Чтение онлайн

В то время, когда мы получили первые данные о возрастных изменениях спектров КД, был опубликован ряд работ, в которых было показано, что двуспиральные синтетические полинуклеотиды с определенной последовательностью оснований могут находиться в левоспиральной конфигурации (названной Z-формой), причем спектр КД таких полинуклеотидов оказывается инвертированным (обратным по знаку). Таким образом, к предположению о существовании таких особых форм ДНК разные группы исследователей пришли независимо, исходя из результатов изучения изменений ДНК при старении и анализа физических свойств полинуклеотидов с определенной последовательностью оснований.

Такие последовательности встречаются и в природной ДНК, в частности в ДНК млекопитающих. Вероятно, эти последовательности in vivo со временем также могут переходить в левоспиральные участки, и количество таких участков может возрастать по нескольким причинам. Во-первых, вследствие метилирования оснований, облегчающих переход отдельных участков ДНК из канонической В-конформации в левоспиральную Z-конформацию. Во-вторых, вследствие локального изменения (увеличения) ионной силы в отдельных участках хроматина или накопления в них определенных веществ, также облегчающих такой переход. В-третьих, образованию, а главное "фиксации" изменений конформации определенных участков ДНК in vivo должно способствовать образование в этих участках повреждений первичной структуры, о которых речь шла ранее, а также ковалентных сшивок ДНК — белок и особенно сшивок ДНК — белок-ДНК.

Однако в клетке, вероятно, существуют белки, способные переводить ДНК из левоспиральной в обычную — В-конформацию. И поскольку предполагалось образование левоспиральных участков ДНК после облучения и были основания считать такое образование одним из механизмов повреждающего действия излучения на клетки, то теоретически был получен ответ и на вопрос: в каких именно клетках белки, "репарирующие" левоспиральные участки, нужно искать в первую очередь. Ясно, что в тех, которые очень устойчивы к излучению, в частности, потому, что содержат относительно большое количество "Z-репарирующих белков".

Это предположение было опубликовано в 1981 году, а в конце 1985 года поступило сообщение о том, что в одном из видов бактерий М. Radiodurans, выделенном лет двадцать назад из котлов ядерных реакторов и, следовательно, обладающем исключительно высокой радиоустойчивостью (отсюда и его латинское название), содержатся белки, под влиянием которых ДНК из Z-конформации может возвращаться в обычную В-конформацию.

Раз уж мы коснулись проблемы биологической роли участков ДНК, находящихся в левоспиральной конформации, то отметим, что химические канцерогены также могут индуцировать в B->Z переход. А такие переходы имеют значение в канцерогенезе. Но если это так, то происходящие при старении или после облучения изменения конформации ДНК также могут иметь значение соответственно в спонтанном и радиационном канцерогенезах. Во всяком случае, логичен вопрос: не являются ли B->Z переходы "почвой", подготавливающей развитие рака в пожилом и старческом возрасте? И далее — не обладают ли антиканцерогенными свойствами белки, осуществляющие обратный Z->B переход, т. е. не могут ли они задерживать развитие спонтанного, или химического, или радиационного канцерогенеза? Сформулированные вопросы, как говорится, не только академические: они представляют интерес и в практическом плане. И вполне поддаются исследованию с помощью современных методов, хотя такие исследования должны включать и сложные методики.

Образование "дополнительных" участков ДНК, находящихся в Z-конформации, представляет потенциальную канцерогенную опасность прежде всего потому, что при этом должна нарушиться регуляция функций генома. Имеются данные о роли таких конформации в регуляции активности генов и, возможно, в дифференцировке клетки. А ведь нарушение регуляции генов и состояния дифференцировки клетки многие биологи считают основой канцерогенеза.

Заключение о накоплении при старении клеток участков их ДНК, находящихся в необычных конформациях, не противоречит предположению об их репарируемости. Часть ДНК так плотно упакована в хроматине, что ее измененные участки просто могут быть недоступны для репарирующих ферментов. А если репарирующие ферменты способны находить и репарировать измененные участки ДНК, то по тем или иным причинам осуществляется "залечивание" не всех из них (т. е. могут быть кинетические и термодинамические ограничения).

Именно исходя из этого еще в 1970 году автором была сформулирована концепция о неизбежном ускользании части спонтанных повреждений ДНК от репарации и об их неизбежном накоплении в процессе старения. (Независимо в радиобиологию был введен термин "неполнота репарации", также означающий, что репарация осуществляется не со 100 %-ной эффективностью.)

Переход ДНК из B- в Z-конформацию облегчается при ее метилировании. Поэтому одно из объяснений наших данных о накоплении "Z-ДНК" состояло в том, что в процессе старения возрастает метилируемость отдельных участков. Такое предположение подкреплялось расчетами скорости "непрограммированного" метилирования ДНК, но противоречило сложившемуся мнению о том, что содержание 5-метил-цитозина в ДНК при старении уменьшается (В. Ф. Ванюшин с сотрудниками в МГУ и Г. Д. Бердышев с сотрудниками в КГУ). Однако недавно обнаружено, что содержание 5-метилцитозина в ДНК нематод возрастает при старении. Таким образом, изменения характера метилируемости ДНК с возрастом, вероятно, зависят от вида и, возможно, типа клеток. Ведь органо- и цитоспецифические возрастные молекулярные изменения наблюдали неоднократно, в частности, на уровне мембран. Наверное, такие закономерности существуют и на уровне ДНК.

Итак, мы рассмотрели возрастные нарушения вторичной структуры ДНК и их возможное биологическое значение. А изменяется ли с возрастом структура ДНК на более высоком уровне ее организации? На этот вопрос мы сегодня тоже можем ответить положительно. Во всяком случае, это определенно в отношении третичного уровня — организации ДНК в нуклеосомы.

Нуклеосома представляет собой комплекс гистонов, на который, как на катушку, наматывается ДНК определенной длины — около 150 пар. Затем идет отрезок нуклеосомной ДНК, состоящий из нескольких десятков пар оснований, далее — следующая нуклеосома и т. д.

О том, что структура генетического вещества нарушается и на уровне более высоком, чем третичный, свидетельствуют данные об изменении степени конденсированности хроматина, а также дезорганизация его структур в процессе старения клеток.

Геном млекопитающих состоит из двух отдельных частей — ядерного и митохондриального геномов. До сих пор мы не учитывали это, поскольку речь пока шла о, так сказать, массовых изменениях молекул ДНК. В ядерном геноме содержится несколько миллиардов пар оснований, тогда как в ДНК каждой митохондрии клетки млекопитающих примерно 15 тысяч. Правда, в клетке содержится около тысячи митохондрий. Но даже суммарное количество митохондриальной ДНК (мт ДНК) во много раз меньше ядерной ДНК. Поэтому-то, когда мы обсуждали вопросы биофизической нестабильности ДНК или возрастных изменений ДНК клеток и тканей, не разделенной (нефракционированной) на ядерную и мтДНК, мы для простоты изложения, как правило, "забывали" о "маленькой добавке" к ядерной ДНК. Теперь мы кратко рассмотрим роль этой дополнительной части генома.

Еще в 1973 году автор этой книги, исходя из анализа роли изменений ДНК в старении, сформулировал концепцию о возможности физического взаимодействия и обмена между генетическим веществом ядра и митохондрий. Теперь реальность такого явления и его роль в эволюции можно считать доказанными. Останавливаться на этих сложных, хотя и очень интересных, вопросах здесь мы не будем. Читатели, интересующиеся ими, могут ознакомиться с моей работой в журнале "Успехи современной биологии" (т. 99, в.2, с. 194, 1985) [1] .

Сейчас приведу лишь факты, доказывающие взаимодействие (и физическое и функциональное) между ядерной и мтДНК в процессе старения некоторых клеток. Такие факты интересны еще и тем, что они показывают возможность "запуска" старения по крайней мере некоторых клеток с участием всего лишь одного или нескольких генов. Причем активация таких генов может происходить в результате изменения их положения.

Вот пример. Аскомицет (сумчатый гриб) в культуре обладает ограниченной способностью к вегетативному росту, после завершения которого он отмирает. Период роста у диких линий грибка продолжается обычно около 25 дней. Однако у некоторых грибков, содержащих мутантную ядерную ДНК, рост может быть заторможен с помощью относительно небольших (не летальных) концентраций ингибиторов синтеза мтДНК или ингибиторов синтеза белка в митохондриях. И наоборот, старение молодых грибков можно значительно ускорить, если их "заразить" мтДНК, выделенной из старых грибков.

Уже из анализа этих данных можно сделать заключение о том, что старение грибка связано с изменением его мтДНК, контролируемой ядерной ДНК. Фракция ДНК, ответственная за старение аскомицета ("ДНК старения"), уже идентифицирована. Это плазмида, несущая генетическую информацию, ДНК которой содержит 2,4 тыс. пар оснований и длина которой составляет 0,75 мкм. В молодых клетках такая ДНК содержится (встроена) только в мтДНК, их старение связано с выщеплением ее из мтДНК и автономной репликацией уже в форме плазмиды. У ядерных мутантов — "долгожителей", о которых мы говорили, ядро оказывает сдерживающее влияние на эту плазмиду. И ее высвобождение из митохондриального генома и экспрессия ее генетической информации тормозятся.