Открытие Мечникова - способность одних клеток пожирать и убивать другие клетки. Кислород в механизмах гибели лимфоцитов после облучения организма ионизирующими излучениями

Характер изменения репаративного синтеза ДНК при старении соответствует характеру изменения активности генов в синтезе РНК, т. е. нарушение репарации ДНК и вследствие этого – накопление повреждений ДНК в определенных генах приводят к нарушению функции этих генов. Однако возможно, что обе функции ДНК – синтез РНК и способность к репарации ДНК – нарушаются по одной или нескольким общим причинам, например вследствие компактизации ДНК или хроматина в процессе старения. То, что в результате этого репарируемость (или, если воспользоваться термином из теории надежности технических систем, – ремонтопригодность) генов будет уменьшаться, не подлежит сомнению. Ведь в результате компактизации ДНК доступность поврежденного участка ДНК к препарирующим ферментам должна уменьшаться.

Но в то же время целый ряд наблюдений свидетельствует: в процессе старения клеток в них возрастает количество "плотно упакованной" ДНК. У такой ДНК, кроме "ремонтопригодности", может снижаться способность к редупликации и к синтезу РНК. Таковы звенья цепи молекулярных изменений, определяющих скорость старения. Однако на самом деле процесс "старения" генетического вещества еще сложнее.

Выше расчетным путем была оценена скорость спонтанного непрограммированного метилирования ДНК. Была рассмотрена скорость лишь неэнзиматического метилирования, и она оказалась очень большой. Но если это так, то и система спонтанной репарации ДНК в неповрежденной клетке должна работать с такой скоростью, чтобы из ДНК в течение часа выщеплялись многие десятки метильных групп (иначе их содержание в ДНК быстро достигло бы уровня, не совместимого с жизнью клетки). Процесс репарации ДНК такой интенсивности можно зарегистрировать либо физико‑химическими, либо более чувствительными иммунологическими методами анализа. Но к сожалению, пока он полностью не исследован.

Далее теоретический биофизический анализ ДНК показывает: в клетках с относительно большой частотой (по сравнению с частотами спонтанных мутаций) протекает процесс спонтанного дезаминирования цитозина. Если бы не было систем репарации этого типа спонтанных повреждений ДНК, то количество предмутационных изменений, ведущих к транзициям ЦГ → АТ, составило бы в расчете на клеточный цикл (его минимальная продолжительность у клеток млекопитающих составляет примерно сутки) порядка 10‑5‑10‑4 в расчете на 1 сайт, тогда как экспериментально определяемые частоты порядка 10‑8 и менее. Следовательно, мы должны заключить, что в клетках постоянно протекают не только процессы спонтанного дезаминирования цитозина, но и репарации возникающих в результате этого изменений структуры ДНК.

При действии на различные клетки относительно небольших концентраций некоторых химических мутагенов в них можно определить возрастание устойчивости к этим мутагенам, связанное с активацией (индукцией, синтезом) ферментов с защитными (репарирующими) свойствами. Мы получили доказательство, что небольшие дозы УФ‑излучения или даже тепловое воздействие определенной интенсивности и длительности могут активировать системы репарации ДНК в некоторых клетках. Другие авторы также получали факты, свидетельствующие об активной защите клетки, об их "приспособляемости" к окружающей среде и на уровне репарации ДНК.

Существуют и другие, кроме репарации ДНК, способы защиты генома, и о них еще будет рассказано. Сейчас же отмечу, что даже в устройстве генома клеток человека можно усмотреть "стремление" природы в процессе эволюции увеличить стабильность.

Основываясь на биологическом значении нестабильности ДНК, роли ДНКазы в механизмах этой нестабильности, анализе закономерностей взаимодействия Т‑лимфоцитов‑киллеров ("убийц") с клетками‑мишенями, автор этой книги обосновал предположение, что Т‑лимфоциты убивают свою жертву путем инъекции в нее ДНКаз. Это предположение было опубликовано в начале 1985 года в отечественном журнале "Успехи современной биологии". А в середине того же года группа американских авторов (В. Е. Мунгер с соавторами) сообщила, что им удалось очистить гранулы, которые вводят цитотоксические Т‑лимфоциты в клетку‑мишень. Такие гранулы содержат цитолизины, с помощью которых в мембране клеток‑мишеней образуется "дырка", и в нее поступает ДНКаза, содержащаяся в большом количестве в этих гранулах. В Т‑лимфоцитах, не обладающих цитотоксической активностью, содержание ДНКаз значительно меньше.

Теперь вспомним, что макрофаги убивают бактерии посредством действия на них активных форм кислорода: супероксидного радикала и образуемых при его участии радикала ОН· и Н2О2 (также содержащих кислород в полувосстановленной форме). Этот класс веществ, конечно, резко отличается от ДНКаз. Но у них есть и общее свойство – все они являются эндогенными генотоксическими факторами, используемыми одними клетками для разрушения других.

У строгого читателя может возникнуть вопрос: а какое отношение рассказ о механизмах разрушения одних клеток другими имеет к старению? Прежде чем ответить, напомню, что способность определенных клеток пожирать и убивать другие клетки была открыта И. И. Мечниковым – великим русским биологом, первым из отечественных ученых получившим Нобелевскую премию по биологии и медицине. Так вот, И. И. Мечников этим своим открытием не только заложил основы учения о клеточном иммунитете (важнейшей области современной биологии и медицины), но и сформулировал фактически первую гипотезу о механизмах старения человека. И. И. Мечников предположил, что макрофаги могут "пожирать" также клетки собственных органов, например (и это он считал особенно существенным в механизмах старения человека) незаменимые (неделящиеся) клетки в процессе старения органов. Гипотеза И. И. Мечникова, конечно, теперь имеет прежде всего исторический интерес. Однако она же может стать основой для более совершенных гипотез, учитывающих роль иммунологических механизмов (или в более широком смысле – межклеточных взаимодействий) в старении организма.

Ведь получается, что защитные устройства сами участвуют в механизмах старения. Более того, если принять во внимание, что активные формы кислорода и ДНКазы не только "орудия агрессии" клеток, но и мощные эндогенные генотоксические факторы, т. е. что они механизмы "спонтанного" повреждения ДНК, определяющего старение, то станет очевидной взаимосвязь механизмов защиты организма (или агрессии, если рассматривать межклеточные отношения) и старения. Судя по всему, системы транспорта электронов в древних клетках и весь их метаболизм формировались и с учетом их защиты от других клеток или (что примерно то же самое для клеток) с учетом необходимости их агрессивного поведения.

На более поздних этапах эволюции, когда сформировались высшие организмы, эта функция перестала быть столь существенной, и теперь молекулярные средства защиты и нападения стали и механизмами старения и клеток, и всего организма. Более того, именно эти механизмы могут быть основной причиной гибели клеток и организма при действии на него экстремальных факторов.

Действительно анализ многочисленных фактов показывает, что под влиянием различных физических и химических факторов и даже вирусов в клетках происходит возрастание активных форм кислорода (иногда говорят об окислительном стрессе) и(или) ДНКаз. Особенно подробно изучена роль последних в механизмах гибели лимфоцитов после облучения организма ионизирующими излучениями.

И здесь надо отметить выдающийся вклад радиобиологов, особенно отечественных (Н. В. Ермолаева, А. М. Кузин, В. К. Мазурик, Н. И. Рябченко, С. Р. Уманский, Г. Е. Фрадкин, К. П. Хансон, И. В. Филиппович) и чехословацких (М. Скалка с соавторами). Именно благодаря их работам концепция программированной гибели клеток и кардинальной роли ДНКаз(ы) в этой гибели получила начиная с середины 70‑х годов мощное развитие. Полагают, что в радиочувствительных клетках (лимфоцитах) в результате облучения ДНКазы (во всяком случае, одна из них, стимулируемая Са2+) активируются и вызывают разрушение ДНК этих клеток.

Еще одна и, возможно, самая яркая грань взаимосвязи механизмов повреждения и защиты на одном и том же уровне – ДНК обнаруживается, если принять во внимание, что ДНКазы участвуют и в индукции, и в репарации повреждений ДНК.

Двойные разрывы ДНК могут возникнуть по крайней мере двумя путями: через одновременное образование двух однонитевых разрывов, каждый из которых локализован в одной из комплементарных цепей в пределах участка ДНК длиной около 10 нуклеотидов, или через последовательное образование сначала одного разрыва, а затем, если первый не успел репарироваться, – другого.

Исходя из оценок частот образования однонитевых разрывов, сделанных в предыдущей главе, можно заключить, что без участия ферментов оба пути спонтанного образования двунитевых разрывов реализуются исключительно редко. Очень вероятно, что механизм образования двунитевых разрывов в ДНК включает действие ДНКазы на интактную ДНК в участках (в пределах 10 нуклеотидов), расположенных напротив участка комплементарной цепи, содержащей однонитевый разрыв (и следовательно, в локально денатурированном участке двойной спирали ДНК). Действительно в различных клетках животных и человека найдены эндонуклеазы, которые специфичны по отношению к однонитчатой ДНК, т. е. "узнающие" места расплетения ДНК, которые могут образоваться в месте образовавши в ДНК однонитевого разрыва или локального расплетения нативной ДНК вследствие флуктуации в распределении тепловой энергии.

Обычно полагают, что нахождение эндонуклеазами мест частичной денатурации ДНК – это и есть механизм узнавания различных повреждений ДНК этими ферментами, катализирующими первый этап репарации ДНК – инцизию. Следовательно, эти же ферменты могут расщеплять ДНК и в участках локального расплетения двойной спирали – вследствие флуктуации в распределении тепловой энергии. Но кроме того, если эти ферменты ошибутся и индуцируют разрыв в противоположной цепи, содержащей частично расплетенный участок после образования однонитевого разрыва, то это приведет и к образованию двунитевого разрыва.

Таким образом, два противоположных процесса (развитие первичных спонтанных повреждений ДНК и начальные этапы их репарации) катализируются одним и тем же классом ферментов – ДНКазами. И только специфические эндонуклеазы могут сделать выбор между двумя этими процессами (и то не всегда точно).

Что касается экзонуклеаз, то, вероятно, одни и те же ферменты могут катализировать и репарацию ДНК, и ее деградацию. И следовательно, только изучая последующие молекулярные события, можно решить, каково биологическое значение энзиматической деградации ДНК. Более того, биологическое значение деградации даже целых генов может быть двояким: или их повреждение, или освобождение генома от ненужных "использованных" генов.

Возвращаясь к проблеме изменения процессов репарации при старении, мы теперь видим, что пока изучены лишь немногие из ее аспектов. Я подчеркиваю это, потому что обилие фактов по этой проблеме создало иллюзию ее полной изученности даже у специалистов. Так, на симпозиуме по генетике старения, состоявшемся в ноябре 1984 года, один из очень известных наших биогеронтологов заключил свой доклад предположением, что, наверное, теперь мы уже почти все знаем о механизмах репарации и об их изменении при старении. Однако на самом деле ситуацию можно охарактеризовать следующим образом: многие звенья механизмов регуляции репарации ДНК и причины их изменения при старении достаточно детально не исследованы, а о некоторых свойствах репарации ДНК мы можем только догадываться. Но одно заключение все же можно сделать: способность клеток к репарации повреждений ДНК, вызванных облучением, особенно облучением УФ‑лучами, в процессе старения, как правило, снижается.

К содержанию книги: Биология человека. Причины старения организма и долголетие