УДК 577.24
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНВЕРСИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА: КОНЦЕПЦИЯ R/K-СТАРЕНИЯ ВЫСШИХ ЭУКАРИОТ
© 2013 г. Д. В. Гришин
АНО "НИИМолекулярной Биотехнологии", Москва E-mail: gdv-23@yandex.ru
Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, отражающие взаимосвязь возрастной динамики экспрессии ряда внутриклеточных протоонкогенов с величиной Gl-периода интерфазы, как необходимого молекулярного рычага управления продолжительностью жизненного цикла клеток эукариот. Также развивается идея о том, что клетки высших эукари-от, как структурно-функциональные единицы клеточных популяций макроорганизма, в процессе онтогенеза осуществляют смену (молекулярно-генетическую инверсию) "R''-стратегии существования (интенсивного процесса клеточного обновления и короткого пресинтетического периода интерфазы) на "К"-стратегию (замедление процессов клеточного обновления, увеличение времени нахождения клеток в пресинтетическом периоде). На основании комплекса научно-практических и теоретических данных сформулирована концепция R/K - старения высших эукариот, выражающаяся в молекулярно-генетическом переходе клеток, в процессе онтогенеза целого организма, от старения быстрого (летального) типа, превалирующего на ранних этапах развития, к медленному старению, т.е., к старению витального типа, которое свойственно уже более поздним стадиям индивидуального развития.
Ключевые слова: R/K-инверсия, протоонкогены, ядерные рецепторы к стероидам, старение, продолжительность Gl-фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Современный взгляд на проблему биологического старения эукариот
Старение, как общебиологическое явление, наблюдается у подавляющего большинства известных науке организмов, имеющих высокий уровень развития и дифференцировки центральной нервной системы. Биологическое старение определяется как изменение биологических особенностей организма, возникающее с наступлением зрелости и выражающееся в постепенном снижении адаптационных свойств организма. Подобные изменения могут затрагивать как функцию отдельных клеток, так и целый организм, т.е. старение представляет собой совокупность возраст-зависимых отклонений от гомеостаза на молекулярном, субклеточном, клеточно-тканевом и системном уровнях ^Ли^-АеИеп, 1997).
В самом общем смысле можно выделить две большие группы теорий старения: стохастические (вероятностные) теории и теории программированного старения.
Стохастические теории
Теория соматических мутаций и повреждения ДНК. Согласно данной теории старение является результатом взаимодействия эндогенных и экзогенных повреждающих агентов с генетическим материалом клетки и постепенного накопления случайных мутаций в геноме соматических клеток. Повреждения ядерной и митохондриаль-ной ДНК клеток, например точечные мутации, делеции и инверсии, приводят к активации или инактивации специфических генов, вовлеченных в такие ключевые клеточные процессы, как регуляция клеточного цикла и контроль роста (Мог1еу, 1995).
Теория катастрофы ошибок. Данная теория была сформулирована в 1963 г. Л. Оргелем. Она базируется на предположении, что основной причиной старения является возрастное накопление генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как спонтанными, так и вызванными различными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, ультрафиолетовые
лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций и другие) (Johnson et al., 1985; Gallant et al., 1997). В настоящее время имеются новые данные о различных способах репарации ДНК, которые используются как аргумент против "гипотез ошибок".
Свободно-радикальная теория. Согласно этой теории причиной старения является накопление внутриклеточных повреждений, вызванных воздействием агрессивных метаболитов - свободных радикалов. При этом некоторые элементы старения являются результатом взаимодействия повреждающих агентов экзогенной и /или эндогенной природы с белками, что приводит к образованию так называемых "перекрёстных сшивок", снижающих активность ферментов и белков, ответственных за регенерационные процессы (Harman, 1995).
Теория общего износа гласит, что суммарное накопление повреждений, приобретённых за всю жизнь индивидуума, каскадно снижает защитные свойства организма (Kunlin, 2010), говоря языком "сопромата" наступает его постепенное "усталостное выкрашивание".
Теории программированного старения
Теория о летальных генах. Данная теория утверждает о существовании целой группы генов, чья избыточная активация, либо репрессия, приводят к клеточной гибели, т.е. подразумевается, что старение и клеточная гибель есть результат предопределённого биологического плана (Maine et al., 1985). Например, известно, что больные с аутосомно-доминантным признаком, определяющим развитие хореи Хантингтона, обычно умирают в течение 20 лет после начала заболевания от комплекса сопутствующих осложнений, поэтому предлагается считать этот ген летальным.
Теория маргинотомии и концепция феноптоза. Теория маргинотомии основывается на данных о том, что в ходе культивирования нормальных клеток in vitro происходит укорочение концевых участков хромосом (теломер) на 50 пар нуклеотидов за каждый цикл деления. Подобное укорочение хромосом происходит и in vivo в подавляющем большинстве животных клеток. Российский биолог-теоретик А.М. Оловников предположил, что потеря концевых последовательностей при недо-репликации ДНК является одной из причин старения большинства соматиче ских клеток (Olovnikov, 1995). Впоследствии Дж. Шостаком, К. Грейдер и Э. Блэкбёрн был открыт фермент теломераза, недостаточная активность которого и приводит
к недорепликации ДНК. Концепция феноптоза полагает, что, подобно любой другой важной функции, процесс старения "запрограммирован" и реализуется посредством нескольких молекулярных механизмов, которые функционируют одновременно. К подобным механизмам автор концепции академик В.П. Скулачев ^ки1аЛеу, 1999) относит не только укорочение теломер, благодаря подавлению активности фермента теломеразы на ранних стадиях эмбриогенеза, но и возраст-зависимую активацию экспрессии белков теплового шока, и неполное подавление генерации реактивных форм кислорода (РФК) с недостаточным удалением уже существующих РФК.
Нейроэндокринная теория Дильмана утверждает, что основным звеном механизмов, как развития, так и последующего старения организма является гипоталамус - "дирижер" эндокринной системы. Главной причиной старения, при этом, называется возрастное снижение чувствительности гипоталамуса к регуляторным сигналам, поступающим от нервной системы и желез внутренней секреции фПтап et а1., 1986).
Эволюционные теории были сформулированы в конце XIX века Расселом Уоллесом, на основании трудов Чарльза Дарвина, а затем продолжены уже в середине ХХ века в работах американского ученого-биолога Дж. Вильямса. В соответствии с этой теорией естественный отбор направлен на устранение индивидуумов после того как они произвели потомство, т.е. после того как они выполнили свое биологическое предназначение. Вильямсом была сформулирована также теория антагонистической плейотропии, дополняющей эволюционную теорию старения. При этом Виль-ямс утверждал о наличии компромисса между размножением и продолжительностью жизни (Ungewitter et а1., 2009). Согласно нему быстрое развитие индивидуума должно коррелировать с быстрым старением. И хотя конкретные плейо-тропные гены, вовлеченные в данный процесс, долго не были обнаружены, этот прогноз был подтвержден в экспериментах с использованием плодовой мушки Drosophila melanogaster. Ограничивая размножение мушек до позднего возраста, удалось увеличить их продолжительность жизни. И наоборот, уменьшенная плодовитость наблюдалась среди долгоживущих мух, подтверждая идею компромисса между размножением и выживанием.
Очевидно, что механизмы старения чрезвычайно сложны и многообразны. Как видно, на сегодняшний день существует несколько альтернативных теорий, которые отчасти противоречат
друг другу, а отчасти - дополняют. Однако трудно отрицать тот факт, что в данный процесс вовлечены гены, протоонкогены (белковые митогены) и ряд эпигенетических факторов (метиллирова-ние генов и их промотеров, деацетилирование гистонов и т.п.). Современная биология уделяет проблеме старения большое внимание, и с каждым годом появляются все новые научно-практические и теоретические факты, позволяющие глубже понять механизмы этого процесса.
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ПРОТООНКОГЕНЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК
Клеточный цикл любой клетки как повторяющаяся с определенной регулярностью совокупность событий, обеспечивающих деление, включает несколько неизменных стадий: Gx -фаза - период перед синтезом ДНК или пре-синтетический период, S-фаза - период синтеза или репликации ДНК, G2-фаза - период между синтезом ДНК и митозом, а также завершающий этап - собственно митоз (De Souza et al., 2007). Неизменные по очередности, эти фазы могут иметь разную продолжительность, что зависит от ряда факторов.
В 1961 г. профессор Пенсильванского университета Леонард Хейфлик при проведении серии опытов получил результат, свидетельствующий о способности эукариотических клеток, даже в идеальных условиях культивирования, делиться только ограниченное число раз (50±10) (Hayflick, 1965). Было установлено также, что при пересевах клетки проходят in vitro ряд морфологически различимых стадий, после чего их способность к пролиферации постепенно утрачивается. Последняя фаза жизни клеток в культуре была приравнена к клеточному старению, а сам феномен получил, по имени автора, название предела Хей-флика. Первым следствием из этого правила являлся факт того, что с увеличением возраста донора клеток, число делений, на которые способны клетки организма, существенно уменьшается, что приводит к представлению о существовании некоего "счетчика" делений, ограничивающего общее их число.
С середины ХХ века началось активное изучение внутриклеточных белков, влияющих на параметры клеточного цикла. Данным белкам было присвоено общее название - протоонкогены. Так в 1992 году группой ученых под ру
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.