Биохимия старения
Шрифт:
Эта теория основана на предположении, что надежность трансляции в клетках зависит от точности считывания триплетных кодонов в молекуле мРНК. [2, 120, 121]. За точное считывание кодонов ответственны в основном тРНК и аминоацил-тРНК — синтетазы. Для кодирования двадцати аминокислот используется 61 триплетный кодон, причем генетический код является вырожденным, т. е. несколько аминокислот кодируются двумя или большим числом кодонов, которым соответствуют две или более изоакцепторных тРНК. Способность к аминоацилированию у разных изоакцепторных тРНК различна. Поэтому количественные изменения в спектре изоакцепторных тРНК могут влиять на скорость считывания и трансляцию. Используются те триплетные кодоны, для которых имеются в наличии соответствующие аминоацил-тРНК. Известно, что молекулы тРНК подвергаются посттранскрипционным модификациям оснований типа метилирования цитозина. Колебания степени этих модификаций могут влиять на аминоацилирование, а следовательно, и точность считывания кодонов мРНК во время трансляции.
Аминоацил-тРНК — синтетазы также играют большую роль в трансляции, так как они распознают соответствующие тРНК и нагружают их специфическими аминокислотами. Они существуют в виде изоферментов. Изменения их специфичности могут привести к неточному аминоацилированию тРНК, неправильному считыванию кодонов и включению неподходящих аминокислот, т. е. синтезу ошибочных белков. Таким образом, точность трансляции является ключевым фактором для сохранения нормальной активности клеток и нормального функционирования организма. Согласно рассматриваемой теории, после достижения половой зрелости может происходить потеря точности трансляции вследствие изменения тРНК и аминоацил-тРНК — синтетаз, что и является причиной старения.
Изменения изоакцепторных тРНК и аминоацил-тРНК — синтетаз возникают как при развитии, так и при старении. Семядоля сои полностью стареет за 21 день. Она содержит 6 изоакцепторных тРНК для Leu и 3 — для Tyr. Доля двух из этих шести тРНКLeu увеличивается между вторым и пятнадцатым днями. Содержание одной из изоакцепторных тРНКTyr снижается в течение 15 дней, тогда как количество другой в этот период увеличивается. Одновременно изменяется активность лейцил-тРНК — синтетаз; через 21 день активность синтетазы по отношению к изоакцепторным тРНК 1–4 резко снижается, но скорость ацилирования изоакцепторных тРНК 5 и. 6 остается высокой.
Количественные изменения изоакцепторных тРНКArg и тРНКTyr происходят во время старения свободноживущей нематоды Turbatrix aceti [101]. Айлен и др. [53] наблюдали изменения тРНКTyr и тРНКLeu и соответствующих синтетаз в период развития насекомого Tenebrio molitor. Исследования Хосбаха и Кабли [51] показали, что тРНК, выделенные из 35-дневной Drosophila melanogaster, аминоацилируются хуже, чем тРНК, выделенные из, 5-дневных насекомых. Кроме того, аминоацилирующая активность некоторых синтетаз старых мух составляет только, 50 %. уровня, характерного для молодых особей. По крайней мере одна из изоакцепторных тРНК (для Arg, He, Leu и Lys) хрусталика глаза и мышцы быка в период развития приобретает. 2-3-кратное количественное преимущество [91]. Хроматографические профили тРНКSer и тРНКPhe, выделенных из головного мозга и почки эмбриона кролика, существенно отличаются от профилей соответствующих тРНК из тканей взрослых кроликов.
Печень плода крысы содержит 6 изоакцепторных тРНКTyr, тогда как печень взрослого животного — только при [132]. Мейз и др. [81] обнаружили, что паренхиматозные клетки печени старых крыс содержат быстродеградирующую фракцию тРНК, которая отсутствует у крыс среднего возраста. К тому же тРНК старых крыс аминоацилируется хуже, чем тРНК из тканей животных среднего возраста, что может быть обусловлено различиями в их посттранскрипционных модификациях, особенно при метилировании оснований. При старении изменяется содержание изоакцепторных TPHKLys HTPHKSer. Особое значение имеет увеличение содержания изоакцепторных TPHKLys четвертого типа у старых крыс.
Эндогенные факторы, например гормоны, изменяют профиль тРНК. Профили тРНКSer, тРНКArg и TPHKLys меняются в печени петуха после введения эстрогена [8, 11, 76]. Поскольку содержание гормонов, особенно стероидов, с возрастом меняется (гл. 5), параллельно могут происходить изменения в тРНК, что в свою очередь отражается на синтезе белка.
Существует много данных о том, что профили тРНК и аминоацил-тРНК — синтетаз подвергаются последовательным изменениям во время дифференцировки и развития. В соответствии с рассматриваемой теорией к старению могут приводить изменения в скорости синтеза или репрессии различных изоакцепторных тРНК и (или) аминоацил-тРНК — синтетаз, происходящие по окончании репродуктивного периода. Однако специфические тРНК транскрибируются со специфических генов так же, как и мРНК для специфических синтетаз. Изменение профилей изоакцепторных тРНК напоминает изменение состава изоферментов, наблюдающееся на протяжении всей жизни (гл. 3). Теория ограничения кодона не объясняет, какие факторы, ответственные за изменение экспрессии генов, способны изменить содержание тРНК и синтетаз, или какие факторы, ответственные за посттранскрипционные модификации тРНК, влияют на ее специфичность по отношению к синтетазам. Изменения функциональных молекул этих двух типов в течение жизни аналогичны изменениям изоферментов и, следовательно, также являются вторичными. Итак, данная теория так же, как и все предыдущие, не способна выявить причины старения.
Все эукариоты обладают двумя характерными особенностями: 1) их способность адаптироваться в естественных условиях постепенно снижается после достижения половой зрелости, 2) все представители вида имеют более или менее постоянную, продолжительность жизни (табл. 1.1). Более того, установлена корреляция между длительностью развития и долголетием. Старение нельзя рассматривать как изолированную и независимую фазу жизни; его следует оценивать в совокупности с периодом развития и репродуктивным периодом, так как эти два периода влияют не только на, продолжительность жизни, но и на скорость, длительность и характер процесса старения. В этой связи уместно разобраться в следующих вопросах.
1. Имеется ряд данных, указывающих на то, что раннее, развитие есть результат последовательной активации и репрессии специфических генов.
а) Если обработать личинку Chironomus экдизоном, гормоном линьки, то гены, локализованные в различных хромосомах их слюнных желез, последовательно активируются, что заметно по образованию пуффов [18].
б) Различные цепи гемоглобина, синтез которых контролируется разными генами, при внутриутробном развитии человека образуются последовательно [134]. Гемоглобин 1-2-месячного плода представляет собой молекулы 22. Затем появляется гемоглобин 22, основной гемоглобин плода (foetal, HbF). Гемоглобин взрослых HbA, 22, появляется сразу после рождения. Гены -, -, - и -цепей активируются последовательно один за другим, но ген -цепи остается активным с первого месяца внутриутробного развития до конца жизни. Кроме того, когда активируется ген -цепи, ген -цепи репрессируется, а, репрессия гена -цепи совпадает с активацией гена -цепи во, время рождения. Другой факт, на который следует указать, состоит в том, что эти гены остаются активными в течение разных промежутков времени: — в течение ~2 мес, — в течение ~8 мес и — всю Жизнь начиная с рождения. Факторы, ответственные за последовательное включение этих генов, неизвестны. Предполагают, что важную роль в этом процессе; играет уровень кислорода, поступающего к плоду в матке.
в) В период раннего развития морского ежа Lutechinus гистон Н1 одного типа (H1m) вырабатывается на стадии. морулы. Затем на стадии гаструлы образуется гистон другого типа, Hlg [4, 107]. Набор белков в тканях личинки Drosophila melanogaster меняется по мере ее развития [5]. Это указывает на последовательное изменение активности соответствующих генов. Все ткани личинки имеют некоторые общие белки, но каждая немногими белками все же отличается от другой.
г) Изоферменты лактатдегидрогеназы не только тканеспецифичны, они изменяются также во время развития [77, 78]. Было обнаружено [62, 115], что доля лактатдегидрогеназы М4 в сердце, головном мозгу и скелетной мышце старых (96 нед) крыс значительно снижена. Поскольку две субъединицы лактатдегидрогеназы, Н и М, кодируются разными генами, полученные данные говорят о том, что в старом возрасте ген для субъединицы М почему-то репрессируется. Аланинаминотрансфераза представляет собой димер, состоящий из субъединиц двух типов, А и В. Исследования аланинаминотрансферазы печени крыс показали, что ген А активен в раннем периоде жизни. При старении крыс ген А репрессируется, а ген В активируется, так что в старческом возрасте (100 нед) димерный фермент образуют только субъединицы В [60, 93]. Для глюкозофосфатизомеразы и алкогольдегидрогеназы дрозофилы с возрастом также наблюдается постепенное изменение изоферментных спектров (гл. 3). Полученные результаты указывают на то, что последовательная активация и репрессия генов происходит не только в период развития, но и на протяжении всей жизни.