Начало >> Статьи >> Архивы >> Принципы оценки химического воздействия на пожилых людей

Изменения структуры и функции генов при старении - Принципы оценки химического воздействия на пожилых людей

Оглавление
Принципы оценки химического воздействия на пожилых людей
Обзор проблемы
Воздействие химических веществ
Стареющая популяция
Теории старения
Изменения структуры и функции генов при старении
Изменения в тканях, органах и системах при старении
Изменения в органах чувств при старении
Изменения в эндокринной системе при старении
Изменения в репродуктивной системе при старении
Изменения в иммунной системе при старении
Изменения в сердечно-сосудистой системе при старении
Изменения в дыхательной системе при старении
Изменения в почках и распределении жидкостей при старении
Изменения в пищеварительной системе при старении
Изменения в костно-мышечной системе при старении
Изменения в коже при старении
Фармакокинетика изменения чувствительности
Фармакодинамика изменения чувствительности
Эндокринная система - фармакодинамика изменения чувствительности
Почки, иммунная система, другие - фармакодинамика изменения чувствительности
Модифицирующие факторы изменения чувствительности
Взаимодействие химических веществ и заболеваемости
Экспериментальные подходы  к изучению эффектов
Химическое воздействие - подходы  к изучению эффектов
Эпидемиологические и клинические подходы
Биомаркеры старения
Выводы и дальнейшие исследования
Литература

СТРУКТУРНЫЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ СТАРЕНИИ
Изменения структуры и функции генов при старении
Изменения экспрессии генов крайне важны для организма. Старение может потенциально изменять не только структуру генов, но и направление их функционирования. Часто думают, что изменения ДНК являются интегральными при старении. Ясно, что с возрастом накапливаются не только мутации, но и хромосомные перестройки (Vijg, 1990). Решающую роль в процессах старения может играть семейная наследственность. Кроме того, структурно и функционально важна организация ДНК и протеина в хроматине. Изменения хроматина могут играть главную роль в связанных с возрастом изменениях регуляции экспрессии генов (Richardson et al., 1983; Medvedev, 1984; Thakur, 1984; Richardson et al., 1985).

Структура хроматина

Изменения хроматина могут вовлекать как протеины, которые взаимодействуют с ДНК, так и химическую структуру самой молекулы ДНК. Хотя с увеличением возраста не отмечено изменений стехиометрии большинства гистонов (Richardson et al., 1983; Medvedev, 1984), некоторые исследователи сообщают об изменениях подвида гистона H1 (Medvedev, 1984; Mitsui et al., 1980; Niedzwiecki et al., 1985). Ацетилирование гистонов, которое предположительно изменяет взаимодействие гистон—ДНК и делает ДНК более доступной, снижается на 30-70% по мере старения (O’Meara & Pochron, 1979).
Что касается связанных с возрастом изменений химической структуры ДНК, то не существует убедительных доказательств “спонтанной” индукции разнообразных повреждений ДНК в различных органах и тканях как у человека, так и у экспериментальных животных (обзорно см. Mullaart и соавт., 1990). Оказывается, что большинство этих повреждений восстановимы (см. ниже), но не все. Например, Cathcart и соавт. (1984) и Fraga и соавт. (1990) пришли к выводу, что у крыс в день происходит 105 окислительных повреждений ДНК в расчете на клетку. Когда скорость репарации не достигает скорости индукции повреждений, происходит увеличение спонтанных повреждений ДНК с возрастом. Fraga и соавт. (1990) подсчитали, что для возникновения одного специфического повреждения 8-гидрокси-деоксигуанозина у крысы в день должно накопиться около 80 остатков на клетку тканей.
Несмотря на то что некоторые повреждения ДНК быстро репарируются, это нехарактерно для всех без исключения повреждений. Действительно, после воздействия на крыс низких доз 2-ацетиламинофлюорена (AAF) Mullaart и. соавт. (1989) смогли спустя 21 день еще определить около 30% значительных повреждений, индуцированных после прекращения воздействия. Подобная неполная репарация может быть причиной накопления повреждений ДНК на протяжении продолжительной или частой экспозиции генотоксическими агентами.

Репарация ДНК

Для защиты химической структуры ДНК клетки снабжены батареей репаративных систем, удаляющих повреждения. Различные механизмы действия этих систем репарации ДНК и их взаимосвязи еще не до конца изучены (недавний обзор см. Iehmann et al., 1992). В целом, репаративные системы могут быть разделены на 3 категории, а именно: прямую репарацию, репарацию удалением и пострепликационную репарацию. При прямой репарации повреждение само удаляется без какого-либс дальнейшего (преходящего) изменения структуры ДНК. Прямая репарация включает ферментативную фотореактивацию пиримидиновых димеров, индуцированную ультрафиолетом, и удаление О-алкиладдуктов специфическими алкилтрансферазами.
Репарация ДНК удалением осуществляется сложной многоферментной системой, компоненты которой на различных этапах вовлекаются в этот репаративный процесс (Vijg & Knook, 1987). Третий тип репарации, пострепликационная репарация, в действительности не удаляет повреждение, но позволяет репликационной системе обойти его. Считается, что последний процесс особенно связан с повреждением нуклеотида (мутация).
Точная оценка способности организма восстанавливать специфические повреждения затруднена и часто бывает ошибочной. В целом, наиболее надежные данные могут быть получены, когда индукция и исчезновение соответствующих повреждений контролируются в различных органах и тканях экспериментальных животных. К сожалению, в большинстве исследований возможного снижения репаративной активности ДНК с возрастай были использованы способы, с помощью которых оценивается фаза синтеза ДНК при репарации удалением. Главный вывод из этих работ, подученный преимущественно на культуре клеток, состоит в том, что эффективность репаративных систем ДНК не снижается в зависимости от возраста (Tice & Setlow, 1985; Likhachev, 1985; Hanawalt, 1987). Однако невозможно исключить, что при старении репарационные системы ДНК становятся более подверженными ошибкам, приводящим к усилению индукции мутаций (Vijg & К nook, 1987). В любом случае определенная степень несовершенства является главной чертой системы репарации ДНК, на что указывало фактическое накопление как повреждений ДНК, так и изменение последовательности ДНК (см. выше). Вопрос, который следовало бы решить, состоит в определении типа изменений ДНК, их количества и уровня, до которого они накапливаются с возрастом. Наконец, следует оценить их роль в течении физиологического угасания или в инициировании болезни.

Транскрипция

В последнем десятилетии было опубликовано несколько обзорных статей, в которых обсуждается влияние возраста на транскрипцию (Rothsteln & Seifert, 1981; Richardson et al., 1983; Richardson et al., 1973; Richardson & Semsei, 1987; Slagboom & Vljg, 1989). Главной проблемой в этой области была трудность точного измерения скоростей синтеза специфических видов РНК н их внутриклеточных уровней. С существенным продвижением технологии рекомбинации ДНК эта проблема в настоящее время фактически устранена, и наши знания о возрастных поражениях экспрессии специфических генов стали быстро обогащаться.
К настоящему времени выясняется, что в целом транскрипционная активность клетки при старении организма снижается. Однако уровень общей РНК стремится оставаться постоянным за счет снижения скорости обновления РНК (Horbach et al., 1986).
Недавно были измерены уровни некоторых специфических видов мРНК, используя сДНК-зонды для специфических генов (Richardson & Semsei, 1987). В целом не выявлено однонаправленных тенденций. Уровни некоторых видов мРНК уменьшаются с возрастом, при этом другие виды мРНК не изменяются в процессе старения, а третьи заметно возрастают (Slagboom & Vijg, 1989).
В большинстве исследований была найдена хорошая корреляция между связанными с возрастом изменениями уровней видов мРНК и уровнем белка (или энзиматической активностью), обусловленным видами мРНК. Это было показано на печени крыс применительно к альбумину (Horbach et al., 1984), альфа-2-глобулина (Richardson et al., 1987) и супероксиддисмутазы и каталазы (Semsei et al., 1989), а также на почках и тонком кишечнике крыс применительно к калбиндину Е (Annbrecht et al., 1989). Связанное с возрастом уменьшение мято ген-индукции интерлейкина 2 (IL-2) (Wu et al., 1986; Nagel et al., 1988; Pahlavani et al., 1988) и IL-3 (Li et al., 1988) мPHK в лимфоцитах грызунов и человека соответствует возрастному снижению биологической активности этих двух интерлейкинов. Напротив, Strong и соавт. (1990) сообщили с разобщении транскрипции и трансляции тирозин-гидроксилазы в надпочечниках старых крыс.
Исследователи обычно допускают, что связанные с возрастом изменения уровней важнейших видов мРНК появляются в результате изменений транскрипции. Однако лишь в нескольких работах транскрипция специфических генов как функция возраста действительно была измерена с использованием ядерных смывов (nuclear run-off assays). В то время, когда отмечено связанное с возрастом снижение в ядерной транскрипции генов альфаги-глобулина (Richardson et al., 1987; Murty et al., 1988a) цитохрома P-450(в+е) (Rath & Kanungo, 1989) и супероксиддисмутазы и каталазы (Semsei et al., 19899, ядерная транскрипции генов тирозинаминотрансферазы и триптофаноксигеназы (Wellinger & Guigoz, 1986), альбумина (Horbach et al., 1986) с-мус генов (Buckler et al., 1988) была одинакова у молодых и старых грызунов. В настоящее время проводятся исследования для более детального выяснения возрастных изменений в специфических видах мРНК, в которые вовлекаются факторы транскрипции (Post et al., 1991).
Одно из впечатляющих достижений в области транскрипции старения состоит в том, что ограничение питания, которое увеличивает продолжительность жизни грызунов, изменяет экспрессию некоторых генов на уровне транскрипции (Richardsoi et al., 1987; Semsei et al., 1989). Однако экспрессия не всех генов страдает при голодании (Waggoner et al., 1990).
Кроме ядерного синтеза, важную роль в регуляции экспрессии генов играет посттранскрипционная обработка hnPHK. Muller и соавт. (1989) недавно обсуждали различные взгляды на то, как посттранскрипционная обработка hnPHK может изменяться с возрастом. В настоящее время существует мало доказательств того, что с возрастом имеют место серьезные изменения размера поли(А)-сегмента мРНК (Birchenall-Sparks et al., 1985). Интересно, что среди многих исследований, в которых виды мРШ анализировались с помощью Northern blot метода, нет ни одного сообщения о значимом возрастном изменении размера исследуемых видов мРНК (Richardson & Semsei, 1987). Итак,  настоящее время существует очень мало прямых доказательств, подтверждающих, что обработка и/или ядерный транспорт hnPHK изменяется с возрастом.

Трансляция

Старение, как правило, приводит к уменьшению синтеза общего белка у растений, беспозвоночных, грызунов и в культурах клеток (Richardson 8с Birchenall-Sparks, 1983; Ward 8с Richardson, 1991). Последние исследования сфокусированы на проблеме влияния возраста на трансляцию мРНК в специфических протеинах и на способности модулировать возрастные изменения в синтезе белка. Не существует доказательств, что с возрастом имеет место снижение правильности синтеза протеинов, но технические ограничения не позволяют сделать более определенное заключение (Rosenberger & Kirkwood, 1986). Влияние возраста на синтез белка различно в зависимости от вида белка. Необходимо больше усилий, чтобы оценить воздействие на ключевые индивидуальные белки. Недавно предприняты попытки модулировать синтез протеинов. Скорость синтеза белка в печени крыс больше повышается после наступления зрелости при ограниченном питании, чем при питании ad libitum (Ward). В системе in vitro гормон роста усиливает синтез белка в мышцах старых крыс до уровня, который обнаруживается у молодых животных (Sonntag et al., 1985). Требуется гораздо больше исследований, концентрирующихся на проблеме индивидуальных белков различных тканей и организмов.



 
« Принципы организации биологических систем   Принципы терапии шока и терминальных состояний »