Биохимия старения

Канунго М. С.

2. В ряде работ было показано, что возрастные изменения ферментов обратимы, с возрастом активность одних ферментов снижается, других — повышается. Некоторые ферменты не подвержены возрастным изменениям (гл. 3). Уровни определенных ферментов, которые снижаются в пожилом возрасте, можно повысить введением стероидных гормонов, например холин-ацетилтрансферазы и ацетилхолинэстеразы головного мозга [54], пируваткиназы ткани сердца [15], тирозинаминотрансферазы [97] и аланинаминотрансферазы печени [92] крыс. Лаг-фаза индукции некоторых ферментов гормонами с возрастом увеличивается [1]. Это отражает уменьшение числа рецепторов или их сродства к гормонам [61]. Вместе с тем изменения в хроматине могут привести к ослаблению его связывания с комплексом гормон — рецептор, следствием чего будет ухудшение ответа на гормоны. В общем, однако, содержание некоторых ферментов можно изменить введением стероидных гормонов in vivo. Поскольку действие этих гормонов опосредовано экспрессией генов, результаты этих работ показывают, что те изменения, которые связаны с перестройкой функции генома, являются обратимыми.

3. а) Для того чтобы выяснить, изменяется ли с возрастом первичная структура белков, были изучены некоторые ферменты у молодых и старых животных. Замещение любой аминокислоты в белке указывало бы на изменение кодона соответствующего гена или на появление ошибок во время транскрипции/трансляции. Кинетические и иммунологические исследования малатдегидрогеназы [59], аргиназы [96], ацетилхолинэстеразы [84] и цитоплазматической аланинаминотрансферазы [93], выполненные Канунго и сотр., показали, что первичная структура этих ферментов у старых крыс, по-видимому, такая же, как у молодых. Сривастава [117] провел триптическое картирование актина и миозина скелетных мышц молодых, взрослых и старых крыс и никаких различий не обнаружил.

б) Работы Гершона и его сотрудников [30, 98, 99, 133] и Ротстайна и его сотрудников [106, 111] показали, что величины К_м, K_i, электрофоретическая подвижность и положение при изоэлектрофокусировании различных ферментов нематоды Turbatrix aceti и крыс с возрастом не меняются. Снижение удельной активности и увеличение термолабильности ферментов в старом возрасте, по-видимому, обусловлено незначительными посттрансляционными изменениями боковых групп аминокислот, но не замещениями аминокислот. Хотя определение первичной структуры белков молодых и старых животных является лучшим способом для выяснения, остаются ли последовательности аминокислот специфических белков одинаковыми в течение всей жизни, этот способ вызывает некоторые возражения. Поскольку очистка любого фермента включает этапы, на которых происходит разделение молекул белка по ряду свойств, может происходить элиминация любого измененного белка. Поэтому обычно выделяют только те белки, которые имеют одинаковую первичную структуру. Однако современный уровень знаний позволяет утверждать, что первичная структура белков и, следовательно, последовательность нуклеотидов в соответствующих генах с возрастом не меняются.

Почему же тогда изменяется с возрастом содержание ферментов, кодируемых специфическими генами? Эти изменения, ответственные за перестройку различных функций, отмечаются на протяжении всей жизни. Если структура генов не зависит от возраста, то содержание ферментов может изменяться в результате функционирования или экспрессии генов, трансляции или обмена ферментов. Транскрипция и период экспрессии генов — наиболее ранние стадии синтеза белка, нарушение которых может быть причиной изменения уровня ферментов. Гены образуют комплексы с белками двух видов, гистонами и негистоновыми хромосомными белками (НГБ), которые могут влиять на их экспрессию. Гистоны — это основные, неспецифические белки, обладающие общим репрессивным действием на функцию гена. Они подвержены различным модификациям типа фосфорилирования, ацетилирования, метилирования и ADPрибозилирования которые в разной степени влияют на их ассоциацию с ДНК. Кроме того, степень подобных модификаций снижается не только с возрастом, но и после транскрипции [64–66].

НГБ гетерогенны и участвуют в тонкой регуляции экспрессии генов. Они также подвергаются ковалентным изменениями которые модулируются эффекторами типа эстрадиола и кальция [64]. НГБ принимают участие в транскрипции (гл. 2).

Ковалентные изменения хромосомных белков и их модуляция эндогенными эффекторами могут быть главной причиной, изменения экспрессии гена; они индуцируются в различные периоды жизни, вызывая изменения уровней продуктов генов, в. том числе ферментов, и побочных продуктов, таких, как гормоны и метаболиты (гл. 2). Последовательные появления и исчезновения белков во время дифференцировки проста являются показателем подобных изменений экспрессии гена. Как предположили Каплан и Ордал [12], на самой ранней стадий развития экспрессируется большинство генов, а по завершении развития все большее число генов становится необратимо репрессированным, что приводит к появлению клеток различных типов. Полагают, что это происходит под действием внутри- и межклеточных модуляторов. Бенкс и Мехеффи [7] предположили, что за дифференцировку ответственна сходная цикличная репрессия генов. В обоих случаях уровни модуляторов являются критическими для репрессии некоторых генов в одних, но не в других клетках. Так образуются дифференцированные клетку.

Возникает вопрос, каким образом после прохождения стадии дифференцировки и по достижении организмом способности к воспроизведению изменяется функциональное состояние генома, что приводит к снижению репродуктивной активности и началу старения. В 1970 г. Канунго [56] предложил генно-регуляторную теорию и в 1975 г. он [57] разработал ее в виде модели, которая объясняет два характерных признака старения: а) снижение функциональной активности и б) фиксированную продолжительность жизни представителей одного вида.

Нарушение функций после достижения половой зрелости

В соответствии с моделью старение [57, 58] может развиваться в результате изменения экспрессии генов после достижения половой зрелости. Как видно из схемы (рис. 9.6), дифференцировка и рост сопровождаются последовательной активацией и репрессией определенных уникальных генов, функционирующих только в этих фазах. Основные и побочные продукты генов, ответственные за дифференцировку и рост, достигают критического содержания и стимулируют другие уникальные гены, продукты которых, например половые стероидные гормоны, обусловливают переход к репродуктивному периоду. Репродуктивная способность жизненно необходима для сохранения и эволюции вида. Некоторые генные продукты, образующиеся в репродуктивной фазе, в свою очередь подавляют функцию генов роста и дифференцировки, в связи с чем дальнейший рост организма прекращается у большинства животных после короткого периода размножения. Вопрос состоит в том, почему репродуктивный период не продолжается беспредельно.

Рис. 9.6. Модель старения с некоторыми изменениями по Канунго [57]. Верхняя часть — условное изображение различных периодов жизни: развития, репродуктивного периода и старения. Нижняя часть — схема последовательной активации и репрессии генов; для большей ясности Число активных генов на рисунке сведено к минимуму, а постоянно репрессированные гены вообще не показаны. Период развития и репродуктивный период зависят от уникальных генов А-F и G-L соответственно. Согласно этой модели, никаких специфических генов старения не существует. Развитие начинается в результате последовательной активации генов А-F, продукт гена. А включает ген В и т. д. Некоторые гены поздней фазы развития Е и F включают уникальные гены G и H, функционирующие в раннем репродуктивном периоде. Эти гены в свою очередь последовательно включают другие гены репродуктивного периода. Организм достигает половой зрелости, когда образуется необходимое количество генных продуктов. При непрерывном размножении может происходить потеря определенных факторов, необходимых для сохранения активности некоторых важных генов. Выключение этих генов может привести к нарушению определенных функций. При непрерывном размножении могут также накапливаться выше критического уровня другие продукты (факторы), в результате чего будут активироваться нежелательные гены М и N, продукты которых могут быть причиной аутоиммунных заболеваний. Таким образом, снижение физиологических функций, наблюдаемое после некоторого периода размножения, может зависеть от дестабилизации работы генов в репродуктивном периоде

Репродуктивная способность организма наиболее высока вскоре после достижения половой зрелости. Однако при репродукции определенные факторы могут утрачиваться и, будучи утраченными, уже не возмещаются. А между тем эти факторы могут быть исключительно важны для поддержания определенных генов в состоянии экспрессии или репрессии, тогда как другие факторы в процессе репродукции могут накапливаться, что не только влияет на экспрессию определенных генов, но может приводить к активации некоторых нежелательных генов, например генов вирусов, которые обычно остаются репрессированными. В результате всех этих событий может произойти дестабилизация тех уникальных генов, от функционирования которых зависит репродуктивная способность. Иными словами, в репродуктивном периоде нарушается гомеостатический контроль. Происходит постепенное снижение плодовитости, что отчетливо регистрируется вскоре после достижения половой зрелости.

В соответствии с этой моделью, если организм обладает механизмом, при помощи которого он способен возместить утрату факторов, вызываемую длительной репродукцией, или предотвратить накопление нежелательных факторов выше критического уровня, его репродуктивный период и продолжительность жизни будут длиннее. И действительно, данные по продолжительности жизни млекопитающих указывают на существование такого механизма, так как у них в процессе эволюции происходило постепенное увеличение продолжительности жизни, особенно репродуктивного периода [23]. Причиной этого явления могли быть мутации генов, ответственных за данный период, которые, вероятно, в процессе эволюции подверглись отбору. Уменьшение репродуктивной способности и других функциональных показателей организма является следствием незавершенности этого процесса. Однако ограниченность репродуктивного периода косвенно благоприятствует видам, так как быстрая смена поколений способствует эволюции. Таким образом, короткий репродуктивный период и ограниченная продолжительность жизни были благотворными для видообразования.