Молекулярные механизмы старения

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ  МЕХАНИЗМЫ СТАРЕНИЯ

  Метилирование ДНК и старение   

Многие вещи непонятны  нам не потому, что 

наши понятия слабы, но потому, что  эти 

вещи не входят в круг наших понятий.

Козьма Прутков. Плоды раздумья

Молекулярные события, определяющие транскрипцию, имеют решающий интерес для геронтологов, поскольку регуляция экспрессии генов коренным образом влияет на старение и старческие изменения. Факторы, влияющие на экспрессию гена, но не прямо вызывающие изменения в генетическом коде, могут играть роль в старении. Одним из них является метилирование ДНК (Catania, Fairweather, 1991; Richardson, 2003). До 5% всех остатков цитозина в ДНК млекопитающих метилировано по 5' позиции с образованием 5-метилцитозина (5мЦ). Это единственное постоянно модифицированное основание в ДНК высших эукариот. Метилирование происходит в обеих нитях ДНК симметрично, и остатки 5мЦ всегда фланкируются остатками гуанина со стороны З'-конца. Метилированные остатки цитозина выполняют различные функции, но что еще более важно, метилирование ДНК вовлечено в регуляцию активности генов. Изменения в метилировании, в частности деметилирование динуклеотидов у позвоночных, связано с изменением уровня транскрипции (Mays-Hoopes, 1989). Возрастное деметилирование ДНК было впервые описано в 1973 г. Б. Ф. Ванюшиным и соавт. (Vanyushin et al., 1973). При этом была обнаружена разница в степени деметилирования в тканях крыс - в ткани мозга оно преобладало над тканью печени. В дальнейшем было обнаружено возрастное снижение 5мЦ в легких и культурах фибробластов кожи, для последних была показана связь деметипирования со снижением возможности к росту в культуре (Wilson, Jones, 1983). Было высказано предположение о том, что возрастное деметилирование предрасполагает клетки к опухолевой трансформации.

В табл. 11 суммированы сведения о генах человека, возрастные нарушения функции которых обусловлены гиперметилиронанием (Yuasa et al., 2002). Аберрантные участки метилирования ДНК размером от 0.5 до нескольких тысяч пар оснований являются существенным механизмом инактивации активности генов и часто наблюдается при раке. Эти участки располагаются вблизи генов, часто они обнаруживаются около промоторных областей широко экспрессирующихся генов. Возрастное гиперметилирование наблюдали в нормальной слизистой оболочке толстой кишки и в ряде других органов, причем хронические воспалительные процессы, например хронический язвенный колит или инфицирование Helicobacter pylori, ассоциированы с избыточным метилированием (Yuasa et al., 2002). Отмечают, что возрастное метилирование увеличивается с возрастом линейно, хотя степень его нарастания может варьировать. Метилирование таких генов репарации ДНК, как hMLH1, MGMT и GSTP1, приводя к их инактивации, может способствовать возрастному накоплению мутаций и, возможно, к ускоренному старению и увеличению риска развития рака.

Гликозилирование белков и ДНК

Нуклеиновые кислоты и белки  могут быть модифицированы с помощью добавления сахаров к их свободным аминогруппам, что ведет к структурной и функциональной перестройке молекул. Интерес к реакции между глюкозой и белками, известной как реакция Мейяра (Maillard), значительно вырос после того, как стало очевидно, что глюкоза способна ковалентно, без участия ферментов, модифицировать белки в условиях in vivo (Кудинов, 1994). Процесс неферментативного гликозилирования включает несколько этапов: связывание глюкозы со свободными аминогруппами с образованием оснований Шиффа, с последующим их превращением в более стабильные продукты Амадори и затем в конечные продукты глубокого гликозилирования (AGE - advanced glycosylation endproducts). Конечные продукты реакции Мейяра труднорастворимы, устойчивы к протеолитическому расщеплению, весьма активны химически и способны образовывать внутримолекулярные сшивки (например, в коллагене), ковалентно связывать белки, которые вследствие своего быстрого обновления (например, ЛПНП, IgG), а также некоторые другие вещества, имеющие свободные аминогруппы (ДНК, некоторые липиды), химически инактивировать окись азота (NO) (Кудинов, 1994).

Была выявлена группа мембранных белков, принадлежащих к суперсемейству иммуноглобулинов, которые выполняют функцию рецепторов для глубоко гликозилированных молекул. AGE-peцепторы обнаружены на фибробластах, Т-лимфоцитах, в почках (мезангиальные клетки), в стенке сосудов (эндотелий и гладкомышечные клетки), в мозге, а также в печени и селезенке, где они выявляются в наибольшем количестве, то есть в тканях, богатых макрофагами. В макрофагах происходит наиболее интенсивное разрушение продуктов реакции Мейяра, при этом происходят активация эндоцитоза и синтез многих регуляторных молекул, в частности инсулинподобного фактора роста (IGF-1) и тромбоцитарныи фактор роста (PDGF), являющихся стимуляторами деления фибробластов, гладкомышечных и мезангиальных клеток (Vlassara et ai., 1994). В табл. 12 приведены сведения об основных процессах, развивающихся при активации рецепторов к конечным продуктам гликозилирования.

Неэнзиматическое гликозилирование биологически важных молекул становится все более важной областью в изучении диабета и процесса нормального старения. Такие моносахара, как Д-глюкоза или Д-галактоза, запускают цепь химических событий, продуцирующую метаболиты, способные создавать ковалентные связи внутри белковых молекул и связывать различные белки между собой. В коллагене, содержащем большое количество глюкозы, было обнаружено увеличение количества связей у пожилых и больных диабетом по сравнению с нормальными людьми (Kohn et ai,, 1984). Такое увеличение количества связей в коллагене снижает его эластичность. Это изменение на молекулярном уровне может являться причиной утолщения базальной мембраны, например в мезангиальном матриксе почек, и может приводить к почечной недостаточности при диабете, а также быть причиной возрастного снижения функции почек. Полагают, что этот механизм играет роль в сужении артерий, уменьшении сосудистого кровотока и снижении гибкости сухожилий.

Гипергликемия способствует образованию  конечных продуктов гликозилирования и активных форм кислорода (Кудинов, 1994; Facchini et al., 2000). Было установлено, что гипергликемия способствует накоплению делеций в митохондриальной ДНК и других мутаций в клетках мышечной оболочки сосудов. При нелеченном диабете с высоким уровнем глюкозы наблюдаются многие признаки ускоренного старения, такие как нарушенное заживление ран, катаракта, повреждения сосудов и капилляров и повышенный риск развития рака (Dilman, 1994). Накопление маркера AGE пентозидина ускорено при диабете и рассматривается как адекватный маркер старения (Ulrich, Cerami, 200I). Было показано, что в коллагене кожи коротко- и долгоживущих видов животных уровень маркера гликозилирования пентозидина был обратно пропорционален видовой максимальной продолжительности жизни (Sell et ai., 1996). Ключевая роль механизма передачи сигнала инсулина как фактора, определяющего долголетие, убедительно показана на различных моделях беспозвоночных (Clancy et al., 2001; Tatar et al., 2001).

Одним из нескольких эффективных  способов предупреждения старения является снижение калорийности пищи, возможным  механизмом влияния такой диеты  является снижение концентрации глюкозы в крови и уменьшение неэнзиматического присоединения глюкозы к долгоживущим белкам, например к гемоглобину (Masoro, 2000; Ulrich, Cerami, 2001). Снижение концентрации глюкозы приводит к снижению как гликозилирования белков, так и перекисного окисления липидов. Определяющим негативный эффект гликозилирования является не собственно присоединение глюкозы к долгоживущим белкам, а происходящее вследствие этого обусловленное свободными радикалами их окислительное повреждение. Нуклеотиды и ДНК также подвергаются неэнзиматическому гликозилированию, что приводит к мутациям из-за прямого повреждения ДНК и инактивации систем репарации ошибок рекомбинации. Это также вызывает повышенную ломкость хромосом. В настоящее время изучаются подходы к предупреждению влияния гликозилирования на долгоживущие белки с помощью фармакологических и генетических воздействий. Так, использование аминогуанидина может быть полезным в лечении обусловленных возрастом и диабетом осложнений. Показано, что он предупреждает изменение базальной мембраны, атеросклероз и поражение почек при диабете. Длительное введение мышам и крысам антидиабетических бигуанидов приводило к замедлению старения репродуктивной системы, увеличению продолжительности жизни животных (Dilman, Anisimov, 1980; Anisimov, 1987)

  Возраст и частота мутаций   

Все, что может испортиться - портится,

Все, что испортиться  не может - портится тоже.

Эффекты Чизхояма

Среди современных теорий старения, основанных на предположении, что ДНК является основной мишенью в клетке, доминирует теория соматических мутаций, согласно которой старение является результатом взаимодействия различных эндогенных и экзогенных повреждающих агентов с генетическим материалом клетки и постепенного накопления случайных мутаций в геноме соматических клеток (Morley, 1995; Vijg, 2000; Розенфельд, 2001). Повреждения ядерной и митохондриальной ДНК соматических клеток, такие как точечные мутации, делеции и транслокации, приводят к активации или инактивации специфических генов, вовлеченных в регуляцию клеточного цикла и контроль роста. В табл. 13 приведены данные об интенсивности эндогенных повреждений ДНК клеток млекопитающих.

Накопление с возрастом таких  мутаций в различных органах  и тканях является основным фактором, определяющим развитие возрастной патологии, включая рак (Bernstein, Bernstein, 199I; Газиев и др., 1994; Vijg, 2000; Vijg, Dolle, 2002). При изучении с помощью FISH-метода хромосомных повреждений (транслокаций и дицентриков) в лимфоцитах доноров и лиц в возрасте от 4 до 85 лет, подвергшихся неконтролируемому облучению в низких дозах за 1- 4 года до исследования, установлено более быстрое увеличение с возрастом стабильных повреждений в хромосомах у облученных людей (Воробцова и др., 1999). Исследование функциональных особенностей хромосом при старении показало, что снижение интенсивности репарации ДНК и повышение частоты мутаций в глубокой старости являются вторичными по отношению к гетерохроматинизации {конденсации эу- и гетерохроматических районов хромосом) (Лежава, 2001).

Представляется весьма существенным вывод о неодинаковой динамике накопления соматических мутаций в различных  органах и тканях. На трансгенных  мышах, несущих шаттл-вектор LacZ, было установлено, что увеличение частоты соматических мутаций в печени происходит равномерно с рождения до глубокой старости, тогда как в головном мозге она нарастает только от рождения до 4-6 месяцев жизни, а затем не изменяется. Перестройки генома постепенно накапливаются в печени до 27-месячного возраста, после чего их число резко увеличивается. В головном мозге геномные перестройки встречаются значительно реже, и с возрастом их частота не увеличивается (Dolle et al., 2000).

В табл. 14 суммированы результаты изучения возрастной динамики мутаций в различных  органах трансгенных мышей различных линий (Оnо et al., 2002). Можно видеть, что частота мутаций увеличивается с возрастом во многих тканях, однако степень этого увеличения существенно варьирует. Наибольшая частота мутаций отмечена в клетках тонкой кишки и мочевого пузыря старых мышей. Важно отметить, что степень возрастного увеличения частоты спонтанных мутаций не коррелирует с пролиферативной активностью тканей. Так, относительно мало мутаций накапливается в коже и яичках, которые содержат быстро пролиферирующие клетки, тогда как в сердце и печени, состоящих из непролиферирующих или мало пролиферирующих клеток, скорость их накопления довольно значительна.

В сердце и тонкой кишке мышей  в молодом возрасте характер и  спектр мутаций практически идентичен  и представлен в основном транзициями ГЦ -> AT и 1-bp делециями, тогда как у старых мышей характер мутаций в этих органах был различен. В тонкой кишке накапливались только точечные мутации, включая ГЦ -> ТА, ГЦ -> ЦГ и AT -> ГЦ трансверсии и ГЦ -> AT транзиции, тогда как в сердце старых мышей около половины всех мутаций было представлено большими геномными перестройками, вовлекающими до 34 сантиморганов хромосомной ДНК Остальные же мутации, аккумулирующиеся в сердце, были представлены транзициями ГЦ -> AT в локусах CpG (Dolle et al., 2000). Наибольшая интенсивность возникновения спонтанных хромосомных повреждений наблюдается в молодом возрасте, а по мере старения темп спонтанного мутагенеза снижается. Интересно, что нокаутные TrpS53-/- мыши, погибающие обычно до возраста 6 месяцев от рака, накапливали мутации в селезенке и в меньшей степени в печени быстрее, чем мыши дикого типа или гетерозиготы (Giese et al., 2002).

Было установлено, что в нормальных тканях человека накапливаются клонально  распространяющиеся мутации митохондриальной ДНК (мтДНК) (Coller et al., 2001; Bodyak et al., 2001; Nekhaeva et al., 2002). Обнаружение делеций мтДНК в мышцах человека, так же как доказательства частичного удвоения мтДНК в тканях пожилых людей (Bodyak et al., 2001), позволяют предполагать важную роль клональной экспансии мутированной мтДНК в возрастном увеличении системного окислительного стресса в целом организме (de Grey, 2000; Khrapko et al., 2003).

Возраст и репарация  ДНК

Одной из причин накопления повреждений  ДНК с возрастом может быть снижение эффективности систем ее репарации. В ряде работ установлена положительная корреляция между продолжительностью жизни вида и скоростью репарации ДНК, поврежденной ультрафиолетовым светом или ионизирующей радиацией (Burkle, 2002). Большой интерес представляют данные о видовых различиях в специфической репарации ДНК, поврежденной алкилирующими агентами, в частности о различиях в скорости удаления из ДНК промутагенного основания О6-метилгуанина. Оказалось, что печень человека примерно в 10 раз быстрее удаляет О6-метилгуанин, чем печень крысы. Значительно быстрее О6-метилгуанин элиминировался также из лимфоцитов и фибробластов человека, чем из аналогичных тканей мыши (Likhachev, 1990). Эти наблюдения позволяют предполагать меньшую чувствительность человека к канцерогенному действию нитрозосоединений.

Другой причиной различий в продолжительности  жизни животных разных видов могли  бы быть различия в толерантности  к молекулярным повреждениям. Ж. А. Медведев (Medvedev, I972) предположил, что повторность генов (множественность копий) может быть важным фактором долголетия, поскольку повреждения уникальных генов более вероятно будут способствовать их суммации и преждевременному старению. Однако R. Cutler (1991) не обнаружил четкой связи между числом повторов генов и долголетием или между избыточностью рибосомальных генов и скоростью старения. Вместе с тем, рассматривая гены, служащие матрицами для синтеза мРНК в мозге человека, коровы и мыши, он нашел, что в среднем избыточность этих генов у человека больше, чем у коровы, а у коровы больше, чем у мыши. Представленные данные позволяют заключить, что у долгоживущих видов механизмы, защищающие генетический аппарат клетки от повреждений, по-видимому, более совершенны, чем у короткоживущих видов.