Самая главная молекула

Молекулярные биологи уже давно пришли к заключению, что центральное место в жизнедеятельности занимает молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Действительно именно в ДНК записана генетическая информация о всех потенциальных возможностях организма, о программе, по которой эти возможности реализуются в процессе формирования клеток, тканей и органов. Осуществляется это специальными механизмами "переписывания" генетической информации с определенных участков ДНК (генов), кодирующих определенные рибонуклеиновые кислоты (РНК) и соответствующие им белки.

Конечно, в клетках образуется и функционирует множество и других, кроме ДНК, различных молекул, необходимых для жизнедеятельности. Но число молекул каждого типа (например, число молекул глюкозы или той или иной жирной кислоты) очень большое. Число же генов, кодирующих синтез отдельных белков в каждой клетке или определяющих тот или иной признак организма, может быть равным всего двум: один ген содержится в наборе хромосом, полученном из женской половой клетки (гаметы), другой — в наборе хромосом из мужской гаметы. (Клетка, образуемая при слиянии этих гамет — зигота, — служит началом развития организма.)

Таким образом, определяющая (кодирующая, контролирующая) роль генов в синтезе белков, а через них и в построении различных биологических структур, а также уникальность наборов многих (хотя и не всех) генов позволяют согласиться с мнением тех биологов, которые считают молекулу ДНК самой главной молекулой.

А какова роль ДНК в развитии патофизиологических процессов, хронических тяжелых болезней или старения? Этот общий вопрос можно разделить на более конкретные, имеющие прямое отношение к проблеме старения и механизмам (патогенезу) развития болезней, ассоциируемых со старением.

Нарушаются ли структура и функция ДНК с возрастом? Если да, то каким образом эти нарушения могут быть связаны с признаками старения? Не служат ли эти нарушения по крайней мере одной из причин увеличения предрасположенности организма к тяжелым, наиболее распространенным болезням пожилого и старческого возраста? И нельзя ли наметить новые пути профилактики таких болезней или даже замедления самого процесса старения с помощью средств, снижающих скорость возрастного нарушения структуры и функции ДНК? В книге освещен целый ряд интересных фактов, полученных при исследовании перечисленных вопросов в лабораториях.

Забегая вперед, подчеркну: изменения ДНК не единственный механизм старения. Изменения структуры и функции мембран клеток, ее белоксинтезирующего аппарата и систем энергообеспечения, нарушения гомеостаза организма на различных уровнях — вот другие биологические основы снижения жизнеспособности организма с возрастом, причины увеличения его предрасположенности к ряду заболеваний. Эти изменения мы также будем внимательно рассматривать, хотя и не так подробно, как изменения ДНК.

Не каждому читателю будет просто понять суть недавно открытых свойств ДНК, возрастных изменений ее структуры и функций, роль этих изменений в снижении и нарушении функций клеток и организма. Чтобы облегчить читателю-небиологу понимание такой информации, вкратце напомню о структуре и функции "самой главной молекулы".

ДНК построена из звеньев четырех типов: (Т) тиминового, (А) аденинового, (Г) гуанинового и (Ц) цитозинового (см. рис. 1, а). В последовательности расположения этих звеньев и закодирована генетическая информация. Причем пуриновые (А и Г) и пиримидиновые (Т и Ц) основания составляют две полимерные цепочки (нити) ДНК, и последовательность звеньев каждой из этих цепей однозначно определяется последовательностью звеньев в цепи-"партнерше" согласно принципу комплементарности, т. е. против А или Т в одной цепи в другой расположены соответственно Т или А, а против Г или Ц — соответственно Ц или Г.

Рис. 1. Схема развития спонтанного (теплового) повреждения ДНК в клетке.

Обозначения: А , Г , Т , Ц — основания ДНК, соответственно аденин, гуанин (пуриновые основания), тимин и цитозин (пиримидиновые основания). Вертикальные линии — сахарофосфатный остов, горизонтальные — связи оснований с сахаром и друг с другом: а — нормальная (нативная) ДНК; б — ДНК, из которой произошло выщепление одного из оснований; в — ДНК, содержащая разрыв фосфодиэфирной связи; г — присоединение молекулы белка или другой молекулы, содержащейся в ядре, к поврежденному участку ДНК

Взаимодействие между этими комплементарными парами оснований определяется гораздо более слабыми связями, чем те ковалентные, которые объединяют отдельные звенья каждой полимерной цепи. Это существенное свойство ДНК, так как позволяет ей изменять характер взаимного расположения ее цепей (ее конформацию, вторичную структуру) без разрушения самих цепей (первичной структуры ДНК — хранилища генетической информации). Ведь чтобы произошло удвоение генетического вещества (редупликация ДНК) в материнской клетке, делящейся на 2, каждая из двух цепей должна стать матрицей, на которой синтезируется комплементарная ей цепь. (Отсюда и второе название процесса синтеза ДНК — репликация.) Очевидно, что это может осуществляться лишь в том случае, если в месте редупликации материнской ДНК, ее комплементарные цепи разойдутся.

Таким образом, каждый ген — своего рода молекулярная лестница, перекладинами которой служат пары нуклеотидов АТ и ГЦ. Остов же этой лестницы составляют остатки молекулы дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем нуклеотиды присоединены к остову посредством ковалентной связи между азотами колец А, Т, Г или Ц и определенным атомом дезоксирибозы. Эта связь называется гликозильной (старое название, нередко еще встречающееся даже в специальных работах, — гликозидная связь). Запомнить название этой связи нужно обязательно хотя бы потому, что именно эта связь оказывается слабым местом в первичной структуре ДНК, и поэтому разрыв ее может быть одной из молекулярных основ старения всего организма и увеличения его предрасположенности к некоторым тяжелым заболеваниям.

ДНК организована не только в форме лестницы, эта лестница еще и завита в правую спираль. Такова структура знаменитой двойной спирали, открытой Уотсоном и Криком в 1953 году. Считается общепринятым, что в живой клетке ДНК, как правило, находится именно в такой (канонической) конформации.

Структура двойной спирали ДНК, находящейся в В-форме, организована согласно принципу "золотого сечения". Так шаг спирали ДНК равен 33,8 Å, а ее диаметр 21,1 Å, и, следовательно, диаметр составляет приблизительно 0,62 величины шага. Как известно, нахождение "золотого сечения" отрезка длиной "а" сводится к решению уравнения

Таким образом, ДНК построена еще и красиво. Ведь принципы "золотого сечения" легли в основу композиционного построения великих произведений мирового искусства, прежде всего произведений архитектуры античности и Возрождения (термин "золотое сечение" ввел Леонардо да Винчи).

Однако в последние годы было установлено, что определенные участки двойной спирали ДНК могут принимать и другую конформацию, в частности они могут находиться в форме левой спирали. Сначала была доказана потенциальная возможность существования такой неканонической формы ДНК и лишь в последние годы получено доказательство ее существования в клетке. Это свойство ДНК нужно тоже запомнить, чтобы понять нижеприводимые факты о том, что с возрастом отдельные участки ДНК могут изменять свою конформацию.

Кстати, одно из первых доказательств того, что ДНК в клетке (in vivo) может находиться в форме не только правой спирали, но и в левоспиральной конформации, было получено при исследовании ДНК, выделенной из тканей очень старых животных, и при сравнении ее с ДНК, выделенной из тех же тканей молодых животных. Следовательно, для понимания механизмов старения необходимо не только знание структуры ДНК, но и исследование возрастных изменений ДНК — один из подходов для обнаружения новых свойств ДНК.

Хранение и передача генетической информации в ряду поколений организмов осуществляются половыми клетками, в которых содержание ДНК и хромосом в 2 раза меньше, чем в остальных (соматических) клетках организма. После оплодотворения генетические структуры мужской и женской половых клеток интегрируются, и вслед за этим начинается процесс деления и дифференцировки образующихся клеток.

Так как процессу деления клеток предшествуют удвоение содержания ДНК (ее дупликация) и строго равномерное распределение по дочерним клеткам, то обычно полагают, что все клетки содержат одну и ту же генетическую информацию. Реализуется же эта информация в различных клетках отнюдь не одинаково. Под реализацией генетической информации понимают синтез на ДНК, как на матрице (этот процесс называют транскрипцией), другой нуклеиновой кислоты — рибунуклеиновой (РНК). Специальные молекулы РНК — информационные — определяют, какие белки синтезируются в клетке, а от последних в конечном счете зависит характер ее жизнедеятельности. Следовательно, структура и функция клетки (ее фенотип) зависят от того, какие ее гены активны, а какие нет.

Здоровье, старение и долголетие как биологические понятия

Многовековой и нередко драматический опыт эмпирического поиска средств преодоления старения позволяет утверждать, что вероятность "случайного" открытия таких средств очень мала. Для того чтобы это сделать, необходимо знать, как стареет организм человека, каковы биологические основы этою явления.

Именно поэтому около 60 лет назад наш замечательный соотечественник И. И. Мечников, а затем президент Украинской академии наук А. А. Богомолец ратовали за развитие новой науки — биологии старения. Они исходили из того, что биофизические, биохимические, генетические и основные физиологические процессы, протекающие в организме человека, не отличаются существенно от процессов, происходящих в организме эволюционно близких нам видов животных — млекопитающих. Следовательно, причины замедления и нарушения этих процессов в старости у животных и человека также должны быть в основном аналогичны.

Можно привести много примеров, подтверждающих сформулированное заключение. Я не делаю этого по той простой причине, что в дальнейшем разговор как раз и будет идти о физиологических, клеточных и молекулярных изменениях, которые лежат в основе старения организма и человека, и других видов млекопитающих.

Но каждый из этих организмов обладает различной и вполне определенной продолжительностью жизни. Ее величина столь определенна, что служит характеристикой вида и даже генетической линии животных. И значительное увеличение продолжительности жизни человека, достигнутое за последние десятилетия, пока связано лишь с тем, что все большее число людей достигает "видового предела".

Приблизиться к пониманию того, чем же ограничивается видовая продолжительность жизни человека, мы можем, ответив на вопрос: почему видовая продолжительность жизни человека значительно превышает продолжительность жизни мыши, крысы, собаки и многих других млекопитающих? В самой общей форме ответ на этот вопрос состоит в том, что эти организмы стареют с различной скоростью. Следовательно, средства борьбы со старением человека и средства резкого увеличения его продолжительности жизни, увеличения периода молодости и зрелости можно искать, экспериментируя на животных. Таким образом, проблема старения с точки зрения биологии является проблемой разрешимой.

Предел продолжительности жизни и старение

Теперь мы попытаемся понять глубже связь между пределом продолжительности жизни и старением. Для этого полезно вспомнить закономерность распада радиоактивных ядер.

Продолжительность жизни радиоактивных ядер, как мы знаем, тоже ограничена. Так, если в определенное время где-то было 1 г радия, то через 1627 лет его останется 0,5 г, еще через 1627 лет — 0,25 г и т. д. Это значит, что, хотя каждое ядро в принципе является нестабильным, эта нестабильность, вероятность распада каждого оставшегося ядра остаются неизменными. И хотя мы не знаем, какое ядро распадается в данный момент, а какое нет, известно: в случае достаточно большого числа радиоактивных ядер за определенный промежуток времени количество нераспавшихся ядер уменьшается в определенное число раз. Иначе говоря, скорость их распада является величиной постоянной.

Иное дело — скорость естественной гибели организмов. У взрослых организмов с возрастом эта скорость резко увеличивается. В этом ускорении есть определенная закономерность, в чем можно убедиться, познакомившись с рис. 2.

Рис. 2. Зависимость от возраста коэффициента смертности людей (кривая 1 , построенная на основании данных о смертности мужчин в США, 1960) и лабораторных мышей (кривая 2 ). Обе кривые были представлены в первом издании настоящей книги, но на отдельных рисунках. Здесь они совмещены

Показатель смертности жителей многих стран удваивается примерно каждые восемь лет. Аналогичная закономерность верна и для многих животных, хотя скорость увеличения показателя со временем зависит не только от вида животных, но и от того, к какой линии они принадлежат. Например, у одной из линий мышей показатель смертности удваивается за три месяца. Таким образом, в организме со временем происходят процессы, увеличивающие вероятность его гибели.

Наиболее частые и очевидные внешние (макроскопические) признаки старения у человека наблюдаются обычно после 50 лет. Это морщинистость кожи, пигментация, поседение волос, появление складок на верхнем веке, западение глазных яблок, впалость щек, появление "старческой дуги" на роговице. Эти признаки сами по себе не являются причиной смерти — ведь уязвимость организма к наиболее распространенным и тяжелым заболеваниям — раку, атеросклерозу и т. д. не зависит от внешних признаков старения. Однако вероятность развитиях этих признаков, например поседение волос (рис. 3), тоже закономерно увеличивается с возрастом. И как было сказано когда-то, "ведь подновляя плоть, непрочный слой румян не отодвинет час грозящего распада" (Миколай Сэмп Шажиньский, ок. 1550–1584, "О непрочности любви к делам мира сего").

Рис. 3. Зависимость от возраста вероятности частичного (кривая 1 ) или полного (кривая 2 ) поседения людей. Кривые построены на основании данных обследования мужчин и женщин Австралии, приведенных в работе Е. В. Кеогха и Р. Дж. Волша (1965)

Но молекулярные изменения в клетках и межклеточном веществе (а это два основных компонента, из которых состоит организм) имеют существенное значение и в повышении уязвимости организма к заболеваниям, и в появлении с возрастом внешних признаков старения.

Все дело в том, в каких именно органах клетки и межклеточное вещество подвергаются этим изменениям. Если это происходит в коже, то наблюдается ее сморщивание, если в стенке сосуда, то это способствует развитию атеросклероза, если в головном мозге, то может нарушиться регуляция многих функций, в том числе развиться гипертоническая болезнь. Наша задача состоит в том, чтобы отыскать среди возрастных изменений те, которые неуклонно уменьшают жизнеспособность организма, приводят к развитию в нем различных заболеваний и, как говорилось выше, увеличивают вероятность гибели.

Изменения клеток головного мозга можно считать определяющими течение процесса старения всего организма, а значит — и продолжительность его жизни. И не только потому, что даже небольшое нарушение функций нервных центров весьма существенно сказывается на жизнедеятельности организма. Дело в том, что специализированные нервные клетки (нейроны) являются неделящимися клетками. Если гибель части клеток, например кожи или печени, может быть восполнена делением оставшихся, то гибель нейронов, как правило, невосполнима — почти сразу же после рождения человека или животного их нейроны теряют способность к делению. И еще до того, как закончится развитие организма, когда о старении его, казалось бы, не может идти и речи, содержание нейронов в головном мозге и других отделах нервной системы начинает уменьшаться.

В старении животных имеют значение нарушение функции и гибель также других клеток, о чем будет рассказано далее. Сейчас же зададимся вопросом, который имеет прямое отношение к проблеме биологических основ старения и долголетия человека: происходит ли гибель нейронов при старении человека?

Этот вопрос непрост, и специалисты долго расходились в мнениях на этот счет. Однако в последнее время все больше данных говорит о том, что по мере старения человека в его головном мозге количество нейронов уменьшается. Более того, было установлено, что этот процесс в одних отделах мозга начинается позже, в других — раньше. В коре мозга, например, он начинается уже с 30 лет.

Вот некоторые результаты исследований, полученные в 80-е годы. Дж. М. Андерсон и Б. М. Хуббард (Англия) обнаружили, что после 70 лет суммарный объем коры головного мозга, занимаемого ее нейронами, уменьшается в среднем на 1,4 % в год. В основном этот эффект объясняется гибелью нейронов, но 25 % этого эффекта определяется уменьшением объема отдельных нейронов. Эти же авторы установили уменьшение объема, занимаемого нейронами, примерно на 20 % в некоторых отделах головного мозга людей, страдающих болезнью Альцгеймера (сенильным, или старческим, психозом). Отметим, что данные последних лет подтвердили потерю нейронов при старении человека и обезьян лишь в мозжечке и коре больших полушарий. Твердого доказательства снижения числа нейронов в стволовых отделах их головного мозга (за исключением одного из центров) не получено.

Общая же закономерность старения головного мозга человека и других млекопитающих состоит в снижении в нем активности ферментов, участвующих в метаболизме медиаторов, а также концентрации последних. Тем не менее в стареющем мозге сохраняется способность восстанавливать поврежденные связи между нейронами путем разрастания нервных отростков определенного типа.

Можно полагать, что эта способность зависит от характера питания. Так, в опытах на крысах показано, что в мозжечке старых животных (так же, как и молодых, в возрасте 11 месяцев, но получающих с пищей недостаточное количество витамина Е) значительно снижено число связей (синапсов) между нервными отростками.

Дэвиу Манн с соавторами из отдела патологии Манчестерского университета (Великобритания) при гистологическом исследовании нервных клеток срезов мозга трупов людей обнаружили, что у людей в возрасте 90 лет, не имевших неврологических и психических заболеваний, число нейронов в определенном отделе мозга на 30 % меньше, чем в тех же отделах мозга у молодых людей. Содержание цитоплазматической РНК и объема ядер в оставшихся "старых" нервных клетках было уменьшено на 20 %. При болезни Альцгеймера, поражающей пожилых и старых людей, количество нейронов в головном мозге снижалось еще больше — на 60 %.

Неожиданные данные были недавно получены Кеннетом О. Деванеем и Хортоном А. Джонсоном (США) при исследовании количества нейронов и глиальных клеток на единицу веса в гиппокампе 25 людей в возрасте 20–87 лет. Оказалось, что плотность нейронов в этот период не только не уменьшается, но даже возрастает. Ранее же, при Исследовании только серого вещества, такого возрастания не обнаруживали.

Противоречие между этими данными можно объяснить тем, что теперь исследовали плотность клеток во всем гиппокампе, т. е. в белом и сером его веществе, а известно, что с возрастом объем гиппокампа уменьшается прежде всего за счет уменьшения количества белого вещества. Приведенные данные также свидетельствуют о том, что гибель нейронов головного мозга человека в различных отделах происходит с различной скоростью, причем эта скорость в случае нейронов гиппокампа относительно мала по сравнению, например, со скоростью гибели нейронов зрительного отдела коры головного мозга.

Как известно, от количества нейронов (но, разумеется, не только от этого) зависят устойчивость, надежность организма. А в старости функция нервных центров снижается, поэтому не только резкие изменения внешней среды (ее температуры и т. д.), но и колебания внутренних, физиологических параметров организма (например, концентрация в крови водородных ионов, давление крови, отклонение от равновесных значений концентрации в клетках кислорода и т. д.) становятся опасными.

Чтобы понять, как это может происходить, давайте посмотрим на организм как на кибернетическую систему, состоящую из 30 трилл. элементов (клеток), согласованное функционирование которых происходит благодаря регулирующему воздействию центральных элементов (нейронов) головного мозга. Разумеется, в регуляции функций принимают участие и эндокринная система, и элементы периферической нервной системы и т. д. Однако твердо установлено, что главными элементами в регуляции являются центры головного мозга, составляющие их нейроны. Поэтому "мозг — это та повозка, на которой едет все" (Уорд Холстэд). Но это очень хрупкая "повозка". Уязвимость человеческого организма, прежде всего его мозга, по отношению к внешним воздействиям и даже к внутренним изменениям давно поняли не только биологи или врачи, но и просто мыслители. Паскаль называл человека мыслящим тростником, подчеркивая его хрупкость. А Стефан Цвейг писал: "Наш мозг — этот созданный из нежнейшего вещества механизм, этот тончайший точный прибор нашего познания так хрупок, так сложен, что достаточно задетого сосудика, одного потревоженного нерва, переутомленной, клетки, малейшего изменения какой-нибудь молекулы, чтобы нарушить высшую всеобъемлющую гармонию человеческого ума". Правда и то, что природа нашла все же способы увеличения надежности функционирования и самого мозга. Хорошо известно, что одним из основных путей увеличения надежности кибернетической системы является достаточная избыточность элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Причем избыточность регулирующих элементов может обеспечить не только долговечность функционирования системы, но и ее эффективность.

В организме, как и в технической системе, кроме функционально значимых (полезных) сигналов, осуществляющих прямые и обратные связи между центральными (регулирующими) и регулируемыми элементами, возникают и так называемые шумы, т. е. сигналы, не несущие информации. Следовательно, с уменьшением числа нейронов в головном мозге должно уменьшаться отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума. Это действительно наблюдается при старении человека, причем не только в головном мозге, но и в других органах и тканях. Например, содержание различных метаболитов (веществ, образующихся в процессе нормальной жизнедеятельности) в крови людей пожилого и старческого возраста значительно менее постоянно, чем в крови молодых людей.

Но для организма, по-видимому, страшнее другое: уменьшение числа нейронов и снижение эффективности функционирования оставшихся клеток приводит к тому, что устойчивость организма к этим шумам уменьшается.

Ведь "постоянство внутренней среды организма — условие свободной и независимой жизни". Эти слова, написанные Клодом Берналом в 1878 году, и сегодня вспоминают физиологи старшего поколения, читавшие труды своего знаменитого французского коллеги.

Особенно большой устойчивостью отличаются температура тела, содержание (соотношение) жизненно важных элементов и физико-химические свойства крови (рН, осмотическое давление). Однако это постоянство все же не абсолютно: как любые другие процессы в природе, биохимические и физиологические процессы подвержены спонтанным изменениям (флуктуациям). На эти "фоновые" колебания наслаиваются изменения, индуцируемые непрерывными раздражениями, которым подвергается организм человека или которым его подвергает сам. человек (изменение температуры, влажности и атмосферного давления воздуха, прием горячей ванны или холодного душа, "солнечные ванны"). Даже состав крови — этой постоянной внутренней среды организма неизбежно подвержен кратковременным, а иногда даже затяжным колебаниям. Все это становится причиной изменений биохимических или физиологических процессов.

Но изменение ведущих физиологических функций центральной нервной системы, кровообращения, дыхания индуцируется, как правило, лишь на относительно короткое время. В организме "заложены" многие средства, с помощью которых эти изменения с той или иной скоростью устраняются. Это физиологические средства охраны постоянства внутренней среды. Существуют и молекулярные механизмы поддержания относительного динамического постоянства (гомеостаза) физиологических функций и обмена веществ.

Гибель нейронов и других клеток, участвующих в нейрогуморальной регуляции, не только снижает эффективность этой регуляции, но и делает организм, как правило, более чувствительным к эндогенным (спонтанным) флуктуациям и индуцируемым внешними воздействиями изменениям внутренней среды.

Колебания физико-химических и физиологических параметров, которые для молодого организма были бы совершенно безвредны, в старости могут быть причиной развития патологических процессов и смерти. Это схематически изображено на рис. 4.

Рис. 4. Схема, демонстрирующая уменьшение надежности организма, 'запаса прочности' его функций после завершения развития. Ломаная линия между верхней и нижней прямыми обозначает колебания различных свойств организма вследствие спонтанных изменений (флуктуации) или вследствие резкого изменения условий существования: недоедание или переедание, охлаждение или перегревание организма и т. д

Нестабильность ДНК и старение

Свойства организма, протекающие в нем процессы прямо или косвенно зависят от генетической информации, которая закодирована в последовательности оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) половых клеток. После оплодотворения, т. е. соединения мужской и женской половых клеток в одну клетку — зиготу, начинается реализация генетической программы развития посредством деления и дифференцировки зиготы, ее дочерних и последующих клеток. В результате образуются различные органы, формируется целостный организм.

Образование клеток определенного типа, формирование из них органов и начало функционирования организма происходят по определенной программе. Эта программа определяется главным образом генетической информацией, содержащейся в ДНК. Именно различиями в этой информации объясняют не только особенности строения и функции того или иного организма, но и особенности его развития, общую продолжительность, соотношение различных фаз развития и т. д. Но если развитие организма определяется генетической информацией, то нельзя ли то же самое сказать и о возрастных изменениях, приводящих организм к старению и смерти?

Причины завершения жизни однолетних растений и некоторых животных, например горбуши, аналогичны тем, которые характеризуют их развитие. Иначе говоря, гибель этих организмов, очевидно, также является следствием реализации генетической информации, она как бы запрограммирована. О механизмах реализации генетической информации кратко будет рассказано дальше, а сейчас лишь подчеркнем: те из них, которые "работают" в процессе развития, отнюдь не идентичны тем, которые определяют программированную гибель. Механизм последней может быть подобен процессу разрушения машины вследствие взрыва в ней мины, имеющей часовой механизм, который является деталью, необходимой для работы самой машины.

Теперь твердо доказано: среди генов, составляющих геном человека или других животных организмов, есть такие, которые аналогичны по своей структуре генам онкогенных вирусов (ретровирусов), "ответственных" за способность этих вирусов вызывать превращение (трансформацию) нормальных клеток в раковые. Под влиянием физических или химических канцерогенных агентов окружающей среды или "спонтанно" — при старении клеток и организма — такие "встроенные" в геном человека гены могут изменяться (мутировать) и активироваться. С этим может быть связано развитие раковых заболеваний, от которых погибает значительная часть людей пожилого и преклонного возраста.

Но большая часть организмов завершает свою жизнь по другим механизмам. Уже на ранних стадиях развития организма в нем происходят процессы, которые не закодированы в генах половых клеток. Ведь что такое реализация генетической информации? Это синтез под контролем определенных генов специфических белков, главным образом ферментов, катализирующих или непосредственно осуществляющих различные процессы. Однако в клетках протекают и такие реакции, которые непосредственно не катализируются ферментами. Эти реакции начинаются (инициируются) вследствие теплового разрушения молекул или реакции последних с продуктами метаболизма клетки. Такие реакции мы назовем боковыми, поскольку они являются следствием выхода метаболитов из запрограммированного цикла превращений.

Например, в процессе окисления органических веществ в клетке образуется перекись водорода. Обычно эти молекулы разрушаются в реакции, катализируемой ферментом каталазой; но они могут "ускользнуть" от этого фермента и прореагировать с какими-либо другими макромолекулами, в том числе — что особенно опасно для клетки — с макромолекулами генетического аппарата.

Тепло и гены

Даже обычная температура тела животных является для существования их клеток отнюдь не безопасной. Про температуру около 37 °C врачи говорят — она нормальная, биологи и физиологи — физиологическая. Но посмотрим, что происходит с молекулами при этой температуре.

О том, что некоторые ферменты при этой температуре спонтанно могут терять свою активность (инактивироваться), известно давно. Последствиям этой тепловой нестабильности белков серьезного значения не придавали, поскольку инактивированные молекулы белка в клетке могут быть заменены новыми. Но ведь генетическая информация таким образом не заменяется, хотя при определенных условиях имеющиеся искажения ее могут быть устранены.

В делящихся клетках она передается дочерним клеткам в результате процесса удвоения ДНК, ее редупликации. В неделящихся клетках, таких, как нейроны или мышечные клетки взрослых животных, редупликативного синтеза ДНК не происходит. Поэтому такие клетки должны функционировать в организме в течение всей его жизни с одним и тем же набором молекул ДНК. По крайней мере в течение первой ее половины должна сохраняться и генетическая информация женских половых клеток. Ведь гибель любой из этих клеток не может быть компенсирована делением оставшихся. Следовательно, в организме человека одна и та же ДНК находится во многих клетках при температуре 37° в течение многих десятков лет.

Теперь мы можем сформулировать вопрос, который, как это уже становится очевидным, является принципиальным для понимания молекулярно-генетических механизмов старения: с какой скоростью происходит тепловое повреждение (деградация) ДНК в клетке при 37°? Ответа на этот вопрос в первом издании этой книги мы дать не могли — к моменту ее написания еще не существовало достаточно точных методов определения скорости тепловой деградации ДНК при температурах, резко не отличающихся от физиологических.

В промежутке времени между двумя изданиями этой книги нам, а затем нескольким другим группам исследователей удалось разработать методики и с их помощью измерить скорость тепловой деградации ДНК в клетках человека и других млекопитающих при температурах, не намного превышающих 37 °C.

Но сначала оценим приблизительно эту скорость из результатов опытов по тепловому повреждению (деструкции) ДНК в растворе. Установлено, что при такой деструкции "слабым местом" в ДНК является связь оснований с сахаром — так называемая гликозильная связь с ним пуринового основания. При нагревании растворов ДНК наблюдается прежде всего выщепление из ДНК пуриновых оснований — происходит процесс депуринизации ДНК. Это схематически показано на рис. 1.

После того как основание выщепилось из ДНК, связь фосфатной группы с сахаром (фосфодиэфирная связь) в участке депуринизации становится довольно неустойчивой, и она быстро подвергается разрушению вследствие присоединения молекулы воды (т. е. происходит гидролитический разрыв полинуклеотидной цепи).

Итак, в ДНК "спонтанно" протекают два основных повреждающих ее процесса — депуринизация и образование разрывов полинуклеотидной цепи. Скорости протекания обоих процессов зависят не только от температуры, но и от концентрации водородных ионов (рН) и ионов других солей (ионной силы раствора). Если хранить ДНК в водном растворе при значениях ионной силы и рН, близким к тем, при которых ДНК существует в клетке, то скорость депуринизации ДНК при "физиологической" температуре 37° будет столь мала, что ее трудно измерить с большой точностью современными методами количественного анализа пуриновых оснований. Однако можно еще определить скорость депуринизации ДНК и при других различных температурах и построить график зависимости константы скорости депуринизации от температуры. Этот график в так называемых Аррениусовых координатах имеет вид прямой (линия 1, рис. 5, где показана такая зависимость от температуры, линия 2 — скорости депуринизации лиофилизованной ДНК).

Рис. 5. Зависимость от температуры константы скорости депуринизации ДНК in vitro и образования суммы апуриновых участков и разрывов ДНК in vivo: I — выщепление аденина (·) и гуанина (x) из ДНК тимуса теленка в Na-цитратном буфере при значении ионной силы несколько большей физиологической и рН 6,8 и депуринизация ДНК бактерий (точка 1) или ДНК фага Т7 (точка 2) при значениях ионной силы и рН, близких к физиологическим условиям; точки 3 и 4 — образование тепловых повреждений ДНК in vivo соответственно, в клетках грызунов и в культивируемых фибробластах человека; II — выщепление аденина (Δ) или гуанина (+) из лиофильно высушенной ДНК тимуса теленка

Известные физико-химические свойства ДНК таковы, что кривую можно продолжить (экстраполировать) до значений абсциссы, соответствующей температуре 37°. Рассчитанная нами таким методом константа скорости депуринизации близка к значению 11-10 в секунду. Это означает, что из ДНК при физиологических условиях (т. е. при значениях температуры, рН и ионной силы, близких к таковым в клетках) каждую секунду в расчете на 1010 оснований должно теряться примерно одно основание.

Подробный теоретический анализ данных, касающихся организации ДНК в клетке и условий ее существования там, позволяет заключить, что выщепление пуриновых оснований из ДНК клетки происходит со скоростью, довольно близкой к той, которую мы рассчитали. Но даже если эта скорость в 10 раз меньше рассчитанной, заключение о вероятном значении в старении депуринизации ДНК при физиологической температуре остается тем же. Приходится только удивляться, каким образом клетки могут длительно существовать при температуре 37°.

Ответить на этот, казалось бы, весьма далекий от проблем "классической" геронтологии вопрос — значит, понять один из основных защитных молекулярных механизмов, выработанных, очевидно, уже на самых ранних этапах эволюции клеток и организмов для поддержания их жизнеспособности. А следовательно, найти подход для поиска факторов, увеличивающих устойчивость организма к старению.

Конечно, особенно интересны количественные данные теплового повреждения ДНК в клетке (in vivo). Определить скорость такого повреждения ДНК при 37 °C до последнего времени было невозможно, так как при этой температуре наряду с возникновением тепловых повреждений ДНК протекает и обратный процесс — залечивания (репарации) этих повреждений (подробнее об этом процессе будет рассказано чуть позже).

Когда же попытались определить повреждения ДНК в клетках млекопитающих при температурах, превышающих 37 °C, но меньше тех, при которых происходит разрушение клеток, никаких повреждений ДНК не зарегистрировали. Их обнаруживали лишь в случае прогревания клеток грызунов при 65 °C. (Константа скорости образования повреждений ДНК при этой температуре была нами рассчитана, и ей соответствует точка 3 на рис. 5.) Таким образом, к началу 80-х годов среди биологов утвердилось мнение, что при температуре меньше 45 °C тепловые повреждения ДНК в клетках млекопитающих если и индуцируется, то в количествах, которые невозможно зарегистрировать.

Однако с помощью усовершенствованного А. Н. Хохловым и мной седиментационного метода анализа ДНК в культивируемых фибробластах человека нам удалось измерить количество повреждений ДНК, индуцируемых в процессе прогревания этих клеток при 44 °C. В эксперименте учитывались два существенных момента. Во-первых, в течение опыта клетки сохраняли жизнеспособность, т. е. можно было считать, что определяется процесс повреждения ДНК в живых клетках. И во-вторых, при температуре 44 °C происходит существенное ингибирование процесса репарации ДНК, а это означает, что при такой температуре аккумулируются тепловые повреждения ДНК.

Рассчитанной на основании полученных нами данных константе скорости образования тепловых повреждений ДНК соответствует точка 4 на рис. 5.

Спустя несколько лет после опубликования этих данных ряд исследователей в США также зарегистрировали повреждения ДНК в клетках млекопитающих, прогретых при температурах меньше 45 °C.

Несмотря на сложность анализа и в то же время его неполноту, можно с большой вероятностью утверждать: константа скорости теплового разрушения структуры ДНК лежит в пределах менее одного порядка, а именно в пределах 6·10-11 с-1 до 3·10-10 с-1.

Другие пути оценок скоростей спонтанного разрыва связей пуринов с сахарными остатками в ДНК, основанные на анализе механизмов разрывов этих связей, также приводят к значениям их констант при 37 °C, лежащих в этом диапазоне. В том же диапазоне лежат и рассчитанные нами константы скоростей "спонтанного" разрыва полинуклеотидных цепей ДНК при физиологических условиях.

Но каков биологический смысл этих констант? Каким образом их знание приближает нас к пониманию механизмов старения? Без дополнительного количественного анализа ответить на эти вопросы невозможно.

Примерно каждую секунду в геноме каждой клетки человека спонтанно возникает одно повреждение ДНК. Чтобы "воспринять" приведенные константы, оценить значимость, казалось бы, ничтожно малых скоростей спонтанного возникновения в ДНК апуриновых участков и разрывов, рассчитаем число таких повреждений, возникающих в течение часа в геноме клетки человека и сравним эту величину с числом повреждений ДНК, индуцируемых в той же клетке ионизирующим излучением в дозе, вызывающей гибель значительной части облученных клеток. Такое сравнение ценно, и вот почему. Во-первых, основную "массу" повреждений ДНК, индуцируемых ионизирующим излучением, составляют также разрывы полинуклеотидных цепей или участки ДНК, из которых выщеплены пуриновые или пиримидиновые основания. Во-вторых, из многочисленных данных радиобиологии следует, что такого рода повреждения ДНК или их комбинации (в частности, образование из двух однонитевых разрывов, локализованных в комплементарных цепях вблизи друг друга, "полного" (двойного) разрыва двойной спирали ДНК) ответственны за биологические эффекты излучений. И в-третьих, содержание ДНК в нормальной клетке человека существенно не отличается от содержания в нормальных клетках других млекопитающих. Таким образом, наша количественная оценка скорости возникновения тепловых повреждений ДНК в клетках человека и ее значения будет справедлива и для клеток различных млекопитающих.

В геноме каждой клетки возникает одно повреждение ДНК в секунду. Согласно данным различных работ ДНК в каждой диплоидной клетке человека содержится около 7·109 пар оснований. Примерно столько же пар оснований содержится в ДНК соматической клетки других видов плацентарных млекопитающих. Таким образом, в расчете на ДНК диплоидной клетки человека скорость депуринизации можно принять соответствующей выщеплению в течение часа 2500 пуриновых оснований.

Поскольку процесс образования спонтанных однонитевых разрывов, как правило, лимитируется на этапе депуринизации ДНК, то, следовательно, скорость образования спонтанных однонитевых разрывов должна быть такого же порядка, что и скорость депуринизации ДНК. Подчеркнем однако, что сказанное верно лишь в отношении тепловых разрывов ДНК.

Но часть разрывов ДНК возникает в клетке вследствие реакции с ДНК эндогенных метаболитов радикалов ОН· и O2, а также Н2О2, перекисей липидов ионов металлов с переменной валентностью. Кроме того, часть "спонтанных" разрывов ДНК обусловлена "ошибками" в работе ферментов (ДНКаз) и их "незапрограммированным" взаимодействием с ДНК. Таким образом, в зависимости от типа клеток и их физиологического состояния общая частота возникновения "спонтанных" разрывов в ДНК клеток человека, вероятно, в той или иной степени превышает значение 2·103 в час.

Количество повреждений ДНК такого типа, спонтанно возникающих в животных клетках в течение часа, примерно равно числу повреждений ДНК, индуцируемых в этих же клетках облучением их рентгеновским или γ-излучением в дозе 2,5–5 Гр (или 250–500 рад). Но при такой дозе облучения значительная часть клеток млекопитающих гибнет, а в организме этих животных обнаруживают изменения физиологических процессов.

Что касается скоростей возникновения других классов спонтанных повреждений ДНК in vivo, то определить их гораздо труднее. Межцепочечные сшивки в ДНК образуются в местах ее депуринизации, вероятно, с частотой в 10-2-10-3 от частоты депуринизации. Иными словами, в течение суток в геноме каждой диплоидной клетки человека образуется порядка 60-600 сшивок между обеими цепями ДНК. Скорость выщепления пиримидиновых оснований в расчете на геном диплоидной клетки человека, вероятно, примерно в 20 раз меньше скорости выщепления пуриновых оснований. Во всяком случае, соотношение скоростей выщепления пиримидиновых и пуриновых оснований из ДНК, находящейся в растворе, примерно таково. Следовательно, число пиримидиновых оснований, спонтанно выщепляемых из ДНК диплоидной клетки человека, может составлять около 3·103 за сутки. Это количество весьма существенное.

Сравнение на основании данных константы скорости спонтанного дезаминированного цитозина в растворе при рН 7 и при относительно высокой температуре с расчетным значением константы скорости депуринизации ДНК при той же температуре и том же рН показывает, что скорость спонтанного дезаминирования цитозина может быть даже больше, чем скорость депуринизации. Но последняя согласно приведенным выше расчетам соответствует выщеплению из ДНК в течение суток (в расчете на геном диплоидной клетки млекопитающих) порядка сотни тысяч аденина или гуанина. Следовательно, возможно, что скорость дезаминирования цитозина в ДНК составляет порядка 105 в течение суток в расчете на геном клетки млекопитающих. Если это так, рассматриваемое спонтанное изменение ДНК также нужно считать биологически очень существенным, учитывая резкое изменение матричных свойств цитозина после его дезаминирования.

В начале 80-х годов автор этой книги сформулировал предположение о том, что в клетке может протекать не программированный (спонтанный) процесс алкилирования ДНК в основном через реакцию ее с физиологическим донором метальных групп — S-аденозилметионином. Оценки показали, что в результате такой реакции только число метальных групп, спонтанно присоединенных к ДНК, составляет в расчете на геном клетки млекопитающих несколько сот в час.

В последние годы были проведены и экспериментальные исследования частоты непрограммированного метилирования ДНК, т. е. переноса на нее метальных групп с S-аденозилметионина. Из этих данных следует, что число метальных групп, спонтанно присоединяемых лишь по шестому атому кислорода гуанина в ДНК, составляет порядка 100 в час.

Теперь суммируем результаты проведенных оценок частоты возникновения различных спонтанных повреждений ДНК в клетках млекопитающих при физиологических условиях их существования. В течение часа выщепляется примерно 2500 пуриновых и 120 пиримидиновых оснований; индуцируется около 2000 однонитевых разрывов; дезаминируется значительное число цитозинов и метилируется, вероятно, не менее 100 гуанинов. Таким образом, общая скорость возникновения рассмотренных нами спонтанных повреждений ДНК составляет примерно 5·103 в час.

Это очень большое число повреждений ДНК, если принять во внимание биологическую роль ДНК. Ведь если в геноме клетки образуется за секунду по крайней мере одно повреждение ДНК, то за время жизни делящейся клетки (между двумя ее делениями в организме человека и многих других животных обычно проходит по меньшей мере 24 часа) в ней должно возникнуть 105 таких повреждений, а за время жизни нейронов в мозге человека (приблизительно 70 лет) — около 2,5·109 повреждений. Это соответствует выщеплению из генома большей части всех пуриновых оснований.

Частота повреждений ДНК, индуцируемых в каждой клетке организма млекопитающих за 1 час под влиянием фона ионизирующих излучений, составляет примерно 5·10-3. (Оценка сделана экстраполяцией зависимости от дозы числа индуцируемых повреждений ДНК различного типа к фоновым дозам.) Таким образом, скорость возникновения спонтанных повреждений ДНК примерно в 106 раз (а может быть, и в еще большее число раз — мы оценили "вклад" отнюдь не всех механизмов спонтанного повреждения ДНК) превышает скорость возникновения повреждений ДНК, индуцируемых фоновым излучением.

Это заключение может показаться парадоксальным. Ведь генетики, в том числе выдающиеся (например, академик Н. П. Дубинин), считают, что фон излучений вносит хотя и не очень большой, но все же измеримый вклад в частоту спонтанных мутаций у млекопитающих. Как же разрешить этот парадокс?

Механизмы залечивания ДНК и жизнестойкость организмов

Сегодня известно: почти все спонтанные повреждения ДНК залечиваются. Большинство из индуцированных ионизированным излучением повреждений ДНК также репарируется. Однако скорости репарации спонтанных и индуцированных повреждений ДНК могут быть различными. Это станет понятным после того, как мы рассмотрим системы репарации повреждений ДНК. Но сразу же подчеркнем малую исследованность этих систем. Это связано прежде всего с двумя обстоятельствами. Первое можно охарактеризовать вкратце — исследовать процессы репарации спонтанных повреждений трудно из-за ограничений чувствительности традиционных методов исследования. Что касается второго обстоятельства, то для его понимания нужно сделать краткий экскурс в проблему стабильности (или, как теперь становится очевидным, нестабильности) ДНК.

До последнего времени среди молекулярных биологов, биохимиков и особенно генетиков преобладающим являлось мнение о стабильности ДНК. Например, знаменитым Уотсоном в его руководстве по молекулярной биологии подчеркнуто: "Количество ДНК в хромосомах постоянно… В пользу генетической роли ДНК свидетельствовала и ее метаболическая стабильность. В отличие от многих других клеточных молекул ДНК стабильна: атомы, однажды включенные в ее состав, не покидают молекулу".

Однако еще в 1970 году в монографии "Молекулярные механизмы старения" автор этой книги сформулировал концепцию, одно из основных положений которой состояло в том, что в клетках с относительно большой частотой возникают спонтанные изменения генома. Кстати, это заключение было сделано на основании не только анализа свойств ДНК и метаболизма клетки, но и сравнения механизмов старения с механизмами радиобиологических эффектов. Что касается последних, то к тому времени уже были получены факты, позволяющие полагать, что они по крайней мере частично определяются повреждениями ДНК. На основании такого анализа было заключено, что ДНК в клетке должна подвергаться весьма интенсивному повреждению, особенно окислительной деструкции химически активными внутриклеточными метаболитами.

Исходя из этой концепции, а также основываясь на закономерностях, свидетельствующих о роли повреждений ДНК в старении, в лекции, прочитанной в 1972 году в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов, нами было сформулировано следующее следствие: в ряду различных видов млекопитающих существует прямая корреляция между способностью клеток определенного организма к репарации ДНК и видовой продолжительностью жизни.

Несколько лет спустя (в 1974 году) американские радиобиологи Р. В. Харт и Р. Б. Сэтлоу обнаружили такую корреляцию при исследовании репаративного синтеза ДНК, индуцированного УФ излучением в клетках 10 плацентарных млекопитающих, различающихся по видовой продолжительности жизни примерно в 50 раз (от полевки, живущей менее 2 лет, до человека, видовая продолжительность жизни которого составляет около 100 лет).

Однако в этой и последующих работах, в которых также наблюдали корреляцию между продолжительностью жизни организмов и способностью их клеток к репарации ДНК, исследовали репарацию не спонтанных, а индуцированных излучениями повреждений ДНК. И пришли к выводу: часть спонтанных повреждений ДНК устраняется с помощью тех же ферментов, которые участвуют и в репарации повреждений ДНК, индуцируемых УФ или ионизирующим излучением, или химическими мутагенами.

Одна из наиболее изученных систем репарации, защищающих клетки от таких (генотоксических и мутагенных) агентов, состоит из ряда ферментов, залечивающих повреждения в ДНК путем вырезания измененных ее участков и замены их нормальными. Вспомним: хирург, прежде чем зашить концы ран, проводит их хирургическую обработку — удаляет поврежденные участки ткани, "освежает" рану. Процесс репарации начинается с выщепления измененных частей ДНК, например модифицированных оснований. Эта стадия репарации осуществляется также в несколько этапов (рис. 6).

Рис. 6. Схема работы эксцизионных (вырезающих) механизмов репарации ДНК.

1. Индукция повреждения (реакция одного из оснований ДНК с ОН· или Н2О2 или другим эндогенным генотоксическим метаболитом; тепловое повреждение или попадание в ДНК квантов УФ, рентгеновского или другого вида ионизирующего излучения). 2 . Узнавание повреждения и образование в ДНК разрыва. 3 . Выщепление (вырезание) здорового участка ДНК, прилежащего к поврежденному. 4 . Репаративный синтез ДНК. 5 . Сшивание концов ДНК. В скобках указаны ферменты, катализирующие соответствующий этап репарации ДНК

Первый из них — "узнавание" повреждения в ДНК и образование вблизи него "надреза" (мы продолжаем проводить аналогию процесса репарации с работой хирурга). Такую операцию осуществляет фермент эндонуклеаза, разрушающий модифицированную нить ДНК. Затем подключается другой фермент — экзонуклеаза, который выщепляет модифицированное основание, а вместе с ним обычно и значительное количество "здоровых" оснований. В результате в ДНК образуется брешь. Поскольку же вторая нить остается целой, то, используя ее как матрицу, третий фермент — ДНК — полимераза заполняет эту брешь. Процесс репарации завершает четвертый фермент — лигаза. Этот фермент связывает вновь синтезированный участок ДНК с тем концом, который остался после процесса выщепления.

Рассмотренный пример наглядно показывает: в процессе репарации происходит синтез ДНК. Этот синтез связан не с делением клетки, а с восстановлением ДНК, поэтому его называют репаративным. Интенсивность его легко определить, добавляя в среду, где находятся клетки, меченый тимидин — вещество, которое входит в состав только ДНК. Теперь, чтобы ответить на вопрос о том, происходил ли "ремонт" ДНК, т. е. замещение отдельных ее оснований, достаточно установить, является ли ДНК клетки, не приступающей к делению, радиоактивной.

С помощью такого сравнительно простого приема нами и было получено доказательство того, что репарация ДНК происходит не только в том случае, когда клетки повреждаются физическими или химическими агентами, т. е. в необычных условиях, но и в таких условиях, которые можно считать нормальными, физиологическими. Поэтому такой процесс получил название спонтанного репаративного синтеза ДНК.

Кстати, вывод, который неизбежно следует из факта протекания спонтанного репаративного синтеза, состоит в том, что ДНК клетки в процессе нормального метаболизма повреждается. Следовательно, биологическая стабильность генома, его надежность обеспечиваются и "волшебной палочкой квантовой химии", т. е. стабильностью ее химических связей (Э. Шредингер), и системой репарации ДНК, функционирующей в клетке.

Только что рассмотренную систему репарации ДНК (по причинам, теперь, наверное, понятным читателю) называют вырезающей или эксцизионной (от англ. exision — вырезать). Одна из принципиальных особенностей репаративного синтеза ДНК, протекающего при такой репарации, состоит в том, что он осуществляется в различные фазы клеточного цикла. "Обычный" же синтез ДНК, в результате которого происходит удвоение количества ДНК и поэтому называемый редупликативным (обычно говорят "репликативный"), протекает лишь в определенную фазу жизни клетки. Таким образом, редупликативный синтез ДНК является запрограммированным, протекающим в S-фазу клеточного цикла, а репаративный — незапрограммированным, или внеплановым.

Система эксцизионной репарации ДНК и механизм ее редупликации резко отличаются по чувствительности к оксимочевине. Репаративный синтез не ингибируется под влиянием концентраций этого вещества в дозах, при которых редупликативный синтез ингибируется почти полностью. Такое различие было найдено не только в культуре клеток, но и в тканях взрослых крыс и мышей. В мозге этих животных митотическая активность глиальных клеток резко уменьшается, а нейроны взрослых животных вообще лишены способности делиться. Поэтому мы полагали, что интенсивность синтеза, связанного с делением глиальных клеток, и внепланового синтеза — величины одного порядка. Но если это так, то внеплановый синтез ДНК в мозге взрослых животных можно было определить по его резистентности к оксимочевине. Таким образом, суть проведенного нами вместе с Т. М. Третьяк эксперимента состояла в том, что животным вводили оксимочевину с таким расчетом, чтобы в течение нескольких часов примерно на 95 % ингибировать редупликативный синтез ДНК (концентрации были подобраны на основании исследования синтеза ДНК в печени подопытных крыс, а также в модельной системе на культивируемых фибробластах человека). Сравнение интенсивности редупликативного синтеза в клетках головного мозга крыс первых дней жизни и взрослых животных заставляет предположить, что наряду с репарацией спонтанных повреждений ДНК в них протекает, вероятно, и другой процесс, также не связанный с делением клеток.

Наиболее вероятное объяснение полученных нами данных состоит в том, что включение меченого тимидина в ДНК мозга взрослых крыс в значительной степени определяется репаративным (внеплановым) синтезом ДНК, который индуцируется спонтанными генетическими повреждениями. Это заключение подкрепляется результатами исследования включения 3Н-тимидина в ДНК "нейрональных" и "глиальных" фракций ядер двухлетних крыс. Было найдено, что удельная активность ДНК нейрональных ядер в расчете на 1 мкг ДНК лишь в 2 раза меньше удельной активности ДНК ядер глиальных клеток. Включение тимидина в ДНК глиальных ядер определяется в значительной степени тем, что в части глиальных ядер протекает и редупликативный синтез ДНК. Ведь известно, что деление глиальных клеток в мозге крыс и других млекопитающих происходит в течение всей жизни. Что же касается включения тимидина в нейрональные ядра, то оно, очевидно, определяется в основном репаративным синтезом ДНК.

Однако при исследовании динамики содержания меченого тимидина в ДНК головного мозга крыс были получены данные, которые невозможно объяснить лишь исходя из предположения, что внеплановый синтез ДНК связан только с репарацией спонтанных повреждений ДНК.

Эти данные показывают, что наряду с репаративным синтезом ДНК, необходимым для устранения спонтанных повреждений ДНК, в головном мозге протекают и другие формы "внепланового" синтеза ДНК. Одна из этих форм может включать обратную транскрипцию, т. е. процесс синтеза ДНК на матрице РНК, катализируемый обратной транскриптазой. Другая форма синтеза может состоять в перестройке определенных генов клеток головного мозга крыс, аналогичной перестройке иммуноглобулиновых генов В-лимфоцита при его дифференцировке. В этом процессе может участвовать часть тех ферментов, которые катализируют процесс репарации спонтанных повреждений ДНК.

Как известно, существует два типа памяти, определяемых функциями центральной нервной системы и иммунологической системы. Возможно, что это формальное сходство двух систем имеет в своей основе один и тот же молекулярный механизм — перестройку определенных генов (соединение их константных и вариабельных участков и мутацию в "горячих" точках последних) в процессе дифференцировки не только лимфоцита, но и нервной клетки. Обнаруживается также поразительное сходство в механизмах активации нервной клетки и лимфоцита и на уровне мембран.

Существует группа наследственных болезней, при которых увеличена частота хромосомных нарушений (аберраций), определяемых в клетках крови. При ряде таких болезней нарушена и способность клеток к репарации ДНК. И при многих из этих синдромов определяют нарушение функций иммунологической и центральной нервной системы. Обнаружение таких закономерностей еще в середине 70-х годов позволило автору этой книги предположить, что ферменты, катализирующие репарацию спонтанных повреждений ДНК, участвуют в дифференцировке лимфоцитов и нервных клеток.

Выше мы пришли к заключению, что одно из наиболее частых типов спонтанных повреждений ДНК — образование в ней апуриновых участков. Но известно, что один из ферментов, катализирующих процесс репарации апуриновых ДНК, — апуриновая ДНКаза, которая обнаружена в различных растительных и животных клетках. А при исследовании активности этого фермента в фибробластах больных людей, страдающих наследственным заболеванием — пигментной ксеродермой, снижение этой активности было найдено лишь у тех групп больных, у которых имелись нейрологические симптомы этого заболевания. Поскольку это заболевание наследственное, то, следовательно, генетический дефект по апуриновой ДНКазе должен быть и в нервных клетках больных с нейрологическим синдромом.

Апуриновые-апиримидиновые эндодезоксирибонуклеазы — семейство ферментов, участвующих в репарации не только спонтанно возникающих апуриновых и апиримидиновых участков, но и таких же участков, образованных в результате выщепления из ДНК модифицированных оснований под влиянием ферментов, получивших название ДНК-гликозилаз (так как эти ферменты разрывают гликозильную связь между основанием и сахарным остатком). Есть основания полагать, что в клетках головного мозга млекопитающих содержатся и гликозилазы, и апуриновые (апиримидиновые) эндонуклеазы. Активность последних мы обнаружили в клетках головного мозга крыс различного возраста.

Доказательство протекания репаративного синтеза ДНК в клетках человека мы получили при исследовании опухолевых клеток линии HeLa, а при определенных условиях и в нормальных клетках (фибробластах) человека. Как был буквально увиден репаративный синтез ДНК в культивируемых клетках, стоит рассказать.

Дело в том, что еще в 70-х годах репаративный синтез ДНК в клетках млекопитающих искали несколько групп ученых, известных своими пионерскими работами по репарации радиационных повреждений ДНК (Р. Б. Пайнтер с сотрудниками, Г. Смит и Р. Б. Ханавалат). Они не обнаружили такого синтеза, и благодаря их высокому авторитету интерес к спонтанному репаративному синтезу ДНК ослаб. Эти же отрицательные результаты в некоторых обзорных молекулярно-биологических работах цитировали и как доказательство стабильности ДНК. (Вспомним, что протекание или отсутствие репаративного синтеза — это показатель наличия или отсутствия повреждений ДНК.) Парадоксально, что упомянутые исследователи являются радиобиологами, а радиобиологи приняли гипотезу о нестабильности ДНК раньше всех, рассуждая так: раз существует репарация радиационных повреждений ДНК, то должна же она "что-то делать" и в необлученных клетках.

Но как же все-таки мы сумели "увидеть" репаративный синтез ДНК в необлученных культивируемых клетках человека? Эти клетки культивировали с меченым тимидином в течение двух часов, а затем его удаляли и радиоавтографическим методом исследовали меченые ядра клеток, находящихся на различных стадиях клеточного цикла. Нас особенно интересовали клетки в стадии телофазы.

Простой расчет показал, что если меченый тимидин в ДНК этих клеток имеется, то он мог попасть туда лишь в результате внепланового синтеза ДНК. Действительно, как хорошо известно, редупликативный синтез ДНК протекает лишь в S-фазе клеточного цикла, а между этой фазой и телофазой у диплоидных фибробластов проходит больше двух часов. Иными словами, наблюдая под микроскопом "телофазные" клетки с мечеными ядрами, мы могли заключить, что тимидин включился в ДНК этих клеток после завершения S-фазы, т. е. в результате внепланового и, очевидно, репаративного синтеза.

В последние годы другие авторы также пришли к заключению о протекании в различных клетках млекопитающих спонтанного репаративного синтеза ДНК.

Как уже отмечалось, система репарации апуриновых участков ДНК включает апуриновую эндонуклеазу, "узнающую" в ДНК апуриновый участок. Это начальное звено эксцизионной системы репарации апуриновых участков. Другие этапы репарации катализируются обычными экзонуклеазами ДНК, полимеразами и лигазами, составляющими эксцизионную систему репарации ДНК. Веским аргументом в пользу этого предположения может служить тот факт, что апуриновую эндонуклеазу нашли практически во всех биологических системах, в которых ее искали: бактериальных и растительных клетках, клетках различных тканей крыс, теленка и человека. Причем в клетках человека активность этого фермента, вероятно, особенно велика в связи с относительно большой (среди других млекопитающих) продолжительностью жизни.

До недавнего времени полагали, что единственный механизм репарации апуриновых участков — эксцизионный. Однако в 1977 году автор этой книги обосновал предположение о существовании нового механизма репарации апуриновых участков. В книге "Закономерности молекулярно-генетического действия химических канцерогенов" (Москва, Наука, 1977) исходя из таких закономерностей был предсказан фермент, катализирующий прямое включение пуриновых оснований в апуриновые участки. Сделано это было на основании анализа механизмов репарации апуриновых ДНК, образованных после повреждения ДНК химическими канцерогенами. Было заключено, что после разрыва гликозильной связи (между модифицированным канцерогеном, пуриновым основанием и сахарным остатком) может протекать одноэтапный процесс присоединения к сахарному остатку нормального основания. В 1979 году мы получили косвенное доказательство существования в диплоидных фибробластах человека и клетках линий HeLa такого фермента, названного нами репуриназой.

В 1979 году фермент, обладающий свойствами репуриназы, был обнаружен группой американских авторов и назван ими инсертазой. Он был исследован ими тоже в фибробластах человека и клетках линии HeLa.

Мы уделили большое внимание механизмам репарации спонтанных повреждений ДНК, поскольку, только имея представление об этих механизмах, можно понять кардинальное положение, вытекающее из всего вышеизложенного по проблеме нестабильности ДНК. Вместо классического представления (или догмы классической генетики и молекулярной биологии), что гены и составляющие их молекулы ДНК являются физически стабильными структурами, в которых лишь с очень редкой частотой происходят изменения — мутации (и то в основном лишь в процессе их редупликации), теперь приходится признать иное: ДНК и гены лишь динамически или биологически постоянны. Это означает, что в них с относительно большой частотой возникают повреждения ДНК и примерно с такой же (но, очевидно, не точно такой же!) частотой они залечиваются.

Уже то, что скорости этих противоположных процессов хотя и близки, но, судя по всему, не равны, подчеркивает фундаментальное значение пересмотра представлений о стабильности ДНК для понимания механизмов старения и долголетия.

Однако важно еще вот что. Большая роль изменений ДНК в старении клеток и целостного организма признается теперь большинством биогеронтологов и наиболее выдающимися клиницистами-геронтологами. Но как до сих пор представляют эту роль многие биогеронтологи, судя по их обзорно-теоретическим статьям? Исходя из, так сказать, классических представлений о роли мутаций в старении.

Чтобы убедиться в том, что такие представления нужно изменить, сравним частоту спонтанных мутаций с частотой повреждений генов, возникающих лишь вследствие тепловой нестабильности ДНК. Эта последняя согласно приведенной выше оценке равна около 3·103 в час, или почти 105 в сутки, или около 5·108 за 20 лет. Частота же спонтанных мутаций составляет, как правило, порядка 10-5 в расчете на одно клеточное деление для соматической клетки и в расчете на одно поколение для мутаций в половых клетках. Число генов в клетках человека и других млекопитающих считается равным порядка 105 (обычно генетики называют цифру 5·104). Следовательно, в процессе деления соматической клетки или в процессе репродукции организмов, возникает в среднем одна или, быть может, несколько мутаций.

Примем теперь во внимание, что между клеточными делениями соматической клетки человека проходит как минимум сутки, а период репродукции человека составляет 20 лет или даже больше. Сравним эти величины с приведенными значениями частот спонтанных повреждений ДНК, обусловленных физической нестабильностью, за сутки и за 20 лет. Получается, что частоты возникновения спонтанных повреждений ДНК превышают частоты спонтанных мутаций в соматических и половых клетках человека соответственно в 105 и 108 раз.

Эту оценку нужно считать приблизительной, так как при подсчете не учитывалось ни то, что гены, мутации которых до сих пор определяли, составляют небольшой процент от всей ДНК клетки, ни то, что повреждения генов возникают не только вследствие их тепловой нестабильности, но и действия на них химических мутагенов (образуемых даже в процессе нормального метаболизма), ферментов, разрушающих ДНК (ДНКаз), а также физических и химических факторов окружающей среды.

Таким образом, различие между рассчитанными скоростями мутаций и спонтанных повреждений столь велико, что если при расчетах и допущена ошибка в 10 или даже в 100 раз, это не меняет основного, можно сказать, методологического вывода: теперь при рассмотрении биологических основ старения и долголетия необходимо учитывать постоянно протекающие даже в нормально функционирующих клетках процессы повреждения и репарации ДНК.

Подчеркнем, что пионерами в исследовании важных вопросов проблемы биологической роли репарации ДНК были многие отечественные радиобиологи. Здесь я акцентировал внимание на результатах собственных исследований, т. к. они имеют прямое отношение к основам старения и долголетия; кроме того, излагая их, я стремился показать логику развития и частично "кухню" исследований.

Что же касается идеи нестабильности ДНК, природы и количественной оценки этой нестабильности, то наряду с нашими трудами пионерскими нужно признать работы шведов Т. Линдаля и Б. Найберга. Не придавая существенного значения собственному приоритету, все же отмечу, что и первые количественные оценки спонтанной нестабильности ДНК были сделаны нами на несколько месяцев раньше (на IX Международном конгрессе геронтологов, состоявшемся в начале июня 1972 года), чем вышла первая работа шведских ученых (в конце сентября 1972 года). Столь близкие сроки независимого рождения сходных концепций заставляют вспомнить давнишнюю поговорку о том, что идеи, когда приходит их срок, "носятся в воздухе".

А теперь пример, поясняющий, какое конкретное практическое значение имеет понимание закономерностей спонтанного (только теплового) повреждения ДНК. Но, чтобы он был до конца ясен, придется сделать снова краткий экскурс в теорию.

Надеюсь, приведенное чуть раньше сравнение частот спонтанных повреждений ДНК с частотами спонтанных мутаций или с частотами повреждений ДНК, индуцируемых фоновым ионизирующим излучением, убедило читателя: все существующие фундаментальные концепции эволюции нуждаются в учете спонтанной нестабильности ДНК. Ведь спонтанные мутации или мутации, индуцируемые фоновым излучением, рассматривают как основные причины генетической изменчивости и, следовательно, как основу эволюции.

Сегодня мы понимаем, что частота спонтанных повреждений ДНК в тысячи и даже миллионы раз больше интенсивности этих "классических" факторов изменчивости.

Как гены примитивных клеток, не имевших мощных систем репарации (обнаруживаемых теперь у всех клеток), могли выполнять свои функции и достаточно точно редуплицироваться? Какими способами еще, кроме систем репарации ДНК, природа сумела сохранять генетическую информацию, несмотря на интенсивное спонтанное повреждение ее хранительницы — ДНК?

Казалось бы, самый простой способ — понижение температуры существования животной клетки. Но ведь для нормального функционирования многих ферментов, в том числе, вероятно, и ферментов, участвующих в репарации ДНК, нужна физиологическая температура. У млекопитающих это, как правило, примерно 37 °C. Однако при такой температуре мужские половые клетки (гаметы) на последних стадиях развития (дифференцировки) начинают терять способность к репарации ДНК, а на конечной стадии дифференцировки мужская гамета (сперматозоид) лишается большинства ферментов, кроме тех, которые ей нужны для движения — поиска яйцеклетки, проникновения в нее и передачи ей своего генома.

Но мы теперь знаем: если способность к репарации ДНК резко снизить, то спонтанные повреждения ДНК будут накапливаться со скоростью, довольно сильно (см. рис. 5) зависящей от температуры. Даже небольшое (хотя бы на несколько градусов) понижение или повышение температуры должно привести к существенному (на 10 % или на несколько десятков процентов) снижению или повышению частоты возникновения спонтанных повреждений ДНК.

Эти количественные оценки позволяют понять, почему орган (мошонка), где образуются и хранятся мужские гаметы, в процессе эволюции человека оказался выведенным из брюшной полости — в связи с этим температура в тканях мошонки на два-три градуса меньше температуры внутренних органов.

Рассмотренная проблема, конечно, теоретическая, но из нее вытекает вполне практический (по крайней мере для будущих отцов) вопрос: стоит ли злоупотреблять перегревом в парильной или в финской бане, когда температура окружающей среды значительно больше 35 °C, если это может привести к возрастанию скорости спонтанных повреждений ДНК в половых клетках? И простая рекомендация, позволяющая снизить генетические риски у будущих поколений людей, состоит в том, чтобы в течение определенного срока до зачатия будущий отец избегал воздействия на мошонку температуры, значительно превышающей 35 °C. Точно определить этот срок, конечно, нельзя; но он должен превышать тот промежуток времени, в течение которого происходит физиологическое обновление мужских гамет в мошонке мужчин.

Может возникнуть вопрос: если сперматозоиды не обладают способностью к репарации ДНК, а в геноме клетки человека в течение часа индуцируется порядка 5 тыс. повреждений, то как вообще может поддерживаться род человеческий? Правда, как отмечалось, температура мошонки не 37 °C, а 35 °C, а содержание ДНК в гаплоидных сперматозоидах в 2 раза меньше, чем в соматических — диплоидных клетках, для которых сделаны вышеприведенные расчеты. Но это уменьшает частоту спонтанных повреждений примерно лишь до 2·103 в час, т. е. она остается исключительно высокой по сравнению с частотой спонтанных мутаций, которую большинство генетиков принимают равной порядка 1-10 в расчете на зиготу (т. е. клетку, образуемую при слиянии гаплоидной мужской половой клетки с яйцеклеткой, геном которой также является гаплоидным).

Ответ на поставленный вопрос можно дать, если обратиться к экспериментам на лабораторных животных — самцах, половые клетки которых подвергали облучению или действию химических повреждающих ДНК (генотоксических) или мутагенных агентов. Результаты этих исследований показывают: ДНК сперматозоида, поврежденная в результате таких воздействий, действительно репарируется, но после того как сперматозоид проникает в яйцеклетку. Если эта закономерность справедлива и в отношении тепловых повреждений ДНК, то можно сказать, что сохранению генетической информации в ряду человеческих поколений мы обязаны репарирующим системам яйцеклетки. Эта клетка поддерживает целостность не только своего генома, но и в прямом смысле спасает геном мужских половых клеток.

И все же если говорить об общих проблемах эволюции, вопрос остается; но теперь он, скорее, касается яйцеклеток, чем мужских гамет. Из термодинамического анализа и известных данных о механизмах репарации ДНК следует: репарация по крайней мере не всегда протекает со 100 %-ной точностью и полнотой. Исходя из имеющихся данных, предположим, что степень точности репарации ДНК составляет менее 99,99 %; полнота же репарации также хотя и очень высока, меньшей точности — она составляет не более 99,9 %. Однако и в этом случае числа нерепарированных повреждений ДНК и ошибок в процессе репарации будут очень большими в расчете на геном зиготы.

Например, если исходить из рассчитанной выше скорости образования спонтанных повреждений ДНК при 37 °C, то нужно предположить, что в ДНК яйцеклетки 20-летней женщины за 20 лет (известно: яйцеклетка остается в неделящемся состоянии до овуляции) только за счет тепловой нестабильности ДНК возникает примерно 4·108 повреждений. Из них при 99,9 %-ной полноте репарации остаются не репарированными 4·105. повреждений.

Это число примерно равно числу повреждений, которое будет содержаться в сперматозоиде, просуществовавшем в мошонке около суток. Следовательно, всего в зиготе сразу после ее образования будет 8·105 повреждений. Даже если только 10-3 часть этих повреждений будет реализована в мутации, это приведет к возникновению примерно 1000 мутаций. Кроме того, за 20 лет существования яйцеклетки в процессе репарации 4·108 повреждений в ее ДНК при 99,99 %-ной точности этой репарации может возникнуть и произойти 4·104 "ошибок". А по крайней мере часть из них также может приводить к мутациям в зиготе.

При всем этом нужно учесть, что современными генетическими методами выявляется, очевидно, лишь небольшая часть мутаций. Во всяком случае, исследование темпа спонтанных мутаций и разработку способов его снижения целесообразно проводить с учетом спонтанной нестабильности ДНК.

Предупреждение усиления процесса спонтанного повреждения ДНК в результате теплового воздействия необходимо учитывать не только в плане снижения частоты генетических болезней, т. е. в конечном счете как один из способов укрепления здоровья и долголетия будущих поколений. Клетки кожи, а в случае воздействия на людей "щедрого жара" и клетки эпителия верхних дыхательных путей также нередко подвергаются тепловому воздействию. Причем если температура прогревания клеток превысит 41 °C, то наряду с усилением процесса спонтанного повреждения ДНК может происходить нарушение процесса репарации этих повреждений. Таким образом, накопление генетических повреждений в результате такой гипертермии происходит сразу по двум различным механизмам, один из которых усиливает эффект другого.

Этот вопрос стоит обсудить в связи с широко распространившимся в последнее время движением "за щедрый жар". Сказанное только что не нужно рассматривать как призыв прекратить такое движение. Возможно, после принятия процедур, связанных с воздействием на организм человека горячей воды и пара, происходят и благоприятные изменения. Но наряду с этим удовольствием, которое человек получает от "щедрого жара", необходимо видеть и его оборотную сторону, коротко о которой сейчас было упомянуто. Кроме будущих отцов, стоит, очевидно, призвать к осторожности людей, страдающих некоторыми болезнями, при которых можно ожидать увеличенную уязвимость ДНК к повреждению (об этих болезнях мы поговорим позже). Забегая вперед, скажем также, что повреждение ДНК клеток кожи может быть одним из механизмов ее старения. Поэтому, чтобы кожа как можно дольше оставалась эластичной и без морщин, также можно порекомендовать не увлекаться тепловыми процедурами.

Все сказанное касалось местного действия тепла на ткани. Как известно, температура внутренних органов человека и других животных, называемых гомотермными, остается постоянной при изменении внешней температуры (конечно, если это изменение не выходит из определенных границ). Однако при некоторых заболеваниях терморегуляция организма нарушается, и его температура может повышаться. При выработке тактики лечения такого больного нужно, кроме всего, помнить и о разъясненном здесь равновесии между процессами спонтанного повреждения ДНК и репарации повреждений, равно как и о том, что гипертермия сдвигает это равновесие в сторону первого процесса. При температуре свыше 41–42 °C второй процесс может ингибироваться, поэтому спонтанные повреждения будут накапливаться, а это нарушит функции генетического аппарата клетки. Кстати, может быть, поэтому температура 42 °C-42,5 °C является критической для человека.

Однако при выработке отношения к общей гипертермии нужно учитывать также и другое явление. Ведь тепло действует на ДНК не только клеток человека, но и на генетический аппарат вирусов и патогенных бактерий, которые, как правило, и ответственны за развитие лихорадящих заболеваний. Особенно чувствительны к теплу вирусы, и больше других РНК-содержащие, к классу которых принадлежат и вирусы гриппа. Это связано с тем, что вирусные частицы не содержат репарирующих ферментов, а РНК-содержащие вирусы, вероятно, не могут быть репарированы и внутриклеточными репарирующими ферментами. Таким образом, повышение температуры тела может оказывать повреждающее действие на вирусные геномы в гораздо большей степени, чем на геном клеток тела. Очевидно, в будущем врач в каждом конкретном случае, учитывая различные свойства клеток организма и характер инфекции, вызывающей лихорадочное состояние, сумеет с помощью ЭВМ рассчитать оптимальную для больного температуру.

Не исключено также, что уже в ближайшем будущем биологи и медики найдут средства, снижающие скорость спонтанного повреждения клеток или увеличивающие их способность залечивать такие повреждения. Такие средства можно считать факторами, способными увеличивать долголетие человека.

К вопросу о роли повреждений ДНК в старении, а репарации ДНК — в долголетии и жизнестойкости организма мы вернемся еще не раз в этой книге. Но уже изложенного достаточно, чтобы понять: повреждение ДНК нужно отнести к числу существенных причин старения. И если бы удалось измерить степень этого повреждения и способность к репарации ДНК клеток в группе, например, пожилых людей одного возраста, то таким образом можно было бы определить один из важных показателей их здоровья и относительного постарения. Иными словами, были бы получены важные биологические показатели возраста каждого индивидуума и его отклонение в ту или иную сторону от календарного.

Есть основания полагать, что гены, обеспечивающие эффективное залечивание повреждений ДНК, определяют и жизнестойкость организмов, и их видовую продолжительность жизни. В частности, об этом свидетельствует корреляция среди млекопитающих между способностью клеток к репарации ДНК и величиной видовой продолжительности жизни организмов (рис. 7).

Рис. 7. Прямая корреляция между видовой продолжительностью жизни организмов различных видов млекопитающих и способностью их клеток к репарации ДНК, определенной по максимальной интенсивности репаративного синтеза ДНК, измеренного методом радиоавтографии после УФ-облучения клеток в одной и той же дозе.

По оси абсцисс — число гранул серебра над ядром, характеризующее интенсивность включения в ДНК меченого тимидина, а следовательно, интенсивность репаративного синтеза ДНК. График построен на основании данных работы Р. В. Харта и Р. Б. Сэтлоу (Труды национальной Академии наук, США, 1974)

Экологические факторы и условия жизни, уменьшающие степень повреждения ДНК или увеличивающие жизнеспособность клеток, тоже нужно отнести к факторам долголетия. Но можно ли, регулируя условия жизни, уменьшить частоту спонтанного повреждения ДНК? Оказывается, можно, если принять во внимание по крайней мере два фактора: что в механизмах этого повреждения значение имеют реакции ДНК со свободными радикалами, а также что в некоторых пищевых продуктах содержатся вещества — антиоксиданты, обладающие способностью перехватывать и нейтрализовать свободные радикалы, в том числе и обладающие генотоксическими свойствами.

Биогеронтология + экология = экогеронтология?

К сожалению, мы в нашей жизни имеем дело не только с веществами, благотворно действующими на организм. В веществах, загрязняющих окружающую среду и даже в некоторых природных продуктах питания содержатся соединения, способные повреждать ДНК. Назовем их экзогенными генотоксическими агентами в отличие от эндогенных генотоксических агентов, вырабатываемых самими клетками человека. Кроме того, существуют и соединения, нарушающие способность клеток к репарации ДНК. А при употреблении алкоголя и курения на генетический аппарат одновременно оказывается сразу двустороннее действие: во-первых, усиливается повреждение генома, во-вторых, нарушается его способность к репарации ДНК. Почему так происходит, мы подробнее поговорим в главе, посвященной экологическим аспектам проблемы биологии старения (экогеронтологии).

Но уже здесь уместно отметить: знание биологических основ старения, возможных причин его ускорения и сокращения продолжительности жизни под влиянием тех или иных физических или химических факторов необходимо для планирования и принятия решений даже по таким глобальным социально-экономическим вопросам, как выбор наиболее перспективных источников энергии. При производстве энергии окружающая среда загрязняется различными соединениями, потенциально способными сократить продолжительность жизни. Но в то же время развитие энергетики приносит человеку и множество благ, с помощью которых достигается укрепление его здоровья и даже снижается вредное воздействие других факторов, способных сократить продолжительность жизни. Следовательно, необходимо учитывать и отрицательное и положительное воздействие энергетики на здоровье. Приведу результаты наших исследований, которые для многих оказались неожиданными.

Естественный природный фон ионизирующих излучений в значительной степени обусловлен содержанием в строительных материалах радионуклидов, при радиоактивном распаде которых образуется газообразное радиоактивное вещество — радон. Вдыхание его и продуктов его распада приводит к неизбежному облучению эпителия бронхов и легких. С этим связана значительная часть раковых заболеваний дыхательных путей у некурящих людей. Однако такая простая мера, как проветривание помещений, приводит к значительному снижению дозы облучения бронхов и легких, так как концентрация радона в воздухе помещений при этом уменьшается.

Для количественных оценок влияния того или иного источника энергии на здоровье населения важно было найти какие-то общие критерии. Теперь большинство специалистов, разрабатывающих этот вопрос, пришли к выводу: таким критерием должно быть влияние на среднюю продолжительность жизни человека. Это было признано и на проведенном в 1984 году симпозиуме "Риск и выгоды энергетических систем", организованном секцией риска Отдела ядерной безопасности МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии). Такие оценки подчеркивают значение борьбы с отрицательными последствиями, связанными с развитием того или иного вида энергетики. Конечно, чрезвычайно актуальны вопросы разработки технологии получения энергии, которая не сопровождается практически никакими выбросами отходов (включая радиоактивные); и особенно проблема ужесточения мер безопасности при работе атомных электростанций.

Уж коль мы заговорили о связи биологических аспектов охраны здоровья и долголетия с проблемами экологии, нужно сказать и о факторах риска при комбинированном действии на организм химических и физических канцерогенов.

Анализ большого количества данных о комбинированных канцерогенных эффектах различных химических канцерогенов и различных видов излучения позволяет заключить, что при определенных условиях они взаимодействуют синергетически, т. е. усиливают действие друг друга. Результаты анализа молекулярных механизмов канцерогенеза находятся в согласии с этой феноменологической закономерностью. Во-первых, как свидетельствуют и наши исследования, и данные литературы, химические канцерогены могут вызывать такие изменения ДНК или так влиять на системы репарации ДНК, что канцерогенные эффекты, обусловленные лучевым поражением ДНК, резко усиливаются. Во-вторых, для трансформации, вероятно, как правило, необходима активация двух или более онкогенов, каждый из которых может быть преимущественно активирован различными канцерогенами. В-третьих, критическое значение имеет возрастание нестабильности генома на каждом этапе, начиная от инициации канцерогенеза и кончая прогрессией.

Когда эта книга набиралась, произошли трагические события в Чернобыле. В связи с этим несколько конкретных рекомендаций.

Но сначала отметим: происшедшее еще раз подчеркивает отмеченную нами ранее необходимость жесткого контроля за соблюдением правил безопасной работы на АЭС.

В свете происшедшего необходимо вспомнить: ионизирующая радиация в сочетании с некоторыми химическими веществами-загрязнителями, постоянно присутствующими в окружающей среде, усиливает риск развития преждевременного старения (характеризуемого только смещением вверх кривой смертности, изображенной на рис. 1) или ускорения старения (увеличение наклона этой кривой) и связанных с ним болезней, особенно злокачественных новообразований (опухолей). К числу загрязнителей в широком смысле относится ряд веществ природного происхождения, но главным образом это соединения, образуемые в процессе кулинарной обработки (копчение или прожаривание продуктов) или попадающие в пищевые продукты извне. Часть из таких соединений опасна тем, что служит предшественниками активных генотоксических веществ. Например, в пищевых продуктах могут содержаться нитрат и нитрит, причем первый может восстанавливаться во второй в полости рта, в желудке или мочевом пузыре, а нитрит — предшественник генотоксических нитрозосоединений. Такие вещества накапливаются в овощах при чрезмерном не сбалансированном применении азотных удобрений.

Другого рода загрязнители — полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся, например, в выхлопных газах транспортных средств. И оба класса соединений содержатся в табачном дыме.

Риск развития опухолевых заболеваний в отдаленные сроки после действия ионизирующей радиации может возрастать также при сочетанном воздействии ее и ультрафиолетового излучения или потенциально онкогенных вирусов.

Вещества, способные повреждать генетический аппарат, а тем самым способствовать развитию старения и связанных с ним болезней, могут образовываться даже в процессе нормального метаболизма, особенно в условиях хронического стресса, а также при избыточном содержании в рационе жиров. Поэтому целесообразно снизить потребление жира таким образом, чтобы он составлял примерно 30 % всех калорий пищи. Пока же согласно опубликованным в конце 1986 года результатам обследований различных групп населения (М. Н. Волгарев, 1986) этот процент у москвичей, жителей Украинской ССР и Литовской ССР составляет около 40 %.

И еще чрезвычайно важное обстоятельство, которое необходимо иметь в виду: особенно уязвим к канцерогенному действию излучения организм в детском возрасте и ранней юности. Подробнее все это обосновано в моей книге "Модификация канцерогенных и противоопухолевых эффектов излучений" (М.; Медицина, 1985). Расчеты показывают, что для такого возраста увеличение естественного фона излучения в 5 раз может приводить спустя 10–20 лет к измеримому и значительному учащению опухолевых заболеваний.

Но и возможность учащения у взрослых этих и некоторых других болезней, ассоциированных с преждевременным старением, нельзя игнорировать только потому, что малые дозы излучения "ответственны" за небольшой риск развития их по сравнению, например, с риском, связанным с курением. Таким образом, чтобы оценки риска возникновения опухолей и развития преждевременного старения были строго научными, нельзя не учитывать возможность взаимоусиления биологических эффектов, вызванных облучением и курением, а также химическим загрязнением окружающей среды, включая и загрязнение продуктов питания.

К счастью, наряду с генотоксическими и канцерогенными факторами на человека воздействуют и факторы, обладающие прямо противоположными свойствами. Так, имеются теоретические основания, экспериментальные данные и результаты эпидемиологических исследований, позволяющие считать, что в определенных овощах (особенно в моркови, а вероятно, также в различных видах капусты и некоторых видах зелени) содержатся вещества (в частности, каротин и хлорофилл), обладающие и антимутагенными, и радиозащитными, и антиканцерогенными свойствами.

Термин "антиканцероген" пояснен в словаре терминов. Здесь добавлю, что речь идет не о лечении опухолевых заболеваний, а об их предупреждении. Исходя из концепции, что в развитии преждевременного старения и связанных с ним болезней существенное значение имеют реакции активных форм (радикалов) кислорода и переокисления липидов, а каротин, витамин Е и соединения селена тормозят такие реакции, можно полагать, что эти вещества вскоре будут признаны и практическими врачами. Определяющая роль витамина Е как природного антиоксиданта была обоснована в первом издании этой книги. За прошедшее десятилетие эта концепция подтверждена результатами очень многих экспериментальных исследований. Что же касается соединений селена, то результаты проведенных в США эпидемиологических исследований свидетельствуют об антиканцерогенных свойствах (небольших количеств!) определенных его соединений уже и в отношении человека. Но нельзя применять соединения селена без контроля врача, так как большие их концентрации могут быть токсичны для организма. Пока речь идет прежде всего об употреблении в пищу продуктов, обогащенных селеном, например творога. В лабораториях сейчас широко исследуются антиканцерогенные свойства различных соединений селена. К числу особенно перспективных можно отнести S-селенметионин.

Анализ результатов эпидемиологических исследований, проведенных в США (Джексон с сотрудниками, 1986), позволяет заключить, что на основании измерения содержания селена в крови людей можно оценивать риск развития злокачественных опухолей желудочно-кишечного тракта. Если его содержание понижено, рекомендуется прием профилактических доз селена с целью снижения этого риска.

И что еще очень важно: как свидетельствуют результаты этого исследования, нормализуя (или, точнее, оптимизируя) содержание селена в организме, можно уменьшить риск развития не только злокачественных заболеваний, но и, вероятно, болезней сердца. Примеры с селеном и β-каротином открывают перспективы активной профилактики злокачественных опухолей (превентивная онкология), а также предупреждения преждевременного старения и связанных с ним болезней (превентивная геронтология — ювенология).

Поясню одно важное обстоятельство и относительно β-каротина. В уже упомянутой книге автора этих строк "Модификация канцерогенных и противоопухолевых эффектов излучений" была кратко обоснована возможность снижения канцерогенных рисков от облучения и табачного дыма путем регулярного употребления моркови. Сходная рекомендация курящим людям дана позднее зарубежными онкологами. Но они отождествляют биологические свойства β-каротина и витамина А. Мы же пришли к заключению, что часть каротина, которая не превращается в организме в витамин А, выполняет особые, защитные функции. Таким образом, умеренное и регулярное употребление чистой красной моркови и свежеприготовленного морковного сока можно уже теперь рекомендовать в качестве фактора, снижающего риск развития преждевременного старения и опухолей. (Рекордсменами по содержанию каротинов являются также щавель и особенно тыква сорта Витаминная.) Вот почему становится актуальной проблема добавки небольших количеств β-каротина, витамина Е (точнее, α-токоферола) и(или) некоторых соединений селена и некоторых других защитных веществ к определенным пищевым продуктам.

В конце 1986 года в Японии опубликованы важные результаты, можно сказать, уникального обследования 265 118 людей, проводившегося с 1965 года. Основной результат этого обследования (Т. Хирастама, 1986) — снижение онкологического риска у лиц, потреблявших регулярно желтые и зеленые овощи (которые, кстати, снижали и риск развития рака легкого у курильщиков). Этот результат — сильное подкрепление сделанного нами заключения об антиканцерогенных свойствах β-каротина, которым обогащены желтые и зеленые овощи. Значение могут иметь также витамин С, кальций, некоторые другие антиканцерогенные факторы этих овощей, включая растительную клетчатку.

Рассмотренный пример с морковью ясно высвечивает и проблему качества сельскохозяйственных пищевых продуктов. Ведь теперь очевидно: важен не только и даже не столько "валовой урожай" моркови, сколько сбор такой моркови, в которой было бы как можно больше β-каротина и как можно меньше вредных примесей-загрязнителей, а для этого необходимо ужесточение надзора за опасными для здоровья загрязнителями этой продукции.

Исследования последнего времени показывают: вещества, способные увеличивать резистентность к генотоксическим агентам, содержатся в продуктах питания не только растительного, но и животного происхождения. Так, обнаружено, что в мясе, не подвергшемся неправильной кулинарной обработке, содержатся антиканцерогенные факторы (Майкл Париза, Висконсинский университет, 1986). К их числу, вероятно, относится карнозин (дипептид, содержание которого велико в скелетной мускулатуре животных), обладающий антиоксидантными, а поэтому, очевидно, и радиозащитными свойствами.

Что касается перспективы исследования средств защиты от преждевременного (радиационного) старения и сцепленных с ним болезней, то назову лишь несколько наиболее интересных. Из антимутагенов это хлорофилл, из антиканцерогенов — низкомолекулярные вещества, подавляющие активность протеаз, в частности, так называемые ингибиторы Баумана — Бирка из семян бобовых (соя, фасоль, нут и др.); из природных антиоксидантов — белок церулоплазмин, диметилсульфоксид, его соли и особенно близкий ему по структуре метилсульфонилметан.

В аспекте предупреждения изменений функций центральной нервной системы, связанных с преждевременным (радиационным) старением, большой интерес представляют результаты работы ученых из Вейсмановского института, опубликованной во второй половине 1986 года. Авторы разработали препарат AL-721, способный замедлять биофизические и биохимические процессы старения в нервных клетках.

До сих пор мы не обсуждали вопроса о том, что радиация и химические факторы и вирусы могут поражать не только соматические, но и половые (зародышевые) клетки человека. А ведь следствием повреждения их генетического вещества может быть и учащение опухолевых заболеваний, и нарушение функций центральной нервной системы, и преждевременное старение. Наверное, понятно, что теперь речь идет уже о потомстве тех людей, которые подверглись генотоксическому (в узком смысле слова мутагенному) воздействию. Наши рекомендации имеют отношение и к охране здоровья будущих поколений людей.

Если должное внимание населения планеты будет уделено разработке технических и биологических мер охраны окружающей среды, исследованию антимутагенных средств и средств, увеличивающих резистентность к тяжелым болезням и преждевременному (включая радиационное) старению, то может быть не только остановлено пока неуклонное возрастание ряда таких, а также некоторых наследственных болезней, но и значительно снижен риск этих заболеваний, укреплено здоровье живущих людей, устранены опасности, грозящие сейчас будущим поколениям.

Теперь подведем итог нашим рассуждениям и количественным оценкам, сделанным до вставки.

Мы должны принять как факт, что, кроме процессов, необходимых для функционирования организма и для его развития, в нем постоянно протекают и такие процессы, которые оказывают на него разрушительное действие. Эти процессы характеризуются следующими свойствами:

1) они не запрограммированы и, как правило, не катализируются ферментами;

2) их следствием является нарушение структуры и функций макромолекул, что, в свою очередь, приводит к нарушению функций клетки организма. При этом особое значение имеют спонтанное нарушение структуры ДНК и нарушение работы генов — полное выключение их функции или синтез неполноценных белков;

3) такие изменения могут накапливаться с возрастом по крайней мере в неделящихся клетках;

4) факторы окружающей среды и диета могут либо тормозить процесс повреждения генома, либо, наоборот, ускорять или усугублять этот процесс;

5) разрушительные процессы протекают во всех клетках и на всех стадиях развития организма. Можно полагать, что такие молекулярные события подготавливают процесс старения клеток и организма уже с момента его формирования. Хотя если такие "шумовые" процессы будут интенсивнее, чем обычно, то это станет причиной нарушения реализации генетической программы развития, организм может развиваться уродливо или вовсе погибнуть. Но обычно такие процессы "не замечаются" организмом до определенного возраста. Ведь в период развития повреждения клетки просто разрушаются (элиминируются) и замещаются в результате деления других клеток такого типа. Кроме того, в этот период, очевидно, интенсивно происходят и внутриклеточные восстановительные процессы — ремонт, репарация поврежденных структур или замена их на вновь синтезированные аналогичные структуры;

6) изменение обычного соотношения между процессами возникновения и залечивания повреждений генетических и других структур клетки наблюдается по причинам, которые можно разделить на два класса. Один из них составляют наследственные изменения (генетические факторы), другой — факторы окружающей среды, характер питания, различные привычки и т. д. Рассмотрению факторов первого класса посвящена глава IV этой книги, второго — глава VII. Здесь лишь поясним: развитие преждевременного старения может быть предотвращено, а здоровье и долголетие обеспечены не только благодаря действию генов, например тех, которые "отвечают" за эффективную защиту от кислородных радикалов или которые контролируют залечивание генетических повреждений.

Отметим, что преждевременное старение не всегда можно связать с развитием тех или иных болезней. Например, известны линии мышей, у которых может быть снижена продолжительность жизни или имеются признаки преждевременного старения, но без сочетания с ранней гибелью от каких-либо из известных болезней мышей. Следовательно, многое может дать познание механизмов так называемого нормального (физиологического) старения. Некоторые геронтологи даже полагают, что возможно "старение без болезней". При этом в качестве примера иногда ссылаются на результаты исследования долгожителей. Такие исследования очень интересны, и некоторые результаты их будут приведены в главе VI.

Но анализ всех результатов исследований механизмов долгожительства как раз и позволяет обнаружить связь между долголетием и устойчивостью не только к преждевременному старению, но и к наиболее распространенным и тяжелым заболеваниям. Более того, есть основания полагать: у долгожителей увеличена и устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды. Иными словами, можно говорить не только о предрасположенности к болезням, сопряженным со старением и реализуемым в зависимости от средовых факторов, но и об обратном генетическом эффекте — о существовании генов устойчивости и к болезням, и к вредным средовым факторам, и к старению — "недугу, именуемому временем" (Ф. И. Тютчев).

Эти драгоценные способности организма долгожителей могут иметь общую биологическую основу: увеличенную устойчивость генетического вещества и других структур клетки к кислородным радикалам, перекисям липидов и некоторым другим (генотоксическим) факторам, а также, например, увеличенную способность к репарации ДНК. Следовательно, проблема феномена долгожительства имеет ряд теоретических (биологических) и в то же время практически важных аспектов, исследование которых должно прояснить понятие жизнестойкости организма и облегчить и ускорить поиск средств увеличения ее.

В свете изложенного понятие "здоровье" сегодня можно толковать шире и, наверное, глубже, чем это было принято до сих пор. С биологической точки зрения здоровье определяется не только тем, как его обычно характеризуют (внешний вид, нормальные показатели температуры, давления крови и т. д.). Существенное значение имеют и молекулярно-клеточные показатели, определяющие устойчивость к преждевременному старению, к учащающимся с возрастом тяжелым заболеваниям (атеросклероз, злокачественные новообразования и др.) и к вредным факторам окружающей среды. На примере репарации ДНК мы с вами убедились, что показатели эти можно измерять, т. е. что они могут служить количественным признаком здоровья. И в то же время способность к репарации ДНК, вероятно, может служить и количественным показателем долгожительства. Иными словами, теперь мы приближаемся к пониманию потенциала здоровья и долголетия и к познанию способов их измерения. Один из таких способов — определение "запаса прочности" функций.

Поэтому, переходя к рассмотрению молекулярно-клеточных механизмов старения, мы начнем с вопроса о том, как изменяется с возрастом этот "запас прочности" — показатель потенциала здоровья и долгожительства.