Биохимия старения

Канунго М. С.

Рис. 2.10. Влияние кальция и эстрадиола на метилирование отдельных гистонов коры головного мозга крыс-самок разного возраста [348].

_{А. Норма. Б. Добавлен Са²⁺. В. Добавлен эстрадиол}

Содержание НГБ с возрастом уменьшается [208, 384]. Метаболически активные ткани содержат больше этих белков, чем неактивные. По-видимому, с уменьшением их количества активность тканей снижается. Электрофорезом НГБ мозга в полиакриламидном геле были показаны не только качественные, но и количественные возрастные изменения во фракциях НГБ [185]. Ковалентные модификации

НГБ и их модуляция различными эндогенными эффекторами также зависят от возраста [182, 183, 185, 349]. Показано, что фосфорилирование, ацетилирование и метилирование НГБ мозга в старости очень сильно замедляются. Кальций стимулирует их фосфорилирование как в среднем, так и в старческом возрасте. Однако стимулирующий эффект эстрадиола, наблюдающийся в среднем возрасте, в старости не проявляется (рис. 2.11, 2.12). Кальций не стимулирует ацетилирование НГБ, а эстрадиол и адреналин стимулируют его у молодых крыс, но не оказывают влияния в случае крыс среднего возраста и старых крыс (рис. 2.13). Ни кальций, ни эстрадиол не влияют на метилирование НГБ. Показано, что эти эффекторы модулируют модификацию специфических НГБ [185]. Вероятно, фосфорилирование НГБ более важно для экспрессии генов, чем их ацетилирование и метилирование. Как позволяют предположить эти данные, замедление ковалентных модификаций НГБ в старческом возрасте может происходить из-за того, что соответствующие центры становятся малодоступными. Это в свою очередь может быть обусловлена конформационными изменениями в хроматине вследствие более сильного связывания НГБ с ДНК.

Рис. 2.11. Влияние кальция на фосфорилирование отдельных НГБ коры головного мозга крыс-самок разного возраста [185].

 _{А. Норма. Б. Добавлен Са²⁺}

Рис. 2.12. Влияние эстрадиола на фосфорилирование отдельных НГБ белков коры головного мозга крыс-самок разного возраста [185].

_{А. Норма. Б. Добавлен эстрадиол}

Рис. 2.13. Влияние кальция и эстрадиола на ацетилирование отдельных НГБ коры головного мозга крыс-самок разного возраста [185].

_{А. Норма. Б. Добавлен Са²⁺. В. Добавлен эстрадиол}

Функции хроматина самым тесным образом связаны с его структурной организацией, и если структура меняется, то, несомненно, меняются и функции. К функциям хроматина относятся репликация и транскрипция. Показано, что у свободноживущей нематоды Turbatrix aceti, клетки которой не делятся, активность ДНК-полимеразы с возрастом уменьшается [45].

Есть сообщение, что синтез ДНК в постмитотических тканях — в мозгу, сердце и печени — у старых крыс усиливается [294]. Клетки этих тканей не вступают в митоз. Поэтому предполагают, что синтез ДНК в них происходит только в целях репарации ДНК, которая в старческом возрасте в большей степени подвергается расщеплению [80, 81]. В клетках слюнной железы крыс синтез ДНК индуцируется изопротеренолом (изадрином), но лагпериод индукции с возрастом увеличивается, а степень индукции уменьшается [4].

Исследования, выполненные in vitro на клетках фибробластов в культуре, показали, что с уменьшением способности клеток к делению и с увеличением продолжительности клеточного цикла в поздних пассажах (фаза III) активность ДНК-полимеразы уменьшается [360]. Кроме того, в таких клетках наблюдается уменьшение количества репараций ДНК [233].

Резюме

Вся информация в организме заключена в ДНК, которая в комплексе с гистонами и НГБ образует генетический аппарат клетки, называемый хроматином. Гистоны представляют собой основные белки с малой молекулярной массой, богатые лизиновыми и (или) аргининовыми остатками, сконцентрированными в NH₂– и COOH-концевых участках. Их структура в ходе эволюции оставалась неизменной. Почти все ткани содержат одни и те же типы и количества гистонов, которые не изменяются на протяжении всей жизни. Имеется пять основных типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Их гены в хромосоме повторяются несколько раз и сцеплены. Гистоны синтезируются в цитоплазме в течение S-фазы и затем переходят в ядро. Будучи основными, они связываются с ДНК. Гистоны необходимы для структурной организации хроматина. Основная структура хроматина представляет собой цепочку нуклеосом диаметром ~10 нм. Нуклеосомы имеют внутреннюю сердцевину, состоящую из октамера, включающего по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, вокруг которого "обернута" ДНК. Гистон Н1 связан с межнуклеосомной ДНК, соединяющей две нуклеосомы, и участвует в создании структуры хроматина более высокого порядка.

НГБ чрезвычайно разнородны, их насчитывают несколько сотен. Эти белки богаты кислыми аминокислотами и обладают видо- и тканеспецифичностью. Метаболически более активные ткани содержат больше типов и большие количества НГБ. Они синтезируются в течение всего клеточного цикла. НГБ участвуют как в структурной организации хроматина, так и в положительной регуляции экспрессии генов.

И гистоны, и НГБ подвергаются различным постсинтетическим модификациям — фосфорилированию, ацетилированию, ADPрибозилированию и метилированию. Если первые три модификации уменьшают положительный заряд гистонов и вызывают их отделение от ДНК, то метилирование усиливает их связывание с ДНК. Эти модификации происходят в определенных гистонах на специфических фазах клеточного цикла и развития организма. Они могут изменять структурную организацию хроматина и его матричную активность. Фосфорилирование относится к процессам, связанным с делением клетки, а ацетилирование — к процессам, связанным с транскрипцией. Метилирование и ADPрибозилирование, по-видимому, происходят во время дифференцировки клеток. Ряд эндогенных эффекторов, таких, как гормоны и ионы металлов, модулируют эти модификации и таким образом модулируют матричную активность хроматина.

С возрастом в хроматине происходят структурные изменения. Его температура плавления (T_m) увеличивается, а экстрагируемость хромосомных белков уменьшается, что указывает на более сильное связывание белков с ДНК. Кроме того, уменьшается степень ковалентных модификаций белков, а также модулирующее влияние эффекторов на эти модификации. Причиной подобных изменений могут быть конформационные изменения, имеющие место в старости. Вследствие этих изменений в некоторых тканях с возрастом трансляционная активность хроматина уменьшается. Эти данные показывают, что структурные изменения хроматина, особенно в постмитотических тканях, в которых он не обновляется, приводят к снижению его матричной активности, а также его реакции на модуляторы. Это может вызывать постепенное ухудшение различных функций организма и вести к старению.

Литература

_{1. Aberchrombie B. D., Kneale G. G., Crane-Robinson C., Bradbury E. M., Goodwin G. H., Walker J. M., Johns E. W. Eur. J. Biochem., 84, 173–177 (1978).}

_{2. Absolom D., Regenmortel M. H. V. FEBS Lett., 85, 61–64 (1978).}

_{3. Adamson E. D., Woodland H. R. J. molec. Biol., 88, 263–285 (1974).}

_{4. Adelman R. C., Stein G., Roth G. S., Englander D. Mech. Age. Dev., 1, 49 59 (1972).}

_{5. Adesnik M., Darnell J. E. J. molec. Biol., 67, 397–406 (1972).}

_{6. Adler A. J., Fashman G. D., Wangh W., Allfrey V. G. J. biol Chem., 249, 29Ц 2914 (1974).}

_{7. Adolph K. W., Cheng S. M., Laemmli U. K. Cell, 12, 805–816 (1977).}

_{8. Adolph K. W., Paulson J. R., Laemmli U. K. Cell, 12, 817–828 (1977).}

_{9. Allfrey V. G. In: Regulatory Mechanisms for Protein Synthesis in Mammalian Cells (A. San Pietro, M. R. Lamborg and F. T. Kenney, Eds.), Vol. II, 65-100, Academic Press, New York and London (1965).}

_{10. Allfrey V. G. Can. Res., 26, 2026–2040 (1966).}

_{11. Allfrey V. G. Fed. Proc, 29, 1447–1460 (1970).}

_{12. Allfrey V. G. In: Histones and Nucleohistones (Phillips D. M. P., Ed.), pp. 241–294, Plenum Press, New York (1971).}

_{13. Allfrey V. G., Faulkner R., Mirsky A. E. Proc. nat. Acad. Sci. (USA), 51, 786–794 (1964).}

_{14. Allfrey V. G. Shelton K. Nature, 228, 132–134 (1970).}