль у процесах старіння. Завдяки диференціальної репарації в активних ділянках ДНК дифференцирующихся клітин накопичується істотно менше пошкоджень, ніж в неактивних ділянках, що охоплюють велику частину геному і фізично заблокованих протягом більшої частини клітинного циклу.

Нерепарірованние пошкодження ДНК неактивних ділянок хромосом викликають порушення репликативного синтезу ДНК і як наслідок - порушення клітинного циклу, розподілу і подовження клітинного циклу, а також виникнення хромосомних аберацій. До реплікації ці ушкодження можуть не проявлятися, так як в процесі транскрипції неактивні ділянки ДНК не зчитуються.

Активні ділянки ДНК також можуть служити мішенню пошкоджуючих впливів, але відносна роль цих пошкоджень незначно менше, по-перше, завдяки відносно меншому числу активних ділянок в геномі порівняно з неактивними, а по-друге, завдяки репаріруемості таких пошкоджень. Значення ушкоджень активних і неактивних ділянок ДНК може бути різним для подальшої долі клітин.

Пошкодження різних неактивних ділянок феноменологически повинні проявлятися подібним чином, і популяція клітин, які мають такі пошкодження, буде виглядати однорідної, так як у всіх цих клітинах буде пошкоджена репликативная здатність з усіма перерахованими наслідками.

З плином часу ушкодження повинні призводити до накопичення в тканинах клітин з хромосомними абераціями, а також збільшенням середньої тривалості клітинного циклу, що має місце в дійсності. Пошкодження активних ділянок ДНК (активних генів) також повинні відігравати певну роль в процесі старіння, але, мабуть, не таку, як при пошкодженні неактивних генів.

Клітини з мутантними активними генами можуть накопичуватися в клітинних популяціях лише в тому випадку, якщо ці мутації не зменшують їх життєздатності, і тоді ці ушкодження можуть не викликати змін функціональних особливостей, тканин. Віллер та Летт (Wheeler, Lett, 1974), розглядаючи випадки, в яких відсутня репарація клітин, відзначають: існує обґрунтоване припущення, що всі клітини ссавців в нормі мають репаруючу здатністю.

Виняток становлять клітини, що втратили здатність відновлювати порушення структури ДНК, що проявляється лише в особливих випадках-таким винятком, по-перше, можуть бути клітини передчасно старіючого (прогероідного) організму. Другий виняток стосується митотической популяції клітин яєчника китайського хом`яка після інтенсивного опромінення. Третім винятком можуть бути клітини при нормальному старінні.

Значення репаративних систем для старіння при захворюваннях

Особливо яскраво значення репаративних систем для старіння проявляється при ряді захворювань, коли у хворих відсутній репарація тих чи інших пошкоджень. Показано, що фібробласти шкіри хворих з некласичних синдромом Гетчінсона-Гілфорда (такі хворі зазвичай швидко старіють) мають нижчу здатність з`єднувати пошкоджені радіацією ланцюга ДНК.

Ці диплоїдні клітини, отримані з тканин дітей, життєздатні лише протягом 9 генерацій. У той час як розриви, індуковані в диплоїдних клітинах людини у-опроміненням, відновлюються протягом 30 хв після опромінення, в клітинах цих хворих вони не відновлюються зовсім.

Передчасне старіння відзначено при такому захворюванні, як пігментна ксеродермія, коли порушена система ексцизійної репарації. Фібробласти, взяті у таких хворих, переживають менше число пасажів, ніж нормальні клітини. Вони відрізняються за швидкістю репараційних процесів від клітин нормальних людей.

Так, якщо в клітинах здорових людей процес репаративної реплікації триває 6 год, то в клітинах хворих він затягується до 30 год, не досягаючи рівня нормального репаративного синтезу (Жестянніков, 1979- Виленчик і ін., 1980).

Є дані про те, що активність репаріруемих систем клітини в нормі залежить від віку, хоча і тут отримані неоднозначні результати. Зі збільшенням віку клітин їх здатність до відновлення значно слабшає.

Так, у міру пассірованія культури диплоїдних клітин людини (тривалість їх інкубації становить близько 50 пасажів) прогресивно падала здатність вирізати з ДНК тимінових димери, що утворюються після УФ-опромінення (Дубінін, Засухіна, 1975). Цікаво відзначити, що концентрація ферментів, які беруть участь в фотореактивації пошкоджень ДНК ультрафіолетом, в фібробластах ембріона значно більше, ніж в фібробластах дорослої курки.

Показано, що миші довгоживучих ліній мають більш стабільними хромосомами, тоді як хромосоми мишей з короткою тривалістю життя (ПЖ) менш стабільні (Curtis, 1964). У собак, що живуть значно довше мишей, інтенсивність розвитку хромосомних аберацій набагато нижче, ніж у мишей. На думку Катлера (Cutler, 1972), ПЖ клітин визначається швидкостями процесів ушкодження і репарації ДНК.

Результати власних досліджень та дані літератури дозволили Виленчик (1970) припустити, що ефективність репарації генетичних ушкоджень знижується при старінні різних клітин і в процесі програмованої смерті диплоїдних штамів фібробластів. Харт і Сетлоу (Hart, Setlow, 1974) виявили кореляцію між розмірами ексцизійної репарації і тривалістю життя.

Вони показали, що в нормі рівень репаративного синтезу ДНК у ряду видів ссавців після опромінення збільшується відповідно ПЖ. Для миші, хом`яка, корови і людини був виявлений зв`язок між величиною репарационного синтезу на клітку і ексцизійної репарацією на одиницю довжини молекули ДНК.

Кореляція між активністю ексцизійної репарації і тривалістю життя Хартом і Сетлоу була встановлена для 7 видів ссавців. Утворення злоякісних пухлин в старому організмі може бути наслідком того, що старіння клітини пов`язано з ослабленням активності репараційних процесів (Виленчик, 1970).

Однак в літературі є дані, що ставлять під сумнів сам факт ослаблення репаративних систем клітини з віком (Жестянніков, 1979). Так, в диплоїдних клітинах фібробластів людини пізніх пасажів репарація ушкоджень ДНК, викликаних радіацією, і молекулярна маса збігаються з такими у молодих клітин.

Знижений рівень репаративного синтезу при УФ-пошкодження ДНК вдалося виявити тільки на самому останньому пасажі перед повним припиненням зростання культури клітин. Це зменшення не мало місця за 2 пасажі перед цим, на підставі чого було зроблено висновок, що зниження ексцизійної репарації не є основною причиною старіння диплоїдних фібробластів людини (Painter et al., 1973- Clarkson, Painter, 1974).

У лініях культур фібробластів шкіри людини з нормальною чутливістю до сонячного світла швидкість позапланового синтезу ДНК в клітинах старих донорів була ідентичною з такою у молодих донорів на однаковій стадії пассірованія. Очевидно, репарація ДНК при УФ-опромінення не має відношення до процесу старіння в клітинах (Kawakita, 1972).

Порівняння профілів седиментации ДНК показало, що, хоча розміри ДНК, що екстрагуються з нейронів внутрішнього гранулярного шару мозочка собаки, зменшуються з віком, вікове вплив на кінетику з`єднання розривів ДНК, викликаних опроміненням, не виявлено (Wheeler, Lett, 1974). Це узгоджується з даними Прайса і співр. (Price et al., 1971).

Правда, автори в досліді використовували тварин які не досягли 10 років, тоді як собаки цієї породи гончих живуть в середньому 14 років. Тому ще не ясно, чи відбувається втрата репаративної здатності ДНК на заключних етапах старіння. Я не можу знайти відмінностей в розмірах ушкоджень або відновлення пошкоджень у старих і молодих мишей.

Виходячи з цього, Куртіс (Curtis, 1964) вважає, що хромосомні репараційні механізми активні навіть в дуже старому організмі. Культури фібробластів людей з прогерією і хворобою Ротмунда-Томсона (синдром, пов`язаний з передчасним старінням) мають більш короткої виживанням, хоча у них відновлення ДНК таке ж, як і у нормальних фібробластів (Yukas, 1971).