Биохимия старения
Шрифт:
Накопление ошибок в ферментах, ответственных за метаболизм, может и не привести к повреждениям, так как эти ферменты имеют короткий период полужизни, вскоре деградируют и ошибка ликвидируется. Если, однако, ошибка появляется в молекуле РНК-полимеразы или аминоацил-тРНК — синтетазы, то это может быть причиной включения неправильных аминокислот во все виды белков, которые синтезирует клетка. Тогда уровень дефектных белков будет экспоненциально нарастать. Например, дефектная РНК-полимераза может способствовать появлению нескольких ошибочных нуклеотидов в мРНК различных типов, из-за чего могут появиться изменения в кодонах. Дефектная аминоацил-тРНК — синтетаза может нагрузить тРНК ошибочной аминокислотой, которая включится в белок вместо другой аминокислоты. Теория ошибок основана на предположении, что механизм передачи информации может повреждаться. Другими словами надежность, или точность, этого механизма не абсолютны и ошибки, однажды возникшие в ферментах белкового синтеза, могут распространяться.
Позже Оргел [89] модифицировал свою теорию и постулировал, что, даже если точность механизма синтеза белка не абсолютна и допускает появление ошибок, такие ошибки не обязательно накапливаются, так как последующие генерации белоксинтезирующего
Cn+ 1 = R + Cn.
Если C0= 0, то Cn= R(1 + + 2 +… n-1); если а > 1, то С постепенно увеличивается; если а >> 1, то частота ошибки увеличивается по экспоненте и вызывает "катастрофу ошибок".
Однако а может не быть больше 1, и тогда "катастрофа ошибок" не будет неизбежной. В таких случаях достигается постоянная частота ошибки, равная R/(1-) [90]. Возможны две различные ситуации. Предположим, что первая генерация белоксинтезирующего аппарата, который продуцирует аминоацил-тРНК — синтетазу, рибосомные белки и т. д., не допускает ошибок. Так как точность работы аппарата не абсолютна, вторая генерация может допускать несколько ошибок, третья — еще больше и т. д. В ходе этого процесса может возникнуть одна из двух ситуаций: 1) частота ошибок рано или поздно достигнет такого высокого уровня, что клетки не смогут дальше функционировать, произойдет "катастрофа ошибок"; 2) частота ошибок может приблизиться к постоянному положительному значению или достичь равновесного уровня, при котором нельзя будет обнаружить феномен старения. Оргел [90] считает, что клетки могут создавать белоксинтезирующий аппарат, допускающий меньше число ошибок, из аппарата с более высоким уровнем ошибок; они делают это с помощью ферментов, которые убирают ошибочные белки [36], в результате чего происходит стабилизация малой частоты ошибки.
Ряд исследователей провели эксперименты с целью проверить теорию ошибок. Принц и Гросс [95] нашли, что мутант leu-5 Neurospora синтезирует термочувствительный лейцин-активирующий фермент, который при высокой температуре замещает Leu другими аминокислотами в период трансляции. При низкой температуре синтез белка протекает более или менее нормально и Neurospora имеет обычную продолжительность жизни. Однако при повышенной температуре (35 °C) мутант раньше подвергается старению. Левис и Холлидей [70] сообщили, что точность синтеза белка снижается, когда этот мутант содержится при 37 °C вместо 25. Впрочем, частота ошибок вскоре стабилизируется и остается постоянной значительное время. Однако клетки начинают стареть примерно после 70 ч. Авторы представили данные о том, что при 37 °C быстро снижаются термолабильность и удельная активность глутаматдегидрогеназы этого гриба.
Ошибки в синтезе белка могут также возникать вследствие соматических мутаций или наоборот. Поэтому эти два механизма трудно отличить один от другого. Например, ошибки в белоксинтезирующем аппарате могут привести к изменению структуры ДНК-полимер азы, которая в свою очередь может способствовать возникновению ошибок или мутаций в ДНК путем введения неправильных нуклеотидов при репликации [49].
Если накопление ошибок является причиной старения клеток, то необходимо ответить на ряд вопросов. Например, вопрос, который поставил сам Оргел [90], заключается в следующем: почему ошибки не накапливаются в клетках зародышевого пути? Если бы они там накапливались, то виды вымерли бы. Оргел предполагает, что процессы "контроля качества" могут действовать в период оогенеза и раннего развития и приводить к элиминации яйцеклеток или эмбрионов с высоким уровнем ошибок, как это происходит с яйцеклетками человека в пожилом возрасте. Другой вопрос состоит в том, как и почему такой механизм "контроля качества", если он существует, прекращает функционировать после завершения развития? Более того, если возникновение ошибок есть причина старения, прекращения деления клеток и их смерти, то отсюда следует, что трансформированные или опухолевые клетки не должны содержать ошибок. Маловероятно, чтобы репликация ДНК и синтез белка протекали в трансформированных клетках, с абсолютной точностью. Если при трансформации надежность увеличивается, то как это осуществляется?
Старение клеток in vitro рассматривали под другим углом зрения. Культивируемые клетки человека имеют ограниченный потенциал удвоения популяции, тем не менее иногда в культуре появляются клетки, которые делятся неопределенно долго. Кирквуд и Холлидей [68], Холлидей и др. [48] и Кирквуд [67] полагают, что клетки в культуре потенциально бессмертны, но в процессе роста культуры возникают определенные клетки, которые необратимо коммитированы к старению и смерти. Эти клетки какое-то время нормально размножаются, но после "инкубационного периода" М (который определяется числом делений между коммитированием и смертью) они стареют и погибают. Некоммитированные клетки продолжают делиться.
Предполагается, что клеточная популяция первоначально не коммитирована и может расти без ограничения, удваивая свой объем с каждым следующим делением до тех пор, пока при (М+1) — м делении не появятся погибшие клетки из числа первых коммитированных, которые уже достигли конца инкубационного периода. Тогда рост популяции замедляется и в дальнейшем зависит от значения фактора вероятности Р.
Если вероятность коммутирования и инкубационный период достаточно велики (Р>0,5), то число некоммитированных клеток в популяции прогрессивно снижается до 1 на 106 клеток, в итоге клетки погибают и выбывают из популяции. К этому времени все оставшиеся клетки коммитированы к старению, отчего популяция и становится смертной. Если вероятность коммитирований мала (Р<0,5) или продолжительность инкубационного периода невелика, то популяция может перейти в состояние устойчивого равновесия, при котором в ней будут находиться в постоянных соотношениях небольшая часть некоммитированных клеток, большое количество коммитированных и постоянная доля нежизнеспособных клеток. Размер клеточной популяции, таким образом, прямо связан с вероятностью потери последних некоммитированных клеток в культуре. Однако при обычной методике культивирования размер культуры ограничен и избыток клеток отбрасывается; если объем культуры не очень велик, то некоммитированные клетки теряются при "разведении". Обычно культуры содержат 106– 107 клеток. Экспериментальные данные показывают, что если Р0,275, то М55-60. В зависимости от величин Р, М и числа клеток культуры либо растут непрерывно с постоянным уровнем коммитированных, некоммитированных и отживающих клеток, либо стареют и погибают. В связи с изложенным возникает ряд вопросов. Почему клетки становятся коммитированными и прекращают деление? Что влияет на этот процесс — геном или цитоплазм этические факторы? Иногда действительно в культуре находят фибробласты, которые делятся непрерывно, но они, как правило, отличаются от нормальных клеток необычным числом хромосом. Коммитирование клеток перед дифференцировкой происходит в раннем периоде развития, в результате чего некоторые клетки становятся неделящимися, т. е. постмитотическими. Это относится к нейронам, клеткам скелетной и сердечной мышц, которые синтезируют определенные белки и выполняют специфические функции. Вместе с тем некоторые клетки продолжают делиться на протяжении всей жизни, например клетки костного мозга и эпителия. Клетки того и другого типа, таким образом, являются коммитированными; как полагают, коммитирование возникает в результате дифференциальной экспрессии генов, что зависит от расположения клеток, а также от вне- и внутриклеточных факторов. Холлидей и др. [48] и Кирквуд [67] не объясняют, по какой причине клетки коммитируются к старению.
Кирквуд [67] предположил, что коммитирование соматических клеток в культуре может быть вызвано накоплением ошибок, так как этот процесс хуже регулируется вне организма. Он утверждает, что ошибки внутренне присущи всем процессам передачи макромолекулярной информации: "Для того, чтобы поддерживать дальнейшие эволюционные изменения и таким образом увеличивать возможность максимального выживания, любой организм должен совершать случайные ошибки кодирования". Создается впечатление, что организм знает, что он должен эволюционировать, и поэтому делает ошибки. Этот взгляд близок к идеям Вейсмана, которые были дискредитированы. Знает ли организм, где и когда делать ошибки, чтобы эволюционировать? Правда, если точность системы переноса информации была бы абсолютной, то, вероятно не было бы эволюции. Хоффман [47] сообщил, что механизм трансляции исключает ошибки, и, следовательно, "катастрофа ошибок" здесь невозможна. Кирквуд и Холлидей [68] указывают на нереальность такой точки зрения; они предполагают, что белоксинтезирующий аппарат может стабильно работать, даже: если он ошибается. Если обозначить общий уровень ошибок буквой R, то при малых значениях этой величины процесс накопления ошибок достигает стационарного состояния, а при больших R приводит к "катастрофе ошибок". Кирквуд и Холлидей считают, что эти явления лежат в основе эволюции. Мартин и др. [80] предположили, что in vivo клетки сохраняют способность к делению даже в старом возрасте. Средняя продолжительность жизни культуры (число удвоений популяции) составляет ~ (42-0,2 X), где X — возраст донора. Следовательно, клетки даже 90-100-летнего индивидуума способны к 20–25 удвоениям популяции. Кирквуд [67] считает, что, как только клетки в культуре становятся коммитированными, размер популяции резко падает. Сходное положение может возникнуть in vivo, в результате чего орган теряет клетки, а следовательно, и активность. Это может быть обусловлено переходом белоксинтезирующего аппарата от стабильного состояния к нестабильному и появлением ошибок в белках.
По предположению Хопфилда [60] можно избежать ошибок репликации путем затраты дополнительной энергии на тщательное считывание информации или на разрушение дефектных макромолекул. "Ферменты-чистильщики" могут удалять ошибочные белки. Точность синтеза в клетках зародышевого пути, необходимая для сохранения наследственной информации, для соматических клеток не столь существенна. Если в соматических клетках будет поддерживаться большая точность синтеза, то затраты энергии будут слишком велики. Кирквуд [67] предположил, что старение может быть следствием выключения механизмов, ответственных за высокую точность работы аппарата трансляции до или во время дифференцировки соматических клеток; этим достигается экономия энергии. Таким образом, соматические клетки функционируют в нестабильном режиме, происходит постепенное нарастание числа ошибок, что приводит через некоторое время к старению и "катастрофе ошибок". Однако известно, что отмирают и эмбриональные клетки (гл. 1). Почему именно эти, а не другие клетки коммитируют к старению на такой ранней стадии, почему возникают ошибки и что регулирует их уровень? Приведенные доводы не объясняют различий между клетками разных типов, такими, как нейроны и мышечные клетки, которые полностью прекращают деление, или клетки печени, которые постоянно медленно пролиферируют, или эпителиальные и кроветворные клетки, которые интенсивно делятся в течение (Всей жизни. Кроме того, связь между старением клеток in vitro и старением всего организма сомнительна, было показано, что фибробласты цыплят и человека имеют ограниченную продолжительность жизни, в то же время фибробласты быка, кролика, хомяка, крысы и мыши обладают неограниченной способностью к делению, хотя если потенциал удвоения популяции имеет какое-нибудь отношение к продолжительности жизни, можно было ожидать, что у этих клеток он должен быть меньше.
Ряд экспериментальных данных противоречит возможности появления ошибок в белках в таких количествах, которые могли бы вызвать старение или "катастрофу ошибок". Канунго и Ганди [59] сравнивали малатдегидрогеназу печени молодых и старых крыс иммунологическими методами. Они не обнаружили возрастных различий в свойствах ферментов. Следовательно, ген малатдегидрогеназы не подвергается с возрастом никаким структурным изменениям. Кинетические, электрофоретические и иммунологические исследования ацетилхолинэстеразы головного мозга [84] и аланинаминотрансферазы печени [93] также показали отсутствие явных возрастных различий. В дальнейшем это заключение подтвердилось тем, что карты триптических гидролизатов актина и миозина скелетной мышцы молодых, взрослых и старых (8, 21 и 84 нед) крыс оказались одинаковыми [117]. Очевидно, первичная структура ферментов при старении не изменяется.