Виленчик Михаил Маркович

«Биологические основы старения и долголетия»

Издание 2-е переработанное и дополненное

Об авторе

Автор М. М. Виленчик, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологической физики АН СССР. Специалист в области радиационной биофизики, биогеронтологии и радиационного старения и канцерогенеза. Автор монографий по этим вопросам: "Молекулярные механизмы старения"; "Радиобиологические эффекты и окружающая среда" и других книг.

Предисловие

В проблемах, рассматриваемых в этой книге, есть аспекты, которые представляют общебиологический интерес и даже имеют мировоззренческое значение. Яркий пример этому — вопросы нестабильности генетического вещества. Именно исходя из анализа молекулярных механизмов старения, автор впервые пришел к заключению, теперь подтвержденному, что гены нестабильные структуры. Поэтому читатель настоящей книги, знакомясь с популярным изложением современного состояния этого вопроса, получит новые знания не только о биологических основах старения и долголетия, но и об одном из фундаментальных свойств биологических систем. Но это с одной стороны.

С другой — из данных, представленных в книге, вытекает связь проблемы биологии долголетия с различными другими практически важными вопросами, в частности с вопросами о механизмах устойчивости организма к химическим веществам, загрязняющим окружающую среду (в том числе канцерогенам), и к излучениям.

Большой профессиональный опыт автора не только как биогеронтолога, но и как радиобиолога и специалиста по механизмам генетического действия химических мутагенов помог ему глубоко аргументированно и в то же время достаточно доступно изложить рассматриваемые вопросы.

О связи этих вопросов с проблемами экологии человека и в то же время о высоком уровне исследований автора свидетельствует следующее. Недавно опубликован доклад Научного комитета по биологическому действию атомной радиации, предназначенный для широких кругов биологов и для Генеральной Ассамблеи ООН. Из этого доклада следует: если, как мы надеемся, не произойдет ядерной катастрофы, то природный фон излучений сам по себе не будет причиной ускоренного старения. Но сочетанное действие на организм фоновых излучений и химических веществ, загрязняющих окружающую среду, может быть причиной ускорения развития болезней, связанных со старением.

Аналогичные заключения были сделаны ранее и автором этой книги. Примечательно, что эксперты Комитета ООН в упомянутом Докладе Генеральной Ассамблеи ООН подчеркнули фундаментальность результатов теоретических исследований автора и экспериментальных данных, полученных им и другими советскими исследователями. Это свидетельствует о том, что теоретическая концепция нестабильности ДНК и вытекающая из нее гипотеза автора о роли репарации ДНК в долголетии (о которых он подробно рассказывает в этой книге) уже получили признание ученых как концепции, помогающие понимать механизмы и естественного старения, и старения, ускоренного внешними факторами, в частности радиацией.

Необходимость исследований биологических основ старения, значение таких исследований для сохранения общественного здоровья были, пожалуй, впервые обоснованы в трудах И. И. Мечникова, причем эти труды были написаны языком, понятным широкому кругу биологов и даже небиологов. Настоящая книга, по-моему, продолжает эту одну из традиций отечественной науки, давая возможность широкому кругу читателей составить цельное представление о биологических основах старения и долголетия.

Но конечно, сегодня проблемы старения и долголетия стали очень широкими. Понимая это, автор книги сосредоточил свое внимание на физико-химических и клеточных аспектах. При этом там, где возможно, он убедительно разъясняет и причины снижения функциональной способности органов, и причины увеличения предрасположенности организма к различным болезням при старении. Эти заключения будут интересны как специалистам, изучающим механизмы старения, основы жизнестойкости организма, так и читателям-небиологам, интересующимся проблемами этой области науки. Ее содержание я охарактеризовал бы не только как популярное изложение современного состояния знаний о биологии старения и долголетия, но и как оригинальное исследование, которое поможет и творческой молодежи, и зрелым ученым в познании механизмов преждевременного старения, защитных механизмов, средств предупреждения распространенных болезней, в поиске средств защиты от преждевременного старения, обусловленного неблагоприятным воздействием на организм факторов окружающей среды.

Член-корреспондент АН СССР А. М. Кузин

От автора

Из всех дисгармоний человеческой природы самая главная есть несоответствие краткости жизни с потребностью жить гораздо больше… наука еще далеко не сказала последнего слова в нашей борьбе за продление жизни…

И. И. Мечников

Выдающийся наш биолог И. И. Мечников писал: "Продление жизни должно идти рука об руку с сохранением сил и способности к труду". И как бы принимая эстафету, сегодня ученые-геронтологи развивают мысль о том, что одна из целей науки состоит в сохранении у человека трудоспособности на значительно больший срок, чем тот, на который он мог рассчитывать ранее. "Рука об руку" с этим, конечно же, "должно идти" и сохранение духовной бодрости, социальной активности, потребности быть полезным людям.

Чтобы разработать эффективные меры преодоления старения, нужно знать, какие же изменения, происходящие в организме с возрастом, постепенно приводят его к одряхлению. Познание механизмов этих изменений будет способствовать тому, что мы научимся замедлять, а может быть, и предотвращать или даже обращать вспять процессы старения.

В настоящей книге речь главным образом пойдет о молекулярно-клеточных основах возрастных физиологических изменений, снижающих жизнеспособность организма и увеличивающих его уязвимость к наиболее опасным и распространенным заболеваниям пожилого возраста и старости. Автор видел свою задачу прежде всего в том, чтобы рассказать о старении на различных уровнях биологической организации: от молекул до организма. Ибо попытаться понять, что же такое старение, можно лишь ознакомившись с процессами, охватывающими практически все структуры организма.

Из предисловия к первому изданию

* * *

За 10-летие, прошедшее после первого издания этой книги, наши знания о молекулярных основах жизнеспособности организма и механизмах ее снижения с возрастом (при старении) или под влиянием экстремальных факторов окружающей среды значительно расширились и углубились. Получены принципиально новые данные о физико-химических основах жизнедеятельности: о закономерностях организации и функционирования генетического аппарата, о роли специальных белков (рецепторов) и некоторых низкомолекулярных веществ в регуляции биохимических процессов. Что касается специальных знаний, то отмечу результаты изучения значения генетических изменений и нарушений регуляции биофизических и биохимических процессов в старении, а естественных (природных) молекулярно-клеточных защитных механизмов и факторов — в долголетии. Теперь есть веские основания полагать, что в зависимости от того, какие гены повреждаются с возрастом, в каких клетках и органах это происходит, возрастные молекулярные генетические изменения могут приводить, например, либо к гибели неделящихся нервных клеток и к увеличению предрасположенности к тяжелому заболеванию центральной нервной системы, либо к нарушению регуляции деления других клеток, активации в них так называемых онкогенов и увеличению вероятности развития опухолевого заболевания. Но механизмы повреждения генов во всех этих случаях, оказывается, имеют общие звенья. Следовательно, удалось обнаружить общие начальные (пусковые) механизмы старения и гибели клеток, а также развития самых тяжелых и распространенных болезней, предрасположенность к которым увеличивается по мере старения организма.

Выявленные закономерности представляют не только общебиологический или мировоззренческий интерес, обнаруживая новые фундаментальные свойства генетического вещества и общность механизмов, казалось бы, очень различных биологических процессов и явлений. Эта общность открывает также перспективу использования достижений биогеронтологии для профилактики тяжелых и распространенных заболеваний. А средства профилактики этих болезней, по сути, являются средством борьбы с преждевременным старением.

Наряду с общностью механизмов развития рассматриваемых явлений теперь удается обнаружить и взаимосвязь различных молекулярных процессов, лежащих в основе старения. Например, генетические изменения служат причиной нарушения синтеза белка или энергетического обеспечения клетки; но такие нарушения со своей стороны ухудшают способность клетки залечивать (репарировать) генетические повреждения. А это, в свою очередь, приводит к возрастанию нестабильности генетического вещества, к увеличению скорости накопления его повреждений, возникающих как спонтанно, так и по причине вредных привычек или вследствие действия на организм агентов, загрязняющих окружающую среду.

Вот почему во втором издании этой книги автор попытался проследить связь биологических основ старения с определенными экологическими проблемами, с биологическими (или, точнее, биомедицинскими) аспектами некоторых болезней, с проблемой здорового образа жизни. Что же касается новых практических рекомендаций, то при их отборе автор ограничился лишь теми, весьма немногими, которые отвечают следующим трем условиям: а) вытекают из теоретических положений или согласуются и подкрепляются ими; б) проверены в эксперименте на лабораторных животных с положительным результатом; в) подкреплены результатами медицинских обследований людей.

С учетом этих требований на стр. 49–54, в книге сделана вставка, где, в частности, рассказано о некоторых пищевых факторах, которые, по-видимому, способны тормозить развитие не только "физиологического", но и "радиационного" старения и снижать риски развития болезней, ассоциированных со старением. Эти биологические факторы действуют на молекулярно-клеточном уровне и поэтому оказывают свое заметное воздействие до того, как могут проявляться "симптомы" старения, или симптомы ассоциированных с ним болезней, по которым врачи обычно выявляют такие патологические состояния организма. Рекомендации, о которых рассказано в книге, можно использовать и после воздействия малых доз радиации или других факторов риска развития преждевременного старения. Но чем раньше будет предупреждено развитие нежелательных молекулярно-клеточных изменений, тем, конечно, больше вероятности устранить отдаленные патофизиологические последствия. Автор, будучи специалистом в области не только биогеронтологии, но и радиобиологии, в связи с трагическими событиями в Чернобыле счел своим долгом сделать указанную вставку в корректуре книги.

Глава I

Здоровье, старение и долголетие с точки зрения биологии

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 10^10 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 7·10^9 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 O_2, а также Н_2О_2, 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 2·10^3 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 3·10^3 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 10^5 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 5·10^3 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 10^5 таких повреждений, а за время жизни нейронов в мозге человека (приблизительно 70 лет) — около 2,5·10^9 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 10^6 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 3·10^3 в час, или почти 10^5 в сутки, или около 5·10^8 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 10^5 (обычно генетики называют цифру 5·10^4). 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 10^5 и 10^8 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 2·10^3 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 4·10^8 повреждений. Из них при 99,9 %-ной полноте репарации остаются не репарированными 4·10^5. 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 8·10^5 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 4·10^8 повреждений в ее ДНК при 99,99 %-ной точности этой репарации может возникнуть и произойти 4·10^4 "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.

Глава II

Снижение "запаса прочности" — показатель старения организма

Опытные врачи знают: даже если у пациента все физиологические функции находятся в пределах так называемой нормы, это еще не значит, что он вполне здоров — у него могут быть скрытые нарушения работы различных органов.

Такого рода дефекты, как правило, обнаруживаются, если человек оказывается в стрессовых условиях. Но физиолог их может выявить и с помощью определенной нагрузки на организм или функциональных проб. Это могут быть, например, интенсивные физические упражнения или введение в организм определенного (безвредного) количества глюкозы. Функциональные пробы помогают определить резервы, потенциальные возможности организма, его способность включать компенсаторные механизмы защиты, восстанавливать нарушенное равновесие.

В организме в ответ на патологические процессы возникают приспособительные и компенсаторные реакции, как бы нейтрализующие, демпфирующие действие первых. Но для того чтобы такие реакции возникли, "возмущение системы" должно быть не ниже пороговой величины. Если же равновесное состояние организма не нарушается, то возникающие в нем небольшие изменения "не замечаются" его системами, ответственными за адаптацию, за развитие компенсаторных и приспособительных процессов. Например, удаление у животного части печени (эта операция называется гепатэктомия) вызовет развитие процесса восстановления массы органа (регенерации) лишь в том случае, если удалена значительная его часть (у некоторых животных не менее 10 % всей печени). Гибель же клеток печени в процессе старения происходит со скоростью во много раз меньшей.

Если учесть к тому же, что механизмы, регулирующие приспособительные и компенсаторные реакции, в процессе старения тоже нарушаются, то станет понятнее, каким образом разрушительные (сенильные) изменения могут накапливаться. Встречающиеся исключения только подтверждают отмеченную закономерность процесса старения, так как развитие определенных компенсаторных реакций пока наблюдали лишь в пожилом возрасте, когда сенильные изменения были накоплены в организме. Известный советский физиолог и геронтолог В. В. Фролькис, внесший существенный вклад в изучение таких реакций, полагает, что управление ими может служить одним из подходов для увеличения жизнеспособности стареющего организма. Таково же мнение и выдающихся наших онтофизиологов и биогеронтологов академика В. Н. Никитина и профессора И. А. Аршавского. С этим мнением нужно согласиться.

В 1984 году опубликованы результаты 25-летнего лонгитудинального изучения старения по программе Национального института старения США. При исследовании функциональной способности на добровольцах различного возраста обнаружено: с годами частота сердечных сокращений уменьшается. Систолический и диастолический объемы при физической нагрузке даже возрастают, что означает: у людей, не страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, оба изменения могут компенсировать друг друга, так что функциональная способность сердца с возрастом может существенно не понижаться.

Это пока только один из примеров, свидетельствующих о том, что в организме, к счастью, протекают и такие процессы, которые тормозят старение. Мы будем называть такие процессы и механизмы их развития ювенильными (это синоним слова "молодой"), так как они противодействуют развитию сенильных процессов, ведущих к старению организма. С помощью таких механизмов поврежденные генетические структуры могут быть восстановлены ("отремонтированы"); мутантные, дефектные белки разрушены и заменены нормальными молекулами такого же типа; токсические вещества, попавшие в организм из окружающей среды, окислены до безвредных продуктов и т. д.

К сожалению, молекулярные механизмы восстановления и защиты не всегда успевают сработать вовремя и точно. А если повреждение хромосомы не устранено до того, как клетка начнет делиться, то в процессе деления она может погибнуть. Мутантный белок должен быть вовремя разрушен, в противном случае существует большая вероятность того, что он после взаимодействия с липидами и другими молекулами станет "шлаком", от которого клетке избавиться уже будет очень трудно. Еще хуже, если клетка не успела избавиться от таких мутантных белков, которые катализируют, например, процесс синтеза ДНК. В этом случае точность копирования генетической информации будет резко снижена, и в результате дочерние клетки станут наследственно измененными — мутантными, а это значит, возможно, и раковыми.

Таким образом, возникающие спонтанно или под влиянием неблагоприятных факторов окружающей среды молекулярные повреждения могут "ускользать" от молекулярных механизмов восстановления и защиты. Вызванные же ими затем клеточные, физиологические изменения обычно "не замечаются" физиологическими адаптационными механизмами. Так незаметно происходит накопление сенильных изменений, а значит — и снижение функций органов. А вот сознание человека часто не приемлет даже "мельчайших" признаков собственной старости:

Все не могу привыкнуть

к старости

..............................

К телесным и душевным

ссадинам,

К мельчайшим возрастным

приметам,

Таким нежданным и

негаданным,

Как будто заморозки

летом.

М. Матусовский

Вероятно, поэтому человек может собственными силами преодолеть духовное старение, тогда как физического старения "собственными силами" ни один организм пока преодолеть не сумел.

По мере старения увеличивается вероятность смертности не только вследствие развития различных заболеваний, но и под влиянием неблагоприятных факторов окружающей среды. Перегревание или переохлаждение, кровопотеря или сильное нервное потрясение могут быть легко перенесены молодым организмом, но часто имеют трагические последствия для старого. Это связано с тем, что снижение функций различных органов в процессе старения ведет к уменьшению и потенциальных возможностей организма в целом, и его способности функционировать при повышенной нагрузке и приспосабливаться (адаптироваться) к этой нагрузке. С наступлением глубокой старости запас прочности функций организма становится столь мал, что даже незначительное отклонение условий жизни от нормальных, даже легкое заболевание могут быть роковыми. Вот почему старые люди нуждаются в щадящем отношении к ним.

Дэвид Хоган и Рональд Кэйп из лаборатории гериатрической медицины медицинского центра в университете Онтарио (Канада) обследовали пожилых людей (31 мужчина и 1 женщина) в возрасте 60–88 лет, занимающихся марафонским бегом. Единственное отрицательное последствие от такого занятия, которое они обнаружили, состояло в "изнашивании" скелетно-мышечной системы, причем симптомы приобретенных изменений этой системы, как подчеркивают авторы этого обследования, имеются не только у пожилых, но и у молодых марафонцев.

Какова биологическая основа рассмотренной закономерности? Резкое увеличение физической нагрузки сопряжено с увеличением интенсивности потребления мышцами кислорода, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости образования активных форм кислорода (радикалов , ОН·), Н_2О_2, перекисей липидов, способных оказывать разрушительное (деструктивное) действие. Правда, побочный, деструктивный эффект может быть резко уменьшен защитными системами, активность которых также, вероятно, возрастает (в частности, при физической нагрузке в мышцах может возрастать активность супероксиддисмутазы, устраняющей радикал ). Но активность защитных механизмов и способность организма увеличивать эту активность в процессе старения, как правило, снижаются (подробнее см. главу IV) — вот это и есть, вероятно, одна из молекулярных основ "изнашивающего" действия интенсивных физических нагрузок на мышцы пожилых.

Наряду с этим при старении снижается и эффективность кровоснабжения органов. Это связано с изменением самих кровеносных сосудов: уменьшается их эластичность (способность изменять свой диаметр в результате изменения тока крови), а на внутренней поверхности сосудистой стенки образуются атеросклеротические бляшки.

В частности, поэтому снижается "запас прочности" сердечно-сосудистой системы, ее способность приспосабливаться к физическим нагрузкам, снабжать работающие мышцы содержащимися в крови питательными веществами и осуществлять отток из тканей определенных метаболитов.

Физиологи уже давно пришли к заключению, что в преклонном возрасте, так же как и в детском, регуляторные гомеостатические механизмы менее совершенны, чем у молодых взрослых людей. Если способность механизмов регуляции снизится значительно, взаимодействие функций и физиологических процессов расстроится, станет некоррелируемым и некоординируемым, реакции организма на внешние воздействия станут неадекватными. В этом случае может развиться "болезнь гомеостаза".

Скрупулезное исследование молекулярных и физиологических изменений, наблюдаемых при старении, позволяет попытаться определить их последовательность. Изменение функций различных органов можно связать с ослаблением нервного контроля этих функций. А такое ослабление, в свою очередь, логично объяснить гибелью нервных клеток и нервных волокон и в связи с этим — снижением уровня и скорости синтеза веществ, участвующих в передаче нервных импульсов (нейромедиаторов), а также уменьшением способности регулируемых клеток воспринимать эти импульсы — регулирующие сигналы. Такое восприятие осуществляется с помощью специальных белков-рецепторов нейромедиаторов. Причем эти белки встроены в мембраны чувствительных клеток. При старении по крайней мере в некоторых участках тела уменьшается и выработка нейромедиаторов, и содержание белков-рецепторов, их воспринимающих (см. главу III).

Для осуществления организмом различных функций исключительно большое значение имеют гормон-рецепторные взаимодействия. Нарушение таких взаимодействий может быть как биологической основой старения, так и молекулярным механизмом возникновения различных болезней, поражающих преимущественно пожилых людей. В последние годы изменение рецепции ("восприятия") стероидных гормонов при старении стало одной из основных тем исследований сектора геронтологии АН БССР. Руководитель этого сектора Е. Ф. Конопля с сотрудниками (А. Д. Наумов, М. М. Орлов и другие) уже изучили возрастную динамику содержания рецепторов глюкокортикоидов и половых гормонов в органах крыс с различной степенью гормональной зависимости (матка, простата, печень). Установлено: с возрастом в ядре и в цитозоле матки уменьшается содержание рецепторов, связывающих эстрадиол.

Центральным звеном во всей регуляции метаболизма в целостном организме является активация аденилатциклазы, индуцируемая связыванием мембранных рецепторов "со своими" сигнальными субстратами (лигандами).

В результате связывания нейромедиатора — катехоламина "со своим" β-адренорецептором также происходит активация аденилатциклазы и, следовательно, также возрастает содержание цАМФ в клетке. Это, в свою очередь, активирует процесс цАМФ-зависимого фосфорилирования ферментов и структурных белков. Но как будет показано в главе III, содержание β-адренорецепторов в различных клетках стареющего организма, как правило, уменьшается.

Приведенные примеры ясно свидетельствуют о том, что "потенциал", "запас прочности" функций различных органов старого организма и в связи с этим его способность адаптироваться к изменению внешних условий, устойчивость к таким изменениям резко снижены. Теперь становится очевидным, сколь важно для понимания механизмов старения получить ответ на вопрос: от чего зависит, чем определяется "запас прочности" той или иной функции организма? Ведь от ответа на него будут зависеть и наши представления об основных путях борьбы с преждевременным старением. Если научиться увеличивать "запас прочности" функций всех органов человека или по крайней мере тех, которые "дряхлеют" раньше остальных, то тем самым можно не только задержать развитие преждевременного старения, но и обратить его вспять, не только предупредить преждевременную смерть человека, "прибавить годы к жизни", но и сделать более продуктивной и интересной жизнь пожилых людей, "прибавить жизни к годам".

Молекулярные основы снижения "запаса прочности" стареющего организма

Теперь мы уже знаем, что один из молекулярных механизмов снижения адаптационной способности организма при старении может состоять в изменении количества рецепторов в центральной нервной системе. С возрастом может уменьшаться количество дофамин- и β-адренергических рецепторов в головном мозге различных млекопитающих. При этом, как следует из опытов на крысах, способность адаптироваться к различным стимулам на уровне дофаминергических рецепторов в старости сохраняется, тогда как уменьшение β-адренергических рецепторов снижает адаптационную способность организма. Для снижения этой способности, возможно, имеет значение изменение не только количества, но и качества рецепторов (их структуры и сродства к молекулам, специфически взаимодействующим с этими рецепторами), а также физико-химического окружения (т. е. свойств липидного бислоя мембран, в которые могут быть встроены рецепторы).

Концентрация цАМФ и активность аденилатциклазы, катализирующей синтез этого регулятора многих биохимических процессов, имеют существенное значение для функциональной способности целого ряда исследованных клеток и органов. Активность аденилатциклазы регулируется целым рядом биологически активных факторов, в частности нейромедиаторами. А их эффекты, в свою очередь, зависят от соответствующих рецепторов, количество которых может уменьшаться при старении. В результате активность аденилатциклазы и, следовательно, цАМФ под влиянием различных стимулов у старых животных нарастает медленнее, чем у молодых.

Этот теоретический (исходя из анализа механизмов старения) вывод соответствует результатам исследования, проведенного Джохапаном Стессманом с соавторами (Иерусалим, 1984 год) на 10 молодых здоровых добровольцах (средний возраст 27 лет) и 10 пожилых людях (средний возраст 77 лет). Добровольцам вводили сальбутамол, специфически взаимодействующий с одним из типов рецепторов к нейромедиаторам, от которых зависит активность аденилатциклазы. Под влиянием этого вещества концентрация цАМФ у молодых людей увеличилась в 3 раза, а у пожилых лишь в 1,5 раза. Следовательно, функциональная способность органов, активность которых обеспечивается также соответствующей концентрацией в клетках цАМФ, при старении может быть снижена и вследствие снижения количества или нарушения структуры и функции β-рецепторов.

Кроме того, характер изменения давления и частоты пульса (также регулируемых через β-рецепторы в тканях сердечно-сосудистой системы) у молодых и пожилых людей изменялись после введения им сальбутамола по-разному: у первых систолическое давление и частота пульса возрастали, а диастолическое давление уменьшалось, тогда как у пожилых людей эти показатели оставались прежними.

В клетках почки продукцию выработки цАМФ можно стимулировать при определенных условиях вазопрессином. Эксперименты показывают: в клетках старых мышей (возраст 35 месяцев) максимальная реакция стимуляции выработки цАМФ гораздо меньше, чем в клетках молодых мышей, а при этом вазопрессина, необходимого для получения максимальной реакции у старых мышей, требуется гораздо больше. Хотя если исследовать клетки без активации в них синтеза цАМФ, то оказывается, что его количество не зависит от возраста мышей в достаточно широком диапазоне возрастов, т. е. оно практически одинаково у молодых животных (6 месяцев) и у старых (35 месяцев).

Отмеченное в рассмотренном примере ослабление синтеза цАМФ при действии вазопрессина может иметь прямое отношение к снижению концентрационной способности почек при старении. Теперь мы можем провести параллель между функциональной способностью органа и "запасом прочности" его молекулярных механизмов, активируемых физиологическим стимулом.

Изменение скорости протекания различных биохимических процессов в организме людей преклонного возраста, в частности нарушение микросомальной системы метаболизма чужеродных веществ, заставляет соблюдать большую осторожность при выборе и применении целого ряда лекарственных препаратов, особенно таких, как β-адреноблокаторы, сердечные гликозиды, диуретики, антикоагулянты, барбитураты, гормональные препараты, сульфаниламиды и антибиотики.

Можно отделить общие молекулярные механизмы старения (такие процессы, как повреждение генов, снижение активности и, возможно, точности работы белоксинтезирующего аппарата), лежащие в основе снижения функциональной способности всех или большинства клеток и тканей, от специфических для определенных тканей и органов механизмов. О молекулярно-клеточных процессах старения и их механизмах мы будем неоднократно говорить. Здесь приведем лишь один пример.

Одним из наиболее уязвимых к старению органов является матка. Ее старение также можно связать с нарушением молекулярных механизмов гормональной регуляции этого органа. Вот впечатляющий пример. После того как молодым овариэктомированным крысам (возраст 6–8 месяцев) внутрибрюшинно ввели 3 мг (в расчете на 100 г массы животных) женского полового гормона 17 β-эстрадиола, активность РНК-полимеразы (фермента, катализирующего синтез ПНК) в ядрах матки возрастала и достигала максимума (85 %) через 12 часов. У старых же овариэктомированных самок крыс (возраст 24 месяца) максимум активности был достоверно ниже, и наблюдали его лишь через 18 часов после введения гормона. Кроме того, через 6 часов после введения того же гормона активность РНК-полимеразы у молодых крыс возрастала по сравнению со старыми примерно в 10 раз.

Из примера явствует, что в процессе старения матки в ядрах клеток происходит существенное снижение чувствительности процесса активации синтеза РНК под влиянием гормона. Эти молекулярные изменения могут уменьшать функциональную способность органа (ведь синтез РНК определяет синтез белков, а последние — функции органа, в том числе и функции матки).

Конечно, механизмов поддержания жизнеспособности организма может быть множество.

К числу наиболее важных отнесем молекулярные системы поддержания надежности функционирования генов, центральную нервную систему и систему иммунологической защиты. Причины сбоя этих механизмов при старении в значительной своей части ясны. Таким образом, уже известны критические звенья, влияя на которые можно надеяться задержать преждевременное старение или по крайней мере уменьшить вероятность одряхления.

Рассмотренными здесь системами не ограничивается число критических параметров организма, по которым можно судить о его жизнеспособности в пожилом возрасте. Например, результаты биохимического анализа сыворотки японцев старше 65 лет, госпитализированных по поводу различных заболеваний, связанных со старением, показывают: чем выше концентрация в сыворотке кальция, тем больше у больного шансов выйти из клиники выздоровевшим.

Клеточные изменения и снижение сопротивляемости организма

Итак, после прекращения развития организма "запас прочности" его органов и их функциональной активности начинает постепенно снижаться. Это может быть связано и с тем, что количество функциональных единиц органов и митотическая активность обновляющихся органов уменьшаются. Например, уменьшается количество нефронов в почках, нейронов в головном мозге, альвеол в легких и в поджелудочной железе, сосудистых клубочков в различных органах, сосочков эпидермиса в коже. Митотическая активность эпителия кожи и кишечника, интенсивность деления клеток других обновляющихся тканей также уменьшаются в процессе старения организма.

Мы уже говорили о влиянии на жизнеспособность организма гибели нервных клеток. Для снижения функциональной способности различных органов имеет значение гибель и другого типа клеток. Так, функциональная способность легких у женщин в 90-летнем возрасте резко уменьшена по сравнению с функциональной способностью легких молодых (до 35 лет) женщин. Причем согласно данным авторов, установивших этот факт, он объясняется прогрессирующим уменьшением числа клеток.

Исследование клеток иммунологической системы позволяет проследить изменение не только количества и активности того или иного элемента биологической системы при старении, но и соотношения их. Например, при исследовании лимфоцитов периферической крови, полученной от пожилых людей, выяснилось: относительное содержание субпопуляций лимфоцитов у них изменено по сравнению с популяцией лимфоцитов, полученных от молодых людей. Дисбаланс содержания Т-лимфоцитов у пожилых людей связан с изменением соотношения субпопуляций лимфоцитов этого класса. Но известно, что в иммунном ответе существенное значение имеет сбалансированное взаимодействие различных субпопуляций лимфоцитов.

Можно полагать, что снижение с возрастом способности клеток к делению (а это один из основных функциональных признаков старения клетки) находится в причинно-следственной связи со снижением жизнеспособности всего организма.

Синтез белка и старение

По химическому составу, структуре и ультраструктуре (наблюдаемых соответственно в световом и электронном микроскопах) клетки различных организмов и органов могут различаться весьма значительно, и вот в связи с чем. Кроме функций, необходимых для "самосохранения", клетки выполняют и специализированные функции, необходимые для жизнедеятельности всего организма. Клетки желез внутренней секреции выделяют в кровь секрет, мышечные клетки участвуют в акте сокращения мышц, нервные — в синтезе белков, необходимых для генерации и передачи нервных импульсов, и т. д. В основе этих различий лежит синтез клетками специфических белков, участвующих в выполнении специализированных функций. Так, клетки поджелудочной железы синтезируют инсулин, щитовидной железы — тироксин, нервные клетки — белки, синтезирующие передатчики нервных импульсов (нейромедиаторы), мышечные клетки — миозин, миоглобин и актин, фибробласты — коллаген и т. д. Следовательно, нарушение синтеза таких белков при старении должно приводить к нарушению их способности выполнять специализированные функции, к снижению функциональной активности органов, в состав которых они входят. Действительно в процессе старения человека и животных, например, клетки поджелудочной и щитовидной желез, клетки мышц и соединительной ткани синтезируют с меньшей интенсивностью соответственно инсулин, тироксин, миозин и коллаген.

Способность почек "отфильтровывать" кровь от ненужных или даже вредных веществ с возрастом также уменьшается. В выполнении клетками почек этой их основной (специализированной) функции участвует и специальный белок — аденозинтрифосфатаза, стимулируемая ионами натрия и калия. Ее активность в клетках почек в процессе старения может снижаться. Такой же фермент наряду с другим — лактатдегидрогеназой — необходим для работы мышц. Так вот, способность мышц к сокращению при старении и человека и всех изученных животных снижается, и уменьшается активность упомянутых ферментов.

Пока процесс старения не зашел еще слишком далеко и снижение интенсивности синтеза специализированных белков относительно невелико, активность функции в обычных условиях может и не быть снижена. Но представим себе ситуацию, при которой под влиянием "нагрузки" глюкозой в организме возникла потребность в увеличении количества инсулина, или в результате стрессового воздействия кора надпочечников должна выработать увеличенное количество кортикостероидов. Клетки молодых организмов справляются с этой задачей гораздо более эффективно, чем клетки старых организмов. Таким образом, одной из биохимических основ снижения "запаса прочности" физиологических функций может быть снижение способности клеток органов, выполняющих эти функции к синтезу специализированных белков.

Можно сделать даже более широкое обобщение: один из важных физиологических (а может быть, и психологических) признаков старения организма — снижение его адаптационных возможностей, его способности приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды — обусловлен снижением способности клеток к синтезу специализированных белков. Известно, что в животных клетках, так же как и в бактериальных, протекают процессы так называемой индукции синтеза белка.

Например, если корм животного содержит относительный избыток какой-либо аминокислоты или в его организм поступают чужеродные токсические вещества (называемые ксенобиотиками), то в печени активируется синтез ферментов, участвующих в метаболизме этой аминокислоты, или ксенобиотиков. Иначе говоря, в клетках увеличивается концентрация ферментов, для которых такие вещества, являются субстратами. Поэтому рассмотренный процесс и называется субстратной индукцией ферментов. А упомянутый выше процесс синтеза в коре надпочечника кортикостероидов под влиянием гормона гипофиза — пример гормональной индукции синтеза белка.

Близким к этому же классу процессов можно считать и синтез противобактериальных и других антител клетками системы иммунологической защиты организма. При старении по крайней мере некоторых животных способность клеток к синтезу белков во всех перечисленных случаях снижается. Изложенное приводит и к практически значимому предположению: молекулярной основой меньшей устойчивости старого организма к нарушению режима питания, к действию на него токсических веществ и других стрессовых факторов, уязвимости к инфекционным заболеваниям — основой всех этих "физиологических симптомов" старения может быть снижение способности клеток к усиленному синтезу специализированных белков, в частности снижение способности к субстратной и гормональной индукциям синтеза белка.

Еще о причинах снижения "запаса прочности" стареющего организма

Однако реакция организма на критические ситуации и адаптация к более слабым изменениям окружающей среды отнюдь не сводятся к синтезу специализированных белков.

Реакция организма на изменения условий окружающей среды включает также определенное усиление деления клеток обновляющихся тканей. Например, клетки, участвующие в синтезе антител, начинают интенсивно делиться вследствие поступления в организм микроорганизмов или чужеродных веществ (антигенов).

Более наглядный пример роли делящихся клеток в реакции на патологический стресс — заживление раны после нанесения повреждения, например раны кожи или печени. Во всех этих случаях увеличение интенсивности деления клеток старого организма обычно меньше, чем клеток молодого организма. Это означает, что при старении ослабляется способность увеличивать интенсивность деления определенных клеток, когда это необходимо организму.

Но в последние годы установлено, что стимуляция деления, например, при заживлении ран, опосредована синтезом специальных белков — ростовых факторов и других белков, специфически взаимодействующих с первыми и поэтому называемых рецепторами факторов роста. Можно полагать, что снижение митотической активности — "глухота" к митогенам, приобретаемая клетками в процессе старения, частично обусловлено снижением способности к синтезу названных белков. Таким образом, снижение при старении "запаса прочности" функций таких органов, как головной мозг, сердце, поперечно-полосатые мышцы, кожа и т. д., а затем и снижение их функциональной активности обусловлено, по крайней мере частично, нарушением синтеза специализированных белков, их организацией в определенные структуры, а также уменьшением митотической активности обновляющихся тканей.

Но афоризм, сформулированный французскими геронтологами: "Человек имеет возраст своих сосудов", конечно, тоже нельзя забывать. В некоторых случаях так называемого патологического старения изменения сосудов действительно могут определять скорость старения организма, а эти изменения во всех случаях далеко зашедшей старости — существенная причина старения и гибели клеток некоторых органов. Однако старение животных клеток, очевидно, не обусловлено только тем, что их питание с возрастом становится все хуже. Нарушение функций клеток — это внутреннее свойство, проявляющееся даже при нормальных условиях их жизнедеятельности. В чем же природа этого свойства? Что определяет жизнеспособность клетки и какие структуры ее "поражаются" при старении?

Глава III

Механизмы старения и гибели клеток

И так, теперь мы знаем, что возрастные изменения различных клеток определяются в основном внутренними причинами, хотя об изменении кровоснабжения органов, а также о действии на организм неблагоприятных внешних факторов тоже надо помнить. Что касается последнего обстоятельства, то мы его специально рассмотрим в главе VI. А сейчас для простоты анализа представим, что организм находится в идеальных условиях существования, что старение определяется в основном одним фактором — временем. Различные типы клеток "ощущают" на себе этот фактор по-разному. Одни — независимо от клеточных делений, хотя бы потому, что такие клетки потеряли способность к делению еще до формирования организма. Другие, наоборот, "помнят" о времени по числу совершенных ими клеточных делений в течение почти всей жизни организма.

Теперь мы рассмотрим молекулярные возрастные изменения клеток и постараемся выделить из них наиболее существенные. К числу таких относятся, вероятно, изменения не только ДНК, но и всего белоксинтезирующего аппарата в целом.

Белоксинтезирующие структуры и время

Клетки поджелудочной железы и мышц старых людей и животных продолжают синтезировать соответственно инсулин и миозин, но никогда наоборот. Твердого доказательства существенного изменения в процессе старения специфического для данной клетки "спектра" синтезируемых белков не было получено при исследовании и других органов.

Но такое нарушение, возможно, происходит у раковых клеток, частота возникновения которых возрастает при старении организма. Следовательно, как правило, клетка сохраняет свое дифференцированное состояние (остается "сама собой") до конца своей жизни; и если оно нарушается, то, очевидно, клетка перестает быть нормальной (она превращается в раковую клетку) или гибнет.

Действительно в последние годы обнаружено, что канцерогенез сопровождается и, вероятно, определяется активацией в трансформируемых клетках протоонкогенов. Показано, также, что, во-первых, некоторые из этих протоонкогенов активны только на ранних стадиях развития, и, во-вторых, что дерепрессия протоонкогенов в клетках взрослых организмов может быть связана с их мутацией.

То, что возможности белоксинтезирующего аппарата старых клеток снижены, следует из данных об уменьшении концентрации в них рибосом. Кроме того, синтез белка, проводимый "в пробирке" на рибосомах, выделенных из клеток старых животных, протекает гораздо менее интенсивно, чем на рибосомах, выделенных из клеток молодых животных.

Рассмотрим несколько фактов, поясняющих роль в механизмах старения изменений синтеза белка на уровне трансляции и изменения структуры белка после его синтеза (посттрансляционной модификации).

Так, снижение интенсивности синтеза белка, вероятно, является одним из механизмов старения дрозофилы. Это снижение, в свою очередь, определяется тем, что замедляется процесс роста (элонгации) пептидной цепи, вследствие снижения активности (точнее, синтеза) одного из факторов элонгации. Установлено (Г. С. Вебстер, С. Л. Вебстер, 1985, США), что снижение интенсивности синтеза этого белка связано также с ускорением распада кодирующей его мРНК.

Результаты исследования белоксинтезирующей способности препаратов различных фракций рибосом из тканей молодых и старых мышей показывают, что снижение при старении скорости синтеза белка на уровне трансляции обусловлено внутририбосомными изменениями.

Снижение синтеза белка при старении особенно сильно сказывается на функции головного мозга. Две группы исследователей обнаружили в 1984 году значительное снижение синтеза белка в тканях мозга при старческом склерозе мозга (болезни Альцгеймера). Причем одна группа из Гарвардского университета (США) изучала синтез белка в препаратах, полученных из мозга умерших людей, а другая группа (французских исследователей) определяла метаболическую активность ткани мозга в прижизненных исследованиях.

Связь между снижением функции определенных структур мозга и снижением интенсивности синтеза в них белка была прослежена также в опытах на крысах в лаборатории Л.Соколова (1985, США) и в лаборатории метаболизма мозга отдела охраны здоровья человека в Бетесде. Согласно данным этой лаборатории, опубликованным в 1985 году, особенно значительно снижается синтез белка в старости в структурах, связанных со зрительными и слуховыми функциями (соответственно зрительная кора, верхние бугры; латеральное коленчатое тело; слуховые ядра, нижние бугры и т. д.).

В нескольких лабораториях, в частности в лаборатории Е. С. Северина (Институт молекулярной биологии АН СССР) сделан ряд открытий о ключевой роли протеинкиназ (протеинфосфотрансфераз) в регуляции метаболизма клетки и различных ее функций. Эти ферменты, как видно из их названия, катализирующие процесс фосфорилирования белков, разделяют на два класса: зависимые от циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) и не зависимые от нее. По данным последних лет, в печени стареющих крыс (исследован возраст до 30 месяцев) активность обоих ферментов понижается. Изменяется даже структура этих ферментов. Так, молекулярная масса казеинкиназы печени 30-месячных крыс больше, чем печени крыс в возрасте 18 месяцев и менее.

Белки всех организмов построены лишь из одной формы аминокислот — L-формы. Однако это твердо установленное правило в процессе старения нарушается. Так, при анализе аминокислот в белом веществе головного мозга трупов людей в возрасте от 30 до 80 лет обнаружено возрастающее с годами содержание D-аспарагиновой кислоты, причем в такой степени, что это может приводить к изменению функции головного мозга.

Синтез различных классов РНК может нарушаться потому, что повреждаются соответствующие матрицы — ДНК. Это особенно относится к тем участкам ДНК, которые служат матрицей для синтеза рРНК. Процесс повреждения таких матриц столь интенсивен, что удалось обнаружить даже уменьшение содержания в клетках головного мозга и сердца старых животных генов, кодирующих рРНК. Такое уменьшение, очевидно, является одной из важных причин снижения при старении способности клетки увеличивать интенсивность синтеза белка в условиях, когда требуется повысить функциональную активность. А это, в свою очередь, является одной из причин снижения "запаса прочности" различных функций у старых организмов (см. предыдущую главу).

Генетический аппарат клеток и старение

Общей для всех стареющих клеток причиной снижения способности к синтезу РНК является повреждение ДНК и образование между нею и ядерными белками прочных комплексов или даже соединений. Этот молекулярный процесс, который мы называем старческой, или инволюционной, репрессией генома (чтобы отличить его от репрессии генома, происходящей при дифференцировке клеток), оказывается, очевидно, центральным событием в старении по крайней мере неделящихся клеток. Нарушение их функций и гибель, в свою очередь, являются определяющими в старении всего организма.

Выше мы рассмотрели подробно только один, хотя и существенный фактор повреждения ДНК в клетке — тепло. Но в процессе метаболизма образуются такие вещества, как кислородные радикалы, перекись водорода, перекиси липидов, формальдегид и целый ряд других веществ, которые активно реагируют с ДНК и тем самым разрушают ее. Кроме того, в клетке (и, как правило, в ее ядре) присутствует фермент дезоксирибонуклеаза, катализирующий деградацию ДНК.

Кислородные радикалы и повреждение генов

Даже жизненно необходимые молекулы кислорода — потенциальный источник повреждения ДНК. Остановимся подробнее на характеристике кислородзависящего процесса повреждения генома.

Прежде всего уточним термин "кислородзависящее повреждение". Для этого вспомним, что окисление органических молекул кислородом в клетках происходит путем катализируемого ферментами переноса электронов (отрываемых от окисляемых молекул) на молекулу О_2. Для полного восстановления молекулы О_2 до 2Н_2О необходимо присоединение к О_2 4 электронов, так как каждый атом кислорода может присоединить 2 электрона. Однако ферменты переносят электроны на молекулы кислорода по одному. Поэтому в процессе биологического окисления образуются и полувосстановленные формы кислорода, обладающие большой реакционной способностью. Некоторые из таких молекул могут "ускользать" от ферментов, осуществляющих полное восстановление О_2.

Простейшая из таких форм — молекула кислорода, присоединившая 1 электрон и поэтому находящаяся в свободно-радикальном состоянии. Такой анион-радикал называют супероксидным радикалом и обозначают . Например, процесс окисления гипоксантина в ксантин, катализируемый ксантиноксидазой, протекает через восстановление последней и ее реакцией с О_2, в результате чего и образуется .

Известны и другие окислительные реакции (например, аутоокисление катехоламинов), в процессе которых образуется . Такие радикалы участвуют даже в синтезе важных внутриклеточных метаболитов — простагландинов и в осуществлении макрофагами их фагоцитарной функции.

Вырабатывая большие количества , макрофаги убивают поглощаемые ими микроорганизмы, защищая от них организм. Это свидетельствует о том, что минимальная концентрация  является не только неизбежным следствием нормальной жизнедеятельности, но и условием ее поддержания. Но отсюда же видно, и сколь опасны для самой клетки супероксидные радикалы, если в процессе эволюции они были использованы как механизм разрушения других клеток (микробов). Поэтому был выработан и механизм самозащиты, клетки от "своих" радикалов. Его осуществляет фермент супероксиддисмутаза, обезвреживающая .

Но в процессе реакции, катализируемой ею,

образуются молекулы перекиси водорода и кислород в синглетном состоянии — также очень активная форма кислорода. Кроме того, в реакции между  и Н_2О_2, катализируемой ионами железа, образуется химически еще более активная молекула — радикал ОН·.

Все активные формы кислорода: , IО_2, ОН· и Н_2О_2 при взаимодействии со структурами клетки повреждают их. Это происходит вследствие переокисления липидов, инактивации белков или повреждения нуклеиновых кислот. Из всех таких реакций важнейшей является повреждение ДНК.

Такое предположение автором этой книги было сделано в 1970 году в другой книге "Молекулярные механизмы старения". Я вспоминаю об этом, потому что гипотезы относительно образования активных форм кислорода и их биологической роли были сформулированы на основании анализа молекулярных механизмов старения. И с начала же 70-х годов количество исследований биологической роли активных форм кислорода стало резко возрастать прежде всего в связи с открытием суперокисиддисмутазы. Существование такого фермента было ясным указанием на то, что супероксидные радикалы образуются в клетке, а их устранение с помощью этого фермента — один из внутриклеточных защитных механизмов.

К заключению о том, что радикал ОН· имеет биологическое значение, мы пришли также на основании анализа молекулярных механизмов летального действия на клетки ионизирующих излучений. Такой анализ показал, что около 50 % "летальных радиационных ударов" обусловлено реакциями, инициируемыми ОН·. Но из данных радиобиологии также следовало, что летальный удар — это повреждение ДНК клетки. Таким образом, исходя из обоих заключений можно было вывести, что по крайней мере радикалы ОН·, индуцируемые излучением, поражают ДНК клетки. Наверное, и образуемые в процессе нормального метаболизма ОН· также представляют для генома реальную опасность. Правда, уж раз мы вспомнили о механизмах радиационного поражения и роли в этих механизмах ОН·, то отметим и то, что эта роль проявляется также и через реакции переокисления липидов с участием ОН·. Но перекиси липидов также повреждают генетический аппарат, и поскольку это один из основных потенциальных эндогенных генотоксических факторов, то по изменению с возрастом содержания их в тканях и сыворотке крови можно судить об изменении степени, так сказать, внутренней угрозы ДНК — при старении. Концентрацию перекисей липидов можно определить довольно простым методом — по реакции с тиобарбитуровой кислотой.

Масоко Хагихара и его сотрудники из института биохимии Нагойского университета обследовали с помощью такого метода две группы (по 60 человек) людей, одну из которых составляли мужчины и женщины моложе 40 лет, а другую — старше 40 лет. В сыворотке крови второй группы содержание перекисей липидов было на 12 % больше, чем в сыворотке крови людей первой группы. Еще более значительным (на 20–25 %) было повышение после 40 лет содержания перекисей липидов во фракциях липопротеидов низкой плотности.

А о роли активных форм кислорода в старении животных организмов свидетельствует недавно обнаруженный факт продления жизни дрозофил путем ограничения их летательной активности, а следовательно, и потребления кислорода. Группа исследователей из США (Р. С. Зохаль с соавторами, 1984) изучили также влияние физической активности дрозофил на активность в их тканях супероксиддисмутазы, катал азы, а также неорганических перекисей и глутатиона. Концентрации последних двух веществ у мух с высоким показателем летательной активности были выше, чем у дрозофил с низкой активностью.

Что касается количественной оценки повреждений ДНК, вызываемых различными эндогенными генотоксическими факторами, то сделать ее трудно из-за того, что их роль и в радиационном, и в спонтанном повреждении ДНК должна резко зависеть от типа клеток и их функционального состояния. Более того, генетический контроль процессов, с протеканием которых связано образование активных форм кислорода и других эндогенных генотоксических факторов, может нарушаться. Как следует из материала, изложенного выше, это должно приводить к увеличению нестабильности ДНК, частоты хромосомных абберраций и увеличению радиочувствительности.

Такая гипотеза была сформулирована и кратко обоснована в статье автора этой книги, опубликованной в 1979 году в журнале "Успехи современной биологии". Практически в ней было предсказано, что существуют генетические заболевания, для которых характерны названные симптомы и в основе которых лежит увеличение количества активных форм кислорода, приводящее к увеличению спонтанной нестабильности ДНК. В последнее время получено доказательство, что такие заболевания действительно встречаются, хотя, к счастью, и редко.

В клетках, вероятно, существует равновесие между активностью супероксиддисмутазы и образованием активных форм кислорода. При старении это соотношение может измениться вследствие не только увеличения продукции супероксида, но и уменьшения активности супероксиддисмутазы, что действительно наблюдается, по крайней мере в некоторых органах.

Другие механизмы и факторы повреждения генетического аппарата клетки

Все рассмотренные нами до сих пор эндогенные генотоксические факторы были неферментативной природы. Но потенциальную опасность для генома клеток представляют ее собственные ферменты.

Основное значение из ферментов такого рода имеют, вероятно, ДНКазы, вызывающие в ДНК разрывы полинуклеотидных цепей.

Идея о том, что ДНКазы не только участвуют в спонтанной деградации ДНК, но что их активация или усиление их синтеза — механизм "программированного" разрушения клеток в процессе старения или морфогенеза, наверное, впервые была сформулирована в докладе-лекции, прочитанной мною в Киеве на IX Международном конгрессе геронтологов в 1972 году. Тогда эта функция ДНКаз была названа механизмом "самоубийства" клетки, (подробнее об этом ферменте будет рассказано в главе IV).

Хотя пока мы обращаем основное внимание на эндогенные генотоксические факторы, а экзогенные (внешние) будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экогеронтологии, о роли одного физического фактора в спонтанной нестабильности ДНК некоторых клеток человека сказать уместно и здесь. Речь идет об УФ-излучении солнечного света и о клетках участков кожи, не защищенных одеждой или волосяным покровом.

Для таких клеток роль естественного УФ-излучения в нестабильности их генетического вещества сравнима с ролью тепла в его спонтанной нестабильности. Так, сопоставляя результаты расчетов интенсивности достигающего клеток кожи человека УФ-излучения солнечного света в Южных широтах Северного полушария с зависимостью количества образуемых димеров пиримидиновых оснований от дозы УФ-облучения, определенной экспериментально на культивируемых клетках человека, можно заключить: в ДНК каждой клетки человека с белой кожей, в течение часа пребывающего на ярком солнце, образуется примерно 5·10^4 повреждений, представляющих собой пиримидиновые димеры (т. е. ковалентно сшитые друг с другом пиримидиновые основания, расположенные рядом в одной из полинуклеотидных цепей). Большая часть из них удаляется (вырезается) из ДНК с помощью эксцизионной системы ее репарации.

Но возвратимся к проблеме спонтанных повреждении ДНК. Очевидно, что для понимания молекулярных механизмов старения принципиальное значение имеет вопрос о том, как изменяются с возрастом два рассмотренных фундаментальных, диалектически противоположных процесса возникновение спонтанных повреждений и их репарация. Результаты нескольких исследований (подробнее о них будет рассказано в главе IV) позволяют полагать, что эффективность процесса репарации в старых клетках может быть меньше, чем в молодых. Кроме того, есть основания считать, что нарушение слаженности в работе ансамбля репарирующих ферментов приводит не к залечиванию, а наоборот, к интенсивному повреждению ДНК. Ведь мы видели (см. рис. 6), что на определенном этапе должно происходить своевременное переключение процесса репарации с этапа выщепления оснований на этап синтеза ДНК — заполнения имеющейся в ней бреши. Если же такое переключение почему-то задерживается (например, в клетке понижена концентрация ДНК-полимер азы), и в этом случае экзонуклеаза не может "вовремя остановиться", то процесс деградации ДНК должен стать не физиологическим, а патологическим — процесс репарации "переходит" в свою противоположность, т. е. развивается повреждение генома.

Таким образом, накопление повреждений в геноме стареющих клеток происходит не только вследствие нарушения равновесия между процессами возникновения спонтанных повреждений ДНК и их репарации, но и потому, что уменьшается репарируемость повреждений.

Для того чтобы повреждение могло быть репарировано, оно должно быть доступно для действия репарирующих ферментов. Но ДНК в хроматине ядра находится в упакованном состоянии. Возникающие в некоторых участках генома повреждения ДНК с трудом могут быть "найдены" ферментами репарации. Это особенно относится к тем участкам генома, которые обычно неактивны, синтез РНК на которых не происходит. Если облучить клетку ультрафиолетовым излучением и определить скорость репарации повреждений ДНК, индуцированных этим излучением, то оказывается, что именно в таких участках повреждения ДНК остаются длительное время невосстановленными. Казалось бы, поскольку эти гены функционально неактивны, то и накопление в них повреждений безразлично для клетки. Однако так обстоит дело только до определенной поры. Если клетка вступает в фазу деления, то на таких "испорченных" матрицах будет синтезироваться ДНК с неправильной последовательностью оснований или ДНК, вовсе не содержащая оснований в участке, комплементарном "испорченной матрице". Если в результате повреждений ДНК произойдет нарушение синтеза и распределения между дочерними клетками той пары хромосом, в состав которой такая ДНК входит, клетки могут погибнуть.

Повреждения, возникающие в функционально инертных генах, должны "проявиться" также в тех случаях, когда возникает потребность в их активации, например при гормональной и субстратной индукции синтеза белка и при синтезе антител в ответ на поступление в организм чужеродных антигенов. Во всех этих случаях синтезируемые на "испорченных" матрицах ДНК могут быть функционально неактивными или направлять синтез мутантных белков. Следовательно, рассмотренный процесс накопления повреждений ДНК в тех генах, которые вследствие относительно прочной связи с белками репрессированы (временно или постоянно) и малодоступны для репарации, очевидно, является важной причиной снижения способности старых клеток к индукции синтеза ферментов и антител. Но ведь ранее мы пришли к заключению, что такого рода возрастные изменения определяют уменьшение функциональной способности различных органов, являются характерным признаком старения всего организма. Значит, теперь мы можем определить уровни старения и связи между ними — от молекул до организма.

Существует еще одно обстоятельство, которое делает весьма опасным длительное сохранение в клетках повреждений ДНК. Участки ДНК, содержащие изменения в структуре, вызванные различными повреждающими воздействиями (будь то тепло, ионизирующее или ультрафиолетовые излучения или химические вещества), обладают повышенным "сродством" не только к ферментам, участвующим в репарации этих повреждений, но и к другим белкам. Причем в последнем случае может образоваться химическая, связь (сшивка) между модифицированным участком ДНК и белком (см. рис. 1). После этого клетке труднее провести репарацию ДНК. Более того, такая сшивка ДНК — белок может быть нерепарируемой вообще, что означает необратимое нарушение или, скорее, выключение функции гена.

Ведь независимо от того, в каком синтезе участвует этот ген — в синтезе ДНК или РНК, для обоих этих процессов необходимо, чтобы ферменты, их катализирующие (соответственно ДНК- и РНК-полимераза), продвигались, "скользили" вдоль матрицы. Когда ферменты достигнут участков ДНК, содержащих сшивки ДНК с белком, весьма вероятно, что их продвижение будет остановлено, и, следовательно, редупликация гена, или его транскрипция, окажется незавершенной. Рассмотренный механизм выключения функции гена мы и называем инволюционной репрессией.

В предыдущем издании этой книги автор мог привести лишь один результат изучения изменений ДНК клеток в процессе их старения. Как же продвинулось исследование этого вопроса за прошедшие 11 лет?

Прежде всего обратим внимание на то, что в результате того или иного воздействия на ДНК в ней могут возникать самые различные повреждения, причем в самых различных количествах. Естественно, это очень затрудняет изучение изменений ДНК при старении. Ведь большинство типов повреждений, очевидно, даже к старческому возрасту накапливается в геноме в очень малых относительных количествах (по сравнению с чувствительностью даже самых совершенных методов анализа структуры ДНК). Поэтому, чтобы определить характер повреждений ДНК, возникающих и накапливаемых в геноме клеток при их старении, необходимо теоретически предвидеть наиболее существенные из этих типов повреждений. Об одном способе такого предвидения мы уже рассказали — он состоит в анализе биофизических свойств ДНК и механизмов ее спонтанной (тепловой) нестабильности.

Другой путь — проанализировать характер повреждений ДНК, индуцируемых ионизирующим излучением или химическими веществами, и попытаться определить общие механизмы возникновения этих повреждений. Если есть теоретические основания полагать, что такие механизмы "работают" и в неповрежденной клетке, то можно ожидать, что и в процессе старения с относительно большой вероятностью можно обнаружить накопление повреждений ДНК сходного типа.

Один из наиболее изученных продуктов, образуемых в ДНК после облучения клеток ионизирующей радиацией или в результате воздействия на нее химическими мутагенами, — это гликоль тимина или тимидина. Такие продукты образуются в результате окислительной деструкции ДНК. Но различные вещества (ОН·, , Н_2О_2 и т. д.), способные индуцировать процесс окислительной деструкции ДНК, образуются и в процессе нормального метаболизма. Следовательно, можно было ожидать, что такие продукты возникают и в ДНК необлученной клетки. Косвенно об этом свидетельствует выделение этих продуктов с мочой. Так, по данным, полученным методом хроматографии, ежесуточно каждый человек выделяет с мочой в среднем около 32 нМ этих продуктов. У экспериментальных крыс выделение гликоля тимина или тимидина в 15 раз более интенсивно, чем у человека (если пересчитать количество этих продуктов на 1 кг массы тела).

Максимальная (видовая) продолжительность жизни человека, по мнению многих исследователей, составляет примерно 100 лет. У лабораторных крыс она варьирует в зависимости от линии и достигает 4 лет. Иными словами, человек примерно в 25 раз долговечнее, чем крыса. Таким образом, между интенсивностью выделения гликоля тимина и продолжительностью жизни, возможно, существует обратно пропорциональная зависимость.

Модифицированные нуклеотиды или основания сначала выделяются во внутриклеточное пространство в процессе репарации ДНК с помощью ферментов, вырезающих поврежденные участки ДНК. Лишь затем они или продукты их метаболизма выводятся сначала из клетки, а потом и из организма. Но отсюда следует, что, чем больше выводится этих продуктов с мочой, тем больше их образуется и из ДНК клетки. Стало быть, открывается возможность на основании анализа продуктов метаболизма ДНК в моче делать хотя бы косвенные заключения об интенсивности химической модификации ДНК в клетках и роли таких модификаций в развитии различных болезней (особенно опухолей) и в старении.

Накопление в ДНК клеток человека повреждений первичной структуры

Теперь я расскажу подробнее о результатах исследований, проведенных нами на культивируемых клетках человека. Повреждения ДНК клеток человека были исследованы при старении этих клеток в организме (in vivo), а также вне организма (in vitro). Кроме того, такие повреждения ДНК были сопоставлены с повреждениями ДНК, возникающими при не очень интенсивном прогревании клеток или облучении их ионизирующим излучением. Рассказывая о наших данных, я познакомлю любознательного читателя с некоторыми особенностями изучения повреждений ДНК "щадящим" методом.

Один из основных методов анализа ДНК, использованных нами при исследовании этих вопросов, — метод седиментации ДНК в градиенте щелочной сахарозы. Этот метод уже упоминался (см. с. 27). Мы сразу перейдем к рассмотрению полученных вместе с А. Н. Хохловым данных, делая пояснения методики при изложении результатов.

На рис. 8 представлены седиментограммы ДНК эмбриональных фибробластов и фибробластов, полученных из кожи 91-летнего донора. На графике указано, какой процент ДНК от общей массы ДНК (содержавшейся в клетках, нанесенных на градиент) был в той или иной из фракций (частей), на которые разделяли содержимое центрифужной пробирки после окончания центрифугирования. 1-я фракция соответствовала дну пробирки, 15-я — верху градиента. Это означает, что высокомолекулярные фракции ДНК — первые, низкомолекулярные — последние номера фракций. И следовательно, чем больше седиментограмма сдвинута вправо, тем меньше среднее значение молекулярной массы ДНК, тем больше в ней было разрывов.

Рис. 8. Профили седиментации ДНК диплоидных фибробластов медицинского абортуса (1) и фибробластов кожи 91-летней женщины (2). Цифры на рисунке — средние значения молекулярных масс ДНК соответствующих клеток

На графике приведены также значения средневесовых молекулярных масс, рассчитанных с помощью ДНК фага λb_2. Молекулярная масса этой ДНК известна, а положение ее в градиенте, использованном при исследовании клеток человека, позволяло рассчитать массу их ДНК.

Очевидно, нелишней будет такая подробность. Штаммы эмбриональных фибробластов были получены из Института медицинской генетики АМН СССР. Предварительно они были исследованы там К. Н. Гринбергом, и хромосомных изменений в них не было найдено, т. е. это были нормальные клетки, хотя получены они были из тканей при аборте. Культуры "взрослых" и "старых" фибробластов получены безболезненным и безвредным методом биопсии с передней поверхности кожи предплечья здоровых доноров, пожелавших, чтобы их клетки были обследованы. (Здесь я опять должен с благодарностью вспомнить о большой помощи со стороны К. Н. Гринберга и Г. Д. Бердышева.) Клетки кожи 91-летней женщины к нам попали из Института геронтологии АМН СССР (Киев), где эта пациентка находилась на обследовании (и у нее не было найдено резких патологических изменений).

Опыты с клетками каждого человека нужно было повторять многократно, поэтому приходилось все культуры пересевать. Исследовались культуры, которые еще не вступили в фазу дегенерации (вспомним, что эмбриональные диплоидные фибробласты человека совершают в культуре клеток около 50 делений, взрослые фибробласты даже меньше).

Для устранения осложнений, связанных с возможным образованием разрывов в фазе репликации ДНК, использовали только культуры клеток, находящиеся в состоянии сомкнутого монослоя, когда вследствие контактного торможения митотическая активность клеток прекращалась. Кроме того, чтобы исключить образование в ДНК таких разрывов, за 24 часа до снятия клеток со стекла среду их роста заменяли на свежую, не содержащую меченого тимидина. Далее клетки наслаивали на 5-20 %-ный градиент сахарозы, содержащий также другие вещества в определенных количествах, специально подобранные, чтобы избежать артефактов при центрифугировании ДНК.

Как видно из рис. 8, седиментограмма ДНК "старых" фибробластов сдвинута вправо по сравнению с седиментограммой ДНК эмбриональных фибробластов, а среднее значение массы первой меньше массы второй. Эти результаты можно с большой вероятностью интерпретировать как доказательство накопления с возрастом в ДНК однонитевых разрывов и щелочелабильных связей (апуриновых участков, алкилированных фосфатных групп и т. д.).

Изменения ДНК в клетках, полученных от старых людей, а также в клетках культур последних пассажей не были для нас неожиданными. Однако теоретически непредсказуемый результат был получен при сравнении ДНК диплоидных фибробластов эмбрионального происхождения и ДНК фибробластов, полученных из кожи молодых здоровых доноров (в возрасте 25–30 лет).

Эти данные позволяют утверждать, что в клетках ДНК человека начинается накопление щелочелабильных связей, когда организм еще молод. Особенностью диплоидных фибробластов является то, что их митотический потенциал уменьшается начиная с периода эмбрионального развития. И если такое уменьшение принять за общий критерий старения клеток, то получается, что диплоидные фибробласты начинают "стареть", вероятно, еще до того, как закончился период эмбрионального развития организма. Возможно, тогда же начинается и накопление спонтанно возникающих повреждений ДНК.

В 1984 году группа французских ученых из Института исследований рака (А. Мациейра-Коэлхо с сотрудниками) подтвердила наши (А. Н. Хохлова и автора этих строк) данные, опубликованные в 1978 году. Речь идет о появлении низкомолекулярной ДНК в культурах фибробластов человека, если эти фибробласты исчерпали свой митотический потенциал (т. е. исследовали культуры, находившиеся на последних пассажах). Как и мы, французские коллеги исключили возможность образования такой ДНК в процессе лизиса клеток (вследствие действия на ДНК щелочи, детергента или клеточных ферментов). Они также обнаружили существенные изменения хроматина у "старых" фибробластов. Но что особенно интересно, если клетки в течение длительного времени обрабатывали гидрокортизоном, то по крайней мере у ядрышка старение структуры хроматина значительно задерживалось. Это может быть молекулярным механизмом задержки старения, поскольку уже относительно давно известно, что под влиянием гидрокортизона митотический потенциал фибробластов, продолжительность жизни их культур in vitro существенно возрастают.

Недавно для исследования тонких изменений структуры хроматина в фибробластах человека использовали специальный анализатор его изображений, полученных на электронных микрофотографиях с помощью телевизионного сканирующего устройства. Таким образом, можно было судить о плотности нитей хроматина, их длине и ширине. Группа того же крупнейшего в мире специалиста по культивированию клеток и их старению in vitro А. Мациейра-Коэлхо, проводившая эти исследования, пришла к заключению, что наблюденные ими изменения хроматина отражают деградацию ДНК в процессе старения клеток in vitro, т. е. согласуются с изменениями ДНК, которые мы, а затем они (а также ученые в США и Японии) наблюдали с помощью методов центрифугирования и других физико-химических методов.

Данные зарубежных исследователей находятся в согласии и с другими нашими данными — о накоплении повреждений ДНК при старении клеток в организме. Правда, изучались не полностью идентичные клетки. Мы исследовали фибробласты, взятые из тканей эмбрионов-абортусов и из кожи здоровых взрослых людей различного возраста; группа А. Мациейра-Коэлхо исследовала клетки доноров разного возраста, хранившиеся в замороженном состоянии в клеточном банке Национального института старения США. Авторы обнаружили прямую корреляцию между возрастом людей — доноров исследованных клеток и выраженностью изменений хроматина в этих клетках (которые, как отмечалось, они рассматривают как показатель деструкции ДНК).

Мы подробно говорим о возрастных изменениях ДНК, поскольку они имеют существенное значение не только для понимания молекулярных механизмов старения, но и важны практически.

Правда, пока использовать эти данные на практике не удается, это дело будущего, хотя значимость их становится все более очевидной в связи с теперь уже актуальной и в онкологии, и в гигиене проблемой индивидуальной чувствительности людей к канцерогенным агентам, загрязняющим окружающую среду. Кстати, все сказанное здесь может служить и доказательством взаимосвязи молекулярно-клеточных аспектов проблем биологии долголетия и экологии.

Как подчеркивается в аннотации к книге известного советского ученого Г. Н. Кассиля "Внутренняя среда организма" (М., Наука, 1978, 1983), одна из ведущих проблем современной биологии — учение о гомеостазе или динамическом постоянстве внутренней среды и основных физиологических функций организма генома и животных. В советской физиологии и геронтологии сложилась прочная и плодотворная традиция рассматривать старение как нарушение гомеостаза. Автор старался продолжить и развить эту традицию, распространив понятие гомеостаза и на молекулярно-клеточный уровень. При таком подходе обнаруживается, что даже ДНК является лишь динамически постоянной структурой, а поддерживаемое в клетке равновесие (динамическое) между возникновением повреждений ДНК и их залечиванием (репарацией) в старости может нарушаться.

Кроме молекулярных систем репарации ДНК, имеются и другие молекулярные системы защиты и регуляции. Эти системы работают и на внутриклеточном уровне, и на тканевом, и на уровне целостного организма. Мы сосредоточили внимание на первых, хотя будем касаться и более высоких уровней защиты и регуляции. Читателю, который хотел бы познакомиться подробнее с проблемой роли нарушения гомеостаза в старении, автор рекомендует прочитать упомянутую выше очень интересно написанную книгу Г. Н. Кассиля "Внутренняя среда организма", а также труды других ведущих отечественных физиологов и биохимиков, изучающих проблемы старения (И. А. Аршавский, Г. Д. Бердышев, Б. В. Ванюшин, В. М. Дильман, А. И. Зотин, В. Н. Никитин, Д. Ф. Чеботарев, В. В. Фролькис).

Накопление повреждений ДНК в клетках других организмов

Целый ряд исследований возрастных изменений ДНК был проведен в опытах на клетках мышей, крыс или собак. О результатах, полученных методом седиментации в градиенте щелочной сахарозы, уже было вкратце сказано. Здесь поясню, что накопление повреждений ДНК наблюдали, начиная с возраста мышей, который был далек от старческого. Этот результат, в согласии с тем, что мы наблюдали на клетках человека, показывает: физические изменения генетического вещества начинают накапливаться до того, как значительно нарушится его функция, и до того, как начнет снижаться жизнеспособность организма и возрастать вероятность развития тяжелых заболеваний. Но есть веские основания полагать, что накопленные повреждения ДНК подготавливают почву для развития таких изменений для старения в целом.

Приведем пока только один из фактов, свидетельствующих о биологической роли образования и накопления в ДНК щелочно-лабильных участков. Напомню, что такого типа повреждения, как мы рассчитали теоретически, с большой частотой должны возникать спонтанно. Эта частота возрастает после действия на клетки тепла или ионизирующего излучения, а под влиянием времени такого типа повреждения накапливаются в различных клетках млекопитающих.

Рональд Харт с сотрудниками из отдела радиологии медицинского центра в Колумбийском университете исследовали количество щелочелабильных связей в мозге, печени и почках мышей двух семейств, хотя и близких таксономически, но различающихся по продолжительности жизни в 2,5 раза. В обоих случаях наблюдали накопление однонитевых разрывов и щелочелабильных связей в ДНК печени и почек стареющих мышей, причем в печени скорость возрастного накопления повреждений ДНК была больше. Скорость накопления повреждений ДНК и в печени, и в почках короткоживущего вида была больше, чем в ДНК тех же органов относительно долгоживущего вида (точнее, эти скорости были обратно пропорциональны величине продолжительности жизни). Таким образом, можно полагать, что существует определенный предел количества накапливаемых с возрастом повреждений ДНК, и в органах короткоживущих животных этот предел достигается быстрее, чем, в частности, и определяется более короткое время их жизни.

К настоящему времени исследован большой ряд клеток из различных органов человека и животных (мыши, крысы, собаки, крупный рогатый скот), а также растительные и бактериальные клетки. Данные всех этих исследований, во-первых, подтверждают теоретически выведенное нами положение: неустойчивость первичной структуры ДНК — общебиологическая закономерность.

Во-вторых, они приводят к заключению о существовании другой общебиологической закономерности (как необязательном следствии первой) — со временем спонтанные повреждения могут накапливаться в клетках. Второе заключение, очевидно, следует пока считать предположительным. И спускаясь к еще менее доказанному предположению, отмечу вероятное существование такой кинетики возрастных изменений ДНК, что определенные повреждения ДНК, как было сказано, в значительном количестве накапливаются уже в клетках молодого организма. Добавлю еще, что есть данные, свидетельствующие о замедлении в пожилом и старческом возрасте скорости накопления таких повреждений ДНК.

Почему это происходит? Ведь скорость возникновения повреждений ДНК со временем, скорее, возрастает, а не уменьшается (например, вследствие увеличения активности ДНКазы или концентрации эндогенных Н_2О_2, перекисей липидов и других генотоксических метаболитов). На феноменологическом уровне такой парадокс можно было бы объяснить тем, что клетка может накопить лишь такое число повреждений, которое совместимо с сохранением ее жизнедеятельности. Если это число превысит критическое, клетка гибнет. Но мы ведь определяли повреждения ДНК только в жизнеспособных клетках. Учитывая гетерохронность (неравномерность развития во времени) процесса старения даже на клеточном уровне и считая, что такая гетерохронность сохраняется и на уровне ДНК, можно предположить, что замедление скорости накопления повреждений ДНК в пожилом возрасте — кажущееся: гибель клеток с числом повреждений ДНК, близким к критическому, будет уменьшать число повреждений ДНК, регистрируемых в популяции клеток.

Однако возможно, скорость накопления повреждений ДНК в геноме клеток пожилых и старых организмов действительно уменьшается, несмотря на увеличение концентрации эндогенных генотоксически агентов и уменьшение способности клеток к репарации ДНК (о чем подробнее будет рассказано позднее). До сих пор мы не принимали во внимание то важное обстоятельство, что ДНК находится в ядре клетки в упакованном состоянии. Ведь линейный размер ядра клетки млекопитающих составляет несколько мкм, а длина молекул ДНК хромосом, как принято сейчас считать, состоящих из одной молекулы, в десятки тысяч раз больше. Но чем плотнее упакована ДНК, тем, очевидно, она менее доступна для ДНКаз и даже для низкомолекулярных генотоксических факторов. Следовательно, если в процессе старения упаковка отдельных участков ДНК станет более плотной, то скорость не только репарации, но и образования повреждений ДНК действительно уменьшится.

Таким образом, мы подошли к вопросу о том, как изменяется в процессе старения не только первичная структура ДНК, но и организация ДНК в более высокие структуры. Разная степень упаковки ДНК характеризует уже высшие структуры ДНК. Следующий же за первичной является вторичная структура ДНК. Итак, вопрос состоит в том, происходит ли изменение с возрастом вторичной структуры ДНК? Возможны два типа изменений конформации двойной спирали ДНК: она может расплетаться (с образованием денатурированных или однонитевых участков) или не расплетаться, а только изменять свою форму (конформацию).

15-20 лет назад проводилось много исследований, целью которых было определение денатурационных изменений ДНК при старении. Для этого выделяли ДНК из тканей организмов различного возраста, а затем изучали в растворе так называемые кривые плавления ДНК, т. е. выявляли изменения способности ДНК поглощать кванты ультрафиолетового излучения (в максимуме поглощения ДНК) с увеличением температуры раствора. Денатурированная ДНК обладает примерно на 1/3 большей такой способностью, чем нативная (целостная) ДНК. Поэтому, сравнивая кривые плавления "молодой" и "старой" ДНК, можно было судить об изменении количества денатурированных участков в двойной спирали или, наоборот, о степени ее нативности. В ряде работ было сообщено о том, что при старении мышей или крыс в ДНК различных их органов происходит накопление денатурированных участков.

Мы тоже ставили подобные опыты, но не нашли существенных изменений. И после анализа физико-химических свойств ДНК и доступных методик ее выделения пришли к заключению: даже если в ДНК с возрастом и накапливаются денатурированные участки, обнаружить это явление современными методами физико-химического анализа невозможно.

Дело в том, что в процессе выделения ДНК и ее очистки от белков она неизбежно должна повреждаться, а места повреждения, в свою очередь, должны быть причиной образования в ДНК денатурированных участков. Но на таком фоне невозможно определить "тонкие" возрастные изменения (а мы полагали, что они действительно тонкие, ведь если бы изменения ДНК были резкими, то клетка неизбежно погибла бы, и от ее ДНК должны были бы остаться лишь низкомолекулярные компоненты).

Относительно недавно разработан принципиально иной способ оценки количества денатурированной ДНК — иммунохимический. Он основан на способности лимфоцитов синтезировать антитела к денатурированной ДНК. Такие антитела были определены в сыворотке крови людей трех возрастных групп: детей (10–11 лет); взрослых молодых (19–22) и пожилых людей (65–68 лет). Неожиданно оказалось, что люди всех возрастных групп содержат необычно большое количество антител к однонитевой ДНК, но особенно много таких антител было у людей первой и третьей групп. У них содержание антител примерно в 2 раза больше, чем у взрослых молодых людей.

Эти данные, кроме того, что они подтверждают грустные замечания великих поэтов ("старость — есть второе детство" или "хладея, мы движемся к началу своему"), интересны еще и потому, что приводят к принципиально новому заключению о физиологической роли денатурированных участков ДНК и(или) антител к ним.

Если исходить из традиционной точки зрения (которую для простоты изложения мы рассматривали до сих пор), то нарушения во вторичной структуре ДНК должны возникать лишь случайно и накопление их с возрастом должно происходить постепенно. Но тогда количество денатурированных участков ДНК (и следовательно, концентрация антител к ним) в сыворотке взрослых людей должно было бы быть больше, чем в сыворотке детей. Наблюдается же обратная закономерность. Правда, в своих рассуждениях мы предполагали, что количество антител в сыворотке крови определяется в основном количеством денатурированной ДНК в клетках. Но это может быть и не так. Например, частичная денатурация ДНК может происходить и в сыворотке. А главное, количество синтезируемых антител может и не изменяться параллельно с изменением количества такой ДНК.

Таким образом, анализ возможных изменении с возрастом количества денатурированной ДНК не привел нас к однозначному заключению о характере этих изменений. Но при этом неожиданно приоткрылась, возможно, важная функция такой ДНК и(или) антител к ней. Однако, как уже отмечалось, нативная ДНК может не только денатурировать, но и менять свою конформацию, оставаясь двойной спиралью.

Конформационные изменения ДНК

Метод кругового дихроизма (КД) чувствителен к изменениям структуры ДНК такого рода, поэтому В. М. Лобачев, Т. М. Третьяк, А. М. Кузин и автор этих строк его использовали для ответа на вопрос: изменяется ли конформация двойной спирали ДНК в процессе старения? ДНК, выделенная из печени и мозга очень старых крыс (возраст 38 месяцев), имеет спектры, практически идентичные спектрам КД тех же ДНК, облученных ионизирующей радиацией (рис. 9). Оптические активности положительной и отрицательной полос спектров КД ДНК, выделенной из тканей старых животных, или ДНК, облученной в дозе 200 гр, были снижены примерно на 20 % по сравнению с ДНК молодых животных, и это различие было статистически достоверно.

Рис. 9. Спектры кругового дихроизма (КД) ДНК, выделенной из тканей молодых и старых крыс, в сравнении с КД ДНК тимуса теленка.

А. 1. ДНК мозга молодых (возраст 3 мес.) крыс. 2. ДНК мозга старых (возраст 38 мес.) крыс. 3. Облученная ДНК мозга молодых крыс (доза — 1000 ГР).

Б. 1. ДНК печени молодых крыс. 2. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 200 Гр). 3. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 300 Гр). 4. Облученная ДНК печени молодых крыс (доза 1000 Гр).

В. 1. ДНК тимуса теленка. 2. ДНК печени старых крыс. 3. Облученная ДНК печени старых крыс (доза 1000 Гр). (Из работы М. М. Виленчика, Т. М. Третьяк, В. М. Лобачева, А. М. Кузина, Доклады АН СССР, 1981.)

Анализ обнаруженных изменений показал, что наблюденные изменения спектров КД ДНК при старении или после гамма-облучения ДНК не определяются образованием однонитевых разрывов в ДНК; их нельзя также полностью объяснить денатурационными изменениями. Эти изменения спектров КД можно объяснить переходом модифицированных участков ДНК из "обычной" (канонической) В-формы в иную конформацию. Подчеркнем еще раз, что эти конформационные изменения отличаются от ранее изученных денатурационных изменений ДНК.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Другие возрастные генетические изменения

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

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

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

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

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

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

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

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

Еще 10 лет назад в первом издании этой книги отмечалось, что программа старения может быть закодирована в участках ДНК, выполняющих определенные функции в молодых клетках и организмах. Однако и сейчас представляется удивительным, что "ДНК старения" грибка оказалась частью, хотя не кодирующей, а только интроном ("вставкой") жизненно важного структурного гена — цитохром с-оксидазы. Но это особый интрон в том смысле, что он одновременно является и мобильным генетическим элементом т. е. таким генетическим устройством, в структуре которого закодирована способность перемещаться из одного участка в другой, разумеется, с помощью определенных белков, "узнающих" особенности его структуры как мобильного элемента. Оказалось, что "мина старения" (этот термин был введен в первом издании этой книги) может умножаться и перемещаться!

Р. М. Райт, Д. Дж. Коммингс установили, что на конечных этапах старения грибов "плазмида старения" размножается столь интенсивно, что замещает большую часть нативной мтДНК, присутствующей в молодых клетках. Но еще раньше "ДНК старения" обнаруживается в ядерной ДНК. Это и есть доказательство физического взаимодействия между определенными участками ядерной и мтДНК. Взаимодействие это особое — своего рода дальнодействие с помощью "кванта", промежуточным состоянием которого является "плазмида старения". Но в ядре содержатся гены, контролирующие переход интегрированной "ДНК старения" в свободное состояние (плазмиду). Получается, что ядро каким-то образом направляет "ДНК старения" к себе. Не исключено, правда, что обмен мог происходить и в результате прямого взаимодействия ядерной и мтДНК, а интеграцию могли осуществлять ферменты, составляющие давно известные механизмы генетической рекомбинации.

Независимо от конкретных механизмов перемещения "ДНК старения" очевидно, что в стареющих клетках создаются как бы особенно благоприятные условия для распространения части мтДНК за пределы митохондрий и включения ее в яДНК.

Такие условия могут создаваться в процессе старения и клеток млекопитающих. Известно, что и в них происходит метаболизм мтДНК, а содержание ДНК в митохондриях старых клеток может снижаться, и, возможно, часть мтДНК также может размножаться в форме плазмиды и(или) внедряться в ядерную ДНК. Последний процесс облегчается при подготовке клетки к митозу, когда устраняется физический барьер между обеими частями генома — ядерная мембрана.

Но гены, с которыми связано старение, могут не только выходить из мтДНК, но и внедряться в нее. Это обнаружено в конце 1985 года Г. Вертрандом с соавторами при исследовании механизмов старения другого вида грибов — нейроспоры.

"ДНК старения" этого организма также имеет структуру мобильного генетического элемента, но его размер гораздо больше "ДНК старения" аскомицета и состоит из (9-10) 10^3 пар оснований. Штамм нейроспоры, обретшей способность не стареть, не содержит и "ДНК старения".

В рассматриваемом случае можно предположить, каким образом внедрение такой ДНК в митохондрии нарушает функции, а со временем приводит и к гибели нейроспоры. Дело в том, что эта ДНК включается в место локализации генов, контролирующих синтез рРНК (митохондрии осуществляют синтез нескольких белков с использованием собственных рибосом). Но в результате такого изменения мтДНК ее способность к синтезу рРНК нарушается и, следовательно, возникает дефицит митохондриальных рибосом, приводящий к нарушению жизненно необходимого для нейроспоры митохондриального синтеза белка.

Механизмы внедрения "ДНК старения" нейроспоры также пока не исследованы, но известно, что такое внедрение связано с образованием в мтДНК разрывов. Итак, мы опять приходим к заключению, что нестабильность ДНК, на этот раз мтДНК — одна из причин (а в данном случае — определяющая) старения клеток.

Конечно, механизмы и характер изменения и участия в старении генов мтДНК у клеток млекопитающих могут не ограничиваться кратко рассмотренным у грибов. Кроме того, "гены старения", способные к транспозиции, возможно, могут выщепляться из ядерной ДНК и размножаться в ядре. Во всяком случае, целостность ядерного генома нарушается не только вследствие депуринизации ДНК, образования в ней разрывов и т. д.

М. Фенч и А. А. Морли в конце 1985 года обнаружили в лимфоцитах, полученных из периферической крови людей в возрасте от 0 до 82 лет, фрагменты хроматина, не связанные с основной массой хроматина ядра. Содержание таких микроядер в клетках было тем больше, чем больше был возраст доноров, от которых получали эти клетки. Частота наблюдения микроядер также возрастала после повреждения ДНК рентгеновским облучением культивируемых in vitro лимфоцитов. Это свидетельствует, что увеличенная нестабильность ДНК и является причиной образования микроядер в лимфоцитах пожилых и старых людей.

В 1985 году большая группа японских исследователей разработала специальную методику быстрого исследования кольцевых молекул в животных клетках. Эта методика позволяла следить за появлением таких молекул в ходе старения лимфоцитов грызунов в организме, легочных фибробластов человека в культуре клеток.

В нехромосомные ДНК со средним размером 1500 пар нуклеотидов наблюдали в обоих типах клеток, причем содержание копий таких ДНК и характер их распределения по размерам зависели от возраста (степени постарения) клеток. В процессе старения фибробластов здоровых доноров и людей с синдромом преждевременного старения (прогерия взрослых, или синдром Вернера) в них увеличивалось содержание внехромосомных ДНК с меньшей длиной.

Особенно интересны данные, полученные на лимфоцитах периферической крови мышат в возрасте 7-10 недель и старых мышей в возрасте более 17 месяцев. Оказалось, что при старении происходит увеличение абсолютного и относительного содержания в препаратах ДНК кольцевых внехромосомных молекул с контурной длиной 0,4–0,8 мкм. Корреляция степени такого молекулярного изменения со старением организма обнаружена и при сравнении мышей одного возраста, но различающихся по скорости старения. Похоже, что это изменение является следствием перестроек ДНК, нестабильности генов, их локальной редупликации — амплификации и выщепления из генома. Но в любом случае этот молекулярный признак можно попытаться использовать для количественной характеристики клеточного старения.

Одна из наиболее фундаментальных закономерностей старения генетического вещества (которому подчиняется и ядерная, и мтДНК, и половых и соматических клеток) состоит в том, что его повреждение не ограничивается одним каким-либо молекулярным событием. Это многоэтапный процесс, развитие которого приводит к образованию все более сложных и поэтому, вероятно, все медленнее и труднее поддающихся репарации повреждений.

Действительно образование тепловых спонтанных повреждений ДНК начинается с выщепления из ДНК пуринового или реже пиримидинового основания (см. рис. 1).

Но в апуриновых (апиримидиновых) участках резко ослабляются фосфордиэфирные связи остова спирали и в результате образуются разрывы цепей. При наличии такого типа повреждений (назовем их первичными) возрастает вероятность образования в ДНК двойных разрывов и сшивок полинуклеотидных цепей с белками (вторичные повреждения). А последние могут с большой вероятностью реализоваться в изменения структуры хромосом (Хромосомные аберрации — третичные Повреждения генетического вещества).

Теперь посмотрим, как меняется способность ДНК к репараций при повреждениях на различных уровнях. Известно, что апуриновые участки или однонитевые разрывы репарируются довольно быстро, относительно точно и полно; вторичные же — значительно медленнее, не всегда полно и, вероятно, менее точно; а хромосомные аберрации, если они возникли, обычно называются необратимыми.

Мы уделили уже много внимания возрастным изменениям структур, содержащих генетическую информацию или непосредственно участвующих в реализации этой информации. В одной из своих статей Ф. Крик заметил: молекула ДНК такова, что интересная информация о ней может быть практически неисчерпаемой. О механизмах повреждения ДНК при старении, наверное, можно сказать примерно то же.

Однако помимо процессов, происходящих в ДНК и РНК, существует множество иных интересных биологических явлений, связанных со старением. Сейчас мы рассмотрим ряд возрастных изменений негенетических структур.

Нарушение окислительных процессов клетки

Одна из основных функций клетки состоит в обеспечении энергией всех протекающих в ней биосинтетических процессов. Активный транспорт веществ, выполнение различного рода специализированных функций, например сокращение мышц, передача нервного импульса и т. д., обеспечиваются энергией при участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — универсального донора энергии в клетки. Синтез же АТФ в клетке сопряжен с окислением кислородом различных метаболитов в митохондриях (этот процесс синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием) или в результате гликоза, протекающего вне митохондрий и без участия кислорода.

Исследованию изменений концентрации АТФ в процессе старения клетки было посвящено очень много работ. Результаты этих работ приводят к заключению, что при старении экспериментальных животных в ряде их органов может происходить значительное снижение содержания богатых энергией соединений. Хотя из этого правила есть исключения, но и при нагрузке организма выработка таких соединений, т. е. эффективность адаптации и регуляции энергообеспечения функций, в старости также, как правило, снижается.

Таким образом, один из подходов к увеличению функциональной способности клеток и органов, к торможению преждевременного старения может состоять в увеличении содержания в клетке АТФ. Добиться этого, не нарушая регуляции тех или иных путей метаболизма, очень непросто. Кстати, не надо пытаться достигнуть этого, потребляя препараты АТФ, в частности, потому что молекулы АТФ поступают в клетку с очень и очень малой скоростью. Но увеличить содержание АТФ в клетке можно непрямым путем.

М. Н. Кондрашовой и ее сотрудникам (лаборатория функциональной биофизики митохондрий Института биофизики АН СССР) удалось найти средства (это одна из солей янтарной кислоты и адреналин в очень небольших концентрациях), с помощью которых они "нормализовали" содержание АТФ в печени старых крыс. Хотя возможности коррекции биохимических изменений при старении мы в этих главах специально не рассматриваем, я привел эти данные, потому что в названной работе наблюдали не только увеличение содержания АТФ, но и другие изменения параметров "энергетического статуса" клеток печени старых животных, приближающие их по этим параметрам к клеткам молодых животных.

Одновременно подобного рода исследования помогают в определении "критических" звеньев в метаболизме и механизмов возрастных изменений "энергетических станций" клетки-митохондрии. В изучение этих изменений внесли существенный вклад отечественные биологи, особенно М. Н. Кондрашова, Е. И. Маевский, Ю. Г. Каминский и Е. А. Косенко в Институте биологической физики АН СССР; А. И. Зотин с сотрудниками в Институте биологии развития АН СССР; Л. Н. Богацкая и А. Я. Литошенко с сотрудниками в Институте геронтологии АМН СССР; В. В. Лемешко в Харьковском государственном университете.

В клетках не только экспериментальных животных, но и человека обнаружены возрастные изменения митохондрий. Например, результаты электронно-микроскопического исследования лимфоцитов людей различного возраста свидетельствуют о существенном изменении митохондрий в процессе старения. Так, при сравнении митохондрий лимфоцитов людей в возрасте до 50 лет (1-я группа), 60–69 лет (2-я); 70–79 (3-я); 80–89 (4-я) и старше 90 лет (5-я) число лиц с поврежденными митохондриями составляло 9, 55, 66, 64 и 50 % соответственно. В течение 6-летнего (лонгитудинального) обследования людей первых из этих 4 возрастных групп наблюдали увеличение процента лиц, в препаратах лимфоцитов которых обнаруживали поврежденные митохондрии (это возрастание составляло 9, 15, 20, 9 % соответственно, в 1-4-й группах). Повреждение митохондрий состояло в их набухании, разрушении крист, образовании миелиноподобных структур и появлении гигантских митохондрий.

В 1985 году было обнаружено, что старение диплоидных фибробластов человека in vitro сопровождается увеличением продукции в них молочной кислоты, обусловленным активацией гликолиза. Причем такая активация предшествует другим биологическим, а также морфологическим изменениям при старении. Поэтому возможно, что усиление гликолиза и увеличение выработки молочной кислоты являются одними из существенных механизмов старения клеток.

Увеличение активности гликолиза, в процессе которого образуется молочная кислота, должно увеличить в цитоплазме или даже в ядре концентрацию водородных ионов. При этом снижение рН в старой клетке может иметь для нее несколько тяжелых последствий. Одним из них является уменьшение стабильности генома. Ведь как мы уже знаем, эта стабильность нарушается вследствие депуринизации ДНК — процесса, катализируемого водородными ионами (следовательно, его скорость резко возрастает с уменьшением рН).

Уменьшение способности мышц старых животных поддерживать энергетический баланс, вероятно, определяется комплексом механизмов как внутриклеточных (уменьшение в мышцах количества митохондрий, интенсивности аэробного ресинтеза АТФ и внемитохондриального фосфорилирования), так и внеклеточных (уменьшение функциональных способностей системы кровоснабжения мышцы). Увеличение содержания лактата в "старых" мышцах обычно объясняют относительным увеличением анаэробного энергообеспечения при нагрузке. Возможно, однако, что в старости лактат и выводится из тканей менее эффективно.

Таким образом, нарушения биоэнергетических процессов при старении, которые мы кратко рассмотрели, связаны не только с изменением энергообеспечения клеток. Они могут приводить, в частности, к нарушению стабильности генома. Но это с одной стороны. С другой — снижение этой стабильности может нарушить регуляцию окислительных процессов.

В своей книге "Радиобиологические эффекты и окружающая среда" (Москва, 1983) автор этих строк описал гипотетическую программу гибели клеток, включаемую по крайней мере в лимфоцитах, если в них равновесие между процессами повреждения и репарации ДНК резко нарушено (например, под влиянием облучения или ингибиторов репарации ДНК). Тогда в клетке резко снизится концентрация никотин-амидадениндинуклеотида (НАД), который используется в процессе синтеза поли(АДФ-рибозы), активируемом в случае образования в ДНК значительного числа повреждений. Но ряд ферментов — НАД-зависимые, поэтому нарушение целостности ДНК, даже вне связи с нарушением ее способности контролировать синтез белков, может приводить к нарушению метаболизма, в том числе биоэнергетических процессов, и в связи с этим — к снижению содержания АТФ в клетке.

В последние годы получены факты, подтверждающие это теоретическое предсказание. Есть также основание полагать, что описанный механизм саморазрушения клеток встроен не только в лимфоцитах, но и в других клетках (например, в нервных), ошибки в работе генетического аппарата которых (а они неизбежны, если ДНК этих клеток сильно повреждена) могут иметь тяжелые последствия для организма (иммунологические нарушения в результате потери лимфоцитами способности различать "свои" и "чужие" белки или нарушение нервной регуляции функций). Поскольку повреждение ДНК клетки увеличивает вероятность ее злокачественной трансформации, то включение рассмотренного механизма клеточной гибели эквивалентно защите организма от потенциально трансформированных делящихся клеток. Таким образом, малигнизация может быть связана с мутацией клетки, приводящей к таким изменениям метаболизма НАД и поли(АДФ-рибозы) или стабильности генома, при которых выключается предполагаемая программа гибели клетки.

Начальные (пусковые) механизмы возрастных изменений биоэнергетических процессов в клетке многообразны. Однако в основном они связаны с нарушением регуляции синтеза и функции ДНК и ферментов, катализирующих эти процессы. Но значение имеют и возрастные изменения мембран, "упорядочивающих" метаболизм. Ведь и окислительное фосфорилирование, и гликолитический путь метаболизма протекают при участии мембранных структур: в первом случае — митохондрий, во втором — эндоплазматического ретикулума.

Роль изменения структуры и функции мембран клетки

Проводимый в настоящей главе даже краткий анализ данных об изменении мембран при старении показывает, сколь быстро устанавливалась связь между фундаментальными биологическими исследованиями и изучением механизмов старения в течение последнего десятилетия. Действительно лишь в эти годы были получены основные результаты о свойствах специальных белков-рецепторов, многие из которых встроены в цитоплазматические мембраны. Одни из этих белков воспринимают ("рецептируют") определенные гормоны, другие — белковые факторы роста, а третьи — вещества, участвующие в передаче нервного импульса (нейропередатчики или нейротрансмиттеры, т. е. соединения, благодаря которым возбуждение от одного нейрона передается к другому). Это значит, что регуляция различных функций организма эндокринной и нервной системой осуществляется с участием рецепторов.

Но среди многих биологов и физиологов, изучавших природу старения, уже давно укрепилось мнение о важной роли нейроэндокринных возрастных изменений в старении целостного организма. Вероятно, поэтому почти одновременно с открытием тех или иных рецепторов, как правило, начинали изучать и возрастные изменения этих рецепторов. За прошедшее десятилетие результатов таких исследований опубликовано много не только в биогеронтологической, но и в другой специальной литературе: по мембранологии, нейроэндокринологии, фармакологии, молекулярной кардиологии и т. д. О ряде этих исследований будет рассказано в настоящем разделе главы.

А сейчас одно небольшое пояснение. Дело в том, что, кроме рецепторов, расположенных на поверхности клетки и связывающих нейротрансмиттеры или гормоны, существуют и более глубоко расположенные (цитоплазматические) рецепторы, которые реагируют с относительно легко проникающими через мембрану, например, стероидными половыми гормонами. Затем комплекс рецептор — гормон транспортируется в ядро, где он вызывает активацию определенных генов, следствием чего является индукция синтеза определенных белков, а следовательно, и специфическое изменение метаболизма в определенной ткани — "мишени гормона", имеющей соответствующие рецепторы.

Связывание определенной молекулы (лиганда) с мембранными рецепторами также приводит к "запрограммированным" изменениям: проницаемости мембраны, концентрации циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) или ионов Са2+ и т. д. Происходит это закономерно, потому что рецепторы встроены в мембрану таким образом, что они находятся в контакте с другими определенными макромолекулами, и в случае связывания рецептора "со своим" лигандом изменяется структура не только рецепторa, но и структура и активность других (но определенных) макромолекул, "чувствительных" к рецептору или к изменению концентрации цАМФ или Са2+. После такого введения продолжим рассказ о роли мембран в старении.

Функция мембран не ограничена лишь их очевидным свойством — регуляцией путем переноса ионов и других низкомолекулярных веществ. В регуляции биосинтеза ДНК и РНК, переносе последней из ядра в цитоплазму существенное значение имеет ядерная мембрана; биосинтез многих белков протекает на полисомах, "организуемых" мембранами эндоплазматической сети; биосинтез липидов регулируется ферментами, упорядоченными на митохондриальных мембранах. Распад же различных биомакромолекул, их гидролиз осуществляются также в определенных мембранных структурах — лизосомах. Именно благодаря тому, что многие гидролазы ограничены, "упрятаны" в этих структурах, обеспечивается относительная надежность функционирования макромолекул в клетке. Таким образом, все основные биохимические процессы в клетке регулируются мембранами, а функции мембран основаны на их способности контролировать и координировать диффузию и активный перенос субстратов (т. е. перенос вещества против градиента концентрации) в клетку и из нее, от одной органеллы к другой, служить площадкой, на которой происходит специфическая ориентация макромолекул и образование между ними специфических комплексов и формирование органелл (например, полисом), воспринимать внеклеточные сигналы с помощью встроенных в мембраны рецепторов, специфически взаимодействующих с определенными (сигнальными) молекулами, благодаря перечисленным свойствам поддерживать и регулировать определенную форму клеток, рост и состояние их митотической активности. Ядерная мембрана "старых" клеток имеет значительно измененную структуру, что хорошо видно в электронном микроскопе: она образует складки и впячивания внутрь ядра, иногда наблюдается нарушение целостности ее структуры. Эти изменения должны нарушить специфичность взаимодействия ядра с цитоплазмой, уменьшить селективность процессов переноса вещества из ядра в цитоплазму и наоборот. Нарушение переноса должно касаться не только низкомолекулярных веществ, но и передвижения (транслокации) в обоих направлениях биомакромолекул (главным образом РНК из ядра в цитоплазму и ядерных белков из цитоплазмы в ядро).

При старении клеток печени изменяется химический состав цитоплазматических мембран, а точнее, изменяется соотношение различных белков и активность ферментов, входящих в их состав.

Мы уже знаем, что нарушение способности к делению — один из важных признаков старения клеток. Молекулярные механизмы этого нарушения могут быть многообразны и, вероятно, так или иначе связаны с изменением структуры и функции генетического аппарата. На основании только что сказанного можно предположить, что другой клеточной структурой, изменение которой может быть критическим для нарушения в процессе старения способности клетки к делению, является цитоплазматическая мембрана.

Так, ухудшение реакции старых клеток на действие митогенных факторов — одна из основных причин снижения их пролиферативной активности и, вероятно, жизнеспособности, Известно также, что фибробласты кожи новорожденных более чувствительны, чем фибробласты взрослых доноров, к стимулирующему рост действию таких факторов роста, как эпидермальный или тромбоцитарный, а также инсулин. Не только фибробласты кожи, но и кератиноциты новорожденных делятся in vitro более интенсивно, чем кератиноциты взрослых людей, и первые более чувствительны, чем вторые, к стимулирующему рост действию фактора роста кератиноцитов и эпидермального фактора роста (ЭФР). Таким образом, есть основание полагать, что снижение пролиферативной активности и фибробластов и кератиноцитов, происходящее при их старении, связано с возрастным снижением реакции этих клеток на факторы роста, присутствующие в среде роста.

В заживлении ран существенное значение, вероятно, имеет также стимуляция деления фибробластов под влиянием ЭФР. Поэтому весьма важны данные Р. Д. Фихлинса с сотрудниками из Вистарского института анатомии и биологии в Филадельфии о том, что при старении in vitro диплоидных фибробластов человека их реактивность, способность к стимуляции синтеза ДНК под влиянием ЭФР снижаются. Исследования рецепторов к этому фактору, выделенных из фибробластов различных пассажей, показали, что при старении клеток эти рецепторы теряли способность фосфорилировать тирозины белков.

Приведенные данные находятся в соответствии с результатами исследований Юкиаки Курода из Национального института генетики Японии. Он обнаружил, что добавление ЭФР к культурам "молодых" фибробластов человека ускоряет их деление, причем начинают делиться даже клетки, ранее переставшие делиться. Но стимулировать деление клеток старых культур путем добавления к ним факторов роста не удалось.

Что касается неделящихся клеток, то особое значение в старении, по-видимому, имеет изменение их мембран в области контактов (синапсов). Известно, что нарушение структуры и функции этих мембран может снижать скорость и точность передачи информации в нервной системе, что наблюдали в процессе старения и животных, и человека. Последний абзац, взятый из первого издания этой книги, теперь также можно продолжить приведением конкретных фактов, подтверждающих сформулированное в нем предположение об особой чувствительности синаптических мембран к старению и свидетельствующих, сколь бурно, развиваются исследования в рассматриваемой области знаний. При сравнении нервных окончаний крыс в возрасте 5–7 или 23–25 месяцев обнаружены существенные различия их синаптических мембран. Авторы этой работы полагают, что в результате таких изменений нарушается не только функция нервных окончаний, но и жизнеспособность самой нервной клетки, так как при этом в ней увеличивается содержание ионизованного кальция, а это может стать причиной возрастной (спонтанной) гибели нейронов. Подобно тому как в нарушении регуляции митотической активности делящихся клеток имеет значение изменение ее рецепторов, так и уменьшение числа или модификация структуры рецепторов нервных клеток может быть одним из определяющих факторов старения этих клеток.

Значительное количество информации получено относительно следующих видов рецепторов нейромедиаторов: β-адренергических, холинергических и дофаминовых. Обнаружено, что при старении уменьшается число рецепторов по крайней мере в некоторых отделах головного мозга человека и грызунов. Уменьшение количества рецепторов нейромедиатора ацетилхолина (холинергических рецепторов) в коре и гиппокампе пожилых людей может быть биологической основой снижения их способности к запоминанию. Следовательно, возрастные изменения рецепторов можно скоррелировать с функциональными нарушениями. Уменьшение рецепторов для нейромедиаторов связывают с утратой синаптических контактов, отростков или нейронов, причем потеря рецепторов может быть как следствием разрушения этих структур, так, возможно, и причиной такого разрушения, поскольку в некоторых медиаторных системах возрастная потеря рецепторов предшествует возрастным анатомическим изменениям.

Уменьшение при старении чувствительности мембран клеток головного мозга к нейромедиаторам также объясняют уменьшением содержания в них соответствующих рецепторов. В частности, значительно снижается количество дофаминовых рецепторов, связанных с аденилатциклазой. Содержание периферических дофаминовых рецепторов такого типа (например, в почечной артерии кроликов) при старении также значительно уменьшается.

В клетках мозга, вероятно, снижено не только число, но и скорость синтеза адренорецепторов. Так, скорость появления новых мест связывания лигандов, взаимодействующих с такими рецепторами, в гипоталамусе и коре мозга 24-месячных крыс значительно меньше, чем в тех же органах 3-месячных животных. Эти данные были получены Луисом Гринбергом с соавторами из отдела фармакологии медицинского колледжа в Пенсильвании и в Институте психиатрии в Филадельфии. А Георг Рот и Джаклин Генри из лаборатории молекулярных и клеточных исследований Балтиморского геронтологического центра (США) обнаружили снижение на 30 % скорости синтеза дофаминовых рецепторов в стриатуме (полосатом теле) головного мозга 24-25-месячных крыс по сравнению с 3-6-месячными.

В Национальном институте старения в Балтиморе были исследованы молекулярные механизмы снижения при старении способности тканей адекватно реагировать на гормоны и нейромедиаторы. Оказалось, что это снижение может быть обусловлено изменением количества и, возможно, структуры и функции определенных рецепторов. Так, в одной из структур головного мозга (полосатом теле) обнаружено снижение количества дофаминовых рецепторов. В гипофизе же снижается число рецепторов к эстрогенам А у рецепторов, расположенных в слюнной железе и специфически реагирующих с катехоламинами, при старении уменьшается эта реакционная способность. Следующие после взаимодействия рецептора со "своим" биологически активным веществом реакции также могут нарушаться при старении. Такое нарушение обнаружено в гипофизе при исследовании реакций, инициируемых взаимодействием эстрогенов со своими рецепторами.

Получены также данные, подтверждающие предположение о том, что снижение способности матки у старых крыс реагировать на воздействие эстрогена является следствием потери рецепторов или ослабления их активности. Таким образом, обнаруживается общая закономерность старения — снижение концентрации рецепторов нейромедиаторов и гормонов (мембранных или находящихся в цитоплазме) в различных клетках. Однако из этого правила имеются исключения. Одно из них обнаружилось при анализе данных работы Малана Кольга с сотрудниками из отдела фармакологии в университете Охио (США). Из такого анализа следует, что мочевой пузырь самцов старых крыс (возраст 29 месяцев) более чувствителен к холинергическим стимулам, и это обусловлено увеличением в клетках мочевого пузыря по сравнению с аналогичными клетками 7-месячных крыс количества мускариновых холинергических рецепторов.

Особенно резкие изменения функции мембран можно наблюдать при старении клеток крови эритроцитов, которые живут в организме недолго (например, в организме человека — несколько месяцев).

В последние годы при исследовании старения и этих клеток обнаружено изменение их рецепторов. Количество инсулиновых рецепторов на эритроцитах определяли радиохимическим методом по связыванию с ними инсулина, меченного йодом-125. Оказалось, что фракция самых молодых клеток содержит наибольшее количество рецепторов. В процессе созревания ретикулоцитов концентрация рецепторов в них уменьшалась очень быстро. По мере же старения зрелых эритроцитов количество рецепторов уменьшалось экспоненциально с полупериодом около 40 дней.

Исходя из термодинамики можно предвидеть спонтанное образование прочных комплексов или даже ковалентных сшивок между мембранными белками, причем такой процесс ускоряется под влиянием перекисей липидов мембран. Поскольку количество последних при старении возрастает, то, вероятно, с возрастом увеличивается и скорость спонтанного "сшивания" мембранных белков, особенно если скорость метаболизма таких белков замедлена. Все это приводит к предположению, что при старении различных клеток в их мембранах, в первую очередь — в мембранах неделящихся клеток, возрастает часть (фракция) высокомолекулярных белков, образуемых в результате сшивания мембранных белков.

А. Бовелли с сотрудниками обнаружили в 1984 году, что в ходе старения эритроцитов на их поверхности появляются ассоциаты белков, скрепленные дисульфидными мостиками и локализованные в мембране. Такие ассоциаты, вероятно, образуются в результате протеолиза и окисления других мембранных или даже цитоплазматических белков. При добавлении к "молодым" эритроцитам АТФ или глутатиона (одного из природных антиоксидантов) в физиологических концентрациях процесс образования в мембране ковалентно сшитых комплексов белков резко ингибируется. Этот факт представляет даже практический интерес. Ведь при хранении крови требуется в максимальной степени сберечь эритроциты, не дать им "постареть". Значит, с этой целью можно попытаться использовать также физиологические концентрации АТФ и(или) глутатиона. Есть основания полагать, что такие вещества окажут благотворное действие и на организм — реципиент донорской крови. Но конечно, эти теоретические предположения должны быть дополнены проверкой их справедливости на различных животных, включая обезьян.

Когда сравнили белки мембранных структур синаптосом коры головного мозга крыс в возрасте 2, 12 и 24 месяцев, то оказалось, что отношение общего количества белка с молекулярной массой, превышающей 5-10^5, к белкам с массой, меньшей этой величины, у молодых животных составляет 1:3, у взрослых — 1:2,1, у старых — 1:1,3. Относительное увеличение высокомолекулярных фракций белков с возрастом, вероятно, имело существенное значение в снижении функциональных способностей головного мозга, так как центрофеноксин, который по некоторым параметрам тормозит старение мозга и улучшает его функцию у старых животных, будучи введенным старым крысам, "омолаживал" белковый состав мембран синаптосом их головного мозга.

То, что мы сейчас обсуждали, касалось цитоплазматических мембран, отделяющих клетку от окружающей ее внешней среды. Но ведь для нормального функционирования клетки не меньшее значение имеют и мембраны, "пронизывающие" клетку, разделяющие ее на отдельные органеллы, "отсеки" и т. д. Это, в частности, мембраны эндоплазматической сети, на которых происходит синтез многих белков и которые служат стенками каналов, пронизывающих клетку.

С недостаточно активной функцией лизосом связано и накопление в клетках "шлаков", метаболически стабильных комплексов — об их природе и роли в старении будет рассказано позднее.

Теперь рассмотрим физико-химические механизмы старения мембран, знание которых позволит нам глубже понять и биологическую роль самого феномена старения этих структур. Такие механизмы исследовали в основном двумя путями. Один из них состоял в сравнении химического состава высокоочищенных препаратов определенных мембран, выделенных из клеток животных различного возраста.

Таким образом было обнаружено, в частности, что процесс старения изменяет липидный состав митохондриальных мембран. В качестве примера рассмотрим сравнительные данные о жирокислотном составе, содержании холестерина и фосфолипидов в мембранах митохондрий сердца молодых (4 месяца) и старых (33 месяца) крыс-самцов. Оказывается, что в мембранах старых животных значительно увеличено содержание холестерина и процент сфингомиелина и кардиолипина. Среди жирных кислот при этом увеличивалась доля пальмитиновой кислоты, а в кардиолипине — доля длинноцепочечных жирных кислот. При старении у большинства фосфолипидов индекс ненасыщенности уменьшался (у кардиолипина он повышался). Такие изменения мембран должны приводить к изменению их вязкости (точнее, микровязкости), "текучести" митохондриальных мембран, что, в свою очередь, может нарушить способность митохондрий сердца обеспечивать его энергией, а это в конечном счете может приводить к нарушениям сердечной деятельности, наблюдаемым в старческом возрасте.

Понятия "микровязкость" или "текучесть" мембран введены биофизиками, использующими "метки или зонды" — органические молекулы, во-первых, способные флуоресцировать или обладающие парамагнитными свойствами и, во-вторых, способные связываться с липидной или белковой компонентой мембран. В этом случае флуоресцентным методом или методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) можно определить подвижность метки (зонда) при различных температурах, а эта подвижность и ее изменение с изменением температуры по очевидным физическим причинам как раз и определяется подвижностью или микровязкостью тех молекул, к которым пришиты метки (зонды).

С помощью таких методов и было определено, что подвижность ацильных цепей (текучесть липидов) мембран уменьшается при старении клеток. Такие данные были получены, в частности, советскими биофизиками А. Б. Капитановым и В. Г. Ладыгиной во 2-м Медицинском институте. К сходному выводу пришли известные зарубежные исследователи мембран М. Шиницкий и Я. Скорник. Они заключили на основании анализа имеющейся информации по изменению физико-химических свойств мембран при старении, что начальная фаза старения мембран характеризуется существенным изменением состава и физических свойств липидного бислоя, в частности увеличением микровязкости.

В совместной работе В. К. Кольтовер из Института химической физики АН СССР, Р. А. Гуськова из МГУ и автор этих строк методом ЭПР и с помощью спинового зонда, вводимого в липидный бислой мембран микросом, сравнивали физические свойства мембран, выделенных из печени молодых (2–5 месяцев) крыс и старых (22-месячных). Резких возрастных изменений мембран, исследованных при 37 °C, мы не обнаружили. Однако сравнение температурных зависимостей "параметра упорядоченности" спинового зонда в них показывает, что структура мембран в процессе старения все же нарушается. Это нарушение может быть связано с изменением степени метилирования их фосфолипидов. Данные, свидетельствующие об этом, интересны и тем, что они показывают возможность обратить вспять определенные (хотя и не все) процессы старения на молекулярном уровне с помощью физиологически активных веществ.

Так, в стриатуме — одном из участков головного мозга крыс — обнаружено увеличение микровязкости липидов мембран при старении, сопровождаемое снижением включения метальных групп в фосфатидилхолин. Длительное же введение старым крысам S-аденозилметионина, являющегося донором метальных групп, снижало микровязкость мембран стриатума до значений, характерных для мембран молодых животных. Количество β-адренергических специфических участков связывания (рецепторов, количество которых при старении в стриатуме уменьшается) после кормления S-аденозилметионином также возвращалось к норме. Однако активность аденилатциалазы при этом оставалась по-прежнему сниженной.

Приведенные данные позволяют связать только что нами рассмотренные данные об изменении с возрастом физических и химических свойств липидного бислоя мембран с заключением о нарушении в процессе старения рецепторной функции мембран. Ведь молекулы белков-рецепторов встраиваются в липидный бислой и функционируют в его окружении или, может быть, точнее — при его участии. Следовательно, если его химический состав и физические свойства становятся не оптимальными, будут затруднены и включение рецепторов в мембрану (и следовательно, уменьшение их количества, действительно наблюдаемого при старении), и нарушение их функции, особенно регуляции их функции, например, при функциональных нагрузках. Это заключение согласуется с интересными данными об изменении липидного состава плазматических мембран клеток мозга и сердца и активности ферментов, входящих в состав этих мембран, полученными Л. Н. Богацкой с соавторами (Институт геронтологии АМН СССР).

Накопление в клетках и в межклеточном веществе метаболически стабильных комплексов макромолекул

К числу молекулярно-клеточных наиболее четких и хорошо изученных изменений, характеризующих процесс старения, можно отнести накопление в клетках особого пигмента — липофусцина. Увеличение его содержания в клетках различных органов столь симптоматично для старения, что он получил даже название пигмента старения. Точнее, нужно говорить о пигментах-липофусцинах, так как в клетках различных органов (даже в клетках одного типа, но разного возраста) этот пигмент по некоторым свойствам неидентичен. Однако во всех исследованных случаях липофусцины содержат различные (модифицированные) продукты переокисления и полимеризации липидов и липопротеидов.

Можно полагать, что накопление липофусцина при старении снижает функциональный потенциал нервных клеток, а также их способность противостоять вредным воздействиям окружающей среды (таким, как токсины, вирусы, соединения алюминия, попадающие в мозг). Такие внешние воздействия усугубляют "спонтанные" внутриклеточные и сосудистые изменения мозга при старении.

Кроме липофусцина, с возрастом в клетках могут накапливаться и другие молекулы и их комплексы. Результаты исследований, проведенных с использованием предшественников белков и липидов, меченных радиоактивными атомами, приводят к заключению, что часть этих молекул сохраняется в организме в течение промежутков времени, сравнимых с продолжительностью жизни животных. Особенно велика функция медленно обменивающихся белков в мозге, сердце и скелетных мышцах, т. е. в тех органах, специализированные клетки которых не делятся во взрослом организме.

Но ведь условия, существующие даже в нормально метаболизирующих клетках, неизбежно должны приводить к физическому и химическому изменению этих белков: их частичному разрушению теплом, перекисями липидов и т. д., следствием чего должно быть образование ковалентных сшивок между этими белками и другими молекулами клетки. Такие комплексы, подобно липофусцину, очевидно, не могут быть легко удалены из клетки или полностью разрушены, они становятся "шлаками" и постепенно засоряют клетку.

Кроме этого пути образования инертных и в функциональном, и химическом, и термодинамическом отношениях комплексов макромолекул, последние возникают еще и в клетке, а также в результате реакций стабильных и обменивающихся макромолекул с низкомолекулярными веществами, образующими перекрестные связи. Такие агенты обладают несколькими реакционноспособными центрами и поэтому могут реагировать с несколькими макромолекулами. В результате между ними образуются сшивки. Этот процесс аналогичен вулканизации каучука, когда добавление к нему соединений, содержащих серу, приводит к сшиванию молекул каучука между собой и его затвердению. Вещества же, которые могут осуществлять перекрестное связывание макромолекул, возникают в клетке постоянно: это и промежуточные продукты окисления, и металлы и т. д.

Последствия образования инертных комплексов в клетке отнюдь не исчерпываются тем, что такие комплексы мешают распределению веществ в клетке, засоряют ее. Если эти комплексы возникнут в геноме, если образуются перекрестные связи между геном и белком, то функция гена будет частично или полностью нарушена. И может быть, часть сшивок необратима, поскольку сшивки ДНК — белок являются труднорепарируемыми генетическими изменениями. Но известно, что образование даже одной ковалентной связи между белком и уникальным геном может существенно нарушить жизнедеятельность клетки. Следовательно, такие повреждения могут быть по крайней мере одним из важных звеньев молекулярного механизма или, точнее, механизмов старения.

Уже есть основания и для более точной характеристики этих повреждений. В частности, факты и теоретические соображения позволяют считать, что в образовании сшивок с ДНК принимают участие медленно обменивающиеся основные ядерные белки — гистоны, прежде всего те, которые содержат большое количество лизина (аминогруппы этой аминокислоты относительно легко образуют перекрестные связи). До сих пор мы рассматривали механизмы образования и роль в старении и гибели клеток накопления в них относительно стабильных комплексов макромолекул. Но в состав тканей, кроме клеток, входит и межклеточное вещество, роль которого не только механическая. Оно участвует в транспорте различных веществ между клетками, а также между ними и кровью или другими тканевыми жидкостями. Основной компонент межклеточного вещества — коллаген, количество которого с возрастом увеличивается. Таким образом, в процессе старения в организме становится относительно меньше клеток и больше межклеточного вещества. При этом коллаген со временем подвергается и качественным изменениям. Их возникновение определяется и тем, что коллаген — еще одна (кроме ДНК) макромолекула, практически полностью не обновляющаяся после завершения синтеза. И именно эти макромолекулы (и только они!) состоят из цепей, спирально закрученных друг на друга. Правда, ДНК — это двуцепочечная спираль, коллаген — трицепочечная.

Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, существенно отличается от выделенного из тех же органов молодых. Эти возрастные изменения разнообразны, однако большинство из них являются следствием одних и тех же молекулярных событий — образования между цепями коллагена ковалентных сшивок, например, между их аминокислотами — лизином и тирозином. Из биохимических изменений коллагена при старении наиболее общими для всех млекопитающих теперь считают следующие: увеличение в нем содержания оксипролина и оксилизина (и соответственно уменьшение содержания пролина и лизина); увеличение скорости неэнзиматического гликозилирования, несмотря на уменьшение скорости общего метаболизма молекул коллагена.

С такими изменениями, вероятно, связаны и функциональные, и структурные изменения коллагена, в частности понижение эластичности его волокон при старении. Первичные молекулярные механизмы этих изменений могут быть различными и включают как процессы, протекающие в межклеточном веществе (уменьшение в нем содержания Н_2О, изменение содержания в коллагене других молекул, определяющих правильное расположение молекул коллагена), так и изменения на уровне клеток соединительной ткани (уменьшение их количества, изменение иммунологического статуса при старении).

Наряду со специфическими существуют общие молекулярные механизмы старения клеток и межклеточного вещества, т. е. механизмы, осуществляющие деструкцию организма на различных его уровнях. К числу таких механизмов в первую очередь нужно отнести образование свободных радикалов, Н_2О_2 и перекисей органических соединений.

Следовательно, известные факты ускорения старения коллагена кожи у экспериментальных животных, облученных ионизирующей радиацией, также, скорее всего, связаны с действием на него активных форм кислорода и перекисей липидов или со снижением антиоксидантной системы защиты от них. Ведь такие изменения действительно наблюдают в облученных клетках тканей, и они ответственны за многие радиобиологические эффекты.

Таким образом, основные принципы старения клеток и межклеточного вещества оказываются одинаковыми. В обоих случаях они обусловлены образованием сшивок между макромолекулами, как правило, не подверженных метаболизму. Причем механизмы сшивания макромолекул также аналогичны. Процесс обычно начинается (инициируется) истинно спонтанным, тепловым разрушением макромолекул или окислением их низкомолекулярными метаболитами (в основном активными формами кислорода и перекисями). Вероятно, в механизм сшивки различных макромолекул (ДНК и гистонов; молекул коллагена, макромолекул, входящих в состав эластина) существенный вклад вносят реакции с участием аминогрупп аминокислоты лизина.

Глава IV

Молекуляpнo-клеточные системы поддержания жизнеспособности

Механизмы молекулярной самозащиты клетки. Системы репарации ДНК

Биохимики и молекулярные биологи, изучающие структуры клетки или процессы, происходящие в ней, нередко сравнивают клетку с биохимической фабрикой. Однако фабрика эта очень необычна. Действительно сопоставим, например, генетическую информацию ДНК с программой технологических процессов, заложенной в системе управления фабрикой (будем считать, что это программа вычислительного комплекса). Но мы теперь знаем, что в ДНК спонтанно с большой частотой возникают различные повреждения, причем многие из них вызываются продуктами нормального метаболизма — веществами, необходимыми для жизнедеятельности клетки.

Таким образом, если продолжать аналогию клетки с биохимической фабрикой, то нельзя не увидеть одну существенную отличительную особенность: программа работы этой фабрики постоянно разрушается продуктами ее собственного производства. И нормально функционировать такая фабрика (например, в течение сроков, сопоставимых со временем, затрачиваемым на ее создание) может лишь в том случае, если в ней имеются "сверхпрограмма" и средства восстановления всех программ работы фабрики.

В клетке действительно имеются механизмы и даже системы механизмов для ремонта поврежденных генетических структур. Схема работы наиболее изученного — эксцизионного механизма репарации представлена на рис. 6. Один из интереснейших механизмов репарации ДНК, открытых в последние годы, — устранение из ДНК гуанинов, алкилированных по 6-му кислородному атому. Особенность этой системы репарации ДНК состоит в ее адаптивности, т. е. ее активность во многих клетках увеличивается в условиях, когда возрастает число повреждений, устраняемых ею. Поскольку такие повреждения с относительно большой частотой приводят к мутации и трансформации клеток, то рассматриваемую систему репарации ДНК считают антимутагенной и антиканцерогенной. В процессе такой репарации "лишняя" метильная группа гуанина двойной спирали ДНК переносится на цистеиновый остаток фермента — акцепторного белка. Происходит полное восстановление исходной структуры остатка гуанина в ДНК, но сам фермент инактивируется (см. также с. 203).

В начале 80-х годов автор этих строк теоретически предсказал, что образование О^6-метилгуанина в ДНК может происходить вследствие реакции ДНК с нормальным метаболитом, необходимым всем клеткам для осуществления различных физиологических функций — S-аденозилметионином. Иными словами, определенное количество повреждений ДНК рассматриваемого типа неизбежно образуется и при физиологических условиях. С этим обстоятельством, вероятно, и связана способность клеток развивать реакцию, так сказать, самоадаптации (т. е. реакцию защиты ДНК от спонтанного физиологического повреждения ДНК "своими" необходимыми клетке метаболитами).

О роли функции рассматриваемого фермента в жизнестойкости и долголетии млекопитающих свидетельствует, например, следующее. Исходный уровень его активности сначала был изучен в печени крыс А. Е. Пегом из отдела физиологии и исследований рака Пенсильванского университета (США). А пять лет спустя советскими онкологами (А. Я. Лихачевым и другими из НИИ онкологии им. проф. Н. Н. Петрова Минздрава СССР) были опубликованы данные об активности этого фермента в печени человека. Сопоставление данных этих различных работ показывает, что способность устранить премутагенные и преканцерогенные повреждения ДНК, индуцируемые алкилирующими нитрозаминами, в клетках человека примерно в 10 раз больше соответствующей способности клеток печени крыс.

Рассмотренными процессами репарации ДНК и катализируемыми ими ферментами не исчерпывается регуляция на самом Деле гораздо более сложных механизмов залечивания генетических ферментов. В частности, в таких механизмах принимают участие и ферменты, изменяющие структуру ДНК на уровнях ее организации, более высоких, чем первичная. Один из этих ферментов — топоизомераза, название которого подчеркивает и его предназначение — менять топологические свойства ДНК.

Топоизомераза — очень важный фермент, нужный клетке не только для репарации ДНК, но и для регуляции других функций генетического вещества, включая редупликацию генов и их транскрипцию. (Роль такого рода ферментов в репарации ДНК и изменение их активности в процессе канцерогенеза были предсказаны в СССР еще в начале 70-х годов). Но особенно интересны данные, полученные в экспериментах с культивируемыми клетками человека.

Так вот, когда сравнили топоизомеразы в клетках здоровых доноров и больных анемией Фанкони (у последних увеличена нестабильность хромосом, снижена продолжительность жизни и имеются некоторые симптомы преждевременного старения, включая такой грозный, как увеличенная предрасположенность к опухолевым заболеваниям), то оказалось: при этой болезни резко изменено внутриклеточное распределение рассматриваемого фермента. В клетках здоровых людей фермент сосредоточен в основном в их ядрах, а в клетках больных людей активность топоизомеразы в ядрах мала, но она велика в цитоплазме. Возможно, это связано с тем, что вследствие мутации того или иного гена (в частности, гена, кодирующего самую топоизомеразу), фермент, будучи синтезированным в цитоплазме, затем не может быть доставлен в ядро. Так полагают авторы, обнаружившие различия в распределении топоизомеразы между клетками здоровых и больных анемией Фанкони людей.

Но более вероятным кажется другое объяснение этого различия. В клетках больных анемией Фанкони увеличена выработка супероксидного радикала и(или) генерируемого с его участием Н_2О_2, а это и приводит к увеличенной нестабильности хромосом. Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что при добавлении в среду роста клеток этих больных супероксиддисмутазы или каталазы частота спонтанных и индуцированных хромосомных аберраций "нормализуется". В связи с такими изменениями метаболизма, очевидно, и нарушается распределение топоизомераз. Но этот фермент, как считают исследователи, причастен к точности репарации ДНК и к подготовке ДНК к редупликации, и снижение его активности, вероятно, приводит к нарушению обоих процессов.

Действительно уже относительно давно было установлено, что процесс репликации ДНК в клетках больных с нестабильностью хромосом изменен. А в последние годы обнаружена и еще одна особенность этого процесса в таких клетках: радиочувствительность синтеза ДНК в них значительно снижена. Так, если уже при относительно небольших дозах облучения (меньших, чем летальные) в нормальных клетках синтез ДНК резко тормозится, то в клетках больных с синдромом нестабильности ДНК этого не наблюдается. Но ведь облучение индуцирует в ДНК различные повреждения, которые в норме должны быть залечены, причем точность (завершенность) этого процесса проверяется с помощью топоизомераз. Лишь после этого, наверное, начинается синтез ДНК. С такими процессами, вероятно, и связана задержка синтеза ДНК в облученных клетках.

Но при снижении активности топоизомераз и наличии каких-то других дефектов в механизмах репарации и репликации ДНК клетками "тратится" меньше времени на контролирующие целостность ДНК процессы.

Таким образом, исходя из предположения об участии топоизомеразы в проверке точности (или правильнее — полноты) репарации спонтанных и радиационных повреждений ДНК можно объяснить различные молекулярно-генетические особенности клеток больных с нестабильностью хромосом.

Теперь вопрос можно поставить шире: не является ли нарушение структуры, синтеза или распределения топоизомеразы одним из молекулярных механизмов преждевременного старения? И не являются ли возрастные изменения репликации ДНК средством такого нарушения? Дефект репликации ДНК наблюдали в фибробластах людей, страдающих синдромом Вернера или прогерией взрослых (одно из генетически детерминированных заболеваний, обозначаемых и как синдром преждевременного старения). Этот факт свидетельствует о том, что ответ на оба вопроса, наверное, должен быть положительным.

Но как же изменяется способность клеток к репарации ДНК в процессе нормального, физиологического старения? В обширной литературе на рассматриваемую нами тему очень мало работ, освещающих исследования, в которых проблему возрастных изменений репарации ДНК изучали бы на клетках человека, стареющих не in vitro, a in vivo. Хотя "модель" можно исследовать подробнее и с меньшими усилиями, чем само явление, но все же интересно знать, как происходит старение клеток в естественных условиях.

Прежде всего приведу доказательство уменьшения способности к репарации однонитевых разрывов ДНК у фибробластов взрослых людей по сравнению с эмбриональными фибр об ластами. Способность к репарации ДНК эмбриональных диплоидных фибробластов медицинских абортусов и фибробластов, полученных из кожных биопсий здоровых доноров в возрасте от 25 лет до 91 года, А. Н. Хохлов и автор этих строк (работа выполнялась при поддержке Г. Д. Бердышева из КГУ и К. Н. Гринберга из Института медицинской генетики АМН СССР) определяли методом седиментации в градиенте щелочной сахарозы, о котором я уже рассказывал. Результаты, полученные при использовании этой методики, интерпретируются достаточно определенно: повреждение ДНК (радиацией или химическими мутагенами), приводящее к замедлению скорости седиментации ДНК, означает накопление в ней разрывов или других модификаций (щелочно-лабильных связей), которые в щелочной сахарозе трансформируются в разрывы ДНК. Ускорение седиментации ДНК поврежденных клеток в процессе их инкубации при 37 °C интерпретируется как показатель способности клеток устранять повреждения ДНК: в основном однонитевые разрывы и щелочно-лабильные связи.

При отработке условий эксперимента (количество наносимых на градиент клеток, продолжительность их лизиса, скорость центрифугирования) были исключены все возможные артефакты метода. Это позволило максимально увеличить воспроизводимость результатов и установить, что хотя сразу после облучения седиментаграммы ДНК эмбриональных и "взрослых" фибробластов практически одинаковы, в процессе инкубации скорость седиментации ДНК в эмбриональных клетках возрастает несколько быстрее.

Анализ данных многих серий опытов по сравнительному исследованию ДНК эмбриональных и "взрослых" фибробластов при 37 °C показывает, что и за 30 минут, и за 1 час инкубации облученных "взрослых" клеток в их ДНК устраняется; меньше повреждений, чем за тот же промежуток времени в ДНК эмбриональных клеток,

Ранее другими авторами был проведен целый ряд исследований, посвященных изучению изменений способности к репарации различных повреждений ДНК при "старении" in vitro культивируемых диплоидных фибробластов. Эти данные показывают, что репарация индуцированных радиацией однонитевых разрывов и щелочно-лабильных связей нарушается лишь в клетках последних пассажей, когда их жизнеспособность значительно снижена и большая часть клеток в популяции теряет способность к делению.

Другой подход, использованный нами для изучения возрастных изменений репарации ДНК, состоял в сравнении интенсивностей репаративного синтеза ДНК в клетках животных (крыс) различного возраста и в фибробластах человека, культивируемых в течение длительного времени. О результатах, полученных при исследовании спонтанного репаративного синтеза ДНК в клетках головного мозга, было рассказано в предыдущей главе. То были результаты исследования интактных животных.

Но кроме того, в клетках головного мозга взрослых крыс была обнаружена способность к внеплановому синтезу ДНК, индуцированному (вероятно, репаративному) гамма-излучением. Однако когда такие же опыты были поставлены нами на 23-26-месячных крысах, то у них индуцированного излучением внепланового синтеза ДНК обнаружить не удалось. Таким образом, пока мы имеем доказательство способности к обоим репаративным синтезам ДНК — спонтанному и индуцированному — только в нервных клетках головного мозга молодых животных.

Кстати, наличие такой способности заставляет с осторожностью относиться к широко разрекламированным, сенсационным результатам исследований Д. Пейтона и Ф. Нотебома из Рокфеллеровского университета, наблюдавших обмен ДНК в нервных клетках головного мозга взрослых животных (они исследовали канареек) и на основании такого обмена заключивших, что нервные клетки могут разрушаться и замещаться в процессе деления оставшихся. Возможно, однако, что обмен ДНК, исследованный американскими авторами, был обусловлен репаративным синтезом ДНК.

Чтобы выяснить, изменяется ли в процессе старения клеток человека их способность к репарации повреждений ДНК, диплоидные клетки, совершившие различное число делений in vitro, облучали УФ-светом и определяли интенсивность протекающего у них синтеза ДНК, связанного с репарацией повреждений ДНК. Доказательством включения тимидина как следствия внепланового (репаративного) синтеза ДНК являлся, в частности, тот факт, что его интенсивность определялась величиной дозы УФ-облучения. При облучении клеток в относительно небольшой дозе — 25 эрг/мм^2 интенсивность репаративного синтеза ДНК в "старых" клетках (40-го пассажа) была статистически достоверно меньше интенсивности репаративного синтеза ДНК в "молодых" клетках (26-го пассажа).

Но конечно, данные, полученные в опытах с клетками, стареющими in vitro, надо осторожно экстраполировать на ситуацию в организме. Поэтому больший интерес представляет вопрос о том, как изменяется репаративный синтез при старении клеток организма. Поскольку, как будет объяснено ниже, это важный для понимания механизмов старения и долголетия вопрос, то основные из имеющихся на этот счет фактов, опубликованных в последние годы (1984–1985), мы теперь рассмотрим.

Е. Ковакс с соавторами из лаборатории генетики человека в Базеле изучили спонтанный и индуцированный УФ-излучением репаративный синтез в лимфоцитах 38 мужчин и 17 женщин, которые были разделены на две группы: 17–39 лет и 44–74 года. Они установили, что интенсивность спонтанного репаративного синтеза ДНК в лимфоцитах людей 1-й группы была меньше, чем в лимфоцитах 2-й. Однако значительных различий в интенсивности индуцированного репаративного синтеза ДНК они не обнаружили, хотя и отметили, что клетки молодых людей менее гетерогенны по этому показателю.

А группа исследователей из Колумбийского университета в Нью-Йорке исследовала интенсивность репаративного синтеза ДНК клеток эпидермиса, полученных от людей различного возраста. Эту интенсивность оценивали методом радиоавтографии в клетках, облученных УФ-лучами. Было обнаружено, что активность процесса репарации ДНК по мере увеличения возраста доноров уменьшается на 50 %, причем с возрастом увеличивается доля клеток с низкой интенсивностью репаративного синтеза.

Наблюдаемые изменения нельзя объяснить ни нарушением проницаемости клеток для предшественников ДНК, ни изменением размера ядра. Приведенные данные однозначно свидетельствуют о нарушении с возрастом функции самих систем репарации ДНК.

Ряд исследований был выполнен с клетками, полученными от грызунов. В частности, ученые из медицинского колледжа Питтсбургского университета (США) установили: процесс репаративного синтеза ДНК после облучения УФ-светом клеток печени (гепатоцитов) 2-3-месячных крыс протекает активнее, чем в тех же клетках старых (16–20 месяцев) крыс.

По данным Ганса Ниедермуля с соавторами, способность к эксцизионной репарации клеток крыс в процессе их старения уменьшается. Она была снижена в клетках почти всех исследованных органов 28-месячных крыс по сравнению с клетками 9- и 18-месячных независимо от того, чем вызывали повреждения ДНК: 4-нитрозметилмочевиной, метил-метансульфонатом, 4-нитрохинолин-1-оксидом или гамма-излучением.

Я перечислил все исследованные факторы, не только чтобы подчеркнуть общие закономерности, но и отметить, что все эти факторы являются канцерогенными или потенциально канцерогенными. Это обстоятельство мы учтем ниже при рассмотрении вопроса о причинах резкого учащения в процессе старения животных и человека случаев развития у них злокачественных новообразований.

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 Н_2О_2 (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.

Антиоксидантные системы самозащиты клетки

В защите генетического вещества как от эндогенных генотоксических факторов, так и от внешних факторов, способных разрушать его, существенное значение имеют антиоксиданты или, точнее, система антиоксидантов, состоящих из органических веществ различных классов, а также нескольких ферментов. Начнем, пожалуй, с самого интересного и важного из них.

а) Ферментативная система защиты

Ранее была разъяснена роль супероксидного радикала () и образуемых в реакциях с его участием Н_2О_2 и гидроксильного радикала (ОН·) в повреждении и ДНК, и мембран. В настоящее время многие ученые подчеркивают опасность, которую для жизненно важных структур клетки представляют эти вещества, постоянно образуемые в процессе нормального метаболизма и инициируемые ими реакции. Но такое представление возникло еще в конце 60-х годов. Тогда автор этой книги пришел к заключению о возникновении кислородных радикалов in vivo и о роли последних в старении (книга "Молекулярные механизмы старения", М., Наука, 1970). Я вспоминаю об этом сейчас, чтобы лишний раз отметить: исходя из анализа механизмов старения можно делать предсказания общебиологического характера.

Это направление исследований стало бурно развиваться в 70-х годах, после открытия ферментов супероксиддисмутаз (СОД), защищающих клетки от . Сначала такие белки рассматривали предназначенными для запасания меди. Отсюда и их старое название: эритрокупреины, цереброкупреины и т. д. Но затем было установлено, что медьсодержащие белки катализируют реакцию:

Теперь стало ясно, что такие ферменты присутствуют в клетках высших организмов, будучи связанными не только с атомами меди, но и атомами других металлов — цинка или марганца (он содержится в митохондриальной СОД).

При сравнении активностей СОД в печени молодых (2,5-месячных) и старых (22-месячных) крыс В. К. Кольтовер, Р. А. Гуськова и автор этих строк обнаружили, что у последних она снижена более чем в 1,5 раза (при расчете на 1 мг белка клеток печени). Другими авторами общая активность СОД исследована также в скелетных и сердечной мышцах самцов крыс в возрасте от 3 до 23 месяцев. Эта активность у животных старше 19 месяцев с возрастом значительно уменьшалась.

Р. С. Сохал и другие ученые из отдела биологии Далласского университета обнаружили резкое уменьшение активности СОД при старении самцов домашней мухи. О значимости таких изменений свидетельствует обнаруженное этой же группой исследователей увеличение у "старых" мух концентрации неорганических перекисей окисленного глутатиона (хотя скорость поглощения кислорода была уменьшена, вероятно, из-за нарушений функций митохондрий, вызванных перечисленными биохимическими изменениями).

Правда, может возникнуть вопрос: не путаем ли мы причину и следствие? Ведь уменьшение активности защитных систем может быть следствием нарушения функции и белоксинтезирующего аппарата клетки и митохондрий (включая их собственный белоксинтезирующий аппарат), так как активность ферментных (белковых) систем защиты, конечно же, зависит от скорости синтеза белка.

Хотя второе заключение верно, но оно не противоречит первому. Скорее всего, здесь имеет место порочный круг: причиной снижения защитной системы при старении являются отмеченные нарушения, но эти же нарушения усугубляются таким снижением, и в результате защитные функции снижаются еще более и т. д.

Промежуточным звеном в этом круге, очевидно, являются перекиси липидов, которые, во-первых, образуются в реакциях, инициируемых , H_2О_2, ОН·, а во-вторых, могут повреждать ДНК, различные ферменты и, конечно же, мембраны, в липидном бислое которых эти реакции развиваются.

Все это наводит на мысль: не является ли СОД одной из биологических основ долгожительства? Следующий факт показывает, что ответ на этот вопрос может быть положительным. Японские исследователи Тетсуйта Оно и Щигефуми Окада исследовали активность этого и еще целого ряда ферментов в головном мозге половозрелых животных 11 видов с различной продолжительностью жизни; но лишь активность СОД положительно коррелирована с величиной максимальной продолжительности жизни исследованных животных. В связи с такого рода данными особое значение приобретают и другие вопросы: о причинах снижения активности СОД при старении и о возможности коррекции этого возрастного дефекта.

Оба вопроса, к сожалению, пока специально не исследованы, но очевидно, что пути изучения второго из них в сильной степени зависят от понимания первого. В частности, в состав СОД входит атом цинка, а при исследовании мышей в возрасте от 7 до 87 недель было обнаружено снижение в процессе старения содержания цинка в сыворотке. Не связано ли с этим снижение активности ООД? Цинк необходим для целого ряда биохимических процессов, а его недостаток может приводить к нарушению иммунных реакций, что наблюдается при старении. Но нужно ли увеличить его потребление пожилым людям? Ответа мы, конечно, сейчас не можем дать. Пока лишь обоснована актуальность вопроса об изменении с возрастом потребности людей в цинке, возможно, о недостаточном его содержании в пище пожилых людей. По крайней мере очень вероятные ответы на эти вопросы при соответствующей организации исследований получить можно относительно быстро и без больших материальных затрат, поскольку определение содержания цинка в сыворотке крови — простая процедура.

Кроме количества рассматриваемых защитных ферментов, в процессе старения могут изменяться и сами эти молекулы. Так, в цитоплазме фибробластов человека, исчерпавших свой митотический потенциал (а именно прошедших 52 пассажа), обнаруживается форма супероксиддисмутазы, очень чувствительная к нагреванию. Образование такой термолабильной формы фермента связано с изменением его конформации. И что интересно (не только теоретически, но, может быть, и практически): этот процесс перехода фермента из термостабильной в термолабильную конформацию является обратимым. Иными словами, рассматриваемый очень важный защитный фермент можно "омолодить" с помощью определенных метаболитов.

Аэробные организмы защищаются от окислительной деструкции мембран и других структур клетки также с помощью других, кроме супероксиддисмутазы, специальных ферментов, к числу которых относят селенсодержащую глутатионпероксидазу. Подробно роль изменений этой защитной системы при старении не исследована. Но вероятно, и ее функция нарушается, в частности, в связи с изменением синтеза белка или изменением соотношения в клетках различных форм глутатиона: общего, восстановленного и окисленного (Р. С. Сохал с соавторами из Далласского Университета).

Закономерен вопрос: а возможно ли усиление этой важной молекулярной защитной системы? В принципе, очевидно, да; однако здесь крайне важна одна особенность, с которой мы будем встречаться при анализе и других защитных систем. Дело в том, что задача коррекции защитных систем чрезвычайно сложна, поэтому требует исключительной осторожности.

В реакции обезвреживания кислородных радикалов образуется кислород в синглетном состоянии. Катализируемый глутатионпероксидазой процесс диспропорционирования гидроперекисей хотя и устраняет эти активные метаболиты, но также приводит к образованию синглетного молекулярного кислорода, являющегося сильным окислителем. Активность глутатионпероксидазы в печени, почках и сердце 36-месячных мышей уменьшена на 27–53 % по сравнению с активностями этих ферментов в тех же тканях 10-месячных мышей. Такое снижение является причиной нарушения при старении детоксикации перекисей и, кроме того, повышения чувствительности к эндогенным перекисям. Это означает, что, например, потребление избыточного количества растительного масла, содержащего относительно большой процент ненасыщенных жирных кислот, при метаболизме которых неизбежно должны образовываться перекиси, может вызвать развитие в клетках пожилого и старого человека различные деструктивные процессы.

б) Природные органические вещества, защищающие клетку от свободных радикалов и окислительного стресса

Биологической роли антиоксидантов уже давно уделяется очень большое внимание в биологии и медицине. И большое значение в разработке этой важной общебиологической и общемедицинской проблемы имело исследование антиоксидантов в качестве средств защиты от радиационного поражения и от разрушительного влияния времени (старения) академиком Н. М. Эмануэлем и его сотрудниками. В частности, Е. Б. Бурлакова обнаружила, что уменьшение с возрастом актиокислительной активности липидов играет существенную роль в процессе старения мышей различных линий. А Л. К. Обуховой, В. Н. Мамаевым, И. П. Пальминой, А. П. Акифьевым и другими сотрудниками был проведен целый комплекс фундаментальных исследований влияния антиоксидантов на продолжительность жизни различных животных, а также роли в механизмах продления жизни увеличения антиокислительной активности липидов.

Данные, полученные упомянутыми авторами и их сотрудниками, подтверждают предположение о том, что увеличение антиокислительной активности, по крайней мере некоторых органов, способствует долголетию. Из этих органов подробно изучена печень, изменение функций которой при старении обычно не лимитирует продолжительность жизни исследованных животных. Поэтому еще более интересных результатов можно ожидать от изучения влияния антиоксидантов на продолжительность жизни, скорость старения, частоту дегенеративных заболеваний, а также на антиокислительную активность органов, особенно важных для жизнедеятельности организма или наиболее уязвимых к болезням, связанным со старением.

Приходится, однако, снова напомнить, что усиление защитных систем — дело, чреватое самыми серьезными последствиями. Так, в процессе выполнения защитных функций — реакции с радикалами молекулы системы защиты сами становятся "опасными", если переходят в свободнорадикальное состояние. Эта опасность особенно существенна, если в результате таких реакций образуются перекисные радикалы. Вот пример. Некоторые американские геронтологи (и среди них такой выдающийся, как Р. Катлер) считают мочевую кислоту очень важным природным антиоксидантом, с помощью которого может быть увеличена продолжительность жизни. Однако при проведении радиационных исследований с ферментом алкогольдегидрогеназой оказалось, что в случае добавления урата натрия к раствору такого фермента его лучевая инактивация только усиливается. Это, как предполагается, связано с образованием в облученном растворе радикалов мочевой кислоты или связанных с ними перекисных радикалов. Значение, вероятно, имеет и образование супероксидного радикала в рассматриваемом процессе. Но независимо от этого приведенные данные показывают, что при определенных условиях "хороший природный антиоксидант" может не защищать, а, наоборот, усиливать окислительную деструкцию макромолекул. Из приведенного примера следует, кроме того, что для оценки свойств антиоксидантов может быть весьма полезным исследование эффектов облучения макромолекул ионизирующей радиацией.

Некоторые из новых молекулярных механизмов защиты уже открыты в середине 80-х годов, другие пока предполагаются — их возможная роль в старении и долголетии активно исследуется.

К числу вероятных защитных факторов прежде всего нужно отнести каротиноиды — вещества с относительно небольшой молекулярной массой (о них речь будет идти в главах VI и VII этой книги), а также белки, синтезируемые под влиянием кратковременного прогревания ("термошока") и(или) в условиях, когда в клетке усиливается выработка кислородсодержащих радикалов.

Клеточные системы защиты целостного организма и отдельных его систем

Функциональная значимость рассмотренных молекулярных механизмов защиты и репарации определяется их способностью защищать внутриклеточные структуры от эндогенных и экзогенных повреждающих воздействий. Другой класс защитных механизмов предназначен для защиты не только (и может быть, не столько) клеток и тканей, где они локализованы и функционируют, но и всего организма в целом. Такие механизмы изучают уже давно, и некоторые из них широко известны. Поэтому здесь будет рассказано о них кратко, и в основном о тех их свойствах, которые необходимы для понимания биологических основ жизнестойкости организма. Особое внимание будет обращено на взаимосвязь в работе различных защитных систем.

а) Защитные функции центральной нервной системы и гистогематических барьеров

Целый ряд систем организма осуществляет защитные функции. О такой функции (например, нервной системы) И. М. Сеченов еще в прошлом веке писал: "Действие регуляторов (имеются в виду элементы нервной системы. — М. В.) должно быть согласовано с интересами организма в смысле обеспечения анатомической и физиологической сохранности тела".

В отдельный класс физиологических механизмов защиты можно выделить барьерные механизмы, регулирующие переход различных веществ из крови во внутреннюю среду клеток и тканей. Эти барьерные механизмы, открытые советским физиологом академиком Л. С. Штерн, были названы ею гистогематическими. (Их называют также сосудисто-тканевыми.)

Среди них для организма особое значение имеет кровемозговой, или гематоэнцефалический, барьер, который не только регулирует динамическое постоянство состава внутренней среды мозга, но и защищает его от ненужных физиологически активных или тем более токсических веществ, вирусов, микробов. После гематоэнцефалического наиболее надежным считается гематотестикулярный барьер. Как видно из названия, это система защиты мужских половых клеток, содержащихся в семенниках (тестикулах). И в то же время этот механизм защиты (стенки сосудов, собственно оболочка семенных канальцев и т. д.) выполняет регуляторные функции. Интересно, что капилляры семенников и по ультраструктуре близки к капиллярам мозга.

Между кровью матери и плодом также существует барьер — плацентарный, который и регулирует переход веществ, необходимых плоду, и обладает защитной фракцией.

Защитные физиологические механизмы нарушаются в процессе старения, и эти нарушения имеют существенное значение. Еще несколько десятилетий назад студентам медвузов в качестве одного из основных фактов в пользу нервизма (учения об определяющей роли центральной нервной системы в регуляции всех функций организма) приводили следующие результаты, полученные И. П. Павловым и его учениками. Если центральная нервная система собак перевозбуждалась и развивалось состояние, во многом моделирующее состояние невроза у человека, то у животных разбивались признаки преждевременного старения. Этот факт означает, что нарушение тормозных процессов в головном мозге может иметь существенное значение в старении.

Примеров, подтверждающих это, можно было бы привести еще целый ряд. Но мы не будем подробно рассматривать изменения при старении защитной функции нервной системы и барьерных физиологических механизмов, так как это уже область скорее не биологических, а физиологических основ старения. Тем не менее отметим, что, как неоднократно подчеркивали отечественные физиологи (например, И. А. Аршавский, Н. Г. Кассиль, В. В. Фролькис), изменение в процессе старения регуляторных и защитных физиологических систем — очень важная и не во всем еще изученная проблема. А физиолог Л. А. Росин в своей книге "Регуляция функций" (М., Наука, 1984) подчеркнул, что проблема регуляторных и защитных механизмов (о тесной связи двух функций говорилось выше) в возрастном аспекте еще ждет систематического исследования.

б) Иммунологическая система защиты

Переходя к клеточным механизмам защиты, прежде всего назовем наиболее известную защитную систему — иммунологическую.

Иммунологическая защита осуществляется различными классами лимфоцитов, из которых Т-лимфоциты в основном ответственны за клеточный иммунитет — "узнавание" мутантных клеток или клеток, пораженных вирусами, а В-лимфоциты участвуют в синтезе антител. Отдельные классы лимфоцитов составляют моноциты, дифференцирующиеся в макрофаги. Кроме того, в каждом классе лимфоцитов различают несколько форм. Например, среди Т-лимфоцитов имеется по крайней мере три подкласса, о функции которых свидетельствует и их название. Это Т-киллеры ("убийцы"), разрушающие измененные клетки в результате прямого контакта с ними; Т-хелперы ("помощники"), помогающие другим лимфоцитам осуществлять их функции, и Т-супрессоры тормозящие активность других лимфоцитов и тем самым участвующие в регуляции иммунологических реакций. Описаны и такие формы Т-лимфоцитов, которые тормозят активность Т-лимфоцитов-супрессоров. Но у последних существуют свои "анти"-контр-анти-Т-супрессоры. Сеть межклеточных (непосредственных и дистантных) взаимодействий, составляющих иммунологические реакции, очень сложна (их анализу посвящены фундаментальная монография Б. Д. Брондза (Москва, 1987), ранее изданная книга академика Р. В. Петрова "Иммунология" (М., 1982). Многочисленны и механизмы нарушения иммунитета при старении. Выше мы рассматривали роль в старении нарушения межклеточных взаимодействий. Так вот, изменение межклеточных взаимодействий, как было выяснено в последние годы, очень существенно в механизмах нарушения иммунитета. Центральным звеном в механизмах этих взаимодействий является активация деления одних лимфоцитов под влиянием химических факторов, синтезируемых другими клетками. Уже давно было установлено, что один из характерных признаков Т-лимфоцитов, выделенных из крови старых людей, — снижение их способности реагировать на активаторы их клеточного деления (митогены) в культуре клеток. Правда, сначала снижение способности Т-лимфоцитов и активация под влиянием митогенов были открыты при исследовании веществ растительного происхождения, но теперь внимание иммунологов и биогеронтологов сосредоточено на изучении лимфокинов — факторов роста, выделяемых лимфоцитами.

Так, обнаружено снижение с возрастом интенсивности синтеза лимфокина интерлейкина-2. Этот факт позволяет понять по крайней мере одну из причин установленного ранее снижения при старении количества Т-клеток и их активности. Ведь под влиянием интерлейкина-2 происходит активация Т-клеток.

Исходя из того что ряд иммунологических изменений при старении обусловлен нарушением способности лимфоцитов синтезировать лимфокины, группа американских иммунологов (М. Л. Томан и Вильям О. Вейгл, 1985) попыталась даже восстановить некоторые нарушенные при старении иммунологические функции с помощью интерлейкина-2. Согласно их данным, клетки старых мышей образуют это вещество в количестве в 5-10 раз меньшем, чем клетки молодых взрослых мышей. В этих опытах в качестве индукторов интерлейкина-2 использовали митогены или аллоантиген; было показано, что описанный дефект связан вероятно, с нарушением функции Т-лимфоцитов — продуцентов его, а также с ранее установленными явлениями уменьшения при старении реактивности клеток к митогенам и реакции гуморального и клеточного иммунитета. Простое добавление в среду интерлейкина-2 восстанавливало ряд иммунологических реакций лимфоцитов.

В развитии патологических изменений в глубокой старости могут иметь значение молекулярно-клеточные изменения, аналогичные тем, которые обнаружены у старых мышей различных линий в течение нескольких дней, предшествующих их "спонтанной" гибели. В частности, в этот промежуток времени значительно повышается аутореактивность лимфоцитов к сингенным фибробластам и регистрируется повышенная цитотоксичность их естественных киллеров. Это сочетается с увеличением гибели и самих лимфоцитов. Таким образом, обнаруживается прямая корреляция между активацией программы спонтанной гибели лимфоцитов и программой саморазрушения организма посредством инактивации клеток цитотоксическими лимфоцитами. Результаты анализа 25-летнего лонгитудиального (т. е. в течение жизни обследуемых) исследования возрастных изменений в организме взрослых людей, проведенного Национальным институтом старения США, показывают: к числу наиболее существенных из этих изменений нужно отнести нарушения функций Т-лимфоцитов-хелперов.

Однако при старении наблюдается и увеличение количества лимфоцитов определенных категорий. Так, с помощью моноклональных антител и автоматического разделителя ("сортировщика") лимфоцитов периферической крови обнаружено возрастание величины одной из субпопуляций Т-лимфоцитов у пожилых людей по сравнению с молодыми. Эти изменения, вероятно, имеют значение в снижении жизнеспособности организма при старении, поскольку такие же изменения состава лимфоцитов наблюдаются и у молодых людей, страдающих болезнью Дауна, относимой к синдромам ускоренного старения.

Имеются и другие данные, свидетельствующие о существовании компенсаторных изменений в защитных механизмах и на клеточном уровне. Так, были исследованы различные подклассы лимфоцитов из периферической крови двух групп людей в возрасте 22–36 и 76–96 лет. У людей преклонного возраста было обнаружено почти двукратное увеличение естественных киллеров, селективно убивающих опухолевые клетки. В цитотоксическом тесте активность лимфоцитов против опухолевых клеток пожилых людей также была больше активности лимфоцитов молодых людей. Активность же лимфоцитов, относимых к Т-классу, при старении в согласии с данными других работ была сниженной.

Следовательно, увеличение числа естественных киллеров при старении может быть процессом, компенсирующим возрастное снижение функций иммунной системы, которую обеспечивают Т-лимфоциты. Выяснить правильность этого предположения можно, определив, не предшествует ли такое снижение возрастанию числа естественных киллеров.

Изменение функций Т-лимфоцитов при старении служит причиной нарушения не только тех иммунологических реакций, которые определяются самими Т-клетками. Согласно сообщению Перраса Хаузмана с сотрудниками из лаборатории геронтологии отдела медицины Корнеллского университета, наблюдаемое при старении значительное увеличение аутоантител, уменьшение синтеза антител лимфоцитами в культуре клеток или в организме связаны и с нарушением баланса регуляторных Т-клеток. Молекулярной основой таких нарушений может быть изменение рецепторов различных классов и субпопуляций лимфоцитов.

Важное уточнение относительно возрастных изменений функций лимфоцитов: например, по данным только что упомянутой группы авторов, такие нарушения в процессе старения наблюдали обычно при исследовании только лимфоцитов периферической крови, но не лимфоцитов, полученных из костного мозга или лимфоузлов. Такая закономерность может быть сопоставлена с ролью нейрогуморальных механизмов защиты в нарушении иммунологической защиты при старении. Все эти данные — неоспоримое свидетельство взаимосвязи между изменениями иммунологической системы защиты и теми системами, которые были рассмотрены ранее.

Читателю, которого больше интересуют практически аспекты рассматриваемых проблем, поясню: сказанное здесь означает, что частые и длительные стрессы (психологические) могут нарушить иммунологическую защиту или ускорить снижение этой защиты с возрастом.

Количество данных о том, что между функциями центральной нервной системы и иммунологической существует сложное взаимодействие, в последние годы нарастает, можно сказать, лавинообразно. В этом взаимодействии участвует и эндокринная система. Исследование роли таких взаимодействий в возрастном нарушении функции той или иной из систем несомненно — один из важнейших подходов для понимания механизмов старения каждой из этих систем и всего организма в целом.

Однако одновременно это, по-моему, и один из плодотворных подходов для понимания механизмов регуляции функций организма, особенно его иммунологической защиты. Дело в том, что связь между защитными и регуляторными функциями обнаруживается при рассмотрении не только центральной нервной системы или гематоэнцефалического или плацентарного барьера, но и при анализе иммунологической системы. Кстати, роль нарушения "тройного взаимодействия" (функций головного мозга, гематоэнцефалического барьера и иммунологической системы) в старении может состоять, например, в следующем. У молодых организмов головной мозг защищен гематоэнцефалическим барьером таким образом, что в нем "не разыгрываются" иммунологические процессы. Но если при старении функции такого барьера нарушаются, это приводит к синтезу аутоантител против нервных клеток, а следовательно, и к нарушению функций головного мозга.

Другое свойство защитных систем — постоянное функционирование. Это касается не только иммунологической системы. Другие защитные механизмы также работают постоянно, а не только "в особых условиях". Правда, в специальной физиологической литературе высказывалось мнение, что защитная функция в здоровом организме практически не проявляется — она "включается" только в экстремальных условиях. Факты, приведенные ранее, а также те, что будут описаны в следующем разделе, показывают, что это не так.

Биохимические системы обезвреживания токсических мутагенных и канцерогенных веществ

Постоянно функционируют и биохимические системы защиты организма. Например, в крови имеются в небольших количествах различные физиологические активные вещества (желчные кислоты и т. д.), проникновению которых в мозг препятствует гематоэнцефалический барьер. Если желчные пигменты все же проникают в мозг (это бывает, например, при желтухе новорожденных), они оказывают на него токсическое действие.

В экстремальных условиях функции "физиологических мер защиты" (И. П. Павлов) проявляются более отчетливо. Но наряду с этим те же функции могут стать препятствием для лечения патологического процесса, изолируя орган от медикаментозных средств, например, мешая проникновению в инфицированный орган антибиотиков или других антибактериальных или противовирусных препаратов.

И при анализе биохимических систем внутренней защиты можно увидеть закономерность, которую мы видели раньше, говоря о проблеме физиологических систем защиты. Тогда была подчеркнута тесная связь регуляторных и защитных функций этих систем. Например, одним из важнейших нейромедиаторов является ацетилхолин — медиатор парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. После выполнения своей функции (передачи нервного импульса) часть молекул ацетилхолина должна быть разрушена, иначе его постоянное образование с участием синтезирующего фермента — холинацетилтрансферазы приведет к накоплению его в больших количествах в нервных окончаниях и к поступлению его в нефизиологических количествах в кровь. Это нарушит нейрогуморальную регуляцию в организме. Защиту от такого нарушения осуществляет фермент холинэстераза, разрушающая ацетилхолин.

Но часть ацетилхолина все же попадает в кровь, и хотя небольшое его количество необходимо для гуморальной регуляции функции, накопление его в крови очень опасно.

Но организм обезопасил себя, вероятно, еще одной линией защиты от избытка ацетилхолина в крови. По данным Г. Н. Кассиля с сотрудниками, такую защиту осуществляют эритроциты, связывающие и тем самым обезвреживающие ацетилхолин. В уже цитированной книге этого автора проводится интересный анализ, свидетельствующий о существовании целого ряда уровней защиты организма от гистамина — физиологически очень активного вещества, постоянно вырабатываемого в организме и участвующего в регуляции деятельности некоторых органов. Однако если гистамин в крови человека начинает накапливаться, это вызывает нарушение различных функций. Избыточное образование в организме гистамина (или недостаточная защита от него!) может иметь значение в патогенезе таких широко распространенных заболеваний, как язвенная болезнь желудка или аллергия.

Приведенные примеры можно было бы продолжить, но и сказанного достаточно для того, чтобы представление И. П. Павлова о "физиологических мерах защиты" распространить на область биохимии.

Существует и специальная биохимическая система защиты от чужеродных веществ (ксенобиотиков), обладающих токсическими, мутагенными или канцерогенными свойствами. Эта барьерно-химическая защита особенно сильна в печени: с помощью ее обезвреживается большая часть поступающих в организм ксенобиотиков.

Важным элементом этой защиты являются гемсодержащие белки цитохром Р-450. Эта группа белков названа так вследствие того, что в восстановленной форме она в комплексе с окисью углерода имеет спектр поглощения с максимумом при 450 нм или вблизи этой полосы. Цитохром Р-450 — это общее название серии гемпротеидов, относимых к классу гидроксилаз, т. е. белков, участвующих в гидроксилировании поступающих в клетку веществ (или образуемых в ней или в других клетках стероидов и некоторых других метаболитов). При функционировании этих гидроксилаз (их называют еще монооксигеназами, так как они осуществляют включение только одного атома кислорода) происходит транспорт электронов по сложной цепи переносчиков, в результате чего восстанавливаются ионы железа, входящие в комплекс субстрата с цитохромом Р-450. В результате Fe3+ восстанавливается в Fe2+, а затем к последнему присоединяется О_2. Тогда из внутриклеточной цепи переноса электронов "прибывает" еще один электрон, после чего координационно связанный кислород  или О_22- атакует субстрат, а цитохром Р-450 освобождается в состоянии, содержащем Fe3+.

Все исследованные до сих пор формы цитохрома Р-450 печени млекопитающих прочно связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума (микросомами). Под влиянием различных ксенобиотиков концентрация этих белков резко возрастает. Такой процесс индукции происходит и под влиянием синтетических лекарств, также являющихся, как правило (к сожалению), чужеродными для организма. Например, после введения фенобарбитала гидроксилазная активность в печени возрастает примерно в 20 раз. Из важнейших свойств рассматриваемой биохимической системы отметим еще одно, касающееся механизмов ее действия, а именно превращение ксенобиотика из трудно в легко экскретируемую форму.

Как мы уже видели, такая работа сопровождается образованием , являющегося, как мы теперь знаем, индуктором переокисления липидов и генотоксическим агентом.

Рассматривая биологическую роль активных форм кислорода, мы подчеркнули и его участие в разрушении макрофагами бактерий. Таким образом, прослеживается практически одинаковая зависимость функционирования систем защиты от, казалось бы, столь разных факторов: химических чужеродных веществ или чужеродных бактерий.

Мы обсудили защитную функцию Р-450. Но драматический парадокс состоит в том, что Р-450 может не только обезвреживать потенциально канцерогенные вещества, но и катализировать их превращение в активные канцерогены. Например, 3-метилхолантрен, который содержится в выхлопных газах транспортных средств, индуцирует такую форму цитохрома Р-450, которая путем гидроксилирования этого полициклического углеводорода превращает его в сильный канцероген. Таким образом, мы опять приходим к парадоксальному заключению: защитная система оказывается и потенциально опасной, причем опасность эта скрытая.

Но все же регуляция ее возможна. Так, известно, что цитохром Р-450, индуцируемый барбитуратами, отличается от соответствующего белка, индуцируемого 3-метилхолентреном.

Теперь, имея представление о важнейших свойствах биохимической системы защиты, рассмотрим вкратце, как она изменяется при старении организма. Общее количество микросом (1 мг белка в расчете на 1 г массы ткани) в процессе старения крыс уменьшается. Изменение функциональной способности оксидазной системы микросом печени может быть обусловлено также уменьшением текучести липидного бислоя мембран микросом. О том, что физико-химическое изменение мембран происходит, свидетельствует изменение спектров электронного парамагнитного резонанса спиновой метки, растворимой в липидной фазе.

Дуглас Шмуклер и Роза Уонг из отдела биологии старения клетки медицинского центра и центра анатомии печени Калифорнийского университета исследовали активность системы НАДРН-цитохрома с — Р-450 — редуктазы микросом печени крыс 3, 9 и 27 месяцев. Оказалось, что удельная активность последнего фермента, как связанного, так и не связанного с мембранами микросом, наибольшая у 3- и 9-месячных крыс.

Поскольку содержание цитохрома Р-450 может возрастать при воздействии на организм токсических веществ большое значение имеет не только исходный уровень его активности, но и способность клеток к индуцированному синтезу такого белка. Добавки в пищу определенных сорбентов приводили к увеличению продолжительности жизни крыс на 30–40 %. Хотя содержание цитохрома Р-450 в их печени уменьшалось, потенциальная активность ферментных систем, обезвреживающих токсические вещества, существенно возрастала.

На основе этих данных можно полагать, что цитохром Р-450 участвует в обезвреживании не только токсических веществ, которые поступают извне, но и эндогенных токсических факторов. Иными словами, исходя из анализа биологических основ старения, мы можем предположительно находить новые грани работы биохимических систем. Что же касается самой идеи значения эндогенных токсических факторов в старении, то ее можно рассматривать как естественное продолжение представления И. И. Мечникова о роли токсинов. Правда, он имел в виду "токсины", синтезируемые не клетками организма, а живущими в его кишечнике микроорганизмами. Но ведь микроорганизмы, рассматривавшиеся И. И. Мечниковым, были не патогенными, а постоянно находящимися в организме. Во всяком случае, становится ясным, что в пожилом и старческом возрасте из-за снижения защитных возможностей даже эндогенная интоксикация организма может нарушать те или иные его функции путем усиления молекулярных механизмов деструкции: генома, полирибосом, мембран или "энергетических станций" клетки.

Тот же факт, что при старении уменьшается способность к индуцируемому синтезу микросомальных защитных ферментов, подтверждает общие закономерности, которые мы выявили ранее (см. главу II) при анализе других биологических основ старения: во-первых, то, что один из характерных признаков старения — снижение не только (и даже не столько) уровня функциональной активности клетки, органа или организма, сколько функциональной способности их, и, во-вторых, что в процессе, старения уменьшается способность клеток к индуцируемому синтезу по крайней мере некоторых белков. — Однако данные, полученные при экспериментальном исследовании печени грызунов, следует с осторожностью переносить на людей. Ведь такие данные позволяют делать лишь предположительные заключения об изменении защитной функции печени при старении всех млекопитающих. Так, один из основных результатов исследований рассматриваемой защитной системы состоит в том, что активность большинства ферментов микросом печени, участвующих в метаболизме чужеродных веществ, в частности лекарств, уменьшается с возрастом. Но значительны такие изменения лишь в печени самцов крыс, а не самок. В изолированных гепатоцитах печени самцов крыс обнаружено значительное снижение активности монооксигеназной системы, участвующей в метаболизме ксенобиотиков. Даже у мышей закономерности возрастных и половых различий ферментов, участвующих в таком метаболизме, отличаются от закономерностей, наблюдаемых у крыс. Правда, как правило, при старении всех исследованных грызунов наблюдается снижение с возрастом способности организма экскретировать с желчью неметаболизируемые печенью ксенобиотики и содержания в микросомах печени цитохрома Р-450.

Следовательно, можно предположить, что окислительный метаболизм ксенобиотиков, в частности лекарств, при старении млекопитающих, как правило, уменьшается. Если такая закономерность верна и для человека, то нужно предвидеть, что печень и организм в целом пожилого и тем более старого человека более чувствительны к токсическому действию факторов, загрязняющих окружающую среду, а также к побочному (токсическому) действию лекарств.

Неожиданными являются данные о половых различиях изменений у крыс активности ферментов микросом при старении. То, что такие изменения наблюдаются преимущественно у самцов, "соблазнительно" связать с известной закономерностью: ведь у млекопитающих вообще (включая человека) продолжительность жизни самцов обычно меньше, чем самок. Однако вопрос о том, какой "вклад" в это различие вносят половые особенности старения ферментов монооксигеназной системы клеток печени и всей печени в целом, пока может быть только поставлен.

Мы видим, что система защитных механизмов сложна и разнообразна, однако в организации и работе этой системы прослеживается систематичность. Прежде всего это касается взаимосвязи механизмов защиты на различных уровнях организации. Так, рассматривая физиологические механизмы защиты, мы пришли к заключению, что они взаимосвязаны с молекулярными (внутриклеточными) механизмами самозащиты, а последние представляют лишь часть глубинных ее эшелонов. Можно даже отметить однонаправленность физиологических и молекулярных механизмов защиты. Например, мы теперь понимаем, что в крови содержатся эндогенные, генотоксические вещества, от которых так же, как и от содержащихся в окружающей среде генотоксических факторов, нервные клетки головного мозга должны быть надежно защищены.

Сегодня мы можем расшифровать уже цитированное нами предвидение Стефана Цвейга: "Наш мозг… так хрупок, так сложен, что достаточно задетого сосудика… малейшего изменения какой-нибудь молекулы, чтобы нарушить высшую всеобъемлющую гармонию человеческого ума". Такая молекула теперь известна. Это ДНК, "малейшее изменение" которой может нарушить структуру жизненно важного белка и, следовательно, функцию нервной клетки.

Но если функции гематоэнцефалического барьера будут нарушены, то снизить уязвимость ДНК могут еще молекулярные системы обороны, включая механизмы репарации ДНК. Защиту же ДНК половых клеток осуществляют наряду с последними и гистогематические барьеры, а мужских половых клеток — гематотестикулярный.

Существуют и другие различные биологические барьеры для мутагенных и канцерогенных веществ. Например, чужеродные вещества, содержащиеся в окружающей среде и обладающие мутагенными свойствами, могут нейтрализоваться факторами, содержащимися в слюне. Известно также, что активность такого сильного мутагена, как N-метил-N′-нитро-N-нитрозогуанидана при попадании в кровь млекопитающих резко снижается. Ну а роль кожных покровов в предохранении организма от факторов, загрязняющих окружающую среду, известна каждому.

При сравнении молекулярных механизмов (биохимических) и клеточных защитных систем обнаруживается столь сильное сходство, что это не может не привести к мысли об общности их происхождения. Например, выше мы пришли к заключению, что в работе микросомальных гидроксилаз, защищающих организм от токсических и канцерогенных чужеродных веществ, и в функции макрофагов, защищающих организм от микробов, значение имеет образование супероксидного радикала.

Мы ограничили наш анализ защитных механизмов лишь животными организмами. Но ведь и растения имеют защитные механизмы, в частности, определяющие их устойчивость к патогенным для растений вирусам и грибкам. Есть основания полагать, что одно из звеньев этой системы обороны — выработка активных форм кислорода клетками растений с целью поражения этим химическим оружием патогенных для них биологических систем. Но клетки и животных, и растений, вырабатывая активные формы кислорода, неизбежно повреждают собственные структуры, включая генетические (о чем подробно было рассказано ранее), а также структуры других клеток. ДНКазы, участвуя в репарации ДНК, также неизбежно повреждают и здоровые участки генома и т. д.

Таким образом, работа защитных механизмов, направленная против вредных для клеток и организма воздействий, сама, оказывается, имеет "вредный" компонент. Становится ясным, что длительность существования клеток и организмов должна зависеть от соотношения благотворной функции и вредных последствий работы этих механизмов. Несовершенство систем защиты генетических и других структур клетки от радикалов ОН·, , от Н_2О_2, перекисей липидов и других эндогенно-образуемых потенциально вредных факторов служит одной из основных причин накопления с возрастом повреждений в ДНК, липофусцина — в цитоплазме, межмолекулярных сшивок — в межклеточном веществе.

Несовершенство систем репарации ДНК состоит не только в том, что часть повреждений "ускользает" от ре-парирующих ферментов, но и в том, что эти же ферменты могут функционировать с ошибками, тем самым усиливая повреждения и становясь механизмом не защиты, а развития болезни.

Лишь имея это в виду, можно понять и следующую, казалось бы, парадоксальную закономерность в организации различных млекопитающих. Активность ферментов цитохрома Р-450 тем больше, чем меньше их видовая продолжительность жизни. Эти ферменты участвуют в метаболизме не только чужеродных веществ (о чем было рассказано ранее), но и стероидных гормонов, причем и в процессе таких биохимических превращений могут образовываться свободные радикалы. Эти вещества, содержащие неспаренные электроны и потому обладающие высокой реакционной способностью, также могут повреждать и ДНК, и другие структуры клетки и разрушать межклеточное вещество. Таким образом, защитные биохимические системы участвует и в нормальном метаболизме; причем в результате этого могут происходить "побочные" биохимические процессы, отдаленным последствием которых может быть снижение жизнеспособности организма и увеличение его предрасположенности к болезням.

Следовательно, при обобщении основного из сказанного до сих пор о механизмах старения логичен вывод: снижение функциональной способности с возрастом можно связать с отмеченным несовершенством функции защитных систем и тем, что это несовершенство в процессе старения усиливается, т. е. эффективность работы защитных систем ухудшается.

Кроме того, со снижением эффективности работы защитных систем связан, вероятно, и другой класс свойств организма, неизбежно сопровождающий старение, — увеличение предрасположенности к болезням.

Глава V

Старение и связанные с ним болезни

Установлено, что вероятность развития таких наиболее распространенных заболеваний, как атеросклероз и ряд других сердечно-сосудистых или большинство раковых, неуклонно возрастает по мере увеличения возраста человека. Вследствие такой, можно сказать, трагической закономерности сохраняется ситуация, которую известный отечественный физиолог Г. Н. Кассиль в своей вышедшей в 1978 году книге "Внутренняя среда организма" охарактеризовал следующими словами: "Преждевременная старость сводит в могилу еще способных жить и творить людей. Люди живут гораздо меньше, чем должны были бы жить… Нормальная смерть или смерть от истинной старости встречается редко, не чаще, чем одна на 100 тысяч".

Однако известно и то, что в последние десятилетия в индустриально развитых странах значительно возросла средняя продолжительность жизни человека. Этого удалось достичь благодаря успехам медицины в лечении и профилактике инфекционных болезней. Поэтому сегодня на первый план выступает борьба с сердечно-сосудистыми и раковыми заболеваниями, являющимися основной причиной гибели большинства людей задолго до того, как "истечет" их век. Так, например, в США из всех погибших в течение года взрослых людей 90 % умирают от этих заболеваний.

Вместе с тем ряд зарубежных геронтологов утверждают, что излечение от сердечно-сосудистых заболеваний увеличит среднюю продолжительность жизни современных людей на 7 лет, а излечение от раковых и вовсе лишь на 1–3 года. С нашей точки зрения, это упрощенный подход к серьезной проблеме. В нем не учтено, например, что хронические заболевания протекают длительно, способствуя развитию других патологических процессов и одряхлению организма. Это относится, в частности, и к атеросклерозу: он не только является одной из причин смертности, диагностируемых патологоанатомами, но и способствует нарушению функций различных органов, увеличивает уязвимость организма к другим, например инфекционным, заболеваниям. Таким образом, полный контроль за атеросклерозом (а не только устранение его как причины смерти) должен увеличить среднюю продолжительность жизни и задержать наступление старости на больший срок, чем это следует из приведенных выше результатов расчетного анализа причин смертности. С другой стороны, мы теперь понимаем, что торможение процесса старения клеток и межклеточного вещества — это в то же время и путь профилактики и атеросклероза, и рака, и многих других заболеваний.

В последние годы стало общепринятым представление о роли в опухолевом росте превращения определенных клеточных генов (протоонкогенов) в онкогены, которые кодируют белки, ответственные за злокачественную трансформацию. Говоря о роли нестабильности ДНК и о накоплении повреждений ДНК с возрастом как об одной из причин увеличения предрасположенности стареющего организма к раку, можно допустить, что критическое значение здесь имеет повреждение именно клеточных протоонкогенов. В результате такого повреждения протоонкогены мутируют, превращаясь в онкогены, и(или) активируются.

Последнее означает, что активность онкогенов больше активности протоонкогенов. Но эта активация не всегда обусловлена мутацией. Например, изменение характера метилирования ДНК (как правило, уменьшение ее) также может быть причиной активации генов. Но ведь при работе на поврежденной ДНК функция ДНК-метилазы, катализирующей процесс метилирования матрицы, нарушается. Следовательно, мы нашли еще одну причину, причем важнейшую (активация онкогенов вследствие накопления повреждений ДНК с возрастом) и, следовательно, конкретизировали наиболее вероятный молекулярный механизм учащения опухолевых заболеваний в процессе старения.

Далее возникает новый вопрос: нельзя ли подавить функцию онкогенов и тем самым уменьшить опасность одного из дамокловых мечей, висящих над людьми, пока кажущегося неизбежным учащения опухолевых заболеваний с возрастом? Если еще несколько лет назад эта проблема могла быть отнесена лишь к области фантастики, теперь уже просматривается несколько способов торможения онкогенов. Один из них — посредством активации антионкогенов — генов, тормозящих функцию онкогенов. Эта идея уже обсуждалась биологами, в частности, с участием Д. Уотсона (того самого, который открыл с Ф. Криком двойную спираль ДНК). В беседе с ним в Пущино летом 1985 года автор этих строк узнал, что в США к сходному предположению пришли другие исследователи и что изучение антионкогенов Д. Уотсон также считает очень перспективным в плане понимания механизмов рака.

Наверное, в этом эпизоде примечательно и то, что об этих механизмах, о перспективах их исследования говорилось как об актуальной уже не только медицинской, но и не в меньшей степени и биологической проблеме. Значение биологических подходов для понимания причин учащения опухолевых заболеваний с возрастом можно понять, продолжив рассмотрение положительных и отрицательных последствий активации защитных систем.

О сложном переплетении благотворных и опасных последствий от активации иммунологической системы свидетельствуют следующие факты, полученные в 1985 году группой исследователей Массачусетского главного госпиталя Гарвардской медицинской школы в Бостоне (США). Мышам вводили фагоциты человека, активированные для выработки активных форм кислорода. Примерно у каждой четвертой из опытных мышей наблюдали развитие злокачественной или доброкачественной опухоли. В контрольной группе животных, которым также вводили фагоциты человека, но такие, у которых не была индуцирована выработка активных форм кислорода, учащения развития опухолей не наблюдали.

Известно, что частички дыма, накапливаемые в легких курильщиков, активируют фагоциты. Кроме того, фагоциты удаляют отмирающие клетки в тканях, например в молочной железе женщин, где происходит интенсивное обновление клеток. Следовательно, во всех этих случаях активная "защитная работа" фагоцитов неизбежно сопровождается выделением ими активных форм (радикалов) кислорода. Весьма вероятно, что они, в свою очередь (см. главу III), активируют перекисное окисление липидов мембран здоровых клеток и вызывают повреждение их ДНК, что и увеличивает риск развития опухолевых заболеваний. Но не только их.

В 1985 году были опубликованы данные группы американских кардиологов, изучавших развитие экспериментального атеросклероза у обезьян под влиянием диеты с высоким содержанием жира, т. е. в условиях, моделирующих те, что способствуют развитию атеросклероза у человека. Исследователи установили: важной причиной развития этого заболевания является "прилипание" моноцитов к эндотелию артерий и затем превращение их в макрофагов, "пожирающих" капельки жира. Эти факты указывают на то, что в исследованных макрофагах также стимулировалась выработка активных форм кислорода, повреждающих внутреннюю стенку сосудов. А в местах повреждения затем и могли формироваться атеросклеротические бляшки. Следовательно, в этиопатогенезе атеросклероза может иметь значение "побочная" активность макрофагов. И чем больше эта активность, тем больше вероятность заболевания.

Как я уже подчеркивал, началом развития биологии старения и всей современной геронтологии можно считать работы основателя иммунологии И. И. Мечникова, который рассматривал два основных механизма старения: пожирание макрофагами "благородных" клеток органов и отравление клеток токсинами, вырабатываемыми бактериями, живущими в кишечнике каждого человека. Спустя почти сто лет, развивая концепцию И. И. Мечникова, мы приходим к заключению, что в действительности макрофаги сначала сами отравляют "благородные" клетки различных органов, а затем "пожирают" погибающие клетки.

Что касается, так сказать, классического "генетически предопределенного" ускоренного старения, то такое заболевание было описано в 1886 году Дж. Хатчинсоном и в 1904 году Х. Гилфордом. Последний назвал такое заболевание прогерией. У людей, страдающих этим заболеванием, уже в раннем детстве наблюдается облысение и поседение, сморщивание кожи, атеросклероз, разрастание соединительной ткани в мышце сердца, т. е. классические симптомы старения. Продолжительность жизни больных прогерией обычно меньше 16 лет.

Несколько иначе протекает преждевременное старение при синдроме Вернера. В этом случае рост организма прекращается в 12 лет, поседение и облысение наблюдаются в 20 лет и примерно в этом же возрасте развиваются такие "старческие" симптомы, как атеросклероз, катаракта, а у больных женщин рано наступает менопауза. Заболевание начинается в 15–30 лет, а средняя продолжительность жизни таких больных около 47 лет.

Специальные исследования показали, что способность к репарации ДНК клеток людей, страдающих синдромом преждевременного старения, ниже, чем клеток здоровых людей, хотя величина этого различия зависит от условий эксперимента и может быть очень небольшой.

В процессе старения резко учащается развитие не только опухолевых, сердечно-сосудистых или аутоиммунных заболеваний, но и, например, таких, как остеоартрит и катаракта. Опыты на лабораторных животных, а также результаты обследований людей, получивших рентгеновское облучение по медицинским показаниям, и данные других обследований свидетельствуют: развитие таких заболеваний у человека и других млекопитающих ускоряется под влиянием ионизирующей радиации. Причем есть основания полагать, что в этом случае деструктивные (патологические) процессы инициируются свободнорадикальными реакциями, в частности активными кислородными радикалами.

В главе III была подчеркнута роль таких радикалов в молекулярных возрастных изменениях коллагеновых и эластиновых нитей межклеточного вещества. Такие изменения, в свою очередь, служат основой нарушения при старении взаимодействия между клетками и их снабжения кислородом и различными питательными веществами. Это связанно с тем, что затрудняется диффузия веществ не только между клетками, но и между ними и кровью. Ведь и коллагеновые, и эластиновые волокна входят в состав сосудистой стенки. Следовательно, то, что последняя с возрастом становится более плотной, менее эластичной, зависит от рассмотренных нами молекулярных изменений коллагена и эластина. Такие изменения ЯВЛЯЮТСЯ одним из факторов, которые делают сосудистую стенку с возрастом более уязвимой к атеросклерозу. Это еще один конкретный пример того, как старение подготавливает почву для развития наиболее распространенных и тяжелых заболеваний.

Ускоренное старение клеток головного мозга человека по такому признаку, как накопление в этих клетках пигмента старения — липофусцина, наблюдается при цероидном липофусцинозе. Как видно из названия этой болезни, у людей, страдающих ею, в нервных клетках (точнее, в пирамидальных нейронах определенных областей головного мозга) накапливается большое количество липофусцина. Это может приводить к гибели таких клеток.

Недавно группа швейцарских исследователей (Ганс Браак с соавторами, 1984) обнаружила крайне интересные явления. У щенка английского сеттера в возрасте 20 месяцев в пирамидальных нейронах мозга выявилось накопление липофусцина, подобно тому как это происходит в тех же нейронах при цероидном липофусцинозе человека. Сходные изменения происходят и при нормальном старении нервных клеток участков мозга, хотя в последнем случае эти изменения значительно более медленны, чем при рассматриваемом наследственном заболевании. Таким образом, теперь имеется модель для исследования старения нервных клеток человека, позволяющая в течение всего нескольких лет исследовать механизмы этого процесса и(или) факторы, тормозящие его.

Старческое слабоумие, старческий склероз мозга, пресенильная (предстарческая) деменция — все это названия, как теперь полагают многие психиатры и невропатологи, одной болезни. Той самой, которую еще в 1907 году описал немецкий невропатолог Алоис Альцгеймер (поэтому ее обычно называют болезнью Альцгеймера). Правда, Альцгеймер обнаруживал это заболевание лишь у некоторых людей 40–50 лет, и его долго считали особой формой пресенильного слабоумия. Подобные же симптомы у пожилых людей объясняли тем, что это следствие "одряхления" их организма или "отвердения" артерий мозга.

Однако в последние годы укрепилось мнение, что в мозге большинства пожилых людей, страдающих слабоумием, развиваются те же патологические процессы, что и в мозге людей, страдающих пресенильной деменцией, причем выраженность морфологических признаков этой болезни прямо коррелирует со степенью ухудшения умственных способностей пациентов.

Кроме того, в самое последнее время в некоторых индустриально развитых странах удалось определить степень поражения их жителей болезнью Альцгеймера. В США результаты этого подсчета следующие. Поражено болезнью Альцгеймера в настоящее время около 2 млн. человек, ежегодно от нее умирает 100 тыс. американцев, а экономический ущерб от этого заболевания в США оценивается в 25 млрд. долл. в год. Болезнь поражает преимущественно людей в возрасте старше 65 лет, среди которых этой болезнью страдает примерно каждый седьмой.

Коль скоро по распространенности и тяжести болезнь Альцгеймера приходится отнести к числу основных болезней пожилого возраста, то логично поставить вопрос и о связи этиологии (причин возникновения) и патогенеза (механизмов развития) с причинами и механизмами развития физиологического старения.

Начнем с основных симптомов заболевания. Они имеют сходство с одним из основных симптомов нормального старения — ухудшением памяти. Однако при болезни Альцгеймера это не просто старение как таковое, а комплекс именно болезненных симптомов, которые со временем (по мере старения пациента) становятся все более выраженными.

Незаметное начало делает затруднительным и определение относительного числа ежегодно заболевающих людей. Поэтому-то в США число таких людей оценивается не точнее, чем в несколько сотен тысяч. А во многих странах число ежегодно заболевающих болезнью Альцгеймера неизвестно и даже с такой степенью точности. А знать это число, хотя бы приблизительно, нужно. Например, чтобы ответить на вопрос, не стало ли оно существенно возрастать в течение последнего десятилетия? (К сожалению, есть основания полагать, что ответ на этот вопрос будет положительным.) Что касается конкретных молекулярно-клеточных и биохимических изменений, наблюдаемых при болезни Альцгеймера, отметим: последние, так же как и признаки приобретенного слабоумия в пожилом возрасте, резко не отличаются от сенильной деменции у людей старше 65 лет. Как правило, при болезни Альцгеймера уменьшен вес головного мозга и снижено число нейронов в различных его отделах (гиппокампе, базальных ядрах, миндалевидном ядре). В некоторых отделах коры "теряется" более 1/3 всех нейронов. Вследствие гибели нейронов в одном из важнейших центров головного мозга — в ретикулярной формации количество восходящих (из подкорки) нервных отростков уменьшается, и, следовательно, уменьшается плотность окончаний этих отростков, содержащих вещества (нейротрансмиттеры), которые осуществляют передачу нервных сигналов. Особенно резко уменьшается количество пресинаптических холинергических нервных окончаний (терминалей) и снижается активность холинацетилтрансферазы, о которой речь шла в предыдущей главе. В некоторых участках мозга таких больных количество холинацетилтрансферазы на 80 % меньше, чем в соответствующих участках мозга здоровых людей того же возраста. Активность ацетилхолинэстеразы (см. также главу IV) тоже значительно понижается. Таким образом, при болезни Альцгеймера преимущественно поражается холинергическая система, хотя находят изменения и систем других нейротрансмиттеров — серотонинергической и глутамата.

Кроме дегенерации клеток, в гиппокампе обнаруживают определенные скопления дегенерирующих нервных волокон ("бляшек"). В развитии таких микроскопических изменений существенное значение имеют, вероятно, перекиси липидов. Эти вещества могут образовывать поперечные связи в белках нейрофиламентов и участвуют в образовании липофусцина (см. главу III).

К основным признакам старения тканей центральной нервной системы, выявляемым с помощью электронного микроскопа, также можно отнести гибель нейронов, увеличение количества вакуолей и накопление гранул липофусцина в нейронах и клетках глии, изменение нейрофибрилл.

Сходные изменения наблюдали и при синдроме Дауна, к числу симптомов которого относят и признаки преждевременного старения. Но болезнь Дауна это не только преждевременное старение, но и синдром, при котором увеличена нестабильность хромосом и нарушена репарация ДНК. В частности, поэтому сходство внутриклеточных изменений, наблюдаемых при обоих заболеваниях (Дауна и Альцгеймера), состоит в том, что в обоих случаях значительно увеличена чувствительность клеток к рентгеновскому излучению (по сравнению с чувствительностью таких же клеток, полученных от здоровых людей). А радиочувствительность клеток зависит от их способности осуществлять репарацию повреждений ДНК.

Все это наводит на мысль: не связано ли развитие болезни Альцгеймера с нарушением репарации и накоплением повреждений ДНК? Вот факты, подтверждающие правомерность этого вопроса. Повреждения ДНК, индуцированные химическим мутагеном в ДНК фибробластов, полученных от четырех людей, страдающих болезнью Альцгеймера, репарировались гораздо медленнее, чем в аналогичных клетках здоровых людей. Следовательно, способность к репарации ДНК действительно нарушена в клетках людей, страдающих болезнью Альцгеймера.

Джеймс Ли и Эдвард Каминскас из отдела медицины центра по реабилитации старых людей в Хабре (Израиль), проведшие такое исследование в 1985 году, подчеркивают, что они наблюдали больных, в семьях которых частота болезни была резко увеличена. Это означает, что развитие болезни было связано с наследственными изменениями. Но нарушение репарации ДНК также во всех до сих пор исследованных многочисленных случаях обусловлено наследственными изменениями. Следовательно, если репарация ДНК была нарушена в фибробластах исследованных больных, то она была нарушена и в нервных клетках этих больных. Поэтому есть основания согласиться с предположением Джеймса Ли и Эдварда Каминскаса, что обнаруженные ими изменения репарации ДНК имеют прямое отношение к патогенезу болезни Альцгеймера. (О том, почему нарушение репарации ДНК может уменьшать жизнеспособность нервных клеток, рассказывалось в предыдущих главах.)

Вот факты, которые тоже служат доказательством этого заключения, а также логически связанного с ним предположения о том, что нарушение репарации ДНК может быть причиной не только старения, но и развития болезней центральной нервной системы или отдельных симптомов ее дегенерации.

В последние годы была исследована способность к репарации ДНК фибробластов кожи и лимфоцитов периферической крови людей, страдающих болезнями, в патогенезе которых наследственные изменения имеют лишь косвенное значение. Точнее, такие изменения лишь предрасполагают к развитию этих болезней, но не являются их причиной. К числу таких болезней, кроме болезни Альцгеймера, можно отнести хорею Геттингтона, боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона.

Все эти заболевания составляют группу нейрологических, или нейродегенеративных, поскольку в их основе лежит разрушение нервных клеток и тканей центральной нервной системы. И еще одно свойство объединяет все эти болезни. Как правило, они развиваются у пожилых и старых людей. Есть также основания полагать, что дегенеративные изменения, наблюдаемые при этих болезнях, могут развиваться и при нормальном, физиологическом старении, но в более позднем возрасте. Следовательно, мы видим новое доказательство того, что снижение способности к репарации ДНК нарушает надежность существования клеток (особенно нервных) и ускоряет процесс старения организма в целом.

Одним из ранних симптомов у некоторых больных пигментной ксеродермой, при которой нарушена репарация ДНК, является развитие дегенеративных процессов в центральной нервной системе и обусловленное этими процессами нарушение ее функции. Признаки нейродегенерации у одних пациентов развиваются раньше, у других — позднее. Так вот, клетки, полученные из кожи 1-й группы, оказываются более чувствительны к летальному действию УФ-излучения по сравнению с аналогичными клетками больных 2-й группы. Но увеличение чувствительности к УФ-излучению клеток больных пигментной ксеродермой определяется тяжестью нарушения репарации ДНК. Следовательно, такое нарушение находится в прямой корреляции с тяжестью нейродегенеративных процессов.

Далее, клетки больных, страдающих другой наследственной болезнью — синдромом Кокейна с поражением нервной системы (демиелинизирующее заболевание), тоже обладают увеличенной чувствительностью к УФ-облучению. А клетки больных атаксией телангиэктазией, у которых также обнаруживают ранние симптомы нейродегенерации, обладают увеличенной чувствительностью к другому виду излучения, повреждающему ДНК, — рентгеновскому. Кроме того, к такому облучению высокочувствительны и клетки людей, страдающих следующими болезнями, при которых основные симптомы определяются дегенеративными процессами в центральной нервной системе: синдром Геттингтона, болезнь Паркинсона, атаксия Фридриха, боковой амиотрофический склероз и некоторые другие. Сходная закономерность просматривается и в отношении хронических мышечных заболеваний: мышечной дистрофии Душенна, при которой наблюдается мышечная дегенерация, и других синдромах.

Вероятно (хотя это пока не доказано), если не при всех, то по крайней мере при ряде этих заболеваний гибель клеток возбудимых тканей, в том числе клеток центральной нервной системы, определяется той же причиной, что и повышение их радиочувствительности, т. е. нарушением репарации ДНК и(или) усилением повреждения ДНК этих клеток такими генотоксическими агентами, как , ОН·, Н_2О_2, перекиси липидов, которые имеют значение как в спонтанном, так и в радиационном повреждении ДНК.

Кстати, независимо от молекулярных механизмов увеличения радиочувствительности клеток рассматриваемых больных приведенная закономерность может стать основой для использования метода культивирования клеток и исследования их радиочувствительности с целью ранней диагностики дегенеративных процессов, особенно если они являются симптомом наследственного заболевания. Ведь определение радиочувствительности клеток крови или фибробластов кожи относительно простой, а главное — не приносящий пациенту какого-либо вреда прием.

Таким образом, совокупность всех рассмотренных нами фактов позволяет с большой вероятностью представить последовательность развития молекулярно-клеточных изменений при целом ряде болезней пожилого и преклонного возраста, при которых наблюдаются симптомы, в определенной степени (хотя и не полностью) аналогичные симптомам "нормального" старения. Естественно, получается, что молекулярно-клеточные механизмы развития таких болезней оказываются частично сходными и при сравнении их друг с другом. Если это так, то открывается новый подход для понимания и природы старения и патогенеза дегенеративных болезней пожилого возраста, а также для разработки новых, причем общих путей торможения этих процессов. Возвращаясь к наиболее распространенному и поэтому наиболее изученному из этого класса болезней, вспомним, что основной симптом болезни Альцгеймера, поражающий людей в пожилом и преклонном возрасте, — нарушение памяти (деменция), и этот симптом определяется утратой специфических нейронов. Но нарушение памяти и гибель нейронов происходят и в процессе нормального старения, а выше дегенеративные изменения при старении мы связали с повреждением структур клетки, прежде всего ее ДНК, которые приводят к нарушению всего белоксинтезирующего аппарата клетки. Теперь мы пришли к заключению, что сходные нарушения могут инициироваться в нервных клетках головного мозга при болезни Альцгеймера (как, возможно, и при других нейродегенеративных заболеваниях).

Когда мы говорили об изменении репарации ДНК, то отмечали, что речь идет о нарушении залечивания повреждений ДНК, вызванных рентгеновским излучением или химическими веществами. (Кстати, в опытах с культивируемыми клетками доноров, страдающих болезнью Альцгеймера, использовали алкилирующие вещества, обладающие сходным с ионизирующим излучением действием и потому называемые радиомиметиками.) Но ведь старение обусловлено повреждениями, возникающими спонтанно, а такие повреждения, возможно, репарируются иначе, чем радиационные. Однако проведенные нами широкие сравнительные исследования повреждений ДНК, возникающих спонтанно и под влиянием ионизирующего излучения в клетках человека и других млекопитающих, показывают, что многие из них сходны. О части из этих результатов было рассказано в III главе; там же было отмечено, что результаты исследований других авторов подтверждают это заключение.

Подсчитано, что среди спонтанных повреждений ДНК существенную часть составляют такие, которые возникают вследствие "ошибок" метилирования ДНК. А эти повреждения могут быть идентичны тем, которые вызываются алкилирующими химическими агентами. В частности, под влиянием этих агентов и спонтанно может происходить алкилирование гуанина по определенному кислородному атому гуанина ДНК. И в обоих случаях "последствия" от этого повреждения устраняются с помощью фермента, деметилирующего такой гуанин ДНК.

Нарушение репарации ДНК должно ускорять "естественный" процесс накопления повреждений ДНК с возрастом. Это должно приводить к нарушениям структуры и функций хроматина (его "уплотнение", гетерохроматизация), следствием которых может быть и нарушение синтеза белка, и дальнейшее нарушение способности к репарации ДНК, обнаруживаемые в процессе старения.

При болезни Альцгеймера в клетках головного мозга также наблюдается гетерохроматизация хроматина. А это должно уменьшать доступность ферментов к ДНК, а следовательно, и снижать две функциональные способности ДНК — синтез на ней РНК (транскрипцию) и залечивание повреждений ДНК (репарацию ДНК). Действительно снижение транскрипции можно считать одним из существенных молекулярных механизмов развития болезни Альцгеймера. Такое предположение подкрепляется и тем, что при этом заболевании в коре головного мозга общее содержание РНК, количество мРНК существенно снижены.

Уже имеется и прямое доказательство того, что повреждения ДНК и другие физико-химические изменения в нервных клетках приводят в конечном счете к нарушению синтеза белка при болезни Альцгеймера. Из полученных данных можно сделать даже количественную оценку! в мозге трупов людей, страдавших болезнью Альцгеймера (поздние стадии), синтез белка был снижен в среднем на 65 %.

В процессе старения в некоторых тканях наблюдается отложение амилоида. Термин "амилоид" — "подобный" крахмалу — употребляется для обозначения скоплений, образований, в состав которых входит также белок. Эти патологические образования определяют с помощью красителя конго красный. Окрашенный амилоид в поляризованном свете виден как зеленовато-желтое скопление. И таким образом его обнаруживают в мозге у большинства старых людей. У людей же, страдающих рядом хронических заболеваний, амилоид обнаруживают еще в печени, почках и в других органах. Однако при других известных болезнях его в тканях все-таки меньше, чем при болезни Альцгеймера.

Для этой болезни характерны и определенные способы отложения амилоида: внутри и снаружи кровеносных сосудов или в форме вещества, составляющего сенильную (т. е. "старческую") бляшку — один из основных симптомов, по которым идентифицируют болезнь Альцгеймера.

При этой болезни ранним выраженным симптомом является нарушение памяти. А в формировании и сохранении памяти существенное значение имеет гиппокамп. Не удивительно поэтому, что очень часто гиппокамп оказывается сильно пораженным. Наиболее часто сенильные бляшки обнаруживают не только в коре головного мозга, но и в гиппокампе. Количество бляшек находится в прямой корреляции с тяжестью болезни (степенью слабоумия), а располагаются они там, где локализуются аксоны и окончания нейронов. Наряду со сходством эти патологические изменения имеют и отличия от возрастных. Так, при сравнительном цитологическом исследовании области гиппокампа мозга группы больных и группы здоровых пожилых людей резкие нарушения клеточной архитектоники в области гиппокампа и близлежащих областей мозга обнаружены только при болезни Альцгеймера. Патологические изменения найдены как раз в тех клетках, которые образуют внутренние связи гиппокампа с корой, передним мозгом, таламусом и гипоталамусом. Именно эти структуры считаются ключевыми в формировании и хранении памяти.

Таким образом, мы еще раз приходим к заключению, которое в связи с его фундаментальностью нелишне повторить: наряду со сходством механизмов естественного старения с механизмами развития болезни Альцгеймера между ними есть и определенные различия.

В развитии болезни Альцгеймера существенное значение имеет недостаточность фермента, катализирующего синтез ацетилхолина из его предшественников холина и ацетил-кофермента А.

М. М. Месулам из медицинской школы Гарвардского университета и Дж. Койл из медицинской школы Университета Джона Гопкинса установили, что дегенерируют именно нервные окончания, выделяющие ацетилхолин, причем они принадлежат нейронам, тела которых находятся в базальной части переднего мозга. Твердо установлено, что "здоровые" холинергические окончания в гиппокампе — необходимое условие для нормального функционирования механизма памяти.

Следовательно, наблюдаемые при болезни Альцгеймера нарушения процессов памяти и передачи ацетилхолинзависимых нервных импульсов могут быть связаны.

Но и в процессе старения происходят сходные изменения. В частности, нарушается передача нервных импульсов вследствие изменения (см. главу IV) системы ферментов, участвующих в метаболизме ацетилхолина, нарушения рецепторного аппарата мембран клеток, воспринимающих ацетилхолин. Кроме того, в процессе старения, так же, как и при болезни Альцгеймера, может происходить гибель нервных окончаний или возникает недостаточность в факторах, необходимых для роста этих окончаний.

Отыскание общих механизмов старения и развития болезни Альцгеймера позволяет надеяться, что и общие подходы к профилактике обоих процессов будут найдены. Во всяком случае, в качестве новых направлений поиска средств профилактики и лечения начальных стадий болезни Альцгеймера могли бы быть полезны средства задержки старения. О таких средствах речь будет идти в следующих главах. Здесь лишь отметим, что уже известны вещества, задерживающие накопление пигментов старения в клетках мозга и даже вызывающие их "рассасывание". Такие вещества, вероятно, можно будет использовать и как средство профилактики и торможения ранних стадий развития болезни Альцгеймера (например центрофеноксид).

Все изложенное о роли в патогенезе этого заболевания активных форм кислорода, перекисей липидов и связанной с ними нестабильности ДНК позволяет полагать, что антиоксиданты и другие факторы, защищающие ДНК, белоксинтезирующий аппарат и мембраны клеток от разрушения и(или) увеличивающие эффективность их работы, также могут быть использованы для защиты людей не только от преждевременного старения, но и от болезни Альцгеймера. А уже намечающиеся подходы к лечению болезни Альцгеймера можно экстраполировать (или проецировать) при разработке стратегии поиска средств, "смягчающих" симптомы старения центральной нервной системы или задерживающих их развитие. С помощью определенных препаратов (диетического холина в сочетании со стимуляторами метаболиза в нервной ткани), возможно, удастся компенсировать недостаток нейромедиаторов (особенно ацетилхолина) при болезни Альцгеймера и устранить дефекты нейромедиаторов в мозге стареющих людей.

Глава VI

Зависимость продолжительности жизни от генетических факторов

Видовая (максимальная) продолжительность жизни землеройки составляет около двух лет, а продолжительность жизни другого вида млекопитающих — слона — почти в 50 раз больше. Какова причина этих различий? Может быть, дело в массе тела организма? Но человек тоже принадлежит к плацентарным млекопитающим, его масса во много раз меньше массы слона, а видовая продолжительность жизни обоих примерно одинаковая.

Далее, продолжительность жизни лабораторных животных одного вида, но разных линий (у которых не только масса тела, но и почти все морфологические и физиологические показатели практически одинаковы) может различаться почти в 2 раза. Причем такое различие наблюдается даже и тогда, когда животные находятся в фактически одинаковых условиях (в вивариях). Следовательно, в этих случаях различия в продолжительности жизни определяются генетическими факторами. Но это во-первых. Во-вторых, о сильной зависимости продолжительности жизни от генетических факторов свидетельствуют относительно небольшие ее различия у однояйцевых близнецов, несмотря на часто несхожие условия, в которых они оказываются. В пользу этого же говорит и прямая корреляция между продолжительностью жизни родителей и их потомков.

Тот факт, что продолжительность жизни животных, принадлежащих к одному виду, хотя и варьирует, но все же не превышает определенного уровня, характерного для данного вида, может означать одно: этот видовой признак, как и другие, имел эволюционное значение. Начиная с Вейсмана, ряд генетиков и биологов других специальностей, разрабатывавших эволюционное учение, полагали, что эволюция должна идти в сторону сокращения продолжительности жизни. Однако результаты анализа таких изменений у млекопитающих, особенно у приматов, резко противоречат такому заключению. Можно даже сформулировать противоположный вывод: по мере усложнения центральной нервной системы и развития интеллекта в процессе эволюции происходило увеличение продолжительности жизни.

Факты, подтверждающие это, были рассмотрены в первом издании книги. Тогда же были сформулированы и пояснены эволюционные закономерности, позволяющие хотя бы предположительно определить биологические (генетические, молекулярные, клеточные) и физиологические основы долголетия.

Вкратце напомню эти закономерности, прежде чем привести факты, полученные в последнее десятилетие и позволяющие глубже понять некоторые из них. Первая закономерность характеризует морфологические критерии долголетия и состоит в том, что оно тем больше, чем больше относительный вес мозга. Такая закономерность обнаруживается при сравнении животных одного вида, но различных линий или пород (у собак).

Вторая закономерность — обратная корреляция между продолжительностью жизни и скоростью развития организма. Такую корреляцию удается выявить при сравнении животных различных видов, а также разных линий внутри одного вида.

Один из подходов, использованных и в последнее десятилетие для выяснения роли определенных генетических факторов в долголетии, — анализ результатов экспериментов, в которых вели отбор животных по такому признаку, как увеличенная продолжительность жизни. Такого рода исследования были проведены, в частности, на плодовой мушке-дрозофиле (в этих опытах вели отбор производителей с замедленной скоростью реализации репродуктивного потенциала) и нематодах. И их результаты показывают: снижение жизнеспособности организмов с возрастом определяется генетическими факторами, точнее, распространением в популяции таких генов, вредные эффекты которых проявляются в позднем возрасте.

У норвежских чернокапюшонных крыс исследована также корреляция между долголетием отдельных животных и их поведенческими реакциями или динамикой роста. Четкой корреляции между скоростью роста и продолжительностью жизни не было обнаружено; однако было найдено, что чем раньше крысы "набирали" свой максимальный, характерный для данного вида вес, тем меньше была их продолжительность жизни. Наибольшей же она была у животных с высокими показателями уровня неспецифической возбудимости и эмоциональной реактивности.

Хотя мы стремимся вычленить роль в долголетии только генетических факторов (влияние на него внешних факторов будет рассмотрено в следующей главе), уместно сейчас рассказать о следующем исследовании.

Зависимость между скоростью роста и продолжительностью жизни была изучена в эксперименте на дрозофиле путем изменения тремя различными способами количества потребляемой пищи на стадии личинки, а также посредством изменения температуры окружающей среды. Оказалось, что связь между скоростью роста (личинки) и продолжительностью жизни взрослой особи (имаго) описывается уравнением квадратичной параболы с максимумом средней продолжительности жизни при скорости увеличения массы тела, равной 50 мкг в день. Эти данные заставляют уточнить положение о том, что существует однозначная (обратная) зависимость между скоростью роста и продолжительностью жизни. Сопоставляя эти данные с тем, что было сказано о зависимости продолжительности жизни от скорости развития, контролируемой генетическими факторами, мы видим: "искусственное" изменение определенного свойства, связанного с долголетием, отнюдь не эквивалентно естественному изменению, закрепленному эволюцией.

Третья закономерность, а точнее, группа закономерностей, сформулированных в первом издании этой книги, касается устойчивости генома и способности клеток к репарации ДНК. Оказывается, чем больше эта устойчивость (оцениваемая по величине обратной абсолютной скорости мутаций на генном или хромосомном уровне) или больше способность к репарации ДНК (оцениваемая по интенсивности и максимальному уровню репаративного синтеза ДНК), тем больше видовая продолжительность жизни в ряду различных видов млекопитающих, начиная от землеройки и кончая слоном и человеком (см. рис. 7).

В последние годы был выполнен ряд работ с культивируемыми клетками этих организмов и получены факты, подтверждающие прямую связь между способностью к репарации ДНК и. долгожительством. Прежде чем приводить эти факты, ради строгости анализа, особенно необходимого в данном случае, сделаю оговорку. В Японии была выношена работа, данные которой свидетельствовали как будто о том, что такой связи не существует. Но внимательный анализ методики, использованной в этой работе, показал, что здесь имелись погрешности. Это позволяет считать, что результаты данной работы не пошатнули общей закономерности.

Одной из самых интересных является работа американских биогеронтологов Р. Харта и Р. Л. Вэлфорда с сотрудниками, исследовавших способность к эксцизионной репарации ДНК у клеток наших "близких родственников" — приматов. Были изучены клетки обезьян семи видов, существенно различающихся по продолжительности жизни. Причем такую способность определяли у двух различных типов клеток исследованных организмов: у лимфоцитов периферической крови и фибробластов кожи, культивируемых in vitro. В обоих случаях обнаружена прямая корреляция между способностью к репарации ДНК и величиной максимальной (видовой) продолжительности жизни.

В 1985 году другая группа американских авторов (Карол Дж. Масланский и Гарри М. Вилльямс) изучили способность к репарации повреждений ДНК, вызванных УФ-излучением у гепатоцитов, полученных от пяти видов млекопитающих, различающихся по продолжительности жизни: мышей и сирийских золотистых хомячков (максимальная продолжительность жизни три года), крыс (четыре года), морских свинок (семь лет) и кроликов (13 лет). Определяли два параметра, характеризующих количественно способность популяции клеток к репарации ДНК: долю клеток, участвующих в репаративном синтезе, и его интенсивность. При относительно низких дозах облучения (2,5 и 5 Дж/м^2) гепатоциты мышей и крыс обладали меньшей способностью к репарации ДНК, чем гепатоциты морских свинок или кроликов. В соответствии с нашей концепцией американские авторы полагают, что клетки относительно более долгоживущих видов животных обладают и относительно большей способностью к репарации ДНК и, следовательно, процесс старения организмов определяется и накоплением повреждений ДНК.

Также в 1985 году были исследованы видовые особенности ферментных систем, катализирующих не эксцизионную, а одноэтапную репарацию ДНК. Из ферментов, участвующих в такой репарации, наиболее изучена алкилтрансфераза — фермент, осуществляющий перенос алкильных групп с ДНК на свою определенную химическую группу. Но алкилирование макромолекул обычно существенно нарушает их функцию, поэтому в процессе работы трансферазы происходит не только восстановление (залечивание повреждения) ДНК, но и повреждение (а точнее, инактивация) молекулы фермента. Последний совершает своеобразное "самоубийство", спасая свой субстрат — молекулу ДНК.

Так вот, группа ученых в Королевском центре противораковых исследований в Лондоне (Джанет Холл с соавторами) обнаружила: экстракты из печени человека и обезьян в 8-10 раз эффективнее удаляют метальные группы, присоединенные по 6-му кислородному атому гуанина ДНК, чем экстракты из печени крыс.

А в Международном центре по исследованию механизмов канцерогенеза (Лион) Рихард Веклер и Ругеро Монтесано, занимавшиеся изучением способности экстрактов печени различных млекопитающих удалять метальные группы, присоединенные к 4-му кислородному атому дезокситимидина полинуклеотида определенного состава, также пришли к интересным выводам. Предполагается, что такая репарация катализируется специальной метилтрансферазой. Но независимо от механизма репарации примечателен тот факт, что способность тканей катализировать этот процесс уменьшается в ряду: печень человека, обезьяны, печень крысы после частичной гепатэктомии, нормальная печень крысы. Таким образом, снова обнаруживается закономерность: способность к репарации ДНК больше у долгоживущих видов млекопитающих.

Примечательно и следующее обстоятельство. Алкилирование ДНК по кислородному атому ее оснований имеет определяющее значение в мутагенном и канцерогенном действии алкилирующих агентов. И не случайно поэтому именно ведущие научные центры по исследованию механизмов канцерогенеза изучают рассматриваемые ферменты. Но почему ученые в этих центрах заинтересовались видовыми особенностями активностей репарирующих ферментов? Скорее всего, потому, что становится очевидной связь между старением организма и снижением при этом способности его клеток к репарации ДНК, а это снижение все большее число исследователей склонны считать причиной увеличения предрасположенности организма к тяжелым заболеваниям.

Такие закономерности частично объясняют связь между видовой продолжительностью жизни и способностью к репарации ДНК. В отделе молекулярной эпидемиологии одного из ведущих лечебных комплексов Нью-Йорка Рональд Перо с соавторами (1985) изучил активность еще одного фермента, играющего определенную роль в репарации ДНК. Этот фермент — АДФ-рибозил-трансфераза катализирует процесс ковалентного присоединения АДФ-рибозы из НАД к белкам хроматина. Одно из следствий такой реакции — изменение структуры хроматина, регулирующей доступность репарирующих ферментов к поврежденной ДНК, а также активности самих ферментов, участвующих в эксцизионной репарации ДНК. Уже относительно давно показано, что после облучения ионизирующей радиацией активность АДФ-рибозил-трансферазы возрастает. Но оказывается, что среди лейкоцитов 12 видов млекопитающих существует достоверная корреляция между степенью такой активации этого фермента и видовой продолжительностью жизни организма.

Таким образом, способность к репарации повреждений ДНК, эффективность работы ферментов, обеспечивающих эту способность, — одна из биологических основ долголетия и, вероятно, устойчивости к некоторым тяжелым хроническим заболеваниям. Это заключение согласуется с многочисленными данными, рассмотренными нами в предыдущих главах и свидетельствовавшими о критической роли повреждений ДНК в развитии и преждевременного, и естественного старения, об их роли в развитии спонтанных и вызванных внешними воздействиями злокачественных опухолей, о том, что определенные системы репарации ДНК устраняют такие повреждения и тем самым защищают и от канцерогенных, и сеногенных (т. е. способствующих преждевременному старению) воздействий на организм.

Но устойчивость генетического аппарата к факторам, способным нарушить его целостность и функцию, примерно лишь наполовину определяется системами, залечивающими повреждения ДНК. Как мы теперь знаем, эта устойчивость в значительной степени зависит от метаболизма, в частности от интенсивности образования в клетках и тканях активных форм кислорода, а также от эффективности защиты от них.

Если это так, то биологической основой долгожительства должен быть генетически запрограммированный и закрепленный тренировкой "экономный" биоэнергетический статус организма, при котором относительно невелик уровень активных форм кислорода и других, в частности, обусловленных этими формами генотоксических агентов. В простейшем случае это означает, что, чем меньше кислорода требуется "метаболизировать" организму для обеспечения высокоэнергетическими соединениями (синтезируемыми в процессе окисления кислородом различных субстратов) своих функций, тем, следовательно, менее уязвимо его генетическое вещество и тем должно быть больше долголетие организма. Сформулированное следствие из теории в основном и с определенными уточнениями подтверждается эмпирически выведенной закономерностью об обратной корреляции между продолжительностью жизни млекопитающих различных видов и интенсивностью их метаболизма. На существование такой закономерности еще в начале XX века обратил внимание немецкий биолог М. Рубнер. Получалось так, будто любой вид млекопитающих на протяжении жизни затрачивает одно и то же количество энергии в расчете на единицу массы тела и, исчерпав этот "энергетический жизненный потенциал" (определение, данное уже в 1984 году выдающимся американским биогеронтологом Рихардом Катлером), организм "должен" погибнуть. Общее количество энергии, затраченной на поддержание метаболизма (или эквивалентное ему количество поглощенного О_2) в расчете на 1 г массы тела для многих исследованных видов млекопитающих составляет согласно последним данным 220±73 ккал.

Однако из сформулированного правила можно найти исключения. Так, для многих приматов энергетический жизненный потенциал составляет 458±89 ккал, а для человека, обезьян капуцина и лемура еще больше — 781±37 ккал.

Другое замечание (уже практического характера) состоит в следующем. Хорошо известно, что интенсивность обмена веществ или скорость поглощения О_2 зависит от двигательной активности (частота дыхания бегущего человека значительно больше, чем находящегося в состоянии физического покоя). Не означает ли это, что, чем больше двигательная активность, тем за меньший промежуток времени истратится "энергетический жизненный потенциал"? Вероятно, так считали О. Бальзак, создавая "Шагреневую кожу" и, разумеется, ничего не зная о приведенных здесь величинах "энергетического жизненного потенциала".

Однако представления о том, что организм, подобно машине, тратит в течение жизни предопределенное количество энергетического фонда, неправильно. Мы уже говорили о том, что биоэнергетический статус организма определяется не только генотипом, но и тренировкой. Да, организм можно научить более экономно тратить "энергетический жизненный потенциал", и люди, вероятно, достигают этого посредством увеличения двигательной активности. Парадокс состоит в том, что для снижения скорости растрачивания потенциала необходимы его траты. Такое заключение подкрепляется результатами многолетних исследований лаборатории возрастной физиологии и патологии, руководимой выдающимся отечественным онтофизиологом и биогеронтологом И. А. Аршавским. На основании этих результатов И. А. Аршавский заключил, что, во-первых, двигательная активность в пределах физиологического стресса является фактором индукции избыточного анаболизма (усиления биосинтетических процессов) и, во-вторых, развитие организма "в условиях действия ограниченной двигательной активности или в условиях избыточного действия двигательных нагрузок, выходящих за пределы физиологического стресса", определяет преждевременное старение и снижение продолжительности жизни.

Таким образом, неодинаковая продолжительность жизни у разных видов млекопитающих может быть объяснена различием их "энергетических потенциалов" и известным правилом о благотворном влиянии на организм физических тренировок. Оказывается, что оба правила соответствуют друг другу. Способность организма к адаптации на различных уровнях его организации (в том числе и молекулярно-клеточном) — вот то ключевое свойство, которое позволяет объяснить сформулированное здесь "противоречие" и многие другие биологические парадоксы. Поэтому-то среди млекопитающих с относительно большой естественной двигательной активностью величина основного обмена (или количество О_2, поглощаемого в состоянии покоя) может быть меньше, чем у животных с относительно небольшой естественной двигательной активностью.

Проведенный нами анализ биологических закономерностей позволяет считать низкую физическую активность фактором, отнюдь не способствующим долголетию. Но теперь нельзя согласиться и с теми, кто ратует за резкое увеличение двигательной активности. Это увеличение должно быть умеренным, тренирующим механизмы регуляции метаболизма в пределах адаптационных способностей организма (или в пределах физиологического стресса, по выражению И. А. Аршавского), а не только истощающим энергетический жизненный потенциал. Но адаптационная способность организма в существенной степени зависит от его генетической конституции. Таким образом, пределы благотворного действия и интенсивности двигательной активности должны быть для разных людей различными.

Вопрос о конкретных путях определения индивидуальных оптимальных физических нагрузок уже выходит за рамки проблем, обсуждаемых в этой книге. Наша задача состояла в том, чтобы найти молекулярные основы для поиска такого оптимума и для дополнительной количественной характеристики адаптационной способности организма. Одной из таких характеристик может служить величина отношения скорости образования кислородных радикалов, Н_2О_2, перекисей липидов к концентрации защитных ферментов (особенно супероксиддисмутазы) и низкомолекулярных антиоксидантов. Если в условиях достаточно полного энергетического обеспечения клеток и тканей это отношение мало, то можно говорить о высокой адаптационной способности.

Теперь мы можем дать хотя бы предположительное объяснение, почему энергетический жизненный потенциал у приматов в 2 раза больше, чем у остальных видов млекопитающих, а у человека он даже больше в 3,5 раза. В значительной степени потому, что эффективность защиты от активных форм кислорода и других рассмотренных нами ранее эндогенных токсических метаболитов у человека больше, чем у большинства других приматов, а у последних больше, чем у других видов млекопитающих. Долголетие, вероятно, определяется, в частности, эффективностью работы ферментативных систем защиты, прежде всего супероксиддимутазы, о которой речь шла в IV главе.

Эту мысль я обосновал в докладе, прочитанном на первом Международном совещании по проблеме надежности биологических систем, состоявшемся летом 1979 года в городе Каневе. Доклад так и назывался "Эволюционный анализ механизмов, определяющих видовую продолжительность жизни животных". Супероксиддисмутаза была названа тогда одним из наиболее эффективных факторов таких механизмов. Правда, привести экспериментальное доказательство этому положению в те годы еще было невозможно, и пришлось опираться на концепцию о роли супероксидных радикалов в старении, обоснованную мною десятилетием раньше (книга "Молекулярные механизмы старения").

Сегодня такое доказательство имеется, причем уже проведен ряд исследований связи, с одной стороны, между активностью супероксиддисмутазы, а с другой — долголетием или жизнестойкостью организмов (см. главу IV).

Но супероксиддисмутаза не единственный биологический фактор долголетия, обеспечивающий защиту генетического аппарата и других биоструктур от их повреждения активными формами кислорода и образуемыми при участии последних другими химически активными метаболитами. К числу таких факторов можно отнести каротиноиды. Если супероксиддисмутаза составляет одно из основных звеньев ферментативной защиты клетки от кислородного радикала, то среди неферментативных природных средств защиты от активных форм кислорода и вызванных ими реакций существенное значение имеют, вероятно, каротиноиды, особенно β-каротин. Такое заключение вытекает, в частности, из закономерности, которую наглядно демонстрирует рис. 10. На нем представлены результаты определения содержания каротиноидов в крови млекопитающих 16 видов, различающихся по видовой продолжительности жизни. Данные о содержании этих веществ были приведены в двух различных энциклопедических биохимических справочниках (разумеется, без указания зависимостей от продолжительности жизни).

На основании этих данных в 1983 году автор этой книги и обнаружил зависимость между продолжительностью жизни и содержанием каротиноидов в крови различных видов животных (кривые I и II). А в 1984 году американский биогеронтолог Р. Катлер с сотрудниками получил данные, подтверждающие эту зависимость (кривая III, рис. 10). Кроме того, в последние годы получило подтверждение предположение и об антиоксидантных свойствах каротина, и об его антиканцерогенной способности (подробнее об этом в следующей главе).

Рис. 10. Корреляция между содержанием β-каротина в крови млекопитающих различных видов и их продолжительностью жизни.

Цифрами 1-16 обозначено содержание β-каротина у животных шестнадцати видов. Кривые I и II построены на основании данных о содержании β-каротина, приведенных (без определенной закономерности): I — в 'Биохимическом справочнике' (К. Лонг, Лондон, 1961); II — в справочнике 'Кровь и другие биологические жидкости' (П. Альтман, Д. Диттмер, Вашингтон, 1961). Кривая III — содержание β-каротина и ксантофилла из работы Р. Катлера (1984)

Кроме кратко рассмотренных здесь закономерностей, существуют и другие корреляции между тем или иным биохимическим, биофизическим или молекулярно-клеточным параметром — с видовой продолжительностью жизни организма, его устойчивостью к старению и, как правило, к раковым заболеваниям. Например, спонтанная нестабильность ДНК-клеток человека меньше, чем грызунов. Это заключение можно вывести, если оценивать нестабильность ДНК по таким разным критериям, как выделение с мочой гликолей тимина или тимидина (вероятно, продуктов окислительной деструкции ДНК — подробнее об этом сказано на с. 83 настоящей книги) или по частоте спонтанных мутаций в половых клетках в расчете на поколение (такая закономерность была сформулирована еще в первом издании этой книги).

Кроме того, обнаруживается прямая корреляция между видовой продолжительностью жизни млекопитающих и содержанием в их крови витамина Е (идея о его роли в поддержании жизнестойкости как основного природного антиоксиданта также была подробно обоснована в первом издании). Значение, конечно, имеет и иммунологическая система защиты. Существуют линии мышей, у которых в связи с наследственными изменениями иммунологической системы аутоиммунные реакции (выработка антител против антигенов, входящих в состав своих тканей) развиваются особенно активно. Часто продолжительность жизни таких животных в несколько раз меньше продолжительности жизни многих других линий мышей.

Известны также линии мышей с наследственным дефектом функций гипофиза и тимуса. Их продолжительность жизни также резко снижена. По данным выдающегося американского биогеронтолога Р. Л. Вэлфорда, у мышей, генетически отличающихся лишь по главному локусу гистосовместимости, наблюдаются значительные различия в продолжительности жизни. Поэтому Р. Л. Вэлфорд называет этот локус системой поддержания жизни.

Можно согласиться с таким заключением, особенно если учесть, что белки, синтезируемые под контролем локусов гистосовместимости (их называют Н-локусами), определяют не только комплекс иммунологических реакций при отторжении трансплантата (отсюда и название этой системы генов), но и устойчивость клеток и организма к вирусам и к физическим или химическим повреждающим факторам. Наверное, это обусловлено тем, что рассматриваемые гены контролируют также способность клеток к репарации ДНК. Таким образом, обобщая рассмотренные данные и учитывая, что биологические защитно-компенсаторные и приспособительные механизмы организма, их степень выраженности и особенно потенциальные способности генетически детерминированы, можно заключить: основное значение в долголетии имеют гены, контролирующие эти механизмы. Но такие гены — лишь ничтожная часть, как полагают многие генетики, примерно из 50 тыс. других генов, составляющих генотип человека. Кроме того, эффективность функции "генов долголетия" определяется условиями жизни организма.

Сказанное позволяет понять следующий факт. Изучение природы внутривидовой и внутрипопуляционной вариабельности по продолжительности жизни проводилось в различных лабораториях для оценки наследуемости продолжительности жизни. Однако полученные при этом результаты неоднозначны. Так, наследуемость продолжительности жизни у дрозофилы, по данным различных авторов, обычно колеблется от 0,08 до 0,194, у нематод — от 0,2 до 0,5, а у мышей — от 0,21 до 0,79. Советский генетик и биогеронтолог И. Г. Коган (Институт химической физики АН СССР), исследовавший наследуемость продолжительности жизни у дрозофил, показал, что она может быть больше обычно принятых величин, приведенных выше, и составлять 0,337.

Эти данные могут иметь общебиологическое значение, так как из них следует, что наследуемость продолжительности жизни, понимаемая в широком смысле, весьма велика, и, следовательно, гетерогенность в популяциях животных по продолжительности жизни может быть также большой.

Подобно тому как это наблюдается у других млекопитающих, продолжительность жизни человека — типичный полигенный признак. Но (опять же в согласии с закономерностями, которым подчиняются другие млекопитающие), анализируя влияние генов на долголетие человека, можно выделить главные гены с резким фенотипическим проявлением и дополнительные гены-модификаторы, действующие на количественные признаки. Следовательно, должны существовать белки — продукты главных и дополнительных "генов долголетия", которые в большей или меньшей степени составляют молекулярно-клеточную основу долголетия человека.

Ранее изложенные факты позволяют с большой вероятностью полагать, что к числу таких белков относятся: супероксиддисмутаза; система ферментов, участвующих в "точной" репарации ДНК; белки, "помогающие" такой репарации, например, посредством изменения конформации ДНК, облегчающей залечивание ее повреждений (или, другими словами, увеличивающие ее ремонтопригодность). К числу "генов долголетия" можно отнести также гены, определяющие высокую степень иммунокомпетентности (в частности, главный локус гистосовместимости, о котором речь уже шла), гены, контролирующие содержание в тканях природных антиоксидантов (в частности, гены, кодирующие белки, осуществляющие транспорт ретинола или β-каротина и таким образом, возможно, обеспечивающие высокий уровень β-каротина в плазме крови и в других тканях человека), и т. д.

А сейчас перейдем к краткому рассмотрению более прямых данных, касающихся долголетия человека, и постараемся понять биологические основы рассматриваемых феноменов.

Рут Дворская с сотрудниками из медицинского колледжа Калифорнийского университета исследовала иммунные реакции у практически здоровых людей четырех возрастных групп: 9-17, 17–40, 64–66 и 83-104 лет. В согласии с данными других авторов было обнаружено понижение с возрастом реакции лимфоцитов на некоторые стимуляторы их митотической активности. Среди неожиданных результатов были такие: в группе старых людей (83-104 года) был увеличен титр антител против ДНК — и среди них была резко увеличена доля людей с III (В) группой крови.

Эти данные примечательны тем, что они позволяют отметить два типа различий между "молодыми" и "старыми" популяциями людей. Первый тип включает приобретенные, истинно возрастные изменения (приведенные примеры нарушения функций лимфоцитов и, очевидно, изменения количества антител к ДНК). Второй связан с тем, что по мере вымирания популяции остаются индивиды относительно жизнестойкие. А если эта жизнестойкость коррелирует с тем или иным молекулярно-физиологическим параметром, то среди людей, доживших до преклонного возраста (средний возраст более 90 лет), этот параметр должен быть относительно более выраженным.

Приведенные результаты Рут Дворской с сотрудниками и данное им здесь объяснение можно связать со следующими, казалось бы, далекими от них фактами.

В 1976 году, рассказывая о том, каким образом смертность организмов зависит от возраста, я привел график, характеризующий эту зависимость для мышей (этот график воспроизведен на рис. 2). Я тогда обращал внимание читателя на тот вытекавший из графика факт, что когда мыши становятся старыми, их смертность может увеличиваться с возрастом менее круто.

Сегодня есть основания предположить, что такая же закономерность справедлива и для человеческих популяций — такие данные имеются для мужчин Швеции старше 103 лет (смертность с возрастом может даже уменьшаться).

Биологическая основа этой закономерности (если она подтвердится) может быть интерпретирована двояко. Во-первых, может существовать определенная группа людей, генетически очень устойчивых к старению (назовем их потенциальными долгожителями). В этом случае к 90 годам относительное число таких людей в общей популяции 90-летних людей становится значительным, а в следующие годы оно будет еще возрастать. Следовательно, говоря о смертности популяции, уже надо рассматривать не только компоненту, обусловленную старением популяции, но и ту, которая характеризует противоположный процесс — возрастание устойчивости популяции к старению вследствие увеличения в ней относительного числа потенциальных долгожителей.

Однако не исключено существование и другой биологической закономерности. У очень старых людей активируются защитные механизмы, препятствующие одряхлению организма и тем самым уменьшающие зависимость их смертности от дальнейшего увеличения возраста.

Но может быть, такая активация происходит в основном у потенциальных долгожителей, и тогда оба изложенных здесь предположения справедливы? Достоверных ответов на эти вопросы пока нет. Но напомню приведенные в III и IV главах факты, говорящие в пользу возможности индукции механизмов репарации ДНК (не исключено, что даже спонтанной индукции под влиянием спонтанных повреждений ДНК, "накопленных" со временем в очень старых клетках). Косвенное доказательство этому мы получили, исследуя спонтанный репаративный синтез ДНК в очень "старых" фибробластах человека, а также в нервных клетках старых крыс.

В связи с этим заманчиво напомнить, что автор в 1970 году в книге "Молекулярные механизмы старения" обосновал концепцию, суть которой в следующем. Увеличение числа набора хромосом (полиплоидизация) в клетках печени при старении может повышать устойчивость клеток к действию мутагенов и является компенсаторной реакцией в ответ на снижение генетического потенциала клеток, в частности в ответ на уменьшение числа рибосомальных генов.

В середине 70-х годов (И. Зутши, Б. Л. Каул — 1975, А. Шима, Т. Сугахара — 1976) было получено доказательство этой гипотезы. Интересные результаты при исследовании проблемы полиплоидизации хромосом были получены выдающимся советским цитологом В. Я. Бродским с его сотрудницей И. В. Урываевой (Институт биологии развития АН СССР). Сказанное еще раз свидетельствует: исследование механизмов старения и долголетия позволяет глубже понять биологические закономерности, особенно касающиеся защитных механизмов.

В 1918 году Г. Бэлл (США) опубликовал книгу, в которой на основании анализа продолжительности жизни 3000 человек показал: вероятность достижения возраста 80 и более лет у потомков долгожителей в 2–4 раза больше средней. А в конце 70-х годов стали известны данные (также опубликованные в США) о том, что люди, мать и отец которых были долгожителями, живут в среднем почти на десятилетие больше тех, у кого родители прожили 60 лет и меньше.

В последние годы исследования роли генетических факторов в долгожительстве в США были продолжены. В частности, М. Х. Кравфорд и Л. Рогерс в 1982 году закончили проводившиеся в течение ряда лет популяционно-генетические исследования лиц пожилого и старческого возраста, а также долгожителей одной из популяций, проживающей в Канзасе и Небраске. Была обнаружена "семейная корреляция" между продолжительностью жизни людей, находящихся в различных типах родственных связей. Но особенно сильной была корреляция между продолжительностью жизни матерей и дочерей (хотя М. Глассер приводит убедительные данные такой корреляции и при сравнении продолжительности жизни отцов и их сыновей).

Сегодня ведущее место в мире по исследованию долгожителей (ими у нас называют людей, достигших или перешагнувших 90-летний рубеж) занимают советские исследователи.

Популяцию долгожителей, проживающих в Абхазской АССР, начала исследовать уже в 30-е годы экспедиция под руководством президента Академии наук УССР академика А. А. Богомольца. Затем были исследованы и другие регионы и автономные подразделения Грузинской ССР: Юго-Осетинская автономная область (регион очень выраженного долгожительства) и Аджарская АССР. Но особенно подробно изучены абхазская и частично имеретинская популяции, проживающие в Западной Грузии.

Комплексная программа исследования феномена долгожительства осуществляется с 1978 года институтами геронтологии АМН СССР, экспериментальной морфологии АН ГССР, а также институтами психологии, фармакохимии и зоологии АН ГССР.

Долгожители в нашей стране имеются и в других республиках, причем во многих из них уровень долголетия, определенный по относительному числу людей в возрасте 80 лет и старше, за период с 1959 по 1970 год возрастал. Иллюстрацией этому служат данные, приводимые в таблице.

Уровень долголетия населения СССР в 1959 и 1970 гг. (Н. Н. Сачук, 1978)

Конечно, уровень долголетия определяется отнюдь не только генетическими, но и другими факторами, о которых речь пойдет в следующей главе. Но нас сейчас интересует возможность вычленить генетические факторы, чтобы определить биологические основы долголетия. В этом плане особый интерес представляют работы, в которых наряду с самими долгожителями изучаются и члены их семей. Так, предположение о генетической предопределенности продолжительности жизни подкреплено результатами эпидемиологических обследований, проведенных, в частности, советскими геронтологами Н. Б. Маньковским, А. Я. Минц, Р. П. Кузнецовой и С. М. Белоног в Киеве. Эти исследования показывают, что существуют семьи "со склонностью" к долголетию; но могут быть и такие семьи, продолжительность жизни членов которой, как правило, меньше средней.

Как отмечают известные советские геронтологи Г. М. Бутенко, В. П. Войтенко, Н. Б. Маньковский, А. Я. Минц и их соавторы, наиболее важной характеристикой потенциальных долгожителей является их относительная устойчивость к неблагоприятным факторам среды. Болгарский исследователь Г. Стойнев в своей книге "Изследования на столетниците в Българие" (София, 1972) пришел даже к парадоксальному заключению, что большинство из 426 обследованных им лиц преклонного возраста достигло его не благодаря, а вопреки условиям жизни, так как, например, 47 % из обследованных были курящими. Эти данные отнюдь не умаляют роли благоприятных факторов для долгой жизни. Можно быть уверенными, что в наиболее благоприятных условиях (в частности, в случае отказа от курения) долгожители, обследованные Г. Стойневым, прожили бы еще больше. Но вот на что мы должны обратить внимание: из данных Г. Стойнева следует, что существуют генетические факторы, определяющие устойчивость организма и к одряхлению, и к неблагоприятным условиям (например, табачному дыму). И такие генетические факторы можно уже конкретизировать, основываясь, например, на данных о том, что при старении клеток и при действии на них табачного дыма в их ДНК индуцируются повреждения. И поэтому устойчивость и к Табачному дыму, и ко времени может определяться одними и теми же генами — контролирующими синтез белков, правильно залечивающих повреждения ДНК.

В конце 70-х годов профессор кафедры генетики Тбилисского университета Т. А. Лежава стал инициатором организации первого в мире международного симпозиума по цитогенетике старения. С тех пор состоялось еще два таких симпозиума. На первом симпозиуме большой интерес вызвали сообщения, из которых следует, во-первых, что в клетках людей-долгожителей, возможно, имеются определенные цитогенетические особенности (С. М. Кузнецова, Е. А. Черкасская) и, во-вторых, что долгожительство связано с увеличенной способностью к репарации ДНК (Г. Д. Бердыщев, А. Н. Хохлов и автор этих строк).

В согласии с этими результатами находятся и другие данные, например, американского генетика Л. Хенса с соавторами (1982) о том, что внутривидовые различия в продолжительности жизни определяются, в частности, соотношением эухроматина и гетерохроматина, количеством повторяющихся последовательностей ДНК и их изменением с возрастом. Но сходная концепция была сформулирована мною в 1970 году в книге "Молекулярные механизмы старения", а затем развита зарубежными авторами Р. Катлером, Б. Стрелером и другими.

Общим во всех этих концепциях является утверждение, что долголетие определяется числом дублированных генов (особенно рибосомальных генов), т. е. генетическим потенциалом, неуклонно истощаемым в процессе старения. Возможно, существует механизм компенсации такого истощения, но такой механизм включается далеко не во всех типах клеток, не у всех видов и, может быть, даже не у всех организмов одного вида, а только у потенциальных долгожителей.

В связи с ведущей ролью центральной нервной системы, в частности ее высших интегративно-координаторных центров, в защитных (адаптационно-приспособительных) реакциях организма и в механизмах старения большой интерес представляют результаты исследования группы отечественных ученых (Н. Б. Маньковский и А. Я. Минц с соавторами из Института геронтологии АМН СССР) функциональных особенностей и особенностей кинетики возрастных изменений ЦНС у долгожителей и членов их семей. Такое исследование проводили с помощью одного из самых совершенных методов анализа активности головного мозга — определением его биоэлектрической активности (электроэнцефалограммы — ЭЭГ) с помощью многоканальных энцефалографов. Среди наиболее интересных результатов генеалогического анализа — данные о том, что в семьях долгожителей нередко обнаруживается определенная частота α-ритма. Например, на фоновых ЭЭГ α-активность с частотой 10–10,5; 11–11,5 в семьях долгожителей зарегистрирована в 65–80 %, а в контрольных популяциях людей — 20–35 %.

Широкие и глубокие исследования долгожительских популяций в разных этнических группах Грузинской ССР проводятся в Институте экспериментальной морфологии им. А. Н. Натишвили в Тбилиси. В частности, С. М. Далакишвили, Н. Г. Лелашвили, Ш. Д. Гогохия изучили абхазскую и имеретинскую популяции по комплексной программе. Данные, полученные ими, показали, что различные физиологические системы стареют не по линейному закону. В пределах среднего и старческого возраста существуют возрасты повышенного риска нарушения гомеостаза. Возможно, в эти периоды увеличивается нестабильность генома, или накопленные ранее повреждения ДНК и другие молекулярно-клеточные нарушения "реализуются" в физиологические.

К числу наиболее сильных доказательств взаимосвязи между предрасположенностью к тяжелым хроническим болезням и старением или устойчивостью к этим болезням и долголетием относятся результаты наблюдения за долгожителями и членами их семей. Так, у долгожителей почти отсутствует артериальная гипертензия. А чехословацкий геронтолог Б. Здишнек в 1978 году показал, что у долгожителей его страны уменьшена "семейная" частота сосудистых заболеваний. Кроме того, Хо-Джи-Чен в 1982 году и С. Глюек с соавторами в 1976 году соответственно в Китае и Финляндии обнаружили интересные особенности липидного обмена в семьях долгожителей. Среди долгожителей сердечнососудистые заболевания если и развиваются, то протекают с незначительно выраженными клиническими проявлениями. Даже у родственников долгожителей В. П. Войтенко (Институт геронтологии АМН СССР) обнаружил "смягчение" характера и клинического течения сердечно-сосудистой патологии. Есть основания полагать, что у долгожителей относительно больше, чем в среднем у остальных людей, устойчивость к атеросклерозу, аутоиммунным заболеваниям и к раку.

О. Гзелл в 1981 году (Швейцария) провел генеалогический анализ семейного долголетия одной семьи, предки которой проживают в Швейцарии на протяжении по крайней мере 200 лет. Он также пришел к заключению, что семейное долголетие сочетается с устойчивостью к сердечно-сосудистым и некоторым другим хроническим заболеваниям дегенеративного характера (ожирение и другие болезни с нарушением обмена).

Если принять во внимание роль перекисей липидов в развитии атеросклероза, то данные М. Сузуки с соавторами (Япония), полученные ими в 1981 году, позволяют приблизиться к пониманию молекулярной основы связи между долгожительством человека и его устойчивостью к сердечнососудистым заболеваниям. Авторы провели комплексное биохимико-медико-социологическое обследование 80 людей старше 100 лет. У исследованных долгожителей обнаружены не только устойчивость сердечно-сосудистой системы к старению и заболеваниям, но и относительно низкое содержание в сыворотке перекисей липидов; при этом увеличено содержание свободных аминокислот. Но известно, что по крайней мере некоторые из них могут перехватывать свободные радикалы и обезвреживать их. Таким образом, относительно низкая интенсивность повреждения тканей свободными радикалами и относительно высокая степень молекулярной защиты от этих радикалов — вот одна из вероятных причин долгожительства человека.

В первом издании книги содержалось утверждение: человек подчиняется общему биологическому закону, гласящему, что женские организмы живут дольше, чем мужские. Результаты исследований, проведенных в последние годы, подкрепляют цитированное положение. Особенно интересны данные по нашей стране, опубликованные в 1978 году Н. Н. Сачуком. Они приведены в табл. 1 и показывают, что уровень долголетия среди женщин в нашей стране значительно больше, чем среди мужчин.

Среди животных организмов многих видов женские особи живут дольше мужских. Это косвенно свидетельствует в пользу предположения о существовании генетических факторов долголетия. Но что же это за гены?

В общей форме ответ может быть однозначным. Это гены, локализуемые в X-хромосоме. Ведь генотип мужчины отличается от генотипа женщины тем, что в его клетках содержится пара хромосом XY, в то время как в генотипе женщины — XX. Но значение могут иметь и другие особенности организации "женского" генома (С. М. Кузнецова, 1978).

Глава VII

Биологические аспекты проблемы здорового образа жизни

Теперь рассмотрим некоторые из внешних факторов, которые могут ускорять или, наоборот, тормозить развитие преждевременного старения и связанных с ним заболеваний. Разумеется, мы не можем рассматривать все факторы. Речь пойдет о биологических аспектах проблемы здорового образа жизни (можно назвать совокупность этих аспектов проблемой гигиены долголетия, являющейся частью более широкой проблемы — ювенологии). Но сначала о традиционных биогеронтологических проблемах.

В первом издании книги автор относительно большое внимание уделял факторам внешней среды, влияющим на продолжительность жизни животных, наблюдаемых в природных условиях или в вивариях. Возможность изменить эти условия в определенных пределах позволяла выявить влияние тех или иных факторов на продолжительность жизни в эксперименте.

Теперь мы не будем рассматривать эту проблему в целом, а ограничимся лишь данными последних лет. Однако прежде сделаем одну существенную оговорку. Дело в том, что очень сложно, а иногда просто невозможно экстраполировать на человека данные, полученные в эксперименте на животных. Вот пример. Средняя продолжительность жизни ряда линий лабораторных белых крыс составляет около двух лет, а максимальная почти в 2 раза больше. Следовательно, увеличение средней продолжительности жизни в экспериментах на таких животных с помощью определенного Х-фактора, например на 30 %, скорее всего, будет связано не с ингибированием старения, а с уменьшением действия вредных эффектов, быть может, специфичных для этого вида. Без учета этого могут быть сделаны неоправданно оптимистические заключения вроде того, что "Х-фактор" должен-де увеличивать среднюю продолжительность жизни человека на 30 %, или примерно на 25 лет, т. е. до величины, близкой к веку — к максимальной продолжительности жизни человека. На деле же этого не происходит.

Такого рода не обдуманные, не имеющие должных оснований прогнозы время от времени появляются на страницах прессы, сбивая с толку излишне доверчивых читателей. Правда, нельзя не признать, что в последнее десятилетие таких материалов публикуется меньше, чем раньше. Может быть, в этом сказывается повышение общего уровня научно-популярной литературы, равно как и ответственности авторов.

В предыдущем издании этой книги, в частности, рассматривались такие потенциальные факторы экспериментального долголетия, как ограничение калорийности пищи, понижение температуры тела, участие в обмене гормонов и антиоксидантов. В прошедшее десятилетие, пожалуй, наибольшее внимание исследователей привлекали антиоксиданты, а из них — синтетический антиоксидант ионол. Теперь он широко применяется в качестве пищевой добавки, а также используется в медицине. По оценкам советских ученых (И. А. Дегтярев, Г. И. Заиков, 1985), сотни миллионов людей в различных странах ежегодно употребляют 1–2 мг ионола, добавляемого к сливочному маслу и другим продуктам питания с целью предупреждения "прогоркания" этих продуктов, т. е. с целью торможения процессов окисления (главным образом жирных кислот) кислородом воздуха.

Отметим, что ионол довольно быстро получил широкое распространение, если учесть, что речь идет о массовом потреблении синтетического вещества. Ведь патент на использование его был выдан относительно недавно. Это произошло в значительной степени благодаря тому, что биогеронтологи теоретически обосновали возможность увеличения продолжительности жизни с помощью антиоксидантов. А эксперименты на различных животных показали: ряд антиоксидантов действительно обладает таким действием. Выдающийся вклад в изучение этого вопроса внесли советские исследователи: Н. М. Эмануэль, Е. Б. Бурлакова, Л. К. Обухова, О. Н. Воскресенский, В. Б. Мамаев, Т. Л. Наджарян, А. П. Акифьев, В. В. Фролькис, В. К. Кольтовер и ряд других ученых.

Эксперименты свидетельствуют, что ионол увеличивает продолжительность жизни лабораторных животных — мышей и крыс, получающих его с кормом.

Каков механизм этого действия? Ответ на данный вопрос имеет не только теоретический, но и практический интерес.

Но прежде небольшое пояснение. Антиоксиданты — биологические активные вещества, способные вызывать различные биохимические и физиологические изменения в организме, а не только тормозящие неферментативные окисления различных веществ и перехватывающие свободные радикалы. В первом издании этой книги были названы такие механизмы биологического действия антиоксидантов, как защита генетического аппарата клеток и макромолекул межклеточного вещества от повреждения вследствие торможения неферментативных свободнорадикальных реакций; индукция синтеза ферментов, участвующих в обезвреживании токсических веществ; стабилизация мембран; "мягкий" стресс.

За прошедшее десятилетие был получен целый ряд новых данных. Подтверждено, что антиоксиданты действительно могут защитить генетический аппарат клетки от различных повреждающих воздействий (в том числе как будто и от спонтанных повреждений); установлено, что они индуцируют синтез микросомальных ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков — чужеродных для клетки веществ, обладающих токсическими или лекарственными свойствами (группа советских исследователей во главе с Л. К. Обуховой); вызывают гормональные изменения, сходные с теми, которые наблюдают при "мягком" стрессе (В. В. Фролькис, В. К. Кольтовер и другие советские ученые).

Подтверждено и прежде сделанное предположение, что под влиянием ионола увеличивается активность цитохрома Р-450 в клетках печени, а также и некоторых других органов. Но оказалось, что активность и целого ряда других ферментов при этом также изменялась, причем характер всех этих изменений существенно зависел от вида исследованных животных. Вероятно, в связи с этим и токсичность ионола даже в ряду не очень удаленных друг от друга видов млекопитающих может резко различаться. Например, средняя доза ионола, вызывающая гибель 50 % морских свинок, составляет примерно 10–11 г на 1 кг веса этих животных, а лабораторных крыс — это лишь 1,7–2,5 г. Таким образом, токсичность ионола для крыс в 5 раз больше, чем для морских свинок.

О токсичности того или иного препарата для человека судят прежде всего по его токсичности для экспериментальных млекопитающих. Зависимость этого параметра от видовой принадлежности животных крайне затрудняет определение этой величины для человека. Таким образом, требуются новые подходы изучения закономерностей и механизмов биологического действия антиоксидантов.

В первом издании этой книги основное внимание было уделено не синтетическим, а природным антиоксидантам, особенно витамину Е. За прошедшее десятилетие было выполнено очень большое число исследований, посвященных вопросу биологической роли витамина Е. Сегодня фактически доказаны положения, которые в середине 70-х годов еще следовало считать предположительными.

Как мы знаем, часть образуемых в клетках или поступающих в них извне генотоксических агентов преодолевает внутриклеточные системы защиты и повреждает геном. Следствием этого является нарушение функции генов, а значит, и функции клеток в целом, которые эти гены контролируют. А в результате изменения функции клеток развиваются и различные физиологические нарушения организма.

Эти основные положения недавно были подтверждены в опыте А. Л. Таппеля и Ф. В. Саммерфильда из исследовательского центра пищевых продуктов и технологии Калифорнийского университета. Их опыт помог установить, что снижение потребления экспериментальными животными (крысами) природного фактора защиты от перекисей липидов — витамина Е приводит к определенным изменениям. Так, в ДНК накапливались повреждения, причем такого типа, которые могут происходить при старении клеток (это сшивки между двумя цепями ДНК или между молекулами ДНК и белка). Параллельно с этими изменениями структуры ДНК наблюдалось уменьшение матричной активности генов (т. е. процесс, который также предполагался еще в 1970 году в книге "Молекулярные механизмы старения" и который был назван инволюционной репрессией). И наконец, было обнаружено, что упомянутые молекулярно-биологические изменения находятся в сильной корреляции с физиологическими изменениями, наблюдаемыми у изучаемых животных в процессе старения или снижения содержания в рационе витамина Е.

Теперь относительно полученных в последнее время данных изучения эффекта ограничения питания на долголетие экспериментальных животных. Обобщая результаты этих экспериментов, можно утверждать: переедание и укорачивает жизнь, и увеличивает вероятность развития раковых заболеваний.

Уже не одно столетие цивилизованные люди интуитивно старались избегать обжорства. Таким образом, можно сказать, что существует биологическая основа культуры питания (как, кстати, и культуры поведения) цивилизованного человека.

Анализ механизмов жизнедеятельности, а также рассмотренные в предыдущих главах многие факты, касающиеся необходимости постоянного функционирования защитных систем, приводят к заключению: умеренность в потреблении пищи, т. е. отказ от переедания (как, кстати, и от недоедания), вероятно, является условием предупреждения не только преждевременного старения, но и профилактики тяжелых болезней. Эту, казалось бы, простую истину нужно еще раз напомнить в связи вот с чем.

В последнее время вновь в моде голодание. Нет недостатка и в поддерживающих эту моду статьях ученых-биологов, врачей и журналистов-популяризаторов. При этом ссылаются на результаты экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных животных.

А вот пример логики заключения, сделанного тоже в конце 1985 года в американском журнале "Новости науки". Сообщается, что наблюдения над 24 крысами-самками, питавшимися досыта, и 24 животными, получавшими по калорийности 60 % пищи от той, которую получали сытые животные, показали: в 1-й группе крыс рак грудных желез развился у 14 животных, а во 2-й — ни у одного. И заключено: "Поэтому человеку следует есть поменьше".

Нелишне повторить еще раз, что результаты экспериментов на животных вообще нужно с большой осторожностью переносить на человека. Дело, в частности, в том, что лабораторные животные потребляют количество пищи, обычно достаточное для их полного насыщения или даже перенасыщения. В то же время физическая активность животных, которые содержатся в вивариях, резко ограничена по сравнению с естественной активностью. Но если такие переедающие и малоактивные животные служат контрольными, то "эффект возрастания" продолжительности жизни может быть не у недокармливаемых, а у нормально питающихся животных.

Однако считающийся классическим прием, разработанный Клайвом Мак Кеем еще примерно 50 лет назад и состоящий в увеличении продолжительности жизни лабораторных животных за счет периодически сдерживающего их рост питания, представляет большой интерес в плане изучения биологических основ старения и долголетия. Под руководством выдающегося советского физиолога и биогеронтолога академика В. Н. Никитина (ХГУ) проведено исследование механизмов этого феномена. Результаты показывают: сдерживающее рост, но качественно полноценное питание может по ряду показателей тормозить процессы старения. Но опять-таки речь пока что идет не более чем об эксперименте на животных.

Другими исследователями установлено, что скорость старения животных можно уменьшить, например, снизив содержание в пище жиров или углеводов или аминокислоты триптофана или таким образом организовав питание животных, чтобы они потребляли количество пищи, достаточное (и необходимое!) для поддержания их массы тела постоянной.

Но к сожалению, можно ли такие закономерности полностью переносить на человека, пока неясно главным образом из-за того, что мы еще не имеем достаточно данных о возрастных особенностях обмена упомянутых выше веществ у пожилых людей по сравнению с молодыми. Не можем дать твердое биологическое обоснование и количественных рекомендаций по оптимальному питанию, обеспечивающему максимальную работоспособность и радость от долголетней жизни.

Но вернемся к биологическим основам проблем рационального питания и долголетия. Можно утверждать, что при разработке любых рекомендаций необходимо учитывать действие в организме защитных ферментативных механизмов, т. е. необходимость постоянного обеспечения питательными веществами синтеза белка. Кроме того, организм постоянно нуждается в поступлении защитных веществ, особенно природных антиоксидантов, например β-каротина, которые он сам синтезировать не может. Причем эти вещества должны поступать вместе с другими, способствующими усвоению первых. Следовательно, даже кратковременное голодание, нарушающее регуляцию синтеза белка в организме или лишающее человека природных защитных веществ, может иметь отрицательные последствия для здоровья.

Очень сложен вопрос об особенностях потребностей в витаминах людей пожилого возраста. Мнения геронтологов, гигиенистов и диетологов здесь существенно разнятся. Однако большинство специалистов сходятся на том, что недостаточная кислотность желудочного сока у пожилых и старых людей может быть причиной увеличения их потребности в витамине С. Витамины желательно получать в основном с овощами и фруктами, полезно обогащение пищи каротин-содержащими овощами, зеленью, растениями из семейства крестоцветных (капуста, репа и некоторые другие).

Не вызывает сомнения, что поиск средств, задерживающих преждевременное старение и увеличивающих продолжительность жизни, должен идти "рука об руку" с изысканием возможностей увеличения устойчивости организма к раковым и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Советские кардиологи также ведут плодотворный поиск средств, понижающих уровень холестерина в крови, а следовательно — и вероятность развития с возрастом атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний. Здесь многое сделано и делается академиками Е. И. Чазовым и И. К. Шхвацабая, их сотрудниками и учениками.

С помощью правильной диеты уровень холестерина можно снизить на 10–15 %. А это существенно, так как, по оценкам кардиологов, снижение уровня холестерина на 1 % понижает вероятность сердечного приступа на 2 %.

В связи с этим приведем полезные с нашей точки зрения данные, полученные исследователями в США. В среднем уровень холестерина в крови у американцев составляет 210–220 мг/дл, но нормальным (оптимальным) для населения в целом в возрасте 30 лет принято считать 190–210 мг/дл. Оптимальной считается такая диета, в которой содержание жиров по калорийности не превышает 30 %.

Интересно сравнить рекомендацию кардиологов с рекомендацией, основанной на изучении зависимости частоты опухолевых заболеваний от содержания жира в крови у людей и у экспериментальных животных. Из этих данных следует, что в "противораковой диете" жиры не должны составлять более 30 % калорий. Но в диете, например американцев, они составляют 40 %.

Многие авторитетные кардиологи теперь считают, что путем снижения факторов риска сердечные заболевания можно предотвращать. Об этом свидетельствует тот факт, что в США смертность от сердечно-сосудистых заболеваний за последние 20 лет сократилась на 37 %. В значительной степени это связано, очевидно, с разъяснением населению роли холестерина в развитии атеросклероза. По оценкам американских исследователей, вследствие изменения диеты, приведшей к уменьшению потребления холестерина с пищей, в США за период с 1968 по 1976 год было спасено примерно 190 тыс. жизней.

Джон А. Стори из отдела пищевых продуктов одного из университетов США недавно проанализировал возможность коррекции содержания холестерина в сыворотке крови и тканях человека, которое увеличивается с возрастом. Аналогичная закономерность наблюдается и у экспериментальных животных в связи с изменением метаболизма холестерина. Путем изменения в диете содержания определенных жирных кислот и степени их ненасыщенности содержание липидов в сыворотке крови можно было контролировать. Однако продолжительность жизни экспериментальных животных существенно не возросла.

Из этого следует, по-видимому, что лишь полное изменение рациона питания может "компенсировать" все возрастные сдвиги. А возрастные изменения липидов, как считает Джон А. Стори, являются симптомом, а не причиной старения. Это заключение согласуется с тем, что было сказано в предыдущих главах о роли изменений структуры и функции ДНК, белоксинтезирующего аппарата и мембран клетки в старении: такие изменения являются причиной старения, а изменения метаболизма липидов и других веществ развиваются, как правило, вторично.

Но конечно, такое заключение не умаляет роли коррекции метаболизма с помощью диетических факторов, тем более если иметь в виду не только (и даже не столько) длительность жизни, но и состояние здоровья и работоспособность. Полагают, что уменьшение частоты сердечнососудистых заболеваний в США в определенной степени обусловлено также более чем двукратным увеличением за последние 25 лет числа лиц, активно и регулярно занимающихся физическими упражнениями. Действительно хорошо известно, что умеренные физические нагрузки улучшают функцию сердечно-сосудистой системы. Кроме того, есть веские основания полагать, что при таких нагрузках нормализуется обмен холестерина, уменьшается риск отложения его в сосудистой стенке и, следовательно, снижается риск развития атеросклероза.

Один из молекулярных механизмов такого пути защиты от атеросклероза состоит в том, что с увеличением мышечной активности возрастает синтез белков — липопротеидов высокой плотности, являющихся, по образному выражению академика Е. И. Чазова, "белками — уборщиками холестерина". (Кстати, во Всесоюзном кардиологическом центре, руководимом Е. И. Чазовым, впервые в мире получены данные о зависимости обмена холестерин-липопротеидных комплексов не только от мышечной активности, но и от условий проживания людей и от наследственных факторов.) При этом может усиливаться также синтез защитных ферментов — супероксиддисмутазы и каталазы, о которых речь шла ранее.

Умеренные физические нагрузки защищают от сердечнососудистых заболеваний не только прямым, но и косвенным образом.

Известно, что особенно большой процент приверженцев оздоровительной физкультуры — в Японии и Норвегии. И в этих двух странах относительно высокий уровень долголетия населения. Однако нелишне заметить: в этих двух государствах и наиболее высокий процент людей, совсем не употребляющих алкоголь (например, в Японии 30 % мужчин и 70 % женщин не знают вкуса спиртного). Можно согласиться с автором широко известных работ по оздоровительной физкультуре С. Б. Шенкманом, что спорт — антагонист алкоголя; добавим — и курения. И наверное, не случайно увеличение числа регулярно занимающихся физическими упражнениями в США за последние десятилетия совпало с уменьшением числа курящих. Считают, что там вследствие отказа от курения за период с 1968 по 1976 год спасено 150 тыс. людей.

При всем этом подчеркнем: по данным американских кардиологов, опубликованным в 1985 году, при диабете, гипертонии, артрите, как и при наследственной предрасположенности к сердечным заболеваниям, очень интенсивные физические упражнения могут быть вредными. Таким образом, мера нужна и здесь.

Есть теоретические основания полагать, что чрезмерные физические нагрузки не только не способствуют долголетию, но, наоборот, ускоряют процессы естественного старения. Мы уже знаем о роли свободных радикалов в старении и развитии болезней, ассоциированных со старением, а также о роли природных антиоксидантов — витаминов в долголетии. Сопоставим это со следующим фактом.

Исследователи Колумбийского университета (Нью-Йорк) заставляли крыс и морских свинок бегать в течение двух часов в день. Во время выполнения животными таких физических упражнений содержание свободных радикалов в их тканях значительно возросло. Одновременно происходило быстрое расходование одного из основных природных антиоксидантов — витамина Е.

Существенное нарушение в преклонном возрасте функции структур, обеспечивающих энергетический обмен, обнаружено в скелетных мышцах. Это наряду с ограничением функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем (особенно с уменьшением функциональной способности капилляров), увеличением соотношения между содержанием норадреналина и адреналина (и другими изменениями симпатоадреналовой регуляции) приводит к существенному снижению функциональных способностей при физической нагрузке в пожилом, тем более в старческом возрасте. Такие изменения усугубляются нарушением липидного обмена и сниженной способностью скелетных мышц использовать продукты липолиза (что приводит к увеличению концентрации жирных кислот в крови).

Исследования показали, что в результате физической тренировки часть из перечисленных биохимических симптомов старения можно ослабить. Действительно после курса физической тренировки на выносливость наблюдают усиление адаптационных способностей скелетных мышц, улучшение способности использовать продукты липолиза в метаболизме, совершенствование регуляции этого метаболизма и функции мышц. При этом увеличивается максимальный уровень поглощения кислорода при определенной физической нагрузке. Показателем увеличения под влиянием тренировки функциональной способности мышечной системы и организма в целом является и то, что содержание лактата в крови возрастает под влиянием определенной физической нагрузки в меньшей степени. Это существенное обстоятельство.

Дело в том, что образование большого количества молочной кислоты в мышцах является следствием усиления процессов гликолиза в интенсивно работающих, особенно нетренированных мышцах и может оказывать неблагоприятное воздействие на клетки. Ведь если количество этого метаболита будет большим, то рН тканей снизится, а это, в свою очередь, должно изменить структуру и функцию мембран, активность многих ферментов. А если уменьшение рН произойдет в нуклеозоле ("ядерном соке"), то усилится даже процесс спонтанного повреждения ДНК, интенсивность которого (вспомним о депуринизации ДНК, катализируемой протонами) возрастает с уменьшением рН.

Таким образом, после курса физической тренировки отрицательные биохимические последствия от физической нагрузки снижаются, а благоприятные ее влияния на организм сохраняются либо даже усиливаются.

Я не останавливаюсь на рассмотрении благоприятного влияния на организм самой физической нагрузки, поскольку этот вопрос довольно часто обсуждался и обсуждается в многочисленных изданиях, в том числе и в научно-популярных. Подчеркнем лишь то, что обычно упускается из виду. Речь идет о явлении побочных эффектов физической нагрузки. В случаях, когда эти эффекты велики, их нельзя игнорировать (еще одно свидетельство "диалектического единства" положительных и отрицательных факторов).

К числу наиболее изученных антиканцерогенных факторов, связанных с питанием, можно отнести содержание в продуктах питания так называемых грубых волокон. Обычно к числу грубых волокон, или пищевых волокон, относят неусвояемые углеводы (целлюлоза, пектин) и лигнин — химические соединения, не переваривающиеся ферментами желудочно-кишечного тракта человека и не всасывающиеся в тонком кишечнике. Такие волокна содержатся в пшеничных отрубях, хлебе из муки грубого помола, в листовых овощах, корнеплодах, фруктах.

Конечно, и при употреблении пищевых волокон нужно знать меру. Как ее определить? Обычно полагают, что человеку нужно в среднем 20–25 г пищевых волокон в сутки. В названных только что продуктах питания содержание волокон не сильно варьирует — от 3 до 5 г в расчете на 100 г продукта. Таким образом, каждый человек, исходя из своих привычек, вкусов и возможностей, должен в той или иной форме употреблять пищевые волокна в количестве, считающемся в настоящее время оптимальным.

Предположительно можно отметить одну из причин торможения естественного процесса канцерогенеза у людей, потребляющих с пищей достаточное количество волокон. Известно, что, чем их больше, тем быстрее пища проходит по кишечнику. Следовательно, тем в меньший промежуток времени в кишечнике происходит размножение бактерий, оказывающих определенное действие на выделяемые в кишечник из желчного пузыря желчные кислоты, при метаболизме которых, так же как и холестерина, могут образовываться потенциально канцерогенные вещества. Что же касается механизма защиты увеличенным содержанием в пище волокон от химических мутагенов, загрязняющих окружающую среду, то он может быть более простым: эти канцерогены адсорбируются волокнами и таким образом выделяются из организма.

Интересно сопоставить результаты нашего анализа двух групп факторов: увеличивающих (или, наоборот, уменьшающих) риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и увеличивающих (или опять же уменьшающих) риск развития злокачественных опухолей. Очевидно, что факторов риска, общих для обоих классов заболевания, надо стремиться всеми силами избегать. Устранение их эффектов — один из путей достижения долголетия без тяжелых болезней. К числу таких "факторов риска в квадрате" нужно отнести курение, алкоголь, нервно-психические стрессы, сильное ожирение тела и действие некоторых агентов окружающей среды, обладающих сильными генотоксическими свойствами. Все эти факторы исходя из теории экспериментальных и эпидемиологических исследований нужно считать способствующими развитию преждевременного старения, а следовательно, значительно сокращающими продолжительность жизни человека. Снять эффекты большинства из этих факторов — в пределах человеческих возможностей.

Но вернемся к проблеме активной профилактики опухолевых заболеваний. Теоретические количественные оценки показывают, что в организме человека ежесуточно может возникать множество опухолевых клеток. И то, что каждая из этих клеток или хотя бы их миллионная часть не становится причиной опухолевого роста, определяется мощной многозвеньевой естественной защитной системой. Способности этой системы с возрастом снижаются — именно поэтому частота опухолевых заболеваний в процессе старения возрастает. Мы уже говорили об этом механизме. А сейчас зададимся следующим вопросом: каким образом предупредить развитие опухолевых заболеваний, как увеличить эффективность защитных систем стареющего организма?

Изложенный в предыдущих главах материал позволяет в общей форме ответить на вопрос так: прежде всего нужно избегать таких воздействий на организм, которые бы перегружали защитные механизмы. Например, одна из важнейших таких систем — репарация ДНК, а чтобы не перегружать ее, надо по возможности избегать действия факторов, способных усилить спонтанную нестабильность ДНК, или вызвать дополнительное число повреждений ДНК. В связи с этим приходится снова вспомнить о табачном дыме и алкоголе. Об их вредном действии на организм говорят и пишут достаточно. Не будем повторять широко известного, коснемся лишь последних биологических данных.

В конце 1985 года Таутоми Накаяма с сотрудниками из отдела биофизики Научно-исследовательского института Национального противоракового центра в Токио обнаружили, что дым всего лишь одной сигареты индуцирует в ДНК клеток человека количество разрывов, равное 10^4 в расчете на каждую клетку. Это число разрывов эквивалентно числу повреждений, индуцируемых облучением ионизирующей радиацией в большой дозе. Механизмы индукции повреждений ДНК сигаретным дымом и облучением, как это ни удивительно, тоже в значительной мере сходны. Более того, эти механизмы сходны с теми, по которым индуцируется и значительная часть спонтанных повреждений ДНК, накапливаемых с возрастом и ответственных за старение. Вот вкратце доказательство этого сходства.

В главе III были приведены факты, свидетельствующие о важной роли кислородных радикалов в спонтанном повреждении ДНК. Но с помощью различных веществ, способных перехватывать такие радикалы, а также с использованием ферментов (в частности, супероксиддисмутазы), защищающих генетический аппарат от кислородных радикалов, показано: генотоксические эффекты облучения и табачного дыма также в значительной степени обусловлены кислородными радикалами.

Кроме того, есть веские основания полагать, что наблюдаемое под влиянием несмертельных доз облучения ускорение естественного старения и учащение опухолевых заболеваний определяются повреждением ДНК. По аналогии можно предположить, что индуцируемые табачным дымом повреждения ДНК в клетках человека ускоряют старение и увеличивают вероятность развития опухолевых заболеваний. То, что у курильщиков частота рака легких увеличена во много раз по сравнению с некурящими людьми того же возраста, хорошо известно. Но теперь становится очевидным, что табачный дым еще и ускоряет "физиологическое" старение.

Практически это означает, что весь организм пожилого курильщика начинает дряхлеть раньше, чем организм некурящего человека того же возраста. В наиболее сильной степени процессы старения ускоряются в легких, и, следовательно, они становятся уязвимы не только к опухолевым, но и к другим заболеваниям, ассоциируемым со старением. Ускоряется также старение кожи лица обкуривающего себя человека — под влиянием табачного дыма интенсивнее образуются морщины на лице, кожа становится более дряблой, теряется первоначальный цвет.

Кроме кислородных радикалов, возникающих в табачном дыму в процессе пиролиза табака при курении, в нем образуются и органические канцерогенные вещества, также способные повреждать ДНК и нарушать репарацию повреждений ДНК. К числу таких веществ нужно отнести и полициклические ароматические углеводороды.

То, что интенсивное курение может ускорять существенные механизмы старения, подтверждают результаты исследований свойств ДНК, выделенной из мышечной ткани людей. Такие исследования проводил Рудольф Зан из центра по изучению старения в Майнце. Он обнаружил, что у заядлых курильщиков свойства ДНК изменены, причем степень этих изменений с возрастом увеличивается.

Но ведь ДНК мышечной ткани не подвергается непосредственно воздействию табачного дыма. Как же объяснить данные Рудольфа Зана? Наверное, сделать это было бы нельзя, если бы мы не знали о существовании явления спонтанной нестабильности ДНК всех клеток организма, равно как и о том, что при старении в ДНК различных клеток с большей или меньшей (иногда трудноизмеримой) скоростью накапливаются повреждения. Разрушение ДНК со временем может ускоряться (т. е. действие природного мутагена может усиливаться), если какой-либо фактор нарушает репарацию ДНК и(или) усиливает процесс старения организма в целом. Но курение, как мы знаем, является именно таким фактором. Иными словами, мы приходим к пониманию важного практического положения — не только рак легких или заболевания кожи у курильщиков могут развиваться чаще, но под влиянием табачного дыма могут учащаться и другие дегенеративные заболевания, связанные с преждевременным старением. Каждому курящему или "балующемуся" курением об этом следует знать. Наряду с этим твердо установлено: у бросивших курить людей уже спустя несколько лет начинает значительно снижаться риск развития опухолевых заболеваний. Не исключено, что при этом будут исчезать и приобретенные в результате курения симптомы преждевременного старения. Теоретическим основанием для такого заключения служат рассмотренные в предыдущих главах факты, показавшие: если "не отравлять" защитные системы организма, то со временем они могут устранить многие из повреждений, вызванных в клетках и в тканях организма внешними воздействиями.

Часть из многочисленных токсических и канцерогенных веществ, содержащихся в табачном дыме, обезвреживается в печени. Но под влиянием дополнительных воздействий на организм, например под влиянием алкоголя, эта защитная функция печени нарушается. В частности, поэтому в сочетании с алкоголем вредное влияние на организм табачного дыма может резко усиливаться.

Напомню, что курение может быть не только активным, но и пассивным, причем во вторичном дыме (т. е. в том, который находится в помещении) содержание некоторых канцерогенных веществ, в частности из класса нитрозаминов, оказывается даже большим, чем в дыме, вдыхаемом курильщиком. Следовательно, в случае приема алкоголя даже некурящим человеком в прокуренном помещении значительно возрастает опасность повреждения ДНК его клеток. Результаты эпидемиологических исследований, проведенных в нескольких странах, также однозначно свидетельствуют: канцерогенные эффекты табачного дыма и алкоголя взаимно усиливают друг друга, т. е. эти вредные факторы действуют на организм синергетически.

Что же касается последствий приема алкоголя для организма, то они слишком хорошо известны, чтобы здесь о них подробно говорить. Упомянем лишь о малоизвестном факте: под влиянием алкоголя могут ускоряться молекулярные процессы, определяющие старение организма, в частности, с этим связано уменьшение продолжительности жизни пьющего человека. Особенно уязвимы к алкоголю клетки головного мозга.

Все это является подтверждением известного афоризма "Самый простой и надежный способ продлить жизнь — не сокращать ее".

Но вместе с тем можно назвать факторы, уменьшающие риск развития и сердечно-сосудистых заболеваний, и злокачественных опухолей, и преждевременного старения. Среди таких благотворных факторов долголетия есть весьма простые — умеренные физические нагрузки и питание, достаточное содержание в пище природных антиоксидантов или обогащение ее некоторыми из них (β-каротин, витамин Е), а также установка на доброжелательность.

Можно, очевидно, отдельно говорить о факторах, которые преимущественно тормозят развитие сердечно-сосудистых или опухолевых заболеваний. По всей вероятности, есть и такие, которые в определенных концентрациях препятствуют развитию одного класса болезней, не влияя на болезни другого класса. Конечно, это сложные случаи, и для их конкретного пояснения потребовался бы экскурс в различные области биологии и медицины. Из-за недостатка места нам не удастся их здесь рассмотреть.

Мы остановимся вкратце на диете людей, проживших 90 лет и более. Интересные материалы этого плана были представлены, в частности, на Второй конференции по проблеме долгожительства, проведенной в Тбилиси в конце 1984 года. Вот некоторые из этих результатов.

Ю. Г. Григоров с соавторами исследовали особенности питания долгожителей, проживающих в сельской местности Абхазии. Оказалось, что характер их питания чрезвычайно консервативен. Наблюдается резкое преобладание в рационе молочно-растительных продуктов, причем среди молочных преобладают кисломолочные, а среди растительных — зернобобовые, овощи и фрукты.

Д. А. Джорбекадзе с соавторами исследовали характер питания долгожителей, проживающих в сельских районах Грузии. Они также обнаружили устойчивость пищевых вкусов и преобладание в рационе растительно-молочных продуктов.

Становится все более ясным: в продуктах питания, даже природных, содержатся различные по своим свойствам вещества. Одни из них способны оказать на организм неблагоприятное воздействие, другие обладают противоположными, в частности антиканцерогенными, свойствами. Иначе говоря, существуют природные факторы, как способствующие развитию опухолевых заболеваний, так и препятствующие им. Значит, существенное значение имеют не только регулярность питания, его умеренность и другие подобные показатели, но и ювенологические свойства пищи.

В отчетной статье, посвященной гериатрическим препаратам, наши ведущие специалисты В. И. Западнюк (Институт геронтологии АМН СССР), В. И. Соловьева (Одесский НИИ глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова) называют перспективными, способствующими укреплению здоровья пожилых и старых людей экстракт алоэ, декамевид, квадевит, ундевит. Последние содержат в одной дозе 10–12 водо- и жирорастворимых витаминов, отдельные аминокислоты и минеральные вещества. Таким образом, с помощью этих препаратов, как считают геронтологи, можно устранить возрастной (старческий) полигиповитаминоз. Кроме того, по данным В. И. Западнюка и В. П. Соловьевой, глутаминат калия ослабляет процессы свободнорадикального переокисления липидов в мембранах. Однако эти препараты, как и всякие иные медикаментозные средства, могут применяться только по назначению врача.

Уже давно известна так называемая тканевая терапия по В. П. Филатову. Как сообщается в только что цитированной работе В. И. Западнюка и В. П. Соловьевой: "Достигнуты успехи в разработке и изучении препаратов тканевой терапии по В. П. Филатову, что позволило представить их на мировой рынок в 18 стран. Установлена геронтологи ческа я и профилактическая направленность препаратов этой группы (Н. А. Пучковская, В. П. Соловьева, 1982)". Поясню, что эта разработка осуществлена названными учеными в Одесском НИИ глазных болезней и тканевой терапии имени академика В. П. Филатова.

Важно еще и то, чтобы в продуктах питания было как можно меньше канцерогенных и потенциально канцерогенных веществ и как можно больше факторов с противоположным, антиканцерогенным действием, являющихся фактически природными средствами профилактики рака. И конечно, хорошо, если бы последние обладали и по другим критериям благотворным действием на организм, т. е. увеличивали бы его жизнестойкость.

Возможно, в скором времени будут открыты комбинации таких веществ. Основанием для такого оптимистического предположения служит концепция синергизма — взаимоусиливающегося совместного действия нескольких факторов. Правда, до сих пор эта концепция использовалась для понимания механизмов действия повреждающих и канцерогенных агентов. Но сегодня есть основания полагать, что при совместном действии и благоприятных факторов их эффекты могут взаимоусиливаться. Одним из факторов в этом "коктейле" жизнестойкости, вероятно, будут уже упомянутые в книге β-каротин и витамин Е. (Подробно о защитных свойствах каротина рассказано в совместной книге А. М. Кузина и автора этих строк "Проблема синергизма в радиационном канцерогенезе и возможные пути снижения канцерогенного риска", Пущино, 1985.) К счастью, известен относительно дешевый и общедоступный природный источник β-каротина — морковь.

Теперь продолжим рассмотрение закономерностей, которые "просматриваются" при внимательном анализе особенностей образа жизни долгожителей.

Н. М. Хатиашвили и Г. А. Ушверидзе изучили зависимость долгожительства от ландшафтно-климатических особенностей различных районов Грузинской ССР. Оказалось, что больше всего долгожителей в среднегорной курортно-климатической зоне (высота 1000–2000 м над уровнем моря).

Все 160 долгожителей Абхазии, исследованные в 1978–1984 годах М. Б. Джанелидзе, были чабанами или принадлежали к семьям чабанов.

Все из 40 исследованных долгожителей Аджарии также в течение всей своей жизни пасли скот в горах.

Д. Н. Котко с соавторами обследовали долгожителей абхазских сел Дуриш, Джгерда, Члоу. В прошлом все мужчины также пасли в горах скот. Однако, по данным этой работы, другие большие группы долгожителей — горожане никогда не жили в горах. Таким образом, совокупность изложенных фактов приводит к следующим предположениям.

В течение своей жизни многие (но не все) потенциальные долгожители "спонтанно" (или, точнее, в естественных условиях своей жизни) подвергали себя периодической адаптации к горной гипоксии. В связи с этим вспоминаются уже давние, но по-прежнему интересные работы академика АН ГССР В. С. Асатиани, рекомендовавшего циклы климатотерапии — адаптации к горной гипоксии, причем также в условиях среднегорья (не выше 2000 м). В результате такой адаптации, вероятно, увеличивается эффективность (в том числе и точность) работы некоторых из тех защитных механизмов, о которых речь шла в IV главе и которые, как было показано в последующих главах, могут определять и устойчивость человека к болезням, и его долголетие.

Но ведь есть долгожители, проживающие и в других, кроме среднегорья, условиях. Да, но в этом случае генотип или условия жизни (а скорее, и то и другое) были модифицированы столь счастливым образом, что сходные изменения защитных систем произошли и без естественной "климатотренировки".

Заключение

На пути к долголетию без болезней

Теперь подведем некоторые итоги.

Определенные заключения сделаны нами по ходу изложения материала, что сейчас поможет подвести читателя к еще одной важной проблеме. Речь идет о поиске факторов, предупреждающих преждевременное старение не только у нынешних поколений людей, но и у будущих поколений. Как этого достичь?

Рассматривая ту или иную грань сложного влияния состояния генетического вещества на здоровье и долголетие, мы неоднократно приходили к заключению, что необходимо сохранять целостность ДНК. Шла речь и о том, что в настоящее время уже ясны подходы для научных исследований факторов, помогающих клеткам и организму в целом более эффективно обеспечить такое сохранение. В частности, если снизить уязвимость генома соматических клеток человека, очевидно, удастся предупреждать развитие у него преждевременного старения и болезней, с ним связанных.

Все сказанное ранее по этому вопросу справедливо и в отношении зародышевых (герминативных) клеток, если иметь в виду долголетие, а также профилактику преждевременного старения и тяжелых заболеваний у будущих поколений людей. В связи с тем что теперь известно о защитных свойствах природных антиоксидантов, обращают на себя внимание факты, приводимые в только что изданной книге И. Г. Акоева и Л. В. Алексеевой "Пол, реактивность, резистентность" (М., Знание, 1985), посвященной анализу особенностей женского организма. Авторы отмечают, что в тканях женского организма относительно больше концентрация витамина Е. А в фазу овуляции (в начальную фазу менструального цикла) у женщин (кстати, у самок обезьян тоже) наблюдается увеличение в сыворотке крови содержания витамина А и β-каротина. Не означают ли эти факты, что подготовка яйцеклетки к оплодотворению сопровождается увеличением мощности антиоксидантных защитных механизмов? Это может способствовать снижению вероятности повреждения генетического вещества зародышевой клетки эндогенными генотоксическими веществами или внешними мутагенными факторами. Еще одно доказательство этому — исключительно высокое содержание каротина в желтых и особенно в красных телах яичников коров. Мы приходим к проблеме, решение которой сколь сложно, столь важно и многообещающе: это проблема активной профилактики генетических болезней, в частности генетических синдромов преждевременного старения (о них речь шла в главе IV), у будущих поколений людей.

Из сказанного читатель уже мог понять, что один из мощных путей такой профилактики — рациональная диета как будущей матери (конечно, в первую очередь), так и будущего отца. Необходимое условие — исключение употребления алкоголя, причем, как теперь, наверное, стало очевидным, не только во время беременности, но и перед тем, как женщина решила стать матерью. К сожалению, дальнейшее обсуждение проблемы защиты от преждевременного старения будущих поколений людей затруднено из-за ее большой сложности.

Возвращаясь к сегодняшним вопросам профилактики преждевременного старения и связанных с ним болезней, вспомним, что питательные вещества нужны не только для поддержания в организме биохимического баланса (равновесного состояния метаболизма), но и для укрепления систем защиты. Какие же другие, кроме каротинсодержащих продуктов, можно считать потенциальными факторами усиления этих систем? Анализ результатов многих исследований факторов, защищающих клетки и организм от канцерогенных и мутагенных веществ, а также от излучений, позволяет предположить, что такие факторы содержатся в свежей и брюссельской капусте, брокколи (капуста спаржевая). Исследуются на этот счет укроп пахучий (огородный), репа, шпинат, кукурузное масло.

Вообще между антимутагенными и радиозащитными свойствами определенных факторов и их потенциальной способностью защищать организм также от других форм преждевременного старения, не обусловленных облучением, существует глубокая взаимосвязь. Вспомним некоторые обсужденные в предыдущих главах закономерности нарушения стабильности ДНК.

Во-первых, значительная часть повреждений ДНК, возникающих спонтанно и накапливаемых в процессе старения, сходна со многими повреждениями ДНК, образуемыми под влиянием ионизирующих излучений. К этому добавлю, что и более сложные генетические повреждения (на уровне хроматина и хромосом) также в значительной степени сходны.

Во-вторых, в их возникновении существенное значение имеют общие молекулярные механизмы, опосредованные действием кислородных радикалов, перекисей липидов, Н_2О_2, ДНКаз.

В-третьих, обнаруживается сходство и в механизмах защиты клеток от генетических и других повреждений, возникающих под влиянием облучения и времени (вследствие старения генетических и вообще биологических систем).

Совокупность отдаленных эффектов, развивающихся спустя значительный промежуток времени после облучения организма, радиобиологи обозначают термином "радиационное старение", подчеркивая сходство (хотя оно, конечно, и неполное) комплекса этих эффектов с "синдромом" естественного старения. И наверное, не случайно, что среди известных молекулярных биогеронтологов немало крупных специалистов по молекулярной радиобиологии. Среди отечественных это прежде всего недавно скончавшиеся академик Н. М. Эмануэль и профессор С. Н. Александров. Из зарубежных ученых это X. Р. Хан, К. Т. Вхиллер, Дж. Т. Летт, Р. Б. Харт, Р. В. Сетлоу.

Если же иметь в виду перспективу молекулярно-биологических исследований роли сходных изменений ДНК в преждевременном старении и в отдаленных биоэффектах излучений, то отметим лишь следующий новый аспект этой проблемы. Суммарная длина всех молекул ДНК каждой клетки человека равна примерно метру. Объем же ядра, в котором упакованы эти молекулы, составляет порядка 10-10 см^3. Упаковка молекул ДНК достигается благодаря взаимодействию их с белковыми молекулами. Это теперь общепризнано. Но на что раньше не обращали внимания — это на то, что такая упаковка молекул может выполнять роль "буфера", препятствующего прямому взаимодействию между отдельными участками одной молекулы или между различными молекулами ДНК. Биофизический анализ показывает: если бы такого ограничения не было, то внутри каждой молекулы ДНК часто образовывались бы "шпильки", крестообразные структуры, тройные спирали и другие структуры, которые либо разрушались бы ДНК-азами, либо резко нарушали бы функцию ДНК. Но в процессе старения вероятность внутри- и особенно межмолекулярных взаимодействий ДНК возрастает. Возрастает она и под влиянием облучения, нарушающего ДНК-белковые взаимодействия и структуру хроматина, правильную организацию ДНК в ядре. Можно даже предвидеть, что при старении или под влиянием облучения образование дополнительных связей между молекулами ДНК становится взаимоускоряющимся, происходит своего рода генетическая катастрофа на клеточном уровне.

Возвращаясь к рассмотрению связи между радиобиологией и биогеронтологией на уровне общности свойств радиозащитных средств и факторов долголетия, приведу результат следующего сравнения.

В древнеиндийской медицине (Айюрведа) был весьма популярен экстракт растения, которое, как считалось, способствует продлению жизни. Сравнительно недавно радиобиологи Р. Гандхи и В. Л. Каул из научно-исследовательской лаборатории Джамму обнаружили, что экстракты из корней этого растения защищают и от отдаленных последствий облучения ионизирующими излучениями, т. е. от радиационного старения.

Конечно, нас интересуют прежде всего факторы со сходным действием, но содержащиеся в широкодоступных в нашей стране растениях. Хотя нужны еще дополнительные исследования, для того, чтобы рекомендации можно было считать научно строго обоснованными, все же упомяну о некоторых из таких благотворных факторов.

Собственно, об одном из них (β-каротине) речь уже шла. Здесь хочу лишь добавить, что обеспеченность людей предшественником витамина А, скорее всего, недостаточна. Например, поданным американского исследователя Н. Райка, у четверти всех обследованных американцев содержание витамина А в сыворотке крови было ниже нормы. Но в то же время ни в коем случае нельзя употреблять избыточное количество витамина А, иначе разовьется гипервитаминоз А с неблагоприятными последствиями для организма.

Другое дело его предшественник β-каротин. Даже если он употребляется в избытке, процесс превращения его в организме в витамин А тормозится, и β-каротин в исходной форме откладывается "про запас". Тем не менее повторяю, нужны дополнительные исследования, чтобы выяснить, не противопоказаны ли большие количества его некоторым людям. Необходимо выяснить адаптивные изменения эндогенных антиоксидантов от длительного приема экзогенных.

Процессы старения так же, как и канцерогенеза, можно разбить на несколько стадий. В 1973–1977 годах нами было обосновано положение, что опухолевый рост начинается с повреждения ДНК, инициирующего трансформацию нормальной клетки в злокачественную. Вслед за этой стадией инициации следует стадия промоции (развития). В процессе старения также можно выделить стадии инициации и промоции. В главе III было рассказано, что в ДНК клеток даже молодых здоровых людей обнаруживаются повреждения ДНК. Наверное, такие молекулярные события составляют стадию инициации старения. Но лишь спустя много лет после возникновения таких повреждений в организме обнаруживаются существенные физиологические или даже патофизиологические изменения. Тогда старение переходит во вторую стадию — промоции.

Разделение процессов канцерогенеза и старения на несколько стадий может иметь практическое значение. Теперь можно вести целенаправленный поиск веществ, преимущественно тормозящих ту или другую из стадий старения и (или) канцерогенеза, хотя некоторые факторы могут обладать потенциальной способностью тормозить обе стадии. Сравним, например, вещества, ингибирующие преимущественно ту или иную стадию канцерогенеза. Оказывается, что стадию инициации преимущественно тормозят антиоксиданты, витамины С, Е и некоторые флавоны. Начальные этапы стадии промоции — тоже витамин Е, селен, антиоксиданты, некоторые производные орнитина. Таким образом, витамин Е, селен и некоторые другие антиоксиданты обладают потенциальной способностью защищать организм от канцерогенных воздействий, тормозя обе стадии канцерогенеза. Вероятно, такой же способностью обладает и β-каротин, способный, очевидно, тормозить и старение на различных его стадиях.

О том, что каротиноиды обладают способностью увеличивать жизнеспособность клеток (в том числе клеток человека) и организмов, свидетельствуют результаты наших исследований с культивируемыми клетками. Эти результаты были доложены на Всесоюзном совещании "Культивирование клеток животных и человека" в ноябре 1985 года и опубликованы в трудах этого симпозиума. Кроме того, мы обнаружили (результаты совместных исследований с А. М. Кузиным, Т. И. Гикошвили, С. М. Бобневой), что β-каротин обладает радиозащитными свойствами. Таким образом, в перспективе может быть разработана довольно простая и широкодоступная диета, которая поддерживала бы здоровье и предохраняла и молодых и пожилых людей от опасных и распространенных хронических заболеваний, связанных со старением организма. Но такая диета должна также увеличивать устойчивость организма к внешним повреждающим факторам. Вспомним, что говорилось ранее о факторах, увеличивающих устойчивость организма к излучениям и химическим канцерогенам. А ведь многие люди и сами себя подвергают таким воздействиям, я имею в виду табачный дым, содержащий канцерогенные вещества, и длительное действие ультрафиолетовых лучей солнечного света, представляющего канцерогенную опасность для открытых участков кожи. Такой риск наверняка можно снизить с помощью β-каротина.

Кстати, нужно иметь в виду, что при определенных воздействиях на организм возрастает его потребность в тех или иных витаминах. Например, у курящих людей или людей, принимающих аспирин (и некоторые другие лекарства), увеличивается потребность в витамине С. У людей, употребивших алкогольсодержащий напиток, временно может быть нарушено усвоение витамина В, а при использовании для питья сильно хлорированной воды возрастает потребность в природном антиоксиданте — витамине Е.

Все сказанное подчеркивает необходимость индивидуального подхода к назначению средств, защищающих организм и от вредных воздействий окружающей среды, и от преждевременного старения, развивающегося спонтанно. А для этого наряду с традиционными медицинскими исследованиями необходимы биохимические и биофизические исследования, в частности определение содержания в крови β-каротина, витаминов А, Е и т. д.

Определение этих показателей в будущем станет необходимым условием количественной оценки состояния здоровья и отдельных людей и определенных коллективов и общественного здоровья в целом. Только с использованием этих и других биологических тестов, особенно тех, которые характеризуют рассмотренные в главе IV защитные механизмы организма, можно будет надежно оценивать функциональные возможности человека и даже прогнозировать (если это будет надо) состояние здоровья через тот или иной промежуток времени. Конечно, если речь идет об общественном здоровье, то использование методов физико-химической и клеточной биологии для его оценки подразумевает создание специального банка данных. К счастью, в последние годы разработана мощная вычислительная техника, позволяющая хранить в памяти ЭВМ гигантское количество информации (массивы или базы данных) и обрабатывать индивидуальные данные по различным параметрам. В сочетании с уже созданными быстродействующими автоматами для биохимического высокоточного анализа крови эти научно-технические достижения создают материальную основу для оценки здоровья не только с медицинской (традиционной), но и с биологической точки зрения. Все это поможет обследуемым повысить устойчивость организма к преждевременному старению, снизить вероятность заболеваний, особенно тяжелых.

Большие возможности открывают персональные компьютеры. В будущем каждый желающий сможет рассчитать оптимальную для себя диету, используя программы, составленные с помощью своего врача. При построении таких программ, вероятно, будут учтены и многие из тех данных, которые мы рассмотрели. И обязательно будет принято во внимание, что существует зависимость между состоянием здоровья в молодости — так называемым стартом жизненного пути человека и влиянием питания и вообще образа жизни на тип старения. Только в этом случае можно будет разработать эффективные средства предупреждения преждевременного старения.

Как известно, за последние 70 лет средняя продолжительность жизни в нашей стране существенно возросла. В настоящее время исследователи продолжают поиск средств увеличения продолжительности жизни. Для координации таких исследований в Академии медицинских наук СССР и других ведомствах нашей страны разработана единственная в мире долгосрочная программа "Продление жизни". В других социалистических странах также большое внимание уделяется этому направлению исследований.

В 1983 году в Будапеште состоялся X Европейский конгресс клинической геронтологии (интересно другое официальное название этого собрания ученых: "I Объединенный симпозиум европейских биологов и клинической секции Международной ассоциации геронтологов". Второе название подчеркивает стремление врачей-геронтологов объединить свои усилия по борьбе со старением с усилиями биологов).

На этом симпозиуме было множество сообщений о длительных клинических исследованиях различных препаратов, потенциально способных задержать развитие или даже снять уже развившиеся симптомы старения. Нельзя сказать, что при этом были получены выдающиеся результаты. Но все же анализ исследований, доложенных на симпозиуме, убеждает в том, что можно тормозить развитие нарушений при старении по крайней мере некоторых функций организма человека, хотя бы в небольшой степени. И что особенно интересно: с помощью определенных препаратов можно тормозить развитие у пожилых и старых пациентов симптомов болезней, ассоциированных со старением. Интересные данные представили ученые из соцстран. Так, на упомянутом симпозиуме венгерские геронтологи сообщили об исследовании гидергина, польские — кавинтона, румынские — аславиталя и геровиталя Н_3.

Что касается новых направлений геронтологии, развиваемых в западноевропейских странах, то отметим создание генноинженерной фирмы "Сенетек", целью которой является изучение роли клеточных белков в старении, а также разработка на основании изучения факторов, контролирующих старение, методов диагностики и лечения заболеваний. По данным зарубежной печати, в работе фирмы принимают участие многие известные ученые — крупные специалисты в различных областях биологии.

Прежде чем далее рассматривать перспективы исследования некоторых из ювенильных средств, подчеркну: речь будет идти пока лишь о научном исследовании. Мы уже не раз на страницах этой книги предостерегали читателя против использования каких бы то ни было медикаментозных средств без участия врача. Но даже и диетические факторы должны подбираться с обязательным учетом биохимической индивидуальности.

Мы с вами теперь знаем, сколь велико для здоровья значение сохранения целостности ДНК наших клеток. Известно и то, что этого можно достичь с помощью средств, усиливающих способность клеток к репарации ДНК. Но оказывается, что эта способность не у всех организмов даже одного вида одинакова: существуют индивидуальные особенности репарации ДНК. Мы с ними столкнулись при исследовании репарации ДНК в облученных in vitro фибробластах, полученных методом биопсии из кожи предплечья различных людей. Когда работа над этой книгой уже завершилась (в конце 1985 года), Дж. Вижг с соавторами из Института экспериментальной геронтологии (Голландия) сообщили о результатах анализа способности клеток человека репарировать повреждения ДНК, вызванные УФ-облучением или химическими мутагенами. Их вывод более категоричен, чем наш: существуют большие (!) индивидуальные различия по способности к репарации ДНК, причем такого рода различия — характерное свойство Homo sapiens.

Если это так, то при назначении средств, усиливающих репарацию ДНК, необходимо учитывать, какой именно механизм репарации вследствие наследственных изменений или нарушений в образе жизни оказался ослабленным.

Но мы теперь знаем, что поддерживать эффективность функционирования ДНК наших клеток на должном уровне можно, не только усиливая их способность к репарации ДНК, но и уменьшая повреждения ДНК мутагенными или ДНК-токсическими (генотоксическими) продуктами метаболизма. Как было подробно разъяснено ранее, такими веществами являются прежде всего активные формы кислорода (, ОН·, Н_2О_2) и перекиси липидов. Читатель теперь знает и то, что защитить ДНК клеток от этих агентов можно, с помощью природных или нетоксических синтетических антиоксидантов. И что очень существенно с практической точки зрения: эти же средства можно использовать и для защиты ДНК от генотоксических факторов окружающей среды, в частности излучений.

В этой книге неоднократно отмечались общие звенья механизмов естественного старения и отдаленных эффектов излучений. Приводились и примеры общей закономерности: вещества, которые радиобиологи считают перспективными радиозащитными, и вещества, у которых геронтологи обнаружили способность увеличивать продолжительность жизни необлученных животных, в значительной степени совпадают. Среди этих веществ — антиоксиданты.

Сейчас добавим только, что при назначении людям антиоксидантов также должны учитываться особенности их метаболизма (скорости образования в клетках и тканях перекисей липидов и активности антиоксидантных систем, в частности тех, о которых речь шла в IV главе этой книги). Пока индивидуальные особенности этих биохимических параметров практически не исследованы, хотя такая биохимическая индивидуальность без особого труда, а главное, без вреда для исследуемого может быть определена, например, в небольшом количестве крови или путем определения содержания пентана в выдыхаемом человеком воздухе (это вещество образуется в процессе переокисления липидов; интересно также отметить, что его температура кипения лишь несколько ниже температуры тела человека и составляет 36,074 °C).

Есть основания полагать, что эффекты нескольких антиоксидантов могут взаимодействовать. Таким образом, с целью усиления устойчивости организма к старению и связанным с ним болезням, а также к облучению и химическим мутагенам, загрязняющим окружающую среду, в будущем, вероятно, будет использован комплекс веществ, усиливающих репарацию и обладающих антиоксидантными свойствами. Наверное, этот защитный комплекс будет включать β-каротин, витамины С и Е, селен, определенные соединения, содержащие SH группы, фермент супероксиддисмутазу.

В процессе старения уменьшается активность не только такого защитного энзима, но и других ферментов. Это связано с возрастным торможением их синтеза, о чем подробно рассказывалось во II и III главах. Возможно, такое торможение удастся компенсировать с помощью факторов, увеличивающих эффективность биосинтеза белка. По-видимому, такими свойствами обладает центрофеноксид, являющийся к тому же антиоксидантом; по ряду данных он задерживает развитие одного из основных молекулярных признаков старения клетки — накопление в ней липофусцина.

На состоявшемся в октябре 1984 года в США симпозиуме по молекулярной биологии старения в нескольких докладах речь шла о дегидроэпиандростероне как о перспективном средстве, тормозящем или компенсирующем у лабораторных животных неблагоприятные эффекты старения. Ювенильные свойства этого вещества также могут быть связаны с его способностью "мягко активировать" синтез белка. Но даже если не удастся обратить вспять процесс торможения синтеза белка в клетках стареющего организма, то можно попытаться скомпенсировать неблагоприятные последствия этого торможения. Одно из основных таких следствий — уменьшение скорости синтеза нейромедиаторов (см. главу V), гормонов, АТФ (см. главу III), коэнзимов, холина и т. д. Включение ряда из них в диету (в физиологических количествах!) — простейший путь компенсации их недостаточного содержания в организме. Однако прежде, разумеется, должны быть налажены простые и дешевые, пригодные для массового использования методы анализа этих веществ в сыворотке и моче (почему это надо делать, станет ясно, если вспомнить снова о "биохимической индивидуальности" человека).

Перечисленные здесь антиоксиданты, а также средства, усиливающие репарацию ДНК (некоторые из них, возможно, получат, используя методы генной инженерии), будут пригодны для защиты от старения не только соматических, но и половых клеток, т. е. не только ныне живущих людей, но и будущих поколений. Об этой проблеме упоминалось в начале этой главы; здесь добавлю, что о практической ее значимости свидетельствуют, например, следующие биологические закономерности: при различных воздействиях на организм животных, которые приводят к повреждению их половых клеток (химические мутагены, радиация, спонтанное повреждение), учащение опухолевых заболеваний или сокращение продолжительности жизни наблюдается и у потомства. Причем эти вредные эффекты могут сохраняться не только в первом, но и в последующих поколениях.

* * *

Из всего сказанного в этой книге читателю, надеюсь, стала ясна и предполагаемая автором этих строк формула успеха на пути научной разработки эффективных средств предупреждения преждевременного старения и связанных с ним болезней.

Она включает целый ряд слагаемых:

• теоретические исследования;

• медицинские эпидемиологические исследования с применением новейшей вычислительной техники;

• разработку на основании этих данных рекомендаций по питанию, физической нагрузке и других рекомендаций;

• использование опыта народной медицины и советы мудрых людей, в частности долгожителей, относительно правильного образа жизни.

Распространение соответствующих научных знаний среди широких слоев населения — хочется верить, тоже немаловажное слагаемое в успешной борьбе с преждевременным старением и ассоциируемыми с ним болезнями.

Краткий словарь терминов

Антиканцероген - средство, защищающее клетки и организм от канцерогенов - веществ, вызывающих превращение нормальных клеток в опухолевые.

Антимутаген - вещество, защищающее клетки и организм от мутагенного действия факторов, загрязняющих окружающую среду, т. е. вещество, уменьшающее частоту мутаций клеток.

Антиоксидант - вещество, защищающее биоструктуры от окислительной деструкции.

Антисеноген - средство, тормозящее развитие процессов преждевременного старения организма, защищающее его от одряхления. Синоним термина "геропротектор".

Аутоиммунные реакции (процессы) - ("болезненная") реакция иммунной системы на собственные антигены и клетки, в результате чего в организме развиваются патофизиологические изменения и заболевания.

Биогеронтология - наука о биологических основах старения.

Вегетарианские диеты - рационы, состоящие только из растительной пищи. При сыроедении пища состоит из сырых овощей (капуста, огурцы, морковь, помидоры, свекла), разнообразных фруктов и ягод. Вегетарианские диеты получили широкое распространение, однако они имеют ряд недостатков, существенных с точки зрения диетологии. Основной из них - невозможность создания сбалансированных рационов.

Возраст хронологический - продолжительность прожитой после рождения жизни. Отечественные геронтологи различают средний возраст человека (45-59 лет); пожилой (60-74 лет); старческий (более 75 лет); возраст долгожителей (90 и более лет).

Возраст биологический (физиологический) - совокупность свойств организма, характеризующих вероятную продолжительность жизни.

Возрастной показатель смертности - доля организмов, погибших в течение определенного возрастного интервала по отношению к общему числу оставшихся в живых.

Геронтология - наука о старении.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота - один из основных компонентов ядра, в котором в виде последовательности нуклеотидов записана генетическая информация, реализуемая через синтез РНК (рибонуклеиновых кислот) и белков (см. пояснение терминов "транскрипция" и "трансляция").

Долгожители - люди, достигшие 90-летнего и более старшего возраста. Это люди, фактически реализующие видовой потенциал продолжительности жизни, генетически "предопределенный" для Homo sapiens.

Долголетие - способность организма реализовать видовой потенциал продолжительности жизни, т. е. противостоять дряхлости и старению до сроков, близких к срокам максимальной длительности жизни для данного вида организмов.

Защитные механизмы - молекулярные и клеточные механизмы, обезвреживающие токсические и канцерогенные вещества, а также устраняющие повреждения биоструктур, вызванные этими веществами или физическими факторами. Механизмы и факторы, снижающие риск развития преждевременного старения и определенных заболеваний.

In vitro - "в пробирке"; клетки, находящиеся вне организма; макромолекулы, выделенные из клеток или тканей.

In vivo - клетки, существующие в организме; макромолекулы, функционирующие в клетках и тканях.

Канцерогенез - процесс превращения нормальной клетки в опухолевую; развитие в организме злокачественной опухоли.

Климакс - состояние организма, наступающее в пожилом возрасте, или механизмы, приводящие к прекращению детородной функции.

Конформация ДНК - вторичная структура ДНК; в книге рассматривается ее В-форма - каноническая уотсон-криковская правозакрученная двойная спираль и Z-форма - левозакрученная двойная спираль.

Липофусцины - "пигменты старения" (изнашивания), нерастворимые липид-белковые комплексы, накапливаемые с возрастом в различных клетках животных; образуются в результате перекисного окисления липидов, при котором возникает малоновый альдегид, который, будучи бифункциональным альдегидом, как предполагается, образует сшивки с аминогруппами белка.

Менопауза - прекращение у женщин детородной функции.

Нейромедиатор (нейропередатчик) - специальное вещество, вырабатываемое в нервных клетках, в их окончаниях и участвующее в передаче нервного импульса (информации) между нервными клетками иди с них на иннервируемые органы.

Оздоровительная диета - рацион, состоящий из пищи, которая практически не содержит канцерогенов и мутагенов и в которой наряду с необходимыми общеизвестными питательными веществами содержатся повышенные количества природных антиоксидантов и антимутагенов, антиканцерогенов, антисеногенов, причем эти вещества не оказывают каких-либо нежелательных (побочных) эффектов на организм. Есть веские основания полагать (хотя этот вопрос еще изучается врачами), что примером таких веществ является β-каротин. Оздоровительная диета, по определению, такая, которая укрепляет жизнестойкость организма, его резистентность к различным болезням.

Питание сбалансированное - оптимальные соотношения отдельных пищевых веществ, которые, как предполагают диетологи, необходимы в среднем для поддержания нормальной жизнедеятельности взрослого человека. При разработке общих рационов и оценке отдельных продуктов отечественные диетологи обычно используют "формулу сбалансированного питания" А. А. Покровского. Считается, что сбалансированное питание - необходимое условие рационального питания населения.

Прогерии - наследственные синдромы (синдром - совокупность признаков болезни, объединенных общей причиной), при которых резко выражены многие (но не все) симптомы преждевременного старения. При прогериях могут быть и симптомы, не характерные для естественного старения.

Прогерия - синдром Гетчинсона - Гилфорда - болезнь, при которой у детей развиваются атеросклероз, гипертензия, поседение, облысение и другие признаки старения организма.

Радиационная геронтология - наука, изучающая закономерности укорочения жизни и старения организмов, переживших острое луче вое поражение, или в результате хронического облучения в несмертельных дозах.

Радикалы свободные - молекулы, содержащие неспаренный электрон.

Репарация ДНК - восстановление структуры ДНК, поврежденной физическими или химическими агентами или вследствие ее спонтанной нестабильности.

Редупликация и репликация ДНК - ее удвоение путем разделения двойной спирали на две цепи и достройки на каждой из них новых (дочерних) последовательностей нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам материнской цепи. Процесс катализируется ферментом ДНК-полимеразой.

РНК - рибонуклеиновая кислота, биополимер, состоящий из четырех видов рибонуклеотидов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из азотистого основания (аденин, гуанин, цитозин или урацил), сахарного остатка - рибозы и остатка фосфорной кислоты. Синтезируется с участием фермента РНК-полимеразы по матричному принципу на ДНК; различные классы РНК участвуют в матричном синтезе белка на рибосомах.

Сеногенный (фактор) - способствующий развитию преждевременного старения.

Синергизм - явление взаимоусиления эффектов двух факторов, действующих на биосистемы.

Скорость старения человеческих популяций - определяется в одномоментных (поперечных) исследованиях путем сравнения средних значений определенного показателя у взрослых людей различных возрастных групп. Или методами продольного (лонгитудинального) исследования изменений, происходящих у взрослого человека на протяжении многих лет.

Спонтанные мутации - "естественные" наследственные изменения, возникающие в обычных (нормальных) условиях существования клеток.

Спонтанные повреждения ДНК - повреждения в ней, возникающие в нормальных условиях существования клеток.

Старение - накопление неблагоприятных изменений в клетках и тканях организмов по мере увеличения их хронологического возраста; эти изменения уменьшают функциональную способность многих органов и способность организмов к адаптации; увеличивают их уязвимость ко многим болезням; увеличивают вероятность смерти.

Стресс - неспецифическая реакция организма, вызванная действием на него экстремальных факторов (сильная физическая нагрузка, резкое психическое напряжение, сильное охлаждение или перегревание и т. д.), при которой активируются нейрогуморальные механизмы защиты и адаптации (приспособления).

Транскрипция - катализируемый РНК-полимеразой процесс "переписывания" (передачи) генетической информации, записанной в определенной последовательности нуклеотидов с ДНК на РНК-

Трансляция - катализируемый определенными ферментами "перевод" генетической информации, записанной в форме последовательности нуклеотидов в РНК в виде последовательности аминокислот в соответствии с генетическим кодом; синтез белка на рибосомах с использованием матричной (мРНК), в которой закодирована аминокислотная последовательность этого белка.

Трансформация злокачественная - спонтанное или вызванное действием определенного канцерогена или вируса превращение нормальной клетки в опухолевую.

Фактор риска - фактор, способствующий развитию определенного заболевания. Но можно выделить группу факторов риска (алкоголь, курение, переедание, психические стрессы), которые являются факторами риска, общими для наиболее распространенных и тяжелых сердечно-сосудистых и опухолевых заболеваний. Как показывает анализ, эти же факторы являются факторами риска развития преждевременного старения. Можно выделить также большую группу генетических факторов риска (наследственных изменений); среди них есть целый ряд увеличивающих вероятность развития сразу нескольких тяжелых заболеваний (и прежде всего опухолевых), а также преждевременного старения. Но преждевременное старение само предрасполагает к развитию различных распространенных заболеваний, и поэтому его можно считать сильным фактором риска этих заболеваний.

Факторы, способствующие предотвращению преждевременного старения и ассоциированных с ним болезней - вещества, содержащиеся в пищевых продуктах (например, определенные природные антиоксиданты), рациональное питание, физические упражнения умеренной интенсивности и некоторые другие воздействия на организм. Такие воздействия могут защищать и от эффектов перечисленных выше факторов риска и, вероятно, от агентов, загрязняющих окружающую среду, включая химические канцерогены и увеличенный фон излучений. Следовательно, поиск защитных факторов и снижение уровня воздействия на людей факторов риска - биологическая и гигиеническая основа увеличения жизнестойкости организма, профилактики и преждевременного старения и наиболее тяжелых и распространенных заболеваний. Эффект каждого из благотворных факторов зависит от сочетанного воздействия других факторов, поэтому рекомендации по их использованию должны быть максимально индивидуальными.

Ювенологические механизмы и средства - предупреждающие преждевременное старение и сохраняющие основные параметры организма и работоспособность человека на уровнях, близких к оптимальным, т. е. с учетом индивидуальных особенностей, обычно характерных для периода зрелой молодости. Ранее разъясненные понятия: антиканцероген(ез); антимутаген(ез); факторы защиты от преждевременного старения и связанных с ним болезней - кратко характеризуют предмет и подходы биоювенологии. Важнейшая задача этой науки - разработка совместно с генетиками теоретических основ и практических рекомендаций по охране генетического потенциала человека, подвергаемого, как известно, все более тяжелому воздействию и химических, и физических мутагенов и вирусов, загрязняющих биосферу.

* * *

© Издательство "Знание", 1976 г.

© Издательство "Знание", 1987 г.

Михаил Маркович Виленчик

Биологические основы старения и долголетия

Издание 2-е, переработанное и дополненное

Главный отраслевой редактор В. П. Демьянов

Редактор С. П. Столпник

Мл. редактор Н. А. Васильева

Художник А. И. Добрицын

Худож. редактор М. А. Бабичева

Техн. редактор Я. В. Калюжная

Корректор Л. В. Иванова

ИБ № 8593

Сдано в набор 19.08.86. Подписано к печати 26.01.87. А 07826. Формат бумаги 84×108^1/32. Бумага тип. № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 11,76. Усл. кр.-отт. 11,97. Уч.-изд. л. 13,01. Тираж 100000 экз. Заказ 6-583. Цена 50 коп. Издательство "Знание". 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 877704. Отпечатано с матриц МПО 1-ой Образцовой типографии им. А. А. Жданова на Киевской книжной ф-ке. 252054, г. Киев, Воровского, 24.

Примечания

1

В 1986 году было получено прямое доказательство существования мтДНК среди молекул ядерной ДНК клеток человека. Кроме того, А. Я. Литощенко (Институт геронтологии АМН СССР) сообщил об обнаруженном им новом явлении — нарушении регликации мтДНК в печени старых животных. Эти данные можно считать еще одним косвенным доказательством повреждения мтДНК при старении.

Content

Виленчик Михаил Маркович
«Биологические основы старения и долголетия»
Издание 2-е переработанное и дополненное

Об авторе

Предисловие

От автора

Глава I Здоровье, старение и долголетие с точки зрения биологии

Глава II Снижение "запаса прочности" — показатель старения организма

Глава III Механизмы старения и гибели клеток

Глава IV Молекуляpнo-клеточные системы поддержания жизнеспособности

Глава V Старение и связанные с ним болезни

Глава VI Зависимость продолжительности жизни от генетических факторов

Глава VII Биологические аспекты проблемы здорового образа жизни

Заключение

Примечания