Зміни функцій хроматину при старінні. Вікові зміни синтезу дезоксирибонуклеїнової кислоти

Вікові зміни синтезу дезоксирибонуклеїнової кислоти

Репарація ДНК тісно пов`язана з процесами синтезу ДНК, причому цей зв`язок ґрунтується на єдності ферментативних систем, які беруть участь в реплікації ДНК, рекомбінації, репарації та інших процесах.

Є дані, що свідчать про віковий зміні активності ДНК-полімерази тварин.

Так, з віком змінюється активність ДНК-полімерази ядер мозку щурів.

Рівень ДНК-полімерази в ядрах щурів збільшується під час перших 2 тижнів після народження і потім різко зменшується до 10 тижнів, складаючи лише одну третину від рівня активності ферменту у новонароджених. Цікаво відзначити, що зміст ДНК в мозку корелює з активністю ДНК-полімерази.

Ферментативна активність в печінці на відміну від такої в мозку підвищується безперервно від народження до 12 тижнів життя тварини. У молодих щурів фермент знаходиться майже виключно в розчинній формі, а у дорослих щурів - в пов`язаної формі, яка неактивна до тих пір, поки не переходить в розчин (Chiu, Sung, 1973). Було встановлено, що активність ДНК-полімерази корелює з періодами швидкого зростання і клітинного обміну.

У москітів максимальна активність ДНК-полімерази відзначалася в ларвальний і пупальний періоди, різко знижувалася у молодих (молодше 10 днів) і ледь виявлялася у дорослих (10-48 днів) особин (Mastropaolo, 1973). Бартон і Янг (Barton, Jang, 1973) досліджували активність ДНК-полімерази в селезінці дорослих (4 міс) і старих (30 міс) мишей.

Активність високомолекулярної ДНК-полімерази була близька у тварин різного віку, а низкомолекулярной ДНК-полімерази - в 2 5 разів нижче в селезінці старих мишей. При старінні намічається тенденція до прогресуючого пригнічення репликативного синтезу ДНК і митозов.

Відзначається значне зниження інтенсивності включення міченого тимідину по багатьом тканинам старих тварин, наприклад в кортикальні клітини нирок, передню і проміжну частки гіпофіза ссавців (Crane, Lomes, 1967) і майже в усі органи комах.

Активність ДНК-полімерази в різних тканинах комах і яєчниках щурів знижується в міру росту тварин і особливо в перші дні розвитку. Боллюм і ван Поттер (цит. За: Ванюшин, Бердишев, 1977) спостерігали низьке включення 3Н-тимідину в двунитчатую матричну ДНК в системі, що містить надосадочную фракцію гомогенатов печінки старих щурів.

Зменшення ДНК-полімеразної активності у старих щурів можна було б пояснити накопиченням з віком інгібіторів ДНК-полімерази. Однак, якби інгібітори ДНК-полімерази дійсно накопичувалися в тканинах зі збільшенням віку тварин, активність ДНК-полімерази також була б менше, ніж активність гомогенатов тканин молодих тварин-на Насправді ж вона більше.

Виходячи з теорії старіння як результату катастрофи помилок синтезу Оргела (Orgel, 1963), можна припускати, що зменшення швидкості синтезу ДНК в клітинах, які старішають може відбуватися за рахунок помилок дії ферментів синтезу ДНК.

Дефектна ДНК-полімераза, по-перше, може здійснювати неправильну реплікацію генома, а по-друге, приєднавшись до матриці, вона може надовго блокувати її реплікацію, поки не заміниться на нормальний фермент. Спотворені молекули ДНК-полімерази можуть, таким чином, мати активність гена-мутаторів. Помилки реплікації можуть незворотно накопичуватися і служити причиною загибелі клітини.

Зрозуміло, синтез ДНК залежить не тільки від власне ферментів реплікації, а й від забезпеченості нуклеотидними попередниками ДНК, від енергозабезпечення клітини, від стану місць ініціації на мембранах, від їх структури і від багатьох інших факторів.

Проте низький рівень синтезу ДНК може бути важливим фактором клітинної смерті. Так, можна думати, що завершення синтезу деяких репліконов може бути умовою (сигналом) для того, щоб включилися інші важливі процеси клітинного циклу. При зниженні ж швидкості синтезу ДНК ці регуляторні механізми клітини можуть порушуватися.

Припускають, що в клітці може існувати якась особлива метаболічна фракція ДНК, яка містить копії активних, які працюють в клітці генів. Пошкоджені під впливом мутацій молекули цієї ДНК повинні бути замінені знову синтезованими. Зі зменшенням швидкості синтезу ДНК при старінні кількість спотворених копій метаболічно активної ДНК буде збільшуватися, і тоді, коли не залишиться «критичного» кількості нормальних молекул, настає загибель.

Зазвичай наводять такі докази на користь гіпотези катастрофи помилок синтезу Оргела:

1) накопичення з віком змінених молекул білків, зокрема ферментів (Gershon, Gershon, 1973- Rothstein, 1979);
2) включення аналогів кислот в білки, а азотистих основ в РНК знижує тривалість життя дрозофіли (Harrison, Holliday, 1967) і фібробластів в культурі тканини (Holliday, Tarrant, 1972).

Маріотт і руйнує (Mariotti, Ruscitto, 1977) прийшли до висновку про те, що точність і ефективність білкового синтезу в старості знижуються, що добре узгоджується з теорією Оргела та інших авторів, постулював збільшення з віком тварин стохастичних пошкоджень генетичного апарату клітин (соматичних мутацій, помилок трансляції, транскрипції і репарації ДНК).

Однак цих висновків суперечать результати досліджень на домашньому цвіркуна Бернса і Коленаса (Burns, Kaulenas, 1979), які не знайшли фізико-хімічних змін у білків старіючих комах. Старіння цвіркунів вони пояснюють не стохастическими помилками, а закономірними змінами генетичної регуляції. Протиріччя між гіпотезою Оргела і генно-регуляторними теоріями легко вирішуються, якщо ми візьмемо до уваги діючу природу процесів старіння.

Згідно еколого-генетичної теорії старіння (Бердишев, 1977), вікове ушкодження генетичного апарату клітин викликається як випадковими, стохастическими факторами Оргела, так і запрограмованими подіями.

Етігенетіческі детерміновані чинники можуть також пошкоджувати ДНК-полімерази та інші ферменти реплікації (наприклад шляхом контрольованого циклічними нуклеотидами протеінкіназной фосфорилювання), як і стохастичні.

При старінні знижується швидкість индуцируемого синтезу ДНК.

Так, після введення изопротеренола у щурів відбувається тканеспеціфіческіе індукований синтез ДНК, настає поділ деяких клітин слинної залози. Показано, що час індукції синтезу ДНК збільшується прямо пропорційно віку щурів (з 2 до 24 міс). Припускають, що ці зміни пов`язані з обміном РНК і білка (Adelman, 1975).

Подання про вікові зміни здатності клітин до реплікації і митозу можна отримати на підставі дослідів по індукції синтезу ДНК і клітинного ділення у старих і молодих тварин. Таке дослідження можна проводити в експериментах двох видів: в умовах гіпертрофії і регенерації органів, а також під дією стимулюючих агентів.

Синтез ДНК і швидкість фосфорилювання гістонових фракцій H1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 вивчали в печінці контрольних (інтактних) і гепатектомірованних самців щурів лінії Wistar віком від 5 до 27 міс. У контрольних тварин з віком в печінці прогресивно зменшується синтез ДНК. Відмінності в нормі фосфорилювання між молодими і старими інтактними щурами не виявлялося, так як споживання 32Р було нижче чутливості методу.

У регенерує печінки старих пацюків виявлялися депресія синтезу ДНК і норми фосфорилювання гістонів H1. Щодо інших гістонових фракцій статистичні відмінності були відсутні. Спостережувані вікові зміни пояснюються більш компактною структурою нуклеопротеінового комплексу, виявленої у старих тварин (Plantanelli, Fabris, 1975). Збільшення часу, необхідного для ініціації синтезу ДНК і клітинного ділення, відзначається також в регенерує печінки старих щурів після часткової гепатектомії (Оболенська, 1976).

Порушення реплікації і нормального протікання митозов в процесі старіння може обумовлюватися змінами як активності ферментів, які каталізують ці процеси, так і змінами структури ДНП - зміцненням зв`язків між ДНК і білком. В даний час є ряд робіт, що вказують на освіту міцних зв`язків між ДНК і білком в ДНП старих організмів (Ванюшин, Бердишев, 1977).